李 依 　 丁 燕

(扬州大学建筑科学与工程学院，江苏 扬州　225000)

0　引言

沥青路面在使用过程中，整体强度降低的根本原因是外界环境和行车荷载的藕合作用而导致混合料内部空隙的扩展、沥青结合料的老化[1]。事实上，沥青混合料的宏观力学性能受其细观结构控制，宏观的破坏行为是细观尺度上的损伤行为累积和发展的结果[2]。仅有宏观唯象研究，而无细观结构损伤演化分析，难以揭示材料破坏的物理机制。

吴文亮等[3]选择粗集料颗粒长轴方向为车辙性能指标，利用图像处理技术分析截面粗集料主轴方向的变化规律。傅香如等[4]通过纵断面内部结构信息，统计计算集料主轴方向角，发现成型方式影响集料取向。

1　数字图像处理研究

数字图像处理(Digital Image Processing)是通过计算机对图像进行去除噪声、增强、复原、分割、提取特征等处理的方法和技术。

本节将以基于旋转压实成型的双层沥青混合料组合试件的曲面切面图像的处理作为论述对象，两种试件级配组合分别为SMA+SUP和SMA+AC，阐述数字图像处理基本过程，见图1。

1.1　截取截面

采用曲面切割方法，选用芯样圆柱体侧面为采集对象。切割设备以及切割完成的试件见图2。

1.2　图像采集

图像采集时，在采集面正面两侧布置LED灯管，保证光照的均匀性，如图3所示。然后利用CCD线阵扫描相机采集图像，后期进行截取拼接，最终得到相应尺寸的圆柱体试件表面图像。

1.3　灰度处理

本文实现灰度转化，采用平均值处理法，结果如图4所示。

1.4　图像二值化

对1.3灰度化的图像进行二值化处理。首先确定一个灰度阈值，当某个像素点的灰度不小于阈值时就认为是集料，反之则判断为沥青，结果见图5。

2　切面图像特征参数获取

由于双层沥青混合料层间粘层油用量较少，对特征参数研究影响较小，故本节仅对无粘层油的双层沥青混合料试件切面图像进行分析。

2.1　集料主轴角度排列分布

集料的主轴角度由每个像素点所代表的实际面积及长度求得。方向角为颗粒主轴或者长轴方向和竖直方向的夹角，如图6所示。当方位角为0°或180°时，表示集料颗粒处于“站立”状态；当方位角为90°时，表示集料颗粒处于“平躺”状态。从受力稳定角度考虑，普遍认为平躺状态是最稳定的状态。

本研究采用IPP软件对切面图像的颗粒主轴角度进行统计分析，研究模拟不同车辙形变程度下试件切面颗粒主轴角度分布情况。实验结果为两种级配组合(SMA+SUP和SMA+AC)试件对应车辙形变5 mm,10 mm,15 mm,20 mm时，对应不同空隙率，颗粒主轴方向角度分布情况，见图7,图8。原始数据的标准差和平均值分布情况见图9,图10。

由图7，图8可知，车辙形变程度加深，两种结构组合切面内所有颗粒的主轴角度分布规律均服从正态分布，呈现良好的一致性。且试件内部颗粒主轴角度多接近90°，处于“平躺”状态，说明压实状态良好。当混合料整体受轴向荷载作用时，内部竖向集料处于运动状态，集料会主动保持“平躺”状态，即有使主轴方向垂直于重力场方向的趋势，以保持自身稳定。

由图9可知，随着车辙形变程度的增加，空隙率降低，标准差逐渐减小，表明随着压密程度加深，数据趋于稳定，主轴方向角度接近90°的颗粒逐渐增多。由图10，对比两种级配组合混合料颗粒主轴角度的平均值，前者更接近90°。分析认为SUP-20级配中骨料较多，更易形成骨架嵌挤结构，从而拥有更好的高温稳定性。

2.2　沥青面积比变化

沥青混合料二维切面图像主要是明暗相间的两相体系，矿料颗粒呈现明相，沥青、矿粉和空隙构成的体系呈现暗相，因此单靠集料形态特征不能表征混合料表面全部图像特征。研究表明，混合料的体积组成更能决定其性质，而沥青含量直接影响沥青混合料的体积指标。基于前期研究，认为沥青面积比可以从一定程度上表征沥青混合料胶浆(沥青)的含量。

由二值化处理图像获得相应识别数据，经统计分析得到不同空隙率下的沥青面积比，计算公式见式(1)。试验结果见图11。

(1)

其中，PA为沥青面积比；Nb为阈值分割点左边各灰度对应像素点个数；Na为阈值分割点左边各灰度孔洞对应像素点个数；N为像素点总和。

由图11可知，车辙形变程度增加，空隙率降低，沥青面积比整体呈先降低后增长的趋势。空隙率较大时，沥青的蠕动迁移比较频繁，导致沥青面积比变化较大；后期空隙率减小，混合料逐渐密实，局部骨料可能被压碎，被沥青吞噬，导致沥青胶浆含量增多，沥青面积比缓慢增加。

3　抗剪性能

本节从集料颗粒主轴方位角标准差和沥青面积比两个方面研究分析混合料组合抗剪性。

由图12可知，车辙形变量增大，空隙率降低，颗粒主轴方向角标准差缓慢减小，抗剪强度随之增加。主轴方向角标准差逐渐减小，表明更多的集料颗粒主轴方向角约为90°，即集料处于稳定状态，嵌挤能力提高，抗剪强度固然增强。

由图13可知，对比不同车辙阶段，沥青面积比的变化略有不同。车辙前期，沥青面积比减小，抗剪强度增大；车辙后期，沥青面积比与抗剪强度的关系较为复杂，整体呈现递增趋势。究其原因，主要是混合料试件上面层是骨架密实结构，下面层是悬浮密实结构，这两种结构在压密过程中表现不一致，故车辙后期才会出现复杂的变化情况。

4　结语

1)两种典型级配组合在路面使用阶段，随着车辙形变程度不断加深，两种结构组合切面内所有颗粒主轴角度分布呈正态，呈现良好的一致性，试件内部颗粒主轴角度大多接近90°。且车辙形变程度增加，主轴方向角度接近90°的颗粒逐渐增多。SMA+SUP级配组合混合料颗粒主轴角度的平均值更接近90°。

2)沥青面积比变化反映了沥青的蠕动迁移情况，随着车辙深度的逐渐加深，空隙率逐渐下降，沥青面积比整体呈先降低后增长趋势。

3)抗剪强度随着颗粒主轴方向角标准差减小而增加。对比不同车辙阶段，沥青面积比对抗剪强度的影响略有不同。车辙前期，抗剪强度随沥青面积比的减小而增大；车辙后期，沥青面积比与抗剪强度较为复杂，整体呈现递增趋势。