考虑黏层油迁移影响的OGFC面层空隙结构表征

2023-09-01宋卫民徐飞吴昊詹易群

中南大学学报（自然科学版） 2023年7期

宋卫民，徐飞，吴昊，詹易群

(中南大学土木工程学院，湖南长沙，410075)

开级配磨耗层(OGFC)是一种高空隙率的沥青混合料，一般由高黏性的改性沥青和较多的粗骨料以及少量的细骨料组成。其主要特征是具有较多的连通空隙，空隙率一般为15%～25%[1]。作为路面抗滑磨耗层，较高的连通空隙率可以保证路面的快速排水功能，在减少溅水、喷雾以及眩光的同时，还能降低噪音和增加摩擦力，极大地降低事故发生率，改善行车舒适度[2-4]。欧美和日本等发达国家和地区对OGFC的研究和使用有着较长的历史[2,5-6]。随着近年来中国对海绵城市的建设投入不断加大，具有高渗透性的OGFC路面受到了广泛的关注。此外，过去数十年全国范围内大力建设的公路也逐渐进入了养护阶段，作为一种先进的预防性养护技术，OGFC同样有着极为广阔的应用前景，是道路工程可持续化发展的一个方向，对我国的经济社会发展具有重要的意义[1,7-8]。

OGFC的空隙率和空隙结构是影响OGFC路面功能的重要因素。OGFC的级配和沥青掺量是影响空隙率的重要因素，从而影响OGFC 的渗透系数；渗透系数一般和空隙率呈幂指数关系[9-10]。一般而言，随着沥青掺量的增多，OGFC空隙率呈下降趋势[11]；但较高的沥青掺量容易产生析漏现象，影响OGFC 的渗透性能和耐久性。需要注意的是，OGFC的空隙由连通空隙、半连通空隙以及闭合空隙组成[9,12]，但只有连通空隙具有渗透作用。研究表明，连通空隙率和总空隙率之间存在线性相关关系[9,13-15]。王旭波[13]的研究表明，在空隙率相近的情况下，最大公称粒径显著影响混合料的空隙和数量；粒径越大，空隙数量越小，但单个空隙平均面积越大。杨旋[14]研究发现针对旋转压实的OGFC试件，沿高度方向各二维断层的空隙数量和空隙率的分布较为均匀。但是，也有很多学者的研究表明，与密级配的沥青混凝土试件类似，OGFC沿高度方向的空隙率分布呈现先减小后增加的趋势，即试件中间部分的空隙率较小，但是试件两端的空隙率较大[15-17]。由于OGFC路面雨水渗流在竖向和水平方向同时发生，也有学者研究了OGFC的渗透性能与渗流方向的相关性[17-18]。研究表明，OGFC空隙率、空隙结构和渗透系数在垂直方向和水平方向都表现出一定的差异性[17-18]。

OGFC 面层一般铺筑在密级配沥青混凝土层上；为了保证OGFC 面层与下卧层有足够的黏结性，一般需要在铺筑OGFC之前撒布黏层油[19]。目前常用的黏层油材料为改性乳化沥青。在铺筑压实的过程中，高温OGFC混合料会使黏层油流动性增大；黏层油有可能沿着OGFC 的空隙向上迁移，会改变界面附近OGFC 的空隙结构，进而影响OGFC 的透水性能和降噪性能。CHEN 等[20]利用CT 扫描观测到乳化沥青黏层油会从界面处向OGFC 迁移，并且对黏层油的迁移高度进行了计算，但其并未对黏层油迁移对OGFC空隙率和空隙结构的影响进行研究。另一方面，黏层油的迁移也会影响OGFC与下卧层的黏结程度，过量的黏层油甚至有可能削弱层间的黏结。为了更好地分析黏层油迁移对OGFC面层空隙结构的影响，进而更好地理解黏层油掺量对OGFC面层渗透性能的影响规律，本文作者对4种黏层油掺量的OGFC与下卧层组合试件进行三维CT扫描，并选取空隙结构参数对OGFC面层的空隙结构进行分析，以期从黏层油迁移的角度指导OGFC面层的施工，为OGFC路面的耐久性和功能性设计提供指导。

1 原材料及试验设置

为研究黏层油沿界面向OGFC 层的迁移行为，分别制作2 种不同的OGFC-下卧层组合试件，其中OGFC 材料相同，下卧层材料包括A 和B 这2种。下卧层选用的沥青为基质沥青，沥青质量分数分别为5.8%和6.2%。OGFC 面层选用的沥青为SBS 改性沥青，沥青质量分数为6.4%。黏层油为改性乳化沥青，黏层油的洒布量分别为0、0.5、1.0 和1.5 kg/m2。基质沥青、SBS 改性沥青和改性乳化沥青的基本性能见表1、表2和表3。

表1 基质沥青基本性能Table 1 Basic properties of basis asphalt

表2 SBS改性沥青基本性能Table 2 Basic properties of SBS-modified asphalt

表3 改性乳化沥青基本性能Table 3 Basic properties of modified emulsified asphalt

试验所用集料为石灰岩集料，3种混合料的级配见图1。下卧层A、B 和OGFC 的最大公称粒径分别为9.5、19.0和12.5 mm。

图1 OGFC和下卧层的级配Fig. 1 Gradations of OGFC and underlying layers

为了制作OGFC-下卧层组合试件，首先使用旋转压实仪压实直径为150 mm的下卧层试件，下卧层试件的厚度为60 mm。下卧层A和B的空隙率控制在(4±0.5)%。下卧层试件压实后，将其取出在室温下冷却；之后在下卧层的表面按照0、0.5、1.0、1.5 kg/m2的洒布量涂抹改性乳化沥青。将改性乳化沥青在常温下放置2 h，待改性沥青破乳后，将下卧层试件装入加热后的试模钢筒，将OGFC混合料倒入模具中进行压实，压实次数设定为50次，OGFC 层压实后的高度控制为60 mm。OGFC 层和下卧层混合料的拌和温度为150 ℃；由于称量好的混合料从烘箱中拿出后即被迅速压实，可以将压实温度近似视为150 ℃。OGFC层的空隙率为18%左右。对下卧层A 和B 的表面构造进行铺砂法试验，测得下卧层A和B的构造深度分别为1.70 mm和0.49 mm[21]。

2 CT扫描及空隙特征参数提取

使用锥形束投照计算机重组断层影像设备(CBCT)对双层组合沥青混合料试件进行扫描重构。CBCT 工作原理如下：射线源发出锥形束射线源，经过旋转压实试件，另一侧的平板探测器进行数据采集和传输，最后利用计算机软件NNT 进行三维图像重建与处理。

CT 扫描后，选取二维图片作为分析对象，其中在OGFC 面层每1 mm 提取一张二维图像，如图2所示。对其进行一系列图像处理，其中包括图像二值化、降噪、腐蚀和膨胀等程序，如图3 所示。图像处理完成后，可以用Matlab 软件对二维空隙率、平均空隙半径、平均配位数等空隙特征进行定量计算。

图2 CT三维图像和二维图像切割Fig. 2 CT 3D image and 2D image separation

图3 CT图像处理Fig. 3 CT image processing

本研究中，选取界面空隙率、平均空隙半径和平均配位数来表征OGFC面层的空隙结构。截面空隙率是指试件截面中空隙面积之和占截面总面积的比率，是评价OGFC 截面透水性最直接的参数。由于截面上空隙的形状不规则且形式各异，不便于直接计算空隙尺寸。本研究中将二维图像上不规则空隙等效为面积相等的圆，即可求取空隙半径。平均空隙半径(RAVR)是某一个二维表面上所有空隙尺寸的平均值，计算公式如式(1)所示。空隙平均配位数(NACN)表示每个空隙所连通相邻空隙的个数，即每个空隙拥有“喉道”的个数。

式中：RAVR为截面平均空隙半径；Si为第i个空隙的面积；n为截面上的空隙数。

式中：NACN为截面空隙平均配位数；Ni为第i个空隙的配位数；n为截面上的空隙数。

为了计算平均空隙半径和平均配位数，需要引入“喉道”的概念，其定义为相互连通空隙之间的相对狭窄连接处。文献[22]中提出了一种自动提取空隙网络特征的计算算法，可以呈现真实的空隙和喉道结构。该方法通过耦合距离函数和分水岭分割这2种图像处理算法，直接检测和分离空隙和喉道，对OGFC面层截面图像上的连通空隙喉部进行识别和提取。

分水岭分割可以表述为当水滴落在起伏的地形上时，水滴会流向“距离最近的”最小值处。“最接近的”的最小值是位于最陡下降路径末端的最小值。在地形方面，如果水滴落点位于该最小值的流域内，那么就会发生这种情况。分水岭线是数学形态学中分割图像的基本工具。在本研究中，连通空隙示意图见图4，假设代表空隙的黑色区域具有深度，且黑色区域中每个像素的深度随着该像素与最近的白色像素的距离增加而增加，这意味着每一个空隙区域的中心代表该区域最深的地方，根据区域内各像素的深度可绘制出等高线，2个相互连通的空隙区域可视为2个流域盆地，如图5所示。为方便理解该算法，现假设相邻盆地中的水因为降雨而上升，2 个盆地中水相遇的第1条接触线称为流域脊线。在这个水平位之后，2个盆地中的水被连接起来。这条脊线被称为“喉道”，2 个圆形物体被认为是空隙。通过切割分水岭脊线上的结构，可以得到2 个分离空隙和连接喉道。

图4 连通空隙及喉部分割线Fig. 4 Interconnected pores and the secant line between pores

图5 相邻流域盆地及分水岭脊线Fig. 5 Adjacent watershed basins and watershed ridges

3 结果分析与讨论

3.1 空隙率

图6所示为不同黏层油掺量情况下下卧层A和B对应的OGFC面层空隙率沿厚度方向的分布。当黏层油掺量为0 kg/m2时，不管下卧层A还是B，空隙率沿OGFC层高度方向的分布都是两端较大、中间部分较小，基本呈对称分布，这与文献[15-17]中的结果基本一致。当黏层油的掺量为0.5 kg/m2时，相比黏层油为0 kg/m2时，从高度54 mm到60 mm，OGFC二维断层的空隙率明显减小，说明即使是低掺量的黏层油(0.5 kg/m2)也会沿着高度方向进行迁移，从而堵塞界面处OGFC的空隙；由图6还可以看出，黏层油的迁移高度约为6 mm。当黏层油的掺量进一步增大到1.0和1.5 kg/m2时，黏层油的迁移现象更显著，并且迁移高度可以达到10 和12 mm。图7所示为OGFC-A在不同黏层油掺量下的CT 扫面图像。从图7 可以看出，随着黏层油掺量的增大，界面附近的OGFC 的空隙被逐渐填充。黏层油在OGFC 面层发生迁移，其主要原因如下：1) 高温的OGFC 混合料会提高黏层油的流动性，当OGFC压实时，由于挤压作用，黏层油会在自由空间内流动；2) OGFC本身的大空隙结构为黏层油的迁移提供了孔道。所以，OGFC混合料的压实温度、压实功效以及黏层油的种类对黏层油的迁移有重要的影响。当黏层油掺量为0 kg/m2时，界面处的空隙率约为25%；当黏层油的洒布量增加到0.5、1.0 和1.5 kg/m2时，界面处的空隙率降低为6%、4%和4%。图8所示为4种黏层油掺量下界面处的空隙率。由图8可以看出，在相同的黏层油掺量下，同一高度处下卧层A 的空隙率更大。这是因为下卧层A比下卧层B的级配更粗糙，构造深度的试验结果也显示A 的构造深度大于B 的构造深度，所以下卧层A 的表面积也相对较大；当使用同样掺量的黏层油时，对于下卧层A 来说，会有较大一部分黏层油被用于填充表面的空隙，可用于向OGFC 面层迁移的黏层油的量就会相对减少，因此，界面处的空隙率偏高。不同下卧层上黏层油分布示意图见图9。

图6 不同黏层油掺量情况下OGFC面层空隙率分布Fig. 6 Porosity distribution of OGFC under different tack coat dosages

图7 不同黏层油掺量情况下CT扫描图像Fig. 7 CT scan images under different tack coat dosages

图8 不同黏层油掺量时界面处的空隙率Fig. 8 Porosity at the interface under different tack coat dosages

图9 不同下卧层上黏层油分布示意图Fig. 9 Schematic diagram of tack coat distribution on different underlying layers

3.2 平均空隙半径

图10 所示为不同黏层油掺量下平均空隙半径沿OGFC面层高度方向上的分布。与图6中空隙率分布类似，当黏层油掺量为0 kg/m2时，在OGFC面层的上下两端空隙的半径较大；沿高度方向从两端到中间的空隙半径逐渐减小。这主要是因为在旋转压实的过程中，由于上下界面的边界效应使得中间部分的混合料更容易被压密实，相对空隙半径就越小。当黏层油掺量为0.5 kg/m2时，从高度54 mm 到60 mm，空隙半径逐渐减小，这主要是由于黏层油的迁移使得OGFC层靠近界面的空隙被堵塞，越靠近界面，空隙被堵塞得越严重，平均空隙半径也就越小。当黏层油的掺量增大到1.0 和1.5 kg/m2时，由于黏层油的迁移现象愈加明显，所以在50 和48 mm 处OGFC 面层的空隙半径开始减小。当黏层油掺量为0 kg/m2时，界面处空隙半径约为1.65 mm；当黏层油掺量增大到0.5、1.0和1.5 kg/m2时，界面处的空隙半径大约为1.05、0.95和0.90 mm。

图10 不同黏层油掺量情况下OGFC面层的平均空隙半径Fig. 10 Average pore radius of OGFC under different tack coat dosages

3.3 空隙平均配位数

空隙平均配位数表征的是某一个空隙与周围空隙连通的数量，可以在一定程度上反映连通空隙率和渗透性能。图11 所示为不同黏层油掺量下OGFC空隙配位数沿厚度方向上的分布情况。当黏层油掺量为0 kg/m2时，空隙配位数的分布规律与空隙率和平均空隙半径基本一致。在OGFC面层的两端，空隙配位数较大，说明上下两端的连通空隙较多；从两端到OGFC面层的中部，配位数逐渐减小，说明中部连通的空隙数减小。当黏层油掺量增大到0.5、1.0和1.5 kg/m2时，界面处的平均空隙配位数显著减小。对比黏层油掺量为0 kg/m2时的配位数分布图可以看出：当黏层油掺量增大到0.5、1.0 和1.5 kg/m2时，黏层油的迁移对配位数影响的范围为5、6和8 mm。

图11 不同黏层油掺量情况下OGFC面层的空隙平均配位数Fig. 11 Average coordination number of OGFC under different tack coat dosages

3.4 黏层油最佳掺量

考虑黏层油在OGFC面层的迁移以及对OGFC骨料的包裹来确定黏层油的最佳掺量。OGFC混合料的最大公称粒径为12.5 mm，12.5～19.0 mm粒径范围内的集料占比为3%；当黏层油掺量为1.5 kg/m2时，黏层油的迁移高度在12 mm 左右，基本会将粒径最大的骨料全部包裹在内。但研究表明过量的黏层油不能提高层间的黏结性能，甚至会削弱层间黏结[20-21,23]，所以1.5 kg/m2的黏层油掺量偏高。9.5～12.5 mm 粒径的骨料占比为28%，50%集料累计通过率的粒径区间为4.75～9.50 mm；当黏层油掺量为0.5和1.0 kg/m2时，黏层油的迁移高度分别为5 mm和10 mm左右。考虑到黏层油对界面处OGFC骨料的裹覆作用，建议黏层油的最佳掺量为0.5～1.0 kg/m2。但是，为了更准确地确定黏层油的最佳掺量，还需对层间黏结强度以及功能性进行测定。