陈立春

(吉林交通职业技术学院， 吉林 长春　130012)



基于工业CT排水性沥青混合料空隙分布特征研究

陈立春

(吉林交通职业技术学院， 吉林 长春130012)

[摘要]目前空隙率的测量实际上仅仅是一个平均的概念，并不能确定空隙的分布特征，以及空隙的组成，基于工业CT从排水性沥青混合料的细观结构特征角度入手，对不同级配排水性沥青混合料内部的空隙分布特征进行了研究。从本质上揭示了大空隙沥青混合料排水特性的决定因素，研究结果可为完善空隙率对排水性沥青路面排水性能的影响机理以及合理的运用排水性沥青混合料提供理论依据。

[关键词]路面工程； 工业CT； 排水性沥青混合料； 空隙分布特征

0前言

排水路面从1930年美国俄勒冈州的萌芽，到今天全世界的普遍认可和推广。在历史发展的进程中为了克服其在使用过程中的缺点，主要是材料选择和配合比设计的演变，空隙率从12%提升到20%，厚度从2 cm左右提升到5 cm，结合料从普通沥青发展到高粘度改性沥青，可以想象，这样的发展趋势将继续下去[1-4]。从宏观上看，沥青混合料是集料、沥青和空气所组成的三相体系，经压实后形成由集料、沥青胶结料和残余空隙率组成的一种具有空间网络的多相体系，排水性沥青混合料的主要缺点之一是由于其多孔的结构特性，使得混合料疲劳特性和耐久性较差[5-7]，空隙率作为排水性沥青路面级配组成的外在变现形式，势必会排水性沥青路面的强度以及耐久性产生巨大影响。

目前国内均开展了排水性沥青混合料配合比设计方法、多孔沥青路面力学特性与空隙衰变行为、多孔沥青混合料排水性能数值模拟以及力学相应等方面研究，但以上研究均偏向于宏观试验，很少从微观角度揭示空隙率大小、空隙率分布特征、空级配组成对排水性沥青混合料力学性能及排水性能的影响，基于此本文通过图像处理软件，对多空隙沥青混合料的空隙分布规律进行了研究[8-13]，并提出了空隙级配、平均孔径等概念，揭示了多空隙沥青路面排水特性的内在原因。研究结果对确定排水性沥青路面合理空隙率范围、确保排水性沥青路面排水性能的发挥等具有重要的现实意义。

1排水性沥青混合料空隙三维计算

1.1排水性沥青混合料配合比设计

本研究使用的Y.CT Precision系列工业CT平台推荐配置的三维可视化软件为Volume Graphics公司的大型商务软件VGStudio MAX 2.1，试验选择目标空隙率为16%、18%、20%、22%、24%、26%共6种OGFC-13混合料，集料采用玄武岩，矿粉由石灰岩磨制而成，沥青为TTP高粘改性沥青。按照《公路沥青路面施工技术规范》附录D试验内容确定最佳沥青用量，并实测马歇尔试件空隙率。具体混合料级配见表1，配合比设计结果见表2。

表1 OGFC-13混合料合成级配Table1 OGFC-13synthesismixturegradation级配通过下列筛孔尺寸(mm)的百分率/%1613.29.54.752.361.180.60.30.150.075规范级配上限100 100 80 30 22 18 15 12 8 6 下限100 9060 12 10 6 4 3 3 5.0级配1100.09576.327.618.613.510.58.26.84.7级配2100.09575.226.317.212.89.97.86.44.6级配3100.09570.323.415.711.69.27.46.44.6级配4100.09565.720.313.310.08.76.86.04.2级配51009564.917.610.68.77.56.65.63.8级配61009562.315.18.87.56.96.45.43.2

表2 OGFC-13混合料配合比设计结果Table2 OGFC-13mixtureratiodesignresults合成级配最佳油石比/%实际VV/%VMA/%MS/kNFL/mm级配14.5715.7324.58.322.91级配24.4317.8425.97.562.90级配34.3820.1127.86.992.98级配44.3022.2329.56.543.12级配54.2124.1031.16.073.28级配64.1025.9832.95.343.45

1.2排水性沥青混合料三维空隙测算

在最佳沥青用量条件下双面各50次成型马歇尔试件，待试件冷却后对试件进行CT扫描，扫描参数见表3。层间间隔为0.1 mm，一个标准马歇尔试件可获得断层图像635幅。

具体操作时将CT图像导入VGStudio MAX 2.1中进行三维图像重建，选择VGStudio MAX 2.1软件中的缺陷检测功能，设置最大、最小缺陷尺寸，本文最大缺陷尺寸设置为10 000 mm3最小缺陷尺寸为0 mm3，输出的计算结果见图1。

表3 CT扫描参数Table3 CTscanparameters扫描电压/kV扫描电流/A扫描时间/min像素尺寸最小对比度饱和度/%滤波片厚度/mm2100.5251024×1024398767AL:0.1

图1　实测空隙率与CT测算空隙率之间的回归关系Figure 1　The relationship between measured void 　and estimates void

由图1可知：CT实测空隙率与体积法实测空隙率之间具有较好的线性相关性(R2>0.99)，CT实测空隙率约为体积法实测空隙率的90%，可满足小于20%的实验误差要求[14-16]。分析其原因主要是，CT测算得到的空隙率只包含马歇尔试件内部的总空隙率，而体积法计算得到的空隙率不仅包含试件内部的空隙体积，还包括试件表那部分空隙，此外，从计算的excel表单可清晰看到输出的计算结果有少量空隙的体积统计结果为 0 mm3，由于工业CT的精度原因导致这部分空隙可能无法识别。

2不同级配排水性沥青路面空隙分布特征

目前空隙率的测量实际上仅仅是一个平均的概念，并不能确定空隙的分布特征[17]。本文结合工业CT的无损检测技术以及VG软件的三维重构功能，对排水性沥青路面空隙的三维形态特征进行以下5方面分析：

2.1排水性沥青混合料空隙的分布规律

试验采用表1所示的合成级配，在最佳沥青用量下双面各50次成型标准马歇尔试件，待试件冷却后按表3所示的扫描参数间隔0.1 mm获取马歇尔试件的CT图像信息，按流程图对扫描结果进行三维重构，进而计算出不同级配排水性沥青混合料内部的每个空隙的物理指标，部分扫描结果见表4。

表4 排水性沥青混合料三维空隙测算结果Table4 Three-dimensionalofvoidscalculationresultsAnalysisProbabilityVolume[mm3]VoxelPosXPosYPosZSurface[mm2]1207.021002.9563529517409229601.102192.632000.8912891577577195871.953164.854770.7725159377851611898.983157.842581.5613303681125395156.924146.052238.392368862740317144.185139.151340.639030331253381938.46138.743682.54200783516372711319.657138.522020.2213710563544251568.64…………………………………………4535142.644234.5334563476891734.84

由计算结果可知：

① 试件在7～9层之间空隙率取得最小值，从第9层位开始空隙率有较大幅度增长，第8层空隙率约为最底层空隙率的70%～75%。从图2中可以看出：随着实测空隙率的增大多，空隙率大小延试件高度的变化速率变得越加剧烈。

② 空隙率由两端向试件中间逐渐减小的趋势，呈“V”形分布，且空隙率越大，“V”形表现越明显。对于目标空隙率为16%的马歇尔试件，试件中部的空隙率只有11%，远小于设计空隙率，当目标空隙率大于等于20%后，试件中部7～9 cm部分的空隙率基本稳定，均可达到16%以上。

图2　排水性沥青混合料空隙率延试件高度分布状况Figure 2　Porous asphalt mixture void distribution of 　specimen height extension

2.2空隙数量变化规律

排水性沥青路面在实际运用过程中，由于存在路面横坡，水的渗流路径主要包括竖向渗流和横向渗流。其中横向渗流多取决于横向空隙的连通程度，单位面积内空隙数量越多，空隙的连通程度越发达，排水越顺畅。基于此本文又先研究了马歇尔试件数量与空隙率大小之间的关系。为了减小成型试件过程中的人为因素干扰，本文所指的空隙数量只包含了马歇尔试件中间6 cm部分的二维空隙数量之和。根据计算输出的excel表单对不同级配OGFC-13混合料马歇尔试件空隙数量进行汇总，进而回归出实测空隙率与总空隙数量之间的关系，结果见图3。

图3　实测空隙率与总空隙数量之间的关系Figure 3　The relationship between measured void 　and the total number of voids

图3回归结果可知：随着空隙率增大，OGFC-13马歇尔试件内部总空隙数量减少，空隙率由15.73%增大到25.98%，马歇尔试件总空隙数量减小了57%，因此增大空隙率导致马歇尔试件二维图像中的空隙数量减小，体积法计算得到的空隙率与CT测算的空隙数量之间具有较好的指数关系；在相同的平面尺寸内，空隙率增大而空隙数量减小，这将增大二维平面内连通空隙的相对比例，对排水性沥青路面排水功能的发挥有利，从转折点变化规律来看，为保证OGFC混合料具有较好的排水性能，其设计空隙率不宜小于20%。

2.3空级配变化规律

所谓的空隙级配是指混合料中不同体积大小的空隙所占的相对比例。荷载作用下随着混合料骨架结构发生变形，其空隙结构及其分布都会受到影响，空隙级配也将发生变化。本文将空隙分为不同的区间，并通过CT数据分析不同级配类型OGFC-13混合料在空隙区间上的分布，进而探讨其与排水特性的关系。不同空隙大小的OGFC混合料空级配变化规律见表5。

表5 不同空隙率大小排水性沥青混合料孔级配Table5 Thevoidgradingofporousasphaltmixture试验级配占总空隙数量百分比/%V>10050

从表5中可以看出：

① 不同级配类型的OGFC混合料有着不同的空隙分布规律。对于GP1和级配2(目标空隙率分别为18%和20%)5

② 空隙率由16%增大到26%，V>100 mm3的相对比例由4.12%增大到22.97%，V<10 mm3的相对比例由19.95%减小到3.33%。此外，增大空隙率马歇尔试件内部的最大空隙体积增大，且二者具有较好的线性关系(见图4)。

图4　实测空隙率与最大空隙体积之间的关系Figure 4　Relationship between measured void and 　the maximum void volume

2.4平均孔径变化规律

所谓的平均孔径是指马歇尔试件内部所有空隙的平均当量球直径，是一个等效或平均的概念。对不同空隙率大小的OGFC-13混合料进行CT扫描，采用VG软件进行三维重构后计算马歇尔试件内部的空隙分布状况，进而得到不同级配类型的排水性混合料平均孔径随空隙率的变化规律。回归结果见图5。

图5　排水性沥青混合料平均孔径变化规律Figure 5　Pourous asphalt mixture average void 　diameter variation

回归结果表明，OGFC混合料内部的平均空隙直径随着空隙率的增大而增大，且二者具有较好的二次相关性，大约在22%空隙率出平均孔径产生突变。平均孔径的增大，意味着路面排水能力的提高，这与增大空隙率，OGFC混合料室内渗水试验渗水系数增大较吻合，但值得注意的平均孔径的增大也会导致排水性沥青路面抗老化耐久性下降，从耐久性考虑，排水性沥青混合料的空隙率不宜超高22%。

3排水性沥青路面排水性能

3.1空隙率与渗水系数之间的关系

排水性沥青路面可有效降低道路表面积水引起的雨雾、溅水及眩光，以及交通噪声等，可以说排水性沥青路面达到了现有沥青路面技术中的“顶端路用性能”(ultimate performance)[16-19]，空隙率是影响排水性沥青路面透水性的主要因素。本节对多空隙沥青混合料进行了透水系数的测定，并对空隙率与透水性进行了分析研究，得出空隙率与透水性之间的关系(见图6)。

图6　渗水系数与空隙率之间的关系Figure 11　The relationship between permeability and void

试验结果表明，渗水系数与空隙率呈良好的线性关系，且渗水系数随着空隙率的增加呈增长的趋势，对于OGFC沥青混合料渗水系数一般要求不小于900 mL/15 s，因此为保证良好的透水性能，空隙率宜控制在18%以上。

3.2细微观空隙分布特征与渗水系数之间的关系

根据VG软件的输出结果进一步可建立排水性沥青路面细微管空隙分布特征与渗水系数之间的关系，见图7，回归结果表明渗水系数与最大空隙体积[20]、平均孔径之间均具有较好的线性回归关系。

图7　细微观空隙分布特征与排水性能之间的关系Figure 12　Relationship between the drainage performance 　and void subtle concept distribution

4结论

① CT实测空隙率与体积法实测空隙率之间具有较好的线性相关性(R2>0.99)，CT实测空隙率约为体积法实测空隙率的90%，可满足小于20%的实验误差要求。将工业CT的无损检测技术与VG软件的缺陷检测功能运用于排水性沥青混合料细微观结构性能研究，可获得较好的试验效果。

② 延马歇尔试件高度方向，空隙率大小由两端向试件中间逐渐减小的趋势，呈“V”形分布，且空隙率越大，“V”形表现越明显

③ 随着空隙率增大，排水性沥青混合料马歇尔试件内部总空隙数量减少，空隙率由15.73%增大到25.98%，马歇尔试件总空隙数量减小了57%，OGFC混合料内部的平均空隙直径随着空隙率的增大而增大，且二者具有较好的二次相关性，大约在22%空隙率出平均孔径产生突变。

④ 综合考虑到排水性沥青混合料的排水性与路面结构的耐久性，本文推荐排水性沥青混合料的设计空隙率为18%～22%。

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Study Voids Distribution of Porous Asphalt Mixture Based on Industrial CT

CHEN Lichun

(Jilin Vocational and Technical Institute， Changchun， Jilin 130012， China)

[Abstract]The void fraction measurement in fact is just a concept of average，not sure the distribution features of the voids，and the composition of void，this article based on industrial computed tomography(CT)from the perspective of mesoscopic structure characteristics of the porous asphalt mixture，to study the the space distribution characteristic of internal drainage asphalt mixture.In essence reveals the determinants of OGFC asphalt mixture drainage characteristics，The research results to improve the gap rate affect the performance of drainage asphalt pavement drainage mechanism and reasonable use of drainage asphalt mixture.

[Key words]road engineering； industrial computed tomography(CT)； drainage asphalt mixture； void distribution characteristics

[中图分类号]U 414.1

[文献标识码]A

[文章编号]1674-0610(2016)01-0202-05

[作者简介]陈立春(1973-)，男，吉林长春人，硕士，副教授，研究方向：道桥工程、施工测量。

[收稿日期]2014-10-10