基于工业CT排水性沥青混合料空隙分布特征研究.pdf
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1、第 4 1 卷 , 第 1 期 2 0 1 6 年 2 月 公 路 工 程 Hi g h wa y Eng i n e e r i n g Vo 1 4 1No 1 Fe b,2 0 1 6 基于工业 C T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 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 c T从排水性沥青混合料 的细观结 构特征角度人手 , 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
2、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 C T ;排水性沥青混合料 ;空隙分布特征 中图分类号U 4 1 4 1 文献标识 码A 文章编号 1 6 7 4 0 6 1 0 ( 2 0 1 6 ) O 1 0 2 0 2 0 5 S t u dy Vo i d s Di s t r i b u t i o n o f Po r o u s As p ha l t M i x t u r e Ba s e d o n I n d u s t r i a l CT CHEN Li
3、 c hun ( J i l i n V o c a t i o n a l a n d T e c h n i c a l I n s t i t u t e ,C h a n g c h u n , J i l i n 1 3 0 0 1 2 ,C h i n a ) Ab s t r a c t T h e v o i d f r a c t i o n m e a s u r e me n t i n f a c t i s j u s t a c o n c e p t o f a v e r a g e , n o t s u r e t h e d i s t r i b u t
4、 i o n f e a t u r e s o f t h e v o i d s , a n d t he c o mp o s i t i o n o f v o i d, t h i s a r t i c l e b a s e d o n i n du s t r i a l c o mp u t e d t o mo g r a p h y ( C T ) f r o m t h e p e r s p e c t i v e o f me s o s c o p i c s t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i c s o f t
5、h e p o r o u s a s p h a l t mi x t u r e , t o s t u d y t h e t h e s p a c e di s t r i b u t i o n c ha r a c t e r i s t i c o f i n t e r na l d r a i n a g e a s p h a l t mi x t u r e I n e s s e n c e r e v e a l s t h e d e t e r mi n a n t s o f OGF C a s p h a l t mi x t ur e d r a i n
6、a g e c h a r a c t e r i s t i c s, Th e r e s e a r c h r e s u l t s t o i mp r o v e t h e g a p r a t e a f f e c t t h e p e r f o r ma n c e o f d r a i n a g e a s ph a l t p a v e me n t d r a i na g e me c h a n i s m a n d r e a s o na b l e u s e o f dr a i n a g e a s p h a l t mi x t u
7、r e Ke y wo r d s r o a d e n g i n e e r i n g ;i n d u s t r i a l c o mp u t e d t o mo g r a p h y ( C T ) ;d r a i n a g e a s p h a l t mi x t u r e ; v o i d d j s t r j b u t i o n c ha r a c t e r i s t i c s 0 前言 排水路面从 1 9 3 0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
8、 , 主要是材料选择 和配合 比设计的演变 , 空 隙率从 1 2 提升 到 2 0 , 厚度从 2 c m左右提升到 5 c m, 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 。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问 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 , 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 。
9、 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 , 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 。 收
10、稿 日期】2 0 1 4 一I O I O 作者简介 】陈立春 ( 1 9 7 3 一) , 男 , 吉林长春人 , 硕 士, 副教授 , 研究方 向: 道桥工程 、 施工测量 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 陈立春 : 基于工业 c T排水性沥青混合料空 隙分布特征研究 2 0 3 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 C T P r e c i s i o n系列工业 C T平 台推荐配置 的三维可视 化软件为 V o l u m e G r a p h i c s 公司的大型商
11、务软件 V G S t u d i o MA X 2 I , 试验选择 目标空隙率为 1 6 、 1 8 、 2 0 、 2 2 、 2 4 、 2 6 共 6种 O G F C一 1 3混合料 , 集料采用玄武岩 , 矿粉 由石 灰岩磨制而 成, 沥 青 为 T P S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 OGF C一 1 3混合 料合成级 配 Ta b l e 1 OGFC 1 3 s y nt h e s i s mi x t u r e g
12、 r a d a t i o n 级配 通过下列筛孔尺寸( m m) 的百分率 9 5 4 7 5 8 O 3 O 6 O l 2 7 6 3 2 7 6 7 5 2 2 6 3 7 O 3 2 3 4 6 5 7 2 O 3 6 4 9 l 7 6 6 2 3 l 5 1 O 1 5 8 3 6 8 6 4 6 4 6 0 5 6 5 4 规范 上限 级配 下限 级配 1 级配 2 级配 3 级配 4 级配 5 级 配 6 表 2 OG F C一1 3混合料配合 比设计结果 Ta b l e 2 OGFC 一1 3 mi x t u r e r a t i o d e s i g n r e
13、 s ul t s 合成级配 Ms , k N 级 配 l 4 5 7 级 配 2 4 4 3 级配 3 4 3 8 级配 4 4 3 O 级配 5 4 2 l 级 配 6 4 1 0 8 3 2 7 5 6 6 9 9 6 5 4 6 0 7 5 3 4 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 5 O次成型马歇 尔试件, 待试件冷却后对试件进行 C T扫描 , 扫描参 数 见 表 3 。层 间 间隔 为 0 1 m i l l , 一 个 标 准 马歇 尔试 件可获得断层图像 6 3 5幅。 具体操作时将 C T图像导入 V G S t u d i o MA X 2
14、1 中进行三维图像重建 , 选择 V G S t u d i o M A X 2 1软件 中 的缺陷检测功能 , 设置最大、 最小缺陷尺寸 , 本文 表 3 C T扫描 参数 Ta b l e 3 CT s ca n p a r a me t e r s 最大缺陷尺寸设置为 1 0 0 0 0 mm 最小缺陷尺寸为 0 mm , 输 出的计算结果见图 1 。 实测空隙翠 图 1 实测空隙率与 C T测算空隙率之 间的回归关 系 F i g u r e 1 Th e r e l a t i o n s hi p b e t we e n me a s ur e d v o i d a n d e
15、 s t i ma t e s v o i d 由图 l 可知: C T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 ( R 0 9 9) , C T实 测空隙率约为体积法实测空隙率的 9 0 , 可满足小 于 2 0 的实验误 差要求 。分 析其 原 因主要 是 , C T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 e x c e l 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 m m , 由于工业 C T 的精度原因导致这部分空
16、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 。本文结合工业 C T的无损检测技术以及 V G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 5 0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 m m获取马歇尔 试件的 C T图像信 息, 按流程 图对 扫描结果 进行三 0 7 6 6 2 8 2 6 5 4 4 4 4 3 3
17、3 2 8 4 8 6 4 O一 2 3 8 7 7 6 6 6 5 8 6 O 7 5 8 6 3 2 1 O 8 7 6 2 7 3 6 8 m n 2一 一 如 一 O O 0 O m 一 鳃 勰 F n 一 一 5 9 8 5 l 9 一 际 一 ” m 实 w一 : 2 加 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 4 公路工程 4 1卷 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 Ta b l e 4 Th r e e di me ns i o n
18、al o f v oi d s c a l c u l a t i o n r e s ul t s 由计算结果可知 : 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 7 0 7 5 。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 。 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 1 6 的马歇尔试件 , 试件 中部 的 空隙
19、率只有 1 1 , 远小于设计 空隙率 , 当 目标空 隙 率大于等于 2 0 后 , 试件中部 7 9 e m部分的空隙 率 基本 稳定 , 均 可达 到 1 6 以上 。 空隙率 图 2 排水 性沥青混合料 空隙率延试 件高度分布状况 Fi g ur e 2 Po r o u s a s p ha l t mi x t ur e v o i d d i s t r i b ut i o n o f s p e c i me n h e i g ht e x t en s i o n 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
20、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 e m部分 的二维空隙数量 之和。根据计算输出的 e x c e l 表单对不同级 配 O G F C一1 3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 。 - 咖 煞 加a 图 3 实测空 隙率 与总空隙数
21、量 之间的关 系 Fi g u r e 3 Th e r e l a t i on s hi p b e t we e n me a s u r e d v o i d a n d t h e t o t a l nu mb e r o f v o i ds 图 3回归结果可知 : 随着空 隙率增大 , O G F C l 3马歇 尔 试 件 内部 总 空 隙 数 量 减少 , 空 隙 率 由 1 5 7 3 增大到 2 5 9 8 , 马歇尔试件总空隙数量减 小 了 5 7 , 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 C T
22、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 O G F C混合料具有较好的排水性能 , 其设 计空隙率不宜小于 2 0 。 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 c
23、 T数据分析不同级配类型 O G F C 一 1 3混 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1期 陈立春 : 基 于工业 C T排水性 沥青 混合料 空隙分 布特征研究 2 0 5 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 O G F C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 料子 L 级 配 Ta bl e 5 Th e v o i d g r a d i ng o f p o r o u s a s ph a l t mi x t u r e 从 表 5中可 以看 出 : 不同级配类型 的
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- 基于 工业 CT 水性 沥青 混合 空隙 分布 特征 研究
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