基于工业CT技术的沥青混合料内部空隙分布特性
吴文亮，王端宜，张肖宁，李智
(华南理工大学 土木与交通学院，广东 广州，510640)
摘要：采用高精度工业CT获取大量断层图像，首先对重建后的三维空隙各体积参数进行研究，统计各空隙的测量值，掌握其分布特性；对不同成型方法、路面不同层位取芯试件中的面空隙沿深度方向的分布情况进行研究。研究结果表明：对马歇尔成型的试件，其面空隙率沿试件深度方向不断变化；对旋转压实成型的试件，在30~105 mm高度范围内其面空隙率分布较均匀；上、中、下面层取芯的试件，三者的面空隙率变化趋势基本相同，面空隙率最大值都出现在试件上部。
关键词：道路工程；沥青混合料；空隙分布；工业CT
中图分类号：U414.1 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2012)06-2343-06
Air voids distribution of asphalt mixtures based on industrial computerized tomography
WU Wen-liang, WANG Duan-yi, ZHANG Xiao-ning, LI Zhi
(School of Civil Engineering and Transporation, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)
Abstract: High-precision industrial computerized tomography was used to obtain batch of slice images, the volume parameters of 3-D air voids was studied after reconstruction, statistic of each measurement value of air void was made, and the distribution characteristics were obtained. Distribution of area ratio of air void along specimen’s depth was also researched for different compaction methods and bore-hole samples. The results show that the area ratio of air void changes along specimen’s depth for Marshall compaction, and area ratio of air void changes little at the depth of 30-105 mm for gyratory compaction. Area ratio of air void has the same trend for upper, middle and lower layer bore-hole samples, and the biggest area ratio of air void appears on the sample top.
Key words: road engineering; asphalt mixtures; distribution of air voids; industrial CT
沥青混合料作为一种具有流变特性的多尺度不规则粒子堆积在一起的复合材料，空隙在其中起着重要的作用[1-3]。目前采用的沥青混合料设计方法中只有VV，VCA和VMA等参数，这些参数只能从宏观上描述沥青混合料的整体特征，不能从微观(细观)上反映混合料内部空隙的分布情况，而空隙的微观分布直接影响路面的使用性能。工业CT(Industrial computerized tomography)是一种无损检测(NDT)和无损评价(NDE)技术，它能在无损条件下对各类工业材料或产品等进行检测，最终以计算机数字化的断层图像形式显示被测物体的内部结构、材料组成及缺陷状况等情况[4-5]。应用工业CT对沥青混合料三维体积结构进行识别与分析，是沥青混合料研究领域的一大进步。Masad等[6-9]较早开展了CT技术用于沥青混合料微观结构的研究，采用CT技术和数字图像处理技术研究了混合料试件内部空隙在不同深度的分布情况，并用Weibull模型进行了描述。Wang等[10-11]采用CT技术和体视学方法研究混合料的空间体积分数和空隙分布，并提出一些表征混合料内部结构和性能的参数。在国内，徐科[12]对空隙面积比分布进行了统计分析，得出空隙面积比平均值与用表干法测定的空隙率非常接近的结论；裴建中等[13]采用CT对多孔沥青混合料空隙的分布特性进行了研究。以上研究大多针对断层图像中的面空隙，而不是反映空隙真实状态的体空隙；另外，受图像获取条件的限制，所得到的断层图像数量偏少。为此，本文作者采用高精度工业CT获取大量断层图像，首先对体空隙进行研究，掌握其分布特性；而后对不同成型方法、路面不同层位取芯试件中的面空隙沿深度方向的分布情况进行研究。
1 工业CT简介
工业CT是借助计算机将X线断层扫描装置扫描的断面再现出来的一种全新成像技术，可以无损地检测非透明物体的组成结构。在射线穿透物质的过程中，其强度呈指数关系衰减。物质的密度是由物质对射线的衰减系数来体现的，不同物质对射线的吸收系数不同。
CT的定量描述是CT 数。Hounsfield将空气和水的CT数分别定义为0和1 000，所以，被检测物体对射线的吸收系数与CT 数nCT之间的换算关系为[14]：
(1)
式中：μ为被测物体对射线的吸收系数；μw为水对射线的吸收系数。
利用正比于CT数nCT的亮度成像，即可得到完整的CT图像。本文采用德国YXLON公司生产的Compact-225型高精度工业CT产品，其性能指标见表1。扫描得到的沥青混合料试件如图1所示。
图1 沥青混合料试件图像
Fig.1 Images of asphalt mixture specimen
2 空隙的三维分布特性
利用马歇尔击实仪成型级配为AC-13C的沥青混合料试件。集料采用广东增城花岗岩，矿粉采用广东云浮石灰岩矿粉，沥青为中油70号沥青。级配如表2所示。
成型的AC-13C试件参数如表3所示。对成型后的试件进行CT扫描，层间距为0.1 mm，获得断层图像635幅，导入VGStudio MAX 2.0中进行三维图像重建。选择试件为研究区域，并消除外部阴影的影响，通过反复试算确定分割空隙的阈值T1[15]后，提取出其中灰度介于0和T1之间的部分，如图2所示。对提取出的每个空隙的体积参数进行测量，空隙数量为4 901个，输出结果如表4所示。
从表4可见：统计测量到的4 901个空隙，最大空隙体积为177.17 mm3，最小的空隙为0.01 mm3。体积大于10.00 mm3的空隙共计52个，占总量的1.06%，其频率分布直方图如图3所示。
表1 Compact-225型工业CT产品性能指标
Table 1 Industrial CT performance of Compact-225
表2 AC-13C沥青混合料级配
Table 2 Gradation of AC-13C
表3 AC-13C试件参数
Table 3 Volumetric parameter of AC-13C specimen
表4 空隙的测量结果
Table 4 Measurement results of air voids
图2 空隙的三维图像
Fig.2 3D image of air voids
体积介于1~10 mm3的空隙共计433个，占总量的8.83%，其频率分布直方图如图4所示。体积小于1 mm3的空隙共计4 416个，占总量的90.1%。可见：混合料内部大部分空隙为体积小于1 mm3的微小 空隙。
图3 体积大于10 mm3的空隙分布频率直方图
Fig.3 Histogram of air voids’ volume larger than 10 mm3
图4 体积介于1~10 mm3的空隙分布频率直方图
Fig.4 Histogram of air voids’ volume between 1 mm3 and 10 mm3
3 空隙的平面分布特性
利用工业CT扫描获得沥青混合料试件的连续截面，若不进行三维重建，而只分析连续截面的几何信息，则这种方法实质上是一种伪三维的分析方法。图5所示为1幅提取空隙并进行了二值化的空隙图像。
图5 空隙图像
Fig.5 Image of air voids
选取试验室成型的马歇尔击实试件和旋转压实试件，仍采用表1所示的AC-13C级配以及路面取芯的上、中、下面层试件进行CT扫描，各试件的参数如表5所示。由于缺少施工中数据，因而无法测定路面取芯试件的空隙率进行对比。
表5 各试件的参数
Table 5 Parameter of each specimen
将断层图像中的空隙面积与截面面积的比值定义为面空隙率，对面空隙率的分布进行统计分析，结果如表6所示。从表6可知：空隙分布波动均较大，路面取芯的面空隙率变异系数比室内成型试件的高；比较马歇尔击实成型和旋转压实成型2种室内成型方法，旋转压实试件的面空隙率变异系数比马歇尔击实成型试件的小。另外，CT扫描的马歇尔击实试件和旋转压实试件的面空隙率平均值均小于实测的空隙率(分别小0.97%和0.58%)。各类试件的面空隙率与试件深度的关系如图6所示。从图6可以看出：
(1) 马歇尔击实成型的试件，空隙沿试件深度方向不断变化，呈先减小后增大的渐变过程，面空隙率最小值在试件深度的1/2处，空隙分布不均匀；若以试件中央位置为轴，则两侧的面空隙率基本对称。
表6 空隙分布统计结果
Table 6 Statistic result of air voids distribution
图6 空隙的分布特性
Fig.6 Distribution characteristics of air voids
(2) 旋转压实成型的试件，两端的面空隙率较大，中间部分较小，且中间部分的面空隙率变异性很小，这部分空隙沿试件深度方向分布很均匀。如图6(b)所示，该试件在30~105 mm高度范围内的面空隙率都介于2.8%~3.5%，从图上看近似呈一条直线。
(3) 比较马歇尔击实和旋转压实的试件，旋转压实试件中面空隙率变异性较小，即该成型方法能获得较均匀的空隙分布。这是由于旋转压实能对沥青混合料产生一定的搓揉、振夯作用，集料会发生重新排列，从而产生较均匀的内部结构；而马歇尔击实仅为竖向的击实作用，没有搓揉作用，故内部结构的均匀程度较差。
(4) 上、中、下面层取芯的试件，三者的面空隙率变化趋势基本相同：面空隙率最大值都出现在试件顶端；随着深度增大，面空隙率不断减小，中、上面层的面空隙率最小值出现在深度的2/3~3/4处，下面层出现在1/2处，而后均为面空隙率逐渐增大。 另外，比较上、中、下面层试件可知：随着最大公称粒径的增大，面空隙率变异性也逐渐增大。
4 结论
(1) 利用工业CT能够识别沥青混合料内部的各空隙体积参数，为沥青混合料微细观结构研究提供了一种新方法。
(2) 统计各空隙的三维体积参数，最大空隙体积为177.17 mm3，最小空隙体积为0.01 mm3。体积大于10 mm3的空隙占总量的1.06%；体积介于1~10 mm3的空隙占总量的8.83%；体积小于1 mm3的空隙占总量的90.1%；混合料内部大部分的空隙为体积小于 1 mm3的微小空隙。
(3) 马歇尔成型的试件，其面空隙率沿试件深度方向不断变化，分布不均匀；对于旋转压实成型的试件，30~105 mm高度范围内的面空隙率分布较均匀；对于上、中、下面层取芯的试件，三者的面空隙率变化趋势基本相同，面空隙率最大值都出现在试件顶端；随着最大公称粒径的增大，面空隙率变异性也逐渐 增大。
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(编辑 陈灿华)
收稿日期：2011-06-16；修回日期：2011-08-05
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51008131，51038004)
通信作者：吴文亮(1981-)，男，黑龙江鸡西人，博士，副研究员，从事道路工程与材料的研究；电话：020-87111030；E-mail：wenliang_wu81@163.com
