重复荷载作用下乳化沥青冷再生混合料集料运动特性研究

杨彦海 王汉彬 郝丕琳 黄 强 杨 野

（1.沈阳建筑大学交通工程学院，辽宁 沈阳 110168；2.辽宁省交通运输事业发展中心，辽宁 沈阳 110005）

1 引言

近年来，国内外众多学者利用图像处理技术，研究了不同沥青混合料内部结构的变化对其物理力学性能的影响［1-3］，随着研究的不断深入，在不同条件下沥青混合料中粗集料状态的改变对整体性能的影响成为许多道路研究者关注的焦点［4-5］，发现经过疲劳试验后，沥青混合料内部粗集料的各项物理指标总是发生较大变化，进而影响整体材料的力学性能［6-10］，张德育和Pouranian M R 等采用离散元方法 （DEM） 结合PFC2D/3D 软件，定量描述了沥青混合料中粗集料排列的状态［11-12］，郭辉和蔡旭等同样利用数字处理技术评价了沥青混合料成型过程中粗集料排布的变化规律［13-14］，高磊和詹国良等通过研究两种不同类型的冷再生沥青混合料，分析了其中粗集料的分布、方向和形状特性［15-16］，邢超基于 X射线计算机断层扫描和数字图像处理方法，讨论了沥青混合料的破坏对细观结构和骨料接触的影响［17］。

这些研究促进了对沥青混合料中粗集料作用的认识，也促进了图像处理技术在表征沥青混合料部分细观特性的应用，但国内外学者的研究重心主要还是集中在路面工程中常用的普通沥青混合料和一些改性沥青混合料，或者对乳化沥青冷再生混合料仅进行了比较基本的细观层面初步分析，后续研究有待继续完善。由于乳化沥青冷再生混合料在原材料的组成设计、界面的组合特征上均与普通沥青混合料存在着本质区别，倘若直接使用以往普通沥青混合料的研究方法和试验结果来分析乳化沥青冷再生混合料，会使研究成果存在极大的差异和不准确性，所以目前对重复荷载作用下乳化沥青冷再生混合料集料的运动特性研究还是缺少一种系统且具体的分析方法。

本文提出了一种基于重复荷载试验并且结合二维数字图像处理技术，能够分析乳化沥青冷再生混合料内部集料在重复荷载作用下的运动特性，包括集料接触点、集料倾角、集料分维数、集料的嵌挤规律，为乳化沥青冷再生工程设计提供借鉴。

2 材料选择和试验方法

2.1 原材料的选择及组成设计

本次试验使用的乳化沥青冷再生混合料主要由乳化沥青、沥青混合料回收料 （RAP）、新集料、水泥和水常温拌和而成。使用慢裂型阳离子乳化沥青，经试验测得其固含量为64.0%。RAP料来源于辽宁省某一级公路面层，所使用的RAP料筛分结果见表1。为满足中粒式乳化沥青冷再生混合料的组成和强度要求，本次试验添加了16～19mm、13.2～16mm、9.5～13.2mm、4.75～9.5mm、1.18～2.36mm、0～1.18mm 新集料和 32.5# 普通硅酸盐水泥，新集料和水泥各项指标均满足规范要求。混合料拌和采用的是可饮用水。根据 《公路沥青路面再生技术规范》 （JTG T5521-2019） 要求，对乳化沥青冷再生混合料的体积指标和路用性能试验进行分析，最终确定级配组成为RAP：19 ～26.5mm：16 ～19mm：13.2 ～16mm：9.5 ～13.2mm：4.75 ～9.5mm：2.36 ～4.75mm：1.18 ～2.36mm：0～1.18mm：水泥=70 ∶1.8 ∶1.5 ∶3 ∶4.5 ∶7.5 ∶4.5 ∶2.7 ∶3 ∶1.5，混 合料 的最佳 含水率为4.5%，最佳乳化沥青用量为3.5%。

表1 旧料筛分结果

2.2 重复荷载试验方法

本论文成型 300×300×50mm 试件 4 块，成型后的试件在60℃鼓风烘箱中养生至恒重，然后在室温条件下放置12h。进行重复荷载试验前，利用高精度双面锯沿4 个试件的成型方向对其进行切割，将试件分为等距的两部分，采用高倍相机提取试件初始断面图像 （即重复荷载作用0min的图像），然后将试件放置在60℃恒温环境中保温5h，使用轮压为0.7MPa 的试验轮在切割后的试件上进行重复作用，切割断面位于试验轮中线附近，试验轮每 min 作用 （42±1） 次，分别采集重复荷载作用 15min，30min，45min 和 60min 后的试件断面图像，试验流程图如图1 所示。

图1 试验流程图

3 集料运动指标分析

本文针对在重复荷载作用下乳化沥青冷再生混合料内部的集料接触点、长轴状态、分维数以及嵌挤规律等细观指标的运动变化特性进行研究，以进行重复荷载作用下乳化沥青冷再生混合料集料运动特性的分析。

3.1 集料接触点

采用接触点来量化集料之间的接触特性。将两集料间的距离定义一个接触阈值，当距离小于所定义的接触阈值时，认为两个集料颗粒互相接触。集料接触点个数的确定受所设定接触阈值的直接影响，而一般情况下试验的集料最小计算粒径决定了接触阈值的选择，本次试验使用集料的最小计算粒径为1.18mm，采用0.25 倍的集料最小计算粒径作为接触阈值，故将接触点的阈值设置为0.295mm。

集料接触点识别搜索的过程为：首先对高倍相机采集到的断面图像进行去噪、增强、分割等先期处理，然后采用大津法对图像进行分割处理，提取集料的二值化图像，输入接触阈值0.295mm，进行接触点的搜索识别标记，如图2 所示。不同加载时间集料接触点变化情况如图3 所示。

图2 接触点搜索

图3 集料接触点变化曲线

由图3 可知，集料接触点的数量随着重复荷载作用增加逐渐增多，在初始加载的15min，接触点数量上升的速率较慢，说明在加载初期由于乳化沥青冷再生混合料的空隙率较大，混合料的内部状态不是很密实，经过短时间的加载，接触点的数量增长不明显；15-30min 时段内接触点数目提升较快，这一阶段接触点数量处于快速增长期，混合料处于碾压密实的主要阶段；30-45min 时段内接触点增长速率略微降低，说明此时集料的接触已趋于稳定状态，集料接触点已经达到较高值；45-60min 时段内接触点数目再次出现增长，结合断面图像分析，在这一阶段荷载作用下，乳化沥青冷再生混合料内部的个别集料颗粒发生破碎，形成新的小颗粒，故接触点增长速率上升。

3.2 集料长轴与倾角

随着重复荷载作用时间的不断增长，乳化沥青冷再生混合料会产生车辙形变，导致其内部集料的相对空间位置发生改变，进而影响整体材料的力学性能。本研究采用二维图像处理技术对颗粒进行量化运动分析，主要通过集料的质心坐标来确定集料的整体运动状态，通过集料的长轴信息来确定集料的大小、倾角状况。长轴长度能够很好的表达集料的大小状况，长轴倾角能反映集料的被压倒程度，能够对重复荷载作用下集料的粒径、压倒程度变化进行有效的分析，不同碾压时间的集料重心变化情况如图4 所示。

图4 集料重心坐标图

通过图4 集料重心对比可知，从未碾压到碾压60min 后，集料的重心坐标发生了明显的变化，说明混合料内部集料整体呈现运动状态。不同加载时间混合料中集料长轴长度的频率分布和累积频率统计如图5 所示。

图5 各阶段断面长轴长度统计图

通过对图5 分析发现，随着车辆荷载的作用，乳化沥青冷再生混合料的部分集料会产生破碎，整体趋势呈现出长轴长度逐渐减小。碾压0→15min 阶段：长度为 38-40 像素的长轴比率减少，长度为1-7 像素的长轴比率升高，集料长轴长度集中分布在3-20 像素范围内，考虑这部分变化是由于集料发生相应的破碎，集料由粒径高向粒径低转变。碾压15→30min 阶段：长轴长度为1-3 像素值的集料消失，由于车轮的不断碾压，导致沥青胶浆将细集料包裹，同时鉴于本论文仅考虑粒径为1.18mm 以上的集料，故导致这一长轴长度范围的集料消失。同时长度为38-40像素范围内的集料继续减少。碾压30→45min 阶段：长轴长度为1-3 像素的集料继续缺失，长轴长度38-40 像素范围内的集料继续减少。碾压45→60min 阶段：38-40 像素范围内的集料消失，由于个别集料破碎，导致长轴长度1-3 像素范围内的集料出现。混合料长轴倾角进行频率分布直方图和累积频率分布直方图如图6 所示。

图6 各阶段断面长轴角度统计图

通过图6 分析可知，从碾压开始到碾压45min 时段：长轴角度位于-45°～45°之间的集料颗粒增多，长轴倾角为-90°～-45°和 45°～90°之间颗粒数目减少，说明在这一阶段随着荷载的重复作用，集料逐渐被压密，颗粒的整体走势呈现出接近水平的状态。碾压45-60min 时段：长轴角度位于-45°～45°之间的集料颗粒减少，长轴倾角为-90°～-45°和之间颗粒数目增多，该阶段出现与0-45min 颗粒不同的走势，颗粒的长轴倾角增大，碾压45min 成为颗粒运动的拐点，通过对比碾压60min 的断面图片，可以发现有一小部分颗粒出现碎裂，导致颗粒呈现出不规律的无序运动状态。

3.3 集料分维数

集料分维数是集料形貌特征的表征，本研究基于分形理论，Canny 算法识别集料的边界并提取边缘，再利用计盒维数法来确定集料的维数。通过计盒维数法对碾压前的断面边缘图像进行分维数求解，得到分维数与盒子尺寸的关系如图7所示。

图7 分维数计算图

图8 分维数变化图

图7 为碾压前不同盒子尺寸所对应的集料分维数，对其求取平均值得到集料分维数为1.749，通过上述方法求取每个加载阶段的分维数并绘制变化趋势图，如图8 所示。通过对图8 分析得知，随着重复荷载作用的增加，乳化沥青冷再生混合料的集料分维数逐渐降低，意味着集料的不规则性减弱，混合料内部逐渐趋于密实。

3.4 集料嵌挤规律

乳化沥青冷再生混合料内部嵌挤密实说明混合料内部空隙较少，如果嵌挤不够密实，说明混合料内部存在较多空隙，本研究运用Delaunay三角剖分法来研究集料与胶浆的嵌挤变化情况，以此表征混合料内部空隙特征变化。本研究采用数字图形处理，提取出混合料图像的质心坐标数据，通过Matlab 编程，实现对混合料的三角面域划分，处理后混合料断面图像如图9 所示。

图9 三角剖分后混合料断面图像

通过对图9 的分析可知，整个混合料断面图像被划分为多个三角面域，通过求取整个断面图像中不规则面域内集料与胶浆的比值，来代表混合料的嵌挤状况。在图像的二值化图像中白色代表的为颗粒，像素值为1；黑色代表的为胶浆，像素值为0，因此通过求解像素值为1 与像素值为0 的个数的比值，即可以求取集料与胶浆面积比，求取的不同阶段的集料胶浆剖分面积比变化如图10 所示。

图10 集料胶浆面积比变化曲线

通过对图10 的分析得知，随着重复荷载的作用，集料胶浆面积比增大，表明集料的嵌挤状态良好，空隙率逐渐减小，当增大到一定数值时（在加载45min 后） 出现转折点，但集料胶浆面积比的数值下降不大，说明在这一时刻个别颗粒发生了破碎，打破了原有的嵌挤规律。

4 结论

（1） 随着车辆荷载作用时间的增长，乳化沥青冷再生混合料内部的集料发生了较为明显的运动，主要表现在集料接触点数量增加、集料长轴方向的走势趋于一致、集料轮廓的分维数由1.749 逐渐降至1.705，颗粒轮廓的复杂度降低。

（2） 重复荷载作用 45min 后，集料与胶浆的面积比达到最大值，乳化沥青冷再生混合料的嵌挤程度随碾压时间的增长趋于密实，空隙率降低。

（3） 通过分析研究，可以将乳化沥青冷再生混合料在重复荷载的作用下分成3 个主要阶段，第1 阶段位于加载0min～15min，该阶段混合料主要是前期压密过程；第2 阶段为加载15min～45min，这一阶段为集料碾压密实阶段，对应路面在修筑完成后一定期限的路面混合料稳定期；第3 阶段为混合料的破坏过程，该阶段对应的是加载 45min～60min，表示着在这一碾压时段，混合料由于重复荷载的作用会出现相应的力学破坏。