沥青混凝土有效孔隙结构特征对排水性能的影响

王冠， 向兴隆， 黄一凡， 王道峰， 吴进良*

(1.重庆交大建设工程质量检测中心有限公司， 重庆 400074； 2.重庆交通大学土木工程学院， 重庆 400074； 3.泛华建设集团有限公司湖北设计分公司， 武汉 430299)

排水路面常采用透水性路面取代一般的密级配路面，使雨水可以通过连通孔隙进入道路结构，最终进入雨水管网[1]。这种排水方式与道路横坡排水一同作用会大大增加排水效率，及时减少路面积水。研究表明排水式沥青路面耐久性方面的有缺陷，但其拥有较高的孔隙率和较好的抗滑性。

降雨时可通过内部的连通孔隙将雨水排出，避免在路面上形成水膜或径流，从而达到消除路面水膜、防止溅水起雾的效果，增加路面与轮胎的附着力，道路安全事故大幅降低[2]，排水性沥青路面总事故率比普通路面平均降低24%，雨天事故率平均降低47%[3]，是世界公认的高安全性、舒适性、环保的功能性“超级路面”。

沥青混合料的孔隙结构是材料本身的一种微观属性，而CT技术的应用可以直观地反馈材料内部的具体情况。CT技术在中外沥青混合料的研究中已被大量应用，Xiong等[4]将CT图像进行三维重构用于研究沥青混合料孔隙结构在盐侵蚀的条件下的性能变化。Wang等[5]与Gao等[6]则使用该技术分别对沥青骨料和沥青膜厚度及不同空隙率下路面结构进行了解析，得到研究参数的具体关系。杨旋等[7]对基于CT技术的沥青混合料微细观结构的进展进行了分析，介绍了CT技术在二维及三维集料均匀性评价中的应用。甘新立[8]运用CT技术得到了SMA-13的正面和侧面扫描图像，采用MATLAB软件对图像分析后得到孔隙面积分布。陈俊等[9]发现沥青混合料这种多孔结构的材料内部复杂，其中既有连通孔隙又有不连通孔隙，CT技术及数学软件的应用可以将两者进行分析提取。张海涛等[10]用MATLAB数字图像处理技术对OGFC-13、OGFC-16孔隙结构进行分析对比，得到二者总孔隙率与联通孔隙之间的差异。汪鸿山等[11]对不同孔隙率与透水沥青路面渗透性能的关系研究中发现降雨强度是一个关键性指标，同时结论指出当结构孔隙率小于25%时影响大于孔隙率大于35%。对于其中雨量和孔隙率之间的关系分析，大多数研究者均采用将水在孔隙中的流动视为一种线形渗流的方式来进行分析。唐勇斌[12]从饱和多孔介质渗流微分方程出发分析了该过程并提出需在研究该类模型时注意模型材料参数及边界条件。周志刚等[13]在此基础上引入车轮荷载这一新的条件，分析了二者间的关系后提出该模型不再适用。

在前人的研究基础上，现对3%～25%孔隙率的不同骨架结构类型沥青混合料SMA-13、AM-13和OGFC-13进行研究，在用CT扫描得到混合料扫描图像后运用MATLAB等数学软件进行模拟分析，最后引入不同降雨情况得到不同孔隙结构沥青道路的排水能力。本次研究基本囊括沥青混合料所能运用于工程实际所含孔隙率范畴，立足于更为准确的孔隙分析，结合实际降雨这一指标将材料微观性质与排水能力这一宏观表现二者紧紧结合起来。

1 原材料及配合比设计

1.1 原材料的选择

SBS改性沥青有很好的耐高低温能力，在温差大的地区得到广泛应用。在SMA与AM中采用原样SBS改性沥青。在OGFC中则采用添加了高黏改性剂的高黏改性SBS沥青以提高沥青的黏附性，使大孔隙沥青混合料不易松散。玄武岩质地坚硬，耐磨性能好，将其作为粗集料能提高与沥青的黏附力。细集料则采用的是石灰岩机制砂，矿粉是由碱性石灰岩磨成的。集料各项性能满足JTG F40-2004的要求。木质素纤维、聚丙烯腈纤维采用北京天成垦特莱科技有限公司产品。沥青参数如表1所示，纤维参数如表2和表3所示。

1.2 沥青混合料配合比设计

以SMA-13、AM-13与OGFC-13为研究对象，采用0～5 mm石灰岩机制砂、5～10 mm玄武岩、10～15 mm玄武岩这三档石料，参照《公路沥青路面施工技术规范》F40—2004合成级配，按马歇尔试验配合比设计方法进行配合比设计。

本文重点着眼于孔隙率的研究，当有多组配合比同时满足要求时，则优先选择孔隙率与目标孔隙率相近的配合比组。因此得到3种沥青混合料的最终配合比，如表4所示。

表1 SBS改性沥青性能Table 1 SBS modified asphalt properties

表2 木质素纤维厂控指标Table 2 Lignin fiber plant control index

表3 聚丙烯腈纤维厂控指标Table 3 Polyacrylonitrile fiber plant control index

表4 SMA-13、AM-13及OGFC-13最终配合比Table 4 SMA-13、AM-13andOGFC-13 final ratio

2 孔隙率

2.1 试验测试孔隙率

沥青混合料的孔隙分为连通孔隙、部分连通孔隙以及完全封闭孔隙3种。封闭孔隙即混合料内存在的完全不与外界发生联系的孔隙部分；半连通孔隙是部分与外界连通但其余部分均封闭的孔隙，能起到工程需要的作用；连通孔隙则是均与外界连通的孔隙，该类连通孔隙既能排水又可吸声。

SMA-13、AM-13与OGFC-13这3类沥青混合料，因本身具有的孔隙不同且吸水情况的差异，故在孔隙率的计算上并不相同。规范要求当沥青混合料试件吸水率小于2%时采用表干法测定本身密度，蜡封法则是要求沥青混合料试件吸水率大于2%时可以采用的方法，当孔隙率过大时则采用体积法测定其孔隙率。

经过多次吸水率试验测得SMA-13混合料吸水率大于2%，AM-13吸水率大于2%，故分别采用表干法、蜡封法和体积法测SMA-13、AM-13、和OGFC-13马歇尔试件的孔隙率，如表5所示。

SMA-13、AM-13与OGFC-13沥青混合料实测孔隙率与目标孔隙率均在±1%之间，可以认为其设计已经满足目标孔隙率这一要求。

表5 孔隙率试验结果Table 5 Void ratio test results

2.2 基于CT技术的沥青混合料图像扫描及处理

本文重点研究的是不同类型沥青混合料骨架结构中孔隙分布情况。采用工业级CT对标准马歇尔试件进行扫描，为了保证扫描的准确度采用了9MeV高能工业CT和450 kV常规工业CT进行扫描，如图1所示。

图1 不同扫描条件下的CT扫描图Fig.1 CT scans under different scanning conditions

由图1可以看出9 MeV高能工业CT扫描效果比450 kV常规工业CT扫描图好，故本试验后续采用了9 MeV高能工业CT对3种混合料马歇尔试件进行扫描。在对CT扫描结果进行初步成像后，不难发现扫描图像边缘部分存在一些轮廓模糊或者自身分辨度较低等情况，为减少图像自身对最后试验结果的影响，尽可能还原试件最真实的形态需对所得图像进行处理。使用VG STUDIO MAX 3.0软件以实现高精度海量数据处理，图像处理前后如图2所示。

2.3 三维重构

本文研究的重点是孔隙率这一要素，故可以忽略其他要素形式，只区分孔隙与非孔隙这两个要素。因此用MATLAB软件中的imread函数与rgb2gray函数将每一层的彩图转化为灰度图像，然后进行图像分割处理。采用阈值分割法后结果如图3所示。

利用VG STUDIO MAX 3.0软件与MATLAB软件对CT扫描图像进行预处理与图像二值化处理后，对每一个试件而言都能获得大量的二值化图

图2 图像处理前后的效果对比图Fig.2 Comparison of the effect before and after image processing

图3 二值图Fig.3 Binary Diagram

图4 VG STUDIO MAX 3.0软件三维重构图Fig.4 VG STUDIO MAX 3.0 software 3D reconstruction map

片，每一张二值化图片同时也对应每一张二维切片图，再用VG STUDIO MAX 3.0软件进行三维重构，用此方法建立的三维模型可以一定程度保证与真实试件的相似度。结果如图4所示。

2.4 总孔隙率分析

对沥青混合料孔隙率的分析不仅建立在室内试验的基础上，同时也采用了MATLAB中的相关函数进行孔隙部分的采集进而对孔隙率进行计算。对于二值化图像而言，孔隙部分阈值为0，其他部分阈值为255，而每一张二值图同时也能转化为二维图像上的矩阵，该矩阵只存在0与255这两个元素，由每一层的二值化图像可以看出，图片主要由三个主要部分组成，即孔隙结构(阈值为0)、集料与胶浆等(阈值为255)与背景部分(阈值为0)，如图5所示。

图5 二值化后的二维切片图Fig.5 Two-dimensional slice map after binarization

在MATLAB中对混合料孔隙结构进行采集计算时，在二进制文件中对应数字为0，而非孔隙部分对应数字则为1。对于每一个沥青混合料试件的总孔隙率的计算，均是每一层孔隙结构面积占排除掉背景部分的剩余部分面积的比例，再对所有二值化切片孔隙部分进行叠加，由于本次扫描采集了约2 000张二值化切片，所以叠加出来的总孔隙与真实孔隙相比，有一定程度的可靠性，结果如表6及图6所示。

表6 不同类型沥青混合料模型计算总孔隙率与 实验室孔隙率Table 6 Total void fraction and laboratory void fraction calculated by model for different types of asphalt mixes

图6 实验室测得孔隙率与模型计算孔隙率Fig.6 Laboratory measured void fraction vs. model calculated void fraction

从图6中可以看出，实验室测得的孔隙率和模型计算孔隙率有良好的线性相关性，SMA沥青混合料和AM-13沥青混合料CT实测孔隙率与实验室测得孔隙率相比于OGFC偏差大一些，分析其主要原因是，SMA沥青混合料与AM-13混合料孔隙率本来较小，CT扫描的分辨率不够，导致某些微小孔隙无法识别。

2.5 连通孔隙的分析

基于已有研究的基础上，对各种沥青混合料试件总孔隙率进行了分析后再进一步对沥青混合料进行了连通孔隙率的分析。使用MATLAB软件中区域生长函数regiongrow对连通孔隙进行提取。

首先在第一层找到一个种子点d1(x1,y1)=0，其后在第二层中找到d2(x1,y1)=0，这样在保证x轴与y轴相同的情况下第一第二层所找到的点都是孔隙点。第一层d1为种子点进行区域生长，找到与之相邻(每一点周围的8个相邻点)的所有非种子0点d，此时再以d相邻点继续发散直至遇到非0点停止，这样即可找到第一层二维图像上的所有可能的连续孔隙的点，第二层寻找方式与第一层相似，建立第二层与第三层之间的联系(第二层的种子点是建立在第一层已经关联的基础之上的)，以种子点为基础寻找出所有可能的连通孔隙点，如图7所示。以该函数为基础进行计算，遍历整个沥青混合料试件即可得到连通孔隙部分，结果如表7所示。

用规范中的方法对OGFC-13进行连通孔隙测定，得到的结果与模型计算结果如表8所示。

图7 区域生长函数运算原理图Fig.7 Principle diagram of regional growth function operation

表7 区域生长函数计算所得连通孔隙Table 7 Connected voids calculated by the regional growth function

表8 实验室测得连通孔隙率与模型计算连通孔隙率Table 8 Laboratory-measured and model-calculated connectivity void ratios

对比实验室所得结果表8与图像模拟所得结果图8，发现实验室测得孔隙率、连通孔隙与模型计算的孔隙率具有良好的线性关系。

从表9可以看出随着总孔隙率的增加，实验室及模拟的连通孔隙率均相应增加，所占比例也呈现一种上升的趋势，但该趋势在孔隙率超过15%后逐渐减缓。

表9 连通孔隙所占比例Table 9 Proportion of connected voids

图8 实验室与模型计算连通孔隙率拟合曲线Fig.8 Fitted curves of laboratory and model calculated connected void fraction

3 孔隙率与渗水性能

3.1 实验室、模型计算孔隙率与渗水性能

采取规范JTG E20—2011 中T0730—2011方法进行渗水试验，该方法适用于测定碾压成型的沥青混合料试件的渗水系数，是较为常规的检测方法。

表10 混合料渗水系数试验结果Table 10 Mixture permeability coefficient test results

通过研究模型计算孔隙率和试验室测定孔隙率，将其与渗水系数进行拟合。再将连通孔隙率与渗水系数进行拟合。如图9和图10所示。

图9 实验室实测孔隙率、模型计算孔隙率与渗水系数Fig.9 Laboratory measured void fraction, model calculated void fraction and permeability coefficient

图10 模型连通孔隙率与渗水系数Fig.10 Modeled connected void ratio and percolation coefficient

研究发现实验室所得孔隙率、模型计算孔隙率与渗水系数之间均存在着相似的幂函数关系，分别为y=0.194 7x3.181(R2=0.992 6)与y=0.801 8x2.724(R2=0.988 2)，连通孔隙与渗水系数也具有良好的相关性。

3.2 渗透仿真模型

根据以往研究将雨水渗入混合料内部孔隙这一过程简化为渗流过程，渗流通常的表征即为流体在多孔介质中的流动，一般的路面材料特别是沥青混合料由于其内部均存在孔隙，因此讨论水在其内部渗流的过程时，一般将它当作多孔介质材料来考虑。以达西定理为基础，同时考虑到流体的渗流过程必须遵循连续性方程，利用ABAQUS有限元模拟软件对多孔介质体的渗流过程进行模拟。

将SMA-13、AM-13与OGFC-13三种混合料不同孔隙率与渗水系数通过实验室或模型计算进行了前期表征，将前文的结果作为基础参数进行道路排水的模型研究。以浸润线理论对沥青混合料内部水进行表征，浸润线是渗透水的上表面与断面的交线，当二者相切时则达到内部水量饱和状态。

模型所需参数包括材料管理器中所需密度、弹性、渗透性等参数。根据资料可以得到细粒式沥青混合料在常温状态下弹性模量为1 200～1 600 MPa，取中值1 400 MPa；泊松比取2.5；一般道路宽度为单幅7.5 m，道路横坡为2%，等级较高的道路路面厚度为15 cm，考虑到试件成型具有一定的随机性故三种混合料在本次模型模拟中毛体积密度均采用平均值。

通过对SMA-13、AM-13及OGFC-13的渗水系数与降雨量进行模拟，降雨量按照平均降雨强度及每30 min的降雨量，累计计算至24 h的总降雨量，降雨总量取每种降雨强度等级划分标准的最大临界值，如表11所示。发现初始状态下前30 min浸润线均超过模型上切面，即均产生表面径流。经过不同的时间后浸润线会和模型上表面相切，即路表不产生径流，达到排水要求。具体模拟结果如表12所示。

根据表格可以看出SMA-13沥青路面能很好地运用自身横坡对小雨、阵雨及中雨进行排水；AM-13沥青路面能很好地运用自身横坡和孔隙率对小雨、阵雨及中雨进行排水；OGFC-13沥青路面不仅能很好地运用自身横坡和孔隙率对小雨、阵雨及中雨进行排水，也能在大雨情况下良好排水，暴雨情况则需要孔隙率足够大。

表11 我国不同降雨等级降雨最大临界值Table 11 Maximum critical values of rainfall for different rainfall levels in China

表12 不同渗水系数下浸润线与上表面相切时间Table 12 Infiltration line tangent time to the upper surface at different permeability coefficients

图11 浸润线变化示意图Fig.11 Schematic diagram of phreatic line change

图12 模型运算示意图Fig.12 Schematic diagram of model operation

4 结论

对重庆地区不同骨架类型的沥青混合料SMA-13、AM-13与OGFC-13进行了探究，以孔隙率为关键研究指标，控制目标孔隙率分别为3%～24%进行配合比设计，使用工业级CT对标准混合料试件进行断层扫描，最后利用MATLAB与VG STUDIO MAX软件对二维断层图片进行处理与建立模型，定性及定量地分析孔隙这一结构，结合降雨强度及混合料自身透水性能，模拟道路排水情况，主要得到以下结论。

(1)分别使用表干法、蜡封法及体积法对SMA-13、AM-13与OGFC-13的孔隙率进行研究，测得孔隙率分别为3.6%、6.6%、9.1%、12.3%、14.3%、18.5%、20.9%、24.3%，与目标孔隙率相差范围在±1%，本文认为达到设计要求。其中OGFC-13连通孔隙率分别为10.1%、13.2%、17.6%、20.4%，其与总孔隙率存在着良好线性关系：y=1.071 6x-5.572 1(R2=0.970 8)。

(2)对比实验室测得孔隙率与模型计算孔隙率可以发现，随着孔隙率的增大实验室及模型计算的连通孔隙率均相应增加，所占总孔隙率的比例也基本呈现一种上升的趋势(由20%逐渐增长至80%)，该趋势在孔隙率超过15%后逐渐减缓。

(3)研究发现模型计算孔隙率与渗水系数之间均存在着良好的幂函数关系：y=0.801 8x2.724(R2=0.988 2)；综合分析实验室测得总孔隙率与模型计算总孔隙与渗水系数的关系则可以得到另一个线性关系：y=0.455 4x2.898 7(R2=0.978)。

(4)运用ABAQUS对SMA-13、AM-13和OGFC-13进行道路排水模拟，发现SMA-13与AM-13能够应对小雨、阵雨及中雨情况，OGFC-13则能够应对大雨情况，当孔隙率接近极限值(25%)时也可以应对暴雨情况。