基于車轍試驗(yàn)的瀝青混合料粗集料接觸分布特性研究

基于車轍試驗(yàn)的瀝青混合料粗集料接觸分布特性研究

0瀝青混合料接觸點(diǎn)分析方法收集材料之間的接觸是混合瀝青材料等級(jí)組成的重要特征，它影響著收集材料顆粒之間的力和傳遞路徑，對(duì)混合青混合材料的詳細(xì)觀力學(xué)具有重要影響。目前,瀝青混合料接觸分析主要有2種方法。一種是傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法,在獲取瀝青混合料切片圖像后,借助數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)圖像進(jìn)行一系列處理,從微細(xì)觀角度描述瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性,其特點(diǎn)是直觀、方便;另一種是數(shù)值分析方法,利用離散元軟件構(gòu)造瀝青混合料虛擬試件后對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行分析。在瀝青混合料虛擬試件的構(gòu)造過程中,由于集料形狀及空間分布、細(xì)觀參數(shù)取值等與實(shí)際的瀝青混合料有一定差別,虛擬試件并不能完全反映真實(shí)狀態(tài)下瀝青混合料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征。上述2種方法各有優(yōu)缺點(diǎn),瀝青混合料內(nèi)部接觸點(diǎn)的分布實(shí)際為三維狀態(tài),所以利用三維數(shù)字圖像分析粗集料的接觸特性更符合實(shí)際情況。Masad等利用工業(yè)CT掃描瀝青混合料試件,在獲得大量連續(xù)的二維切片圖像后對(duì)瀝青混合料內(nèi)部的空隙分布、空間體積特征等進(jìn)行分析,但其實(shí)質(zhì)還是對(duì)瀝青混合料切片圖像進(jìn)行平面分析的疊加,并不能反映瀝青混合料真實(shí)的三維空隙狀態(tài)。在現(xiàn)有技術(shù)條件下,利用工業(yè)CT掃描瀝青混合料試件所獲得的切片圖像很模糊,集料邊界難以分辨,用于接觸點(diǎn)分析將可能導(dǎo)致分析結(jié)果出現(xiàn)較大的相對(duì)誤差。目前,雖然部分研究者對(duì)某一類型瀝青混合料接觸點(diǎn)的特性和評(píng)價(jià)方法進(jìn)行過研究,但尚缺乏不同混合料接觸特性系統(tǒng)的對(duì)比分析,在重復(fù)荷載作用下集料接觸點(diǎn)分布特性和發(fā)展規(guī)律也鮮見相關(guān)報(bào)道。鑒于目前三維數(shù)字圖像處理技術(shù)還不成熟,本文中基于瀝青混合料車轍試驗(yàn),利用成熟的二維數(shù)字圖像技術(shù),對(duì)3種不同類型瀝青混合料的接觸點(diǎn)分布特性和重復(fù)荷載下接觸點(diǎn)的發(fā)展規(guī)律進(jìn)行分析,以期為瀝青混合料級(jí)配的優(yōu)化提供工程指導(dǎo)和設(shè)計(jì)參考。1收集材料的接觸特性分析1.1相鄰粗集料之間的接觸為描述粗集料之間的空間接觸關(guān)系,定義集料接觸點(diǎn)作為表征集料間接觸特性的量化指標(biāo)。在瀝青混合料的截面圖像中,當(dāng)任意2個(gè)相鄰粗集料A,B邊界的最近距離小于設(shè)定的接觸閾值時(shí),認(rèn)為這2個(gè)集料互相接觸,記為Aue03bB。圖1為接觸點(diǎn)分析示意,圖1中:13#集料分別與10#,14#,15#集料接觸,共有3個(gè)接觸點(diǎn);而對(duì)于8#集料,它與周邊任何一個(gè)集料的最近距離都大于設(shè)定的接觸閾值,因此判定它沒有接觸點(diǎn)。1.2維截面圓分布的測(cè)量作為瀝青混合料中某一隨機(jī)切面,二維截面圖像包含混凝土內(nèi)部集料分布信息,可通過二維圖像手段推斷集料粒徑分布。此問題實(shí)際上是P(Aj|Vi)條件概率的問題,最早由Saltykov和Dehoff等學(xué)者在球形集料假設(shè)條件下,用體視學(xué)方法推導(dǎo)出球形集料的P(Aj|Vi)表達(dá)式。Mora等利用體視學(xué)和概率方法,將實(shí)際集料向球形集料近似并通過引入集料形狀修正系數(shù),從集料二維截面推測(cè)集料實(shí)際粒徑分布,并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。體視學(xué)推測(cè)過程如下:先假設(shè)集料為球形,將其二維截面上所有截面圓按直徑均分為m組,第j組截面圓直徑為dj,該組截面圓頻率為NA(j);相應(yīng)地將真實(shí)集料按照粒徑劃分為n組,第i組集料粒徑為Di,對(duì)應(yīng)的頻率為NV(i),則二維截面圓分布與集料的真實(shí)三維尺寸分布之間有如下關(guān)系式中:Δ為分組間距。由于式(1)以球形集料假設(shè)為基礎(chǔ),只適用于球形集料,而實(shí)際上集料外形復(fù)雜多變。為了讓式(1)能夠適用于外形復(fù)雜的集料,引入集料形狀修正系數(shù)Ψ,則式(1)可表示為式(2)中,NV通過機(jī)械篩分試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)量,集料形狀修正系數(shù)Ψ可用試驗(yàn)方法獲得。NA可采用二維數(shù)字圖像處理方法中的等效直徑法計(jì)算,即式中:Dieq為二維截面圖像中某集料的等效直徑;Ni為該集料面積區(qū)域內(nèi)的像素;Δx為二維截面圖像的分辨率。機(jī)械篩分試驗(yàn)結(jié)果和球形集料假設(shè)結(jié)果之間存在修正系數(shù)(Ψ1),利用數(shù)字圖像法對(duì)集料做近似球形分析同樣也存在修正系數(shù)(Ψ2)。球形集料假設(shè)是這2種測(cè)量結(jié)果的聯(lián)系紐帶。為方便分析,引入集料形狀修正系數(shù)Ψ=f(Ψ1,Ψ2),以描述數(shù)字圖像處理結(jié)果和機(jī)械篩分試驗(yàn)結(jié)果之間的關(guān)系。本文中,最佳Ψ值的獲得方式是通過集料接觸分析軟件試算,使修正后的級(jí)配能較好地符合機(jī)械篩分級(jí)配。1.3集料接觸閾值既有文獻(xiàn)表明,接觸閾值的取值對(duì)接觸點(diǎn)的數(shù)量有著關(guān)鍵性的影響。Coenen等將接觸閾值設(shè)置為集料最小計(jì)算粒徑的25%;參考Elseifi等對(duì)瀝青膜厚度的研究結(jié)論,段躍華等在集料接觸分析中以2個(gè)像素的距離作為接觸閾值,即約為最小計(jì)算粒徑的20%(其集料最小計(jì)算粒徑為1.18mm);蔡旭等通過對(duì)接觸概率的分析認(rèn)為接觸閾值取集料最小計(jì)算粒徑的23%更為合理。參考已有的研究成果,本文中對(duì)接觸閾值的取值不再進(jìn)行過多討論,取集料最小計(jì)算粒徑的23%作為集料接觸閾值。集料最小計(jì)算粒徑為2.36mm,則其閾值為0.54mm。1.4掃描過程中各.3%的檢查對(duì)瀝青混合料二維截面圖像二值化處理后,可利用集料接觸分析軟件分析集料粒徑,同時(shí)進(jìn)行接觸點(diǎn)搜索。為直觀起見,掃描算法結(jié)合圖1進(jìn)行描述。在圖1中,為確定15#和14#粗集料是否相互接觸,采用的搜索方法為:先從15#集料邊界任意點(diǎn)M開始,計(jì)算與14#集料邊界任意點(diǎn)N的直線距離L,對(duì)14#集料邊緣沿順時(shí)針方向掃描一周完畢后,選取15#集料順時(shí)針方向的最近相鄰點(diǎn)M′,再次對(duì)14#集料進(jìn)行掃描,計(jì)算M′點(diǎn)與14#集料邊界任意點(diǎn)N′的直線距離,如此循環(huán)掃描直至回到M點(diǎn)。掃描完成后若L的最小值Lmin小于設(shè)定的接觸閾值,則認(rèn)為15#和14#集料相互接觸;若循環(huán)掃描完畢后Lmin值大于設(shè)定的閾值,則認(rèn)為不接觸。按照從上到下、從左到右的順序,依次對(duì)矩形截面圖像中所有粗集料進(jìn)行掃描。搜索方法認(rèn)為兩顆粗集料之間的接觸點(diǎn)不大于1個(gè)。1.5粗集料接觸點(diǎn)空間分布瀝青混合料二維截面圖像處理和粗集料接觸分析主要分為2個(gè)步驟:首先將原始截面圖像進(jìn)行二值化處理,然后利用接觸分析軟件對(duì)圖像的級(jí)配進(jìn)行分析,通過調(diào)整參數(shù)以獲取最佳Ψ值,然后計(jì)算粗集料接觸點(diǎn)位置、接觸點(diǎn)空間分布狀況和接觸點(diǎn)總數(shù)量等接觸信息(圖2)。2試驗(yàn)設(shè)計(jì)2.1瀝青混合料和sma-13c本次試驗(yàn)采用以下3種不同的瀝青混合料:(1)70#瀝青AC-13C瀝青混合料(簡(jiǎn)稱AC-13C);(2)以70#瀝青作為基質(zhì)瀝青,摻8%UM天然巖瀝青的AC-13C瀝青混合料(簡(jiǎn)稱巖瀝青AC-13C);(3)SBS改性SMA-13瀝青混合料(簡(jiǎn)稱SMA-13)。其中,瀝青混合料(1)和(2)中集料類型、級(jí)配組成和油石比均相同,唯一不同之處就是瀝青混合料(2)摻入了8%UM天然巖瀝青,以改善瀝青膠漿的性能。AC-13C所用集料為花崗巖,油石比為5.0%,水泥摻量2%;SMA-13所用集料為玄武巖和石灰?guī)r礦粉,油石比為6.0%,礦粉摻量為11%,木質(zhì)纖維摻量為3.5%。瀝青混合料級(jí)配組成見表1,瀝青及巖瀝青技術(shù)性能指標(biāo)分別見表2,3。2.2試件截面的拍攝和車女性試件加載按照中國(guó)現(xiàn)行規(guī)范要求,每種瀝青混合料各成型3組車轍試件,試件尺寸為300mm×300mm×50mm。在進(jìn)行車轍試驗(yàn)前,利用高精度雙面鋸沿車輪碾壓方向中線對(duì)車轍試件進(jìn)行切割,將車轍板等距分為兩部分,然后,采用CCD數(shù)碼相機(jī)拍攝試件截面(圖3)。由于每種混合料各成型3組,可獲取6個(gè)截面圖像。試件切割完成,拍攝照片后仍裝回模具中進(jìn)行車轍試驗(yàn)。為盡量消除切割對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成的不良影響,試件側(cè)壁用橡膠墊包裹以保證較強(qiáng)的約束作用。圖4(a),(b),(c)為3種瀝青混合料加載前的部分截面圖像。車轍試驗(yàn)荷載為0.7MPa,試驗(yàn)過程中溫度始終控制在(60±0.5)℃。整個(gè)試驗(yàn)過程分為若干階段,每碾壓1h(加載2520次)后,將試件取出拍攝照片,獲取加載后的截面圖像,再將試件置于模具中進(jìn)行下階段加載,直至接觸點(diǎn)數(shù)量變化幅度不大,或者部分粗集料出現(xiàn)破碎為止[圖4(d)]。本文中數(shù)據(jù)均取同類平行試驗(yàn)結(jié)果的平均值。2.3車轍板抗車轍性能對(duì)車轍板試件切割后拼裝在一起進(jìn)行試驗(yàn),雖然側(cè)壁以橡膠墊包裹能保證側(cè)壁有較強(qiáng)的約束作用,但集料顆?？臻g位置變化狀態(tài)與完整板塊車轍試驗(yàn)后顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)肯定會(huì)有所不同。為了解兩者之間的差異,對(duì)AC-13C和SMA-13各成型6組車轍板試件。在試驗(yàn)過程中,其中3組試件在碾壓1h后進(jìn)行切割并拍攝照片,另外3組在連續(xù)碾壓2h后再進(jìn)行切割,獲取截面圖像。通過比較切割后試件和完整板塊試件接觸點(diǎn)的總數(shù),以了解2種試驗(yàn)方法之間的差異,試驗(yàn)結(jié)果見表4。由表4可知,試件切割和未切割接觸點(diǎn)總數(shù)在各加載階段均存在相對(duì)誤差,SMA-13為5.4%左右,AC-13C為9.8%左右。巖瀝青AC-13C的抗車轍性能介于SMA-13和AC-13C之間,推斷其相對(duì)誤差應(yīng)為5.4%~9.8%。雖然切割試件會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有一定的影響,但仍在允許的精度范圍內(nèi)。3試驗(yàn)結(jié)果的分析3.1機(jī)械分揀級(jí)配對(duì)根據(jù)第1.2節(jié)介紹的體視學(xué)原理,利用集料接觸分析軟件分析瀝青混合料二維截面中的級(jí)配,結(jié)果表明,根據(jù)球形集料假設(shè)所獲得的級(jí)配和機(jī)械篩分級(jí)配有較大差異,其相對(duì)誤差最高達(dá)27%。通過集料接觸分析軟件試算,使修正后的級(jí)配盡量接近機(jī)械篩分級(jí)配,從而獲得最佳Ψ值(圖5)。由圖5可知,對(duì)于AC-13C和SMA-13,當(dāng)Ψ值分別取0.81和0.84時(shí),修正后的級(jí)配和機(jī)械篩分級(jí)配相對(duì)誤差小于5%,能滿足工程精度要求。本文中Ψ值與Mora等學(xué)者提出的修正系數(shù)近似為0.81~0.89的結(jié)論基本一致。3.2抗車轍性能分析3種瀝青混合料在各加載階段接觸點(diǎn)總數(shù)的發(fā)展趨勢(shì)見圖6,接觸點(diǎn)總數(shù)與車轍深度之間的關(guān)系見圖7。從圖6可以看出:(1)3種瀝青混合料接觸點(diǎn)總數(shù)均隨著試驗(yàn)加載時(shí)間的增加而增加。初期階段增加較快,在加載階段的末期,接觸點(diǎn)數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定。(2)二維截面圖像接觸點(diǎn)總數(shù)的變化范圍由級(jí)配類型決定,與瀝青結(jié)合料類型無關(guān)。接觸點(diǎn)數(shù)越多,并不代表瀝青混合料抗車轍性能就越好。如圖6所示,雖然SMA-13接觸點(diǎn)數(shù)比AC-13C少,但SMA-13的抗車轍性能較好(圖7),這可能與粗集料的含量有關(guān)。通過比較2種混合料中粒徑分別為13.2,9.5,4.75mm集料的通過率,發(fā)現(xiàn)SMA-13中粒徑4.75mm以上粗集料的含量比AC-13C高得多,而AC-13C中粒徑2.36~4.75mm檔集料的含量比SMA-13多。粒徑2.36~4.75mm檔集料雖然能夠提供更多的接觸點(diǎn),但由于其粒徑小,集料之間的嵌擠作用力較弱,形成的骨架結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,在荷載的作用下瀝青混合料內(nèi)部的粗集料更易產(chǎn)生相對(duì)位移,致使瀝青混合料抗車轍性能較差。由較多粒徑4.75mm以上粗集料形成的骨架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好,更具有抵抗外部荷載的能力。所以,接觸點(diǎn)數(shù)的多少并不能衡量瀝青混合料的抗車轍性能,而接觸點(diǎn)和骨架的穩(wěn)定性是形成良好抗車轍性能的關(guān)鍵因素。(3)瀝青的性能對(duì)初始接觸點(diǎn)數(shù)的影響不大,但對(duì)接觸點(diǎn)數(shù)的變化趨勢(shì)有一定的影響。對(duì)比圖6中AC-13C和巖瀝青AC-13C,兩者級(jí)配一致,初始接觸點(diǎn)數(shù)量相差不大,但隨著加載次數(shù)的增加,AC-13C接觸點(diǎn)數(shù)增加趨勢(shì)更快。越堅(jiān)硬的瀝青越能約束集料的運(yùn)動(dòng),抵抗外部荷載,因而其車轍變形小。圖7結(jié)果表明:接觸點(diǎn)總數(shù)與車轍深度之間存在較好的線性相關(guān)關(guān)系,可表示為δRD=a+bNt,其中δRD為車轍深度,Nt為接觸點(diǎn)總數(shù),a和b均為回歸系數(shù),其值如表5所示。以上分析表明,由較多粒徑4.75mm以上粗集料構(gòu)成的骨架內(nèi)摩阻力更大,而PG等級(jí)較高的瀝青具有更大的粘聚力。所以,在瀝青混合料設(shè)計(jì)過程中,適量增加粒徑4.75mm以上粗集料的含量和使用PG等級(jí)較高的瀝青,是形成較穩(wěn)定骨架密實(shí)型瀝青混合料并提高其抗車轍性能的重要手段。3.3抗車轍性能分析圖6為接觸點(diǎn)總數(shù)隨加載時(shí)間的變化趨勢(shì),但無法反映各檔集料對(duì)接觸點(diǎn)的貢獻(xiàn)率。根據(jù)分析軟件所獲得的接觸信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后,繪制不同加載階段各檔集料接觸點(diǎn)分布統(tǒng)計(jì)圖,如圖8所示。圖8中各檔集料接觸點(diǎn)分布具有以下特征:(1)各檔集料接觸點(diǎn)的總數(shù)均隨著試驗(yàn)加載時(shí)間的增加而增加。在荷載的作用下,由粒徑小于9.5mm粗集料參與的接觸點(diǎn)數(shù)增加較快,而粒徑大于9.5mm粗集料參與的接觸點(diǎn)數(shù)增加相對(duì)較為緩慢。對(duì)于粒徑13.2~16mm檔粗集料,其接觸點(diǎn)數(shù)量趨于穩(wěn)定,在加載過程中幾乎不發(fā)生變化。(2)在SMA-13中,粒徑4.75mm以上集料貢獻(xiàn)80%左右的接觸點(diǎn),而對(duì)于AC-13C,這一比例不到60%,說明4.75mm是形成較穩(wěn)定骨架的關(guān)鍵粒徑。在AC-13C中,雖然粒徑2.36~4.75mm檔集料能有效增加接觸點(diǎn)總數(shù),對(duì)接觸點(diǎn)的貢獻(xiàn)率達(dá)到40%,但由于其粒徑較小,集料之間嵌擠的作用力較弱,形成的骨架穩(wěn)定性不足,導(dǎo)致瀝青混合料抗車轍性能較低。因此,粒徑4.75mm以上集料對(duì)形成穩(wěn)定骨架的貢獻(xiàn)率最大,是形成較穩(wěn)定骨架的關(guān)鍵粒徑。3.4單顆粗集料接觸等級(jí)粗集料周邊接觸點(diǎn)數(shù)和分布特征對(duì)顆粒的約束有較大影響。若瀝青混合料中“懸浮”粗集料數(shù)量少,粗集料周邊接觸點(diǎn)數(shù)多且分布均勻,則其內(nèi)部的骨架結(jié)構(gòu)就會(huì)更穩(wěn)定。本次試驗(yàn)的3種瀝青混合料單顆粗集料周邊接觸點(diǎn)數(shù)分布見圖9。由圖9可知:3種瀝青混合中均有較多單顆粗集料接觸點(diǎn)數(shù)為0,表明有較多的粗顆粒未與其他任何粗集料發(fā)生接觸,為無約束的“自由”粗集料。單顆集料接觸點(diǎn)數(shù)最多為5個(gè),其中含有4個(gè)和5個(gè)接觸點(diǎn)的集料較少,且主要為粒徑4.75mm以上粗集料。隨著加載時(shí)間的增加,3種瀝青混合料中無接觸點(diǎn)的粗集料含量由加載前的28%逐漸下降到7%左右,只有1個(gè)接觸點(diǎn)的粗集料數(shù)量也逐漸減少,而含有2個(gè)及以上接觸點(diǎn)的粗集料數(shù)量則不斷增加。在加載階段的末期,SMA-13中單顆粗集料接觸點(diǎn)數(shù)為3個(gè)以上的集料數(shù)占集料總數(shù)的比例顯著大于AC-13C。圖9中所示曲線有一個(gè)共性規(guī)律,即在荷載作用下,隨著瀝青混合料不斷被壓密,單顆集料接觸點(diǎn)數(shù)峰值(曲線峰值)位置逐漸向增大方向移動(dòng)。在加載階段的末期,含有2個(gè)接觸點(diǎn)的粗集料數(shù)最多,表現(xiàn)為接觸點(diǎn)數(shù)峰值含量占粗集料總數(shù)的35%左右。對(duì)于圖9中所有曲線,高斯回歸模型能較好地描述粗集料接觸點(diǎn)數(shù)與其對(duì)應(yīng)的集料總數(shù)之間的關(guān)系,通用回歸方程為式中:t為單顆粗集料接觸點(diǎn)數(shù);s表示某一單顆粗集