文章来源：微信公众号“沥青路面”

引言

骨架密实型沥青混合料由于具有良好的路用性能，尤其是突出的抗车辙性能而得到广泛应用，其典型特征是：沥青混合料中的粗集料构成骨架，以细集料、沥青和其他外掺剂构成的沥青胶浆填充骨架之间的空隙，对骨架进行黏结和约束，使沥青混合料形成一个具有较高强度的整体。骨架作为抵抗和传递外部荷载应力的主要载体，优良的骨架结构对沥青混合料抵抗变形的能力至关重要，因此，在骨架密实型沥青混合料设计过程中，其主要目标是通过优化级配使粗集料形成较完整的骨架结构。然而，目前基本上是以宏观角度对沥青混合料骨架结构进行研究，骨架的主流评价仅以一个不等式的定性标准VVCAmix≤VVCADRC进行判定，评价标准可以说非常粗略，并且VVCAmix和VVCADRC计算过程中存在诸多导致试验结果产生误差的因素。当前粗略的骨架评价标准和参数计算过程中的误差，使得设计的沥青混合料实质上很可能并不是骨架密实结构，偏离了原设计理念，相应地其工程质量也就大打折扣。许多研究者也认识到现有的粗集料骨架嵌挤标准并不能很好地指导骨架密实型沥青混合料的设计，提出了如骨架密实度、骨架撑开度和级配干涉系数等骨架结构评价标准。葛折圣等为了克服干捣实法测定粗集料间隙率的不足，提出了粗集料间隙率最小值的概念与测定方法，据此定义了沥青混合料级配干涉系数，并提出了新的粗集料骨架嵌挤标准。邱颖峰等根据粒子干涉及贝雷法球形模型假设理论提出了骨架密实度和骨架撑开度2个新的骨架密实结构评价参数。然而，以上文献并未避开粗集料毛体积密度等难以准确量测的变量，且基本上是以VVCAmix为基础进行修正，误差也较大，并未跳出目前主流骨架评价标准的思路。传统研究方法的种种弊端，使研究者将兴趣逐渐转移到材料内部细观结构特性的研究，近年来新兴的数字图像处理技术为沥青混合料内部结构特性分析提供了技术支撑。目前，基于数字图像处理技术对沥青混合料骨架细观结构特性进行研究的文献较少，基本还处于对集料间接触点特征进行统计分析的阶段，并未上升至一种设计方法指导沥青混合料级配的设计和优化。

基于上述背景，针对目前沥青混合料骨架细观结构认识的不足，骨架构成判断标准的不确定性等问题，本文利用数字图像处理技术，以粗集料接触特性统计分析为基础，在分析现有沥青混合料骨架结构评价指标的基础上，考虑粗集料接触特性，提出一种VVCAmix较精确的优化计算方法，以真实反映沥青混合料内部粗集料嵌挤和骨架构成特征；同时，对沥青混合料宏观与细观评价指标之间的关系进行分析，提出粗集料形成较优主骨架结构的定性、定量评价指标和标准，以便指导骨架密实型沥青混合料级配的设计和优化。

骨架密实结构评价指标

现有评价指标及存在的问题

目前，沥青混合料骨架结构主流的唯一评价标准就是VVCAmix<VVCADRC。当VVCAmix<VVCADRC时，粗集料相互嵌挤形成骨架；当VVCAmix≡VVCADRC时表示粗集料刚好发挥最佳嵌挤效果；如VVCAmix>VVCADRC，则粗集料骨架被撑开，细集料和沥青胶浆对粗集料骨架形成干涉。

骨架结构判据可以明显看出，该评价指标简单单一，且为定性评价而非定量评价指标；同时，试验过程中明显发现，不但VVCAmix和VVCADRC在试件成型、试件体积指标计算方法上均有较大差异，且VVCAmix计算过程中采用的是经验法，与沥青混合料和粗集料的毛体积密度密切相关，通过规范规定经验公式来估算吸附沥青对集料密度的影响。因此，采用经验法计算VVCAmix时，很可能会因为经验系数取值和人为误差积累等因素导致计算结果产生较大的误差，从而不能准确地对沥青混合料级配进行评价。

基于数字图像处理的VVCAmix计算方法及其优化

考虑到采用经验公式计算VVCAmix时，诸多不利因素可能导致计算结果产生较大的误差，因此，部分文献中提出基于数字图像法对VVCAmix进行量测，计算过程中仅需获取沥青混合料中粗集料体积和沥青混合料总体积这2个中间参数，不涉及毛体积相对密度、吸附沥青等难确定的中间变量，取得了良好的效果。

沥青混合料内骨架主要由相互接触的集料构成，骨架状态与集料的接触特性紧密相关。研究发现，任何级配的混合料均有其内部骨架，其区别是构成骨架的集料不同而使骨架呈现不同的结构组成，与其对应的骨架强度、刚度和稳定性有较大的差别，从而导致骨架结构具有不同抵抗荷载的能力。沥青混合料内相互接触的2.36mm以上粗集料构成混合料的主骨架以传递主要荷载应力，主骨架及其特性对沥青混合料的强度至关重要，也是本文的主要研究目标。

研究发现，沥青混合料中部分粗集料未与其他粗集料发生接触，“悬浮”于沥青胶浆中，并未参与构成主骨架。不参与构成主骨架的“悬浮”粗集料，其在沥青混合料中实际上起填充主骨架之间空隙的功能作用，与细集料的作用相同。因此，无接触点的“悬浮”粗集料与相互接触构成主骨架的粗集料在沥青混合料中所起的作用并不等同，计算VVCAmix时扣除不参与构成主骨架的粗集料“悬浮”显得更为合理；当前无论是经验法还是数字图像法计算VVCAmix时并未考虑这一因素，笼统地认为所有的粗集料均参与构成主骨架，使得计算的VVCAmix比实际值小，导致利用VVCAmix≤VVCADRC进行骨架判别时，判据显得过于宽松，一些并不满足判据的级配被误认为是骨架密实结构。

将粗集料划分为参与构成主骨架的粗集料和未参与构成主骨架的粗集料两部分，以反映沥青混合料内部主骨架嵌挤和构成特征。对于粗集料是否参与构成主骨架，可根据接触分析进行判别。另外，根据VVCAmix(I)≤VVCADRC进行骨架判别时，由于VVCADRC为捣实状态下粗集料松装间隙率，不需考虑细集料和沥青的干涉作用，其计算方法基本能反映粗集料混合物的空间骨架状态，无需进行优化。

细观定量评价指标的提出

作为主骨架状态的唯一判据，VVCAmix≤VVCADRC是以宏观的、定性的角度对主骨架进行判别，集料在沥青混合料内的空间分布状态无从可知。利用数字图像处理技术对沥青混合料分析过程中，研究目标为集料、空隙、沥青胶浆的空间分布状态及它们之间的物理力学关系，这就涉及到微细观方面的研究。因此，在细观分析的基础上，提出沥青混合料主骨架状态的细观评价标准显得非常有必要，以使设计的沥青混合料内主骨架更加完善，具有更强抵抗外部荷载的能力。

平均配位数。作为影响应力传递、强度及变形特性的主要因素之一，配位数定义为颗粒集合内部某颗粒与周围相邻颗粒接触的数目，是反映散粒体堆积及微观力学行为的重要微观结构参数。因此，本文认为主骨架结构的嵌挤特性可用粗集料平均配位数来进行评价，平均配位数越大，则主骨架结构越紧密。平均配位数定义为粗集料的平均接触数目。

“悬浮”粗集料含量C值。细集料的掺量应适当，不应因掺入过多的细集料使主骨架受到干涉。细集料对粗集料主骨架形成干涉的结果是“悬浮”粗集料含量增加，VVCAmix增大。“悬浮”粗集料含量C值定义为无接触点的粗集料数量k和粗集料总数量K的比值。

对于理想的悬浮密实型沥青混合料，粗集料之间未产生接触，珔nc最小值应为0；文献中基于车辙试验，通过对3种不同类型沥青混合料内部接触特性进行分析，表明当荷载作用至主骨架承载能力极限临界状态时，珔nc最大值达到2左右。因此，珔nc的取值范围应为0≤珔nc≤2。根据C的意义，其取值范围应为0≤C≤1。当珔nc越大，C越小，表明粗集料相互嵌挤越紧密，主骨架结构就越稳定；但是，由于集料表面轮廓、级配，以及沥青混合料拌和压实工艺等因素的影响，导致沥青混合料具有非均匀性的典型特征，珔nc和C的取值不可能达到理想的最大或最小值。因此，需确定合适的较优主骨架结构定量评价标准，以指导骨架密实型沥青混合料级配的设计和优化，本文围绕这一主要目标而进行试验设计与数据分析。

试验与图像处理

原材料与混合料级配

为了对不同级配混合料主骨架的细观指标进行分析，并比较其宏观抗车辙性能。本文采用3种不同的级配进行试验，所用集料均为花岗岩，70#石油沥青，油石比为5.0%。在成型马歇尔试件后进行横向切割。

数字图像技术有助于更好地了解沥青混合料的内部结构。直观上发现级配1混合料中的粗集料含量较少，为悬浮密实结构，其值接近90%，说明悬浮密实结构沥青混合料内并不存在主骨架。为改善主骨架质量，使粗集料相互接触形成优良的主骨架结构，提高混合料抗变形的能力，需对级配1进行逐次优化。其中，级配4为其他试验的马歇尔试件，并未参与级配优化过程，主要目的是增加本次细观分析的试验数据，使分析结果具有更高的可靠性。

可知：相对级配1来说，级配2和级配3中4.75~9.5mm档粗集料通过率分别减少18.6%和30.3%；2.36~4.75mm档粗集料通过率分别减少16.1%和22.5%，其他档粗集料通过率也有不同程度的减少，而细集料含量有所降低。

其中VVCAmix为根据经验法获得，油石比取5.0%，为3个试件的平均值；VV值为压实沥青混合料的空隙率；VMA值为压实沥青混合料的矿料间隙率；VFA值为压实沥青混合料的沥青饱和度。

图像处理与粗集料接触分析

目前，获取沥青混合料切片图像的技术手段主要有CCD数码相机和X-rayCT两种。在目前技术条件下，利用X-rayCT获取的图像较模糊，最突出的问题是沥青混合料中差异物质的辨识问题。由于集料和沥青的边界难以分辨，虽然采用目前认为分割精度较高的OTSU算法，但仍会受原始图像质量的限制而存在颗粒黏连的问题，对后续图像处理和数据分析的精度产生较大影响。另外，接触分析过程中，接触阈值取值一般为1mm以下，如此高的计算精度对沥青混合料原始切片图像的质量提出了更高要求。鉴于接触分析对集料边界辨识的要求较高，本文采用高精度双面锯对试件进行切割，然后利用高清CCD数码相机拍照获取沥青混合料切片图像。

本文主要参考文献中图像处理与接触分析方法，对所获得的144张马歇尔切片图像逐次进行接触分析。主要步骤为：以二值化后的混合料切片图像为基础，输入原材料和沥青混合料指标，程序将根据等效直径法计算每颗粗集料的等效直径并编号；然后，输入最小计算粒径和集料接触阈值后，计算得到粗集料接触点位置、相互接触集料的编号和粒径，以及接触点总数量等接触信息。在获取相互接触粗集料的编号和粒径信息后对数据进行统计分析，可得每颗粗集料周边接触点数目，即单颗粗集料配位数。相应地，对应配位数的颗粒数也可通过统计得出。本次集料最小计算粒径采用2.36mm，接触阈值取最小计算粒径的23%，为0.54mm。作为示例。

试验结果与分析

接触分布特征与统计

分别为级配3和级配1沥青混合料某典型切片图像接触分析结果，其中包含大于2.36mm粗集料形态及接触点位置分布情况。可知：无论何种级配，沥青混合料中粗集料和接触点的分布都不均匀，有相当部分“自由”粗集料未与其他任何粗集料产生接触，“悬浮”于沥青胶浆中。粗集料和接触点分布不均匀，导致沥青混合料不同部位的力学性能有较大差异，这也是沥青混合料不均匀特性的微观反映，很大可能导致薄弱处较早产生病害。

单颗粗集料周边接触点的数目，即单颗粗集料配位数分布特征对颗粒的约束有较大影响。对于设计的沥青混合料，如果粗集料周边接触点数量越多且分布均匀，同时“自由”粗集料数量越少，说明粗集料受到较多约束，能够相互嵌挤形成较稳定的主骨架结构。对于本次试验的4种沥青混合料。

可知：

(1)任何级配的沥青混合料，其内部均有部分配位数为0的粗集料，说明有部分“悬浮”粗集料未与其他任何粗集料产生接触。对于级配1悬浮密实结构，有80%以上的粗集料只有1个以下接触点，细集料对主骨架构成明显干涉，主骨架非常脆弱或不存在主骨架，这也是悬浮密实型混合料最重要的细观结构特征。

(2)沥青混合料内单颗粗集料配位数最大值为5，配位数为4以上的粗集料含量较少，且主要为4.75mm以上粗集料。

(3)配位数为2的粗集料数量最多，其含量占粗集料总数量的35%左右，表现为单颗粗集料配位数分布峰值，沥青混合料内单颗粗集料配位数分布满足高斯分布。

宏观－细观评价指标分析

主骨架质量以平均配位数珔nc和“悬浮”粗集料含量C这2个细观定量指标进行评价；同时，为了对不同级配沥青混合料抵抗变形的能力进行对比，按照中国现行《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》规定，采用轮碾机碾压成型300mm×300mm×50mm的车辙板试件，每种混合料各成型3组。试验荷载为0.7MPa，试验过程中温度控制在(60±0.5)℃。DS值为沥青混合料车辙试验动稳定度；RD值为沥青混合料车辙试验车辙深度。

可得以下结论：

(1)基于数字图像处理技术，考虑集料接触特性，扣除“自由”粗集料所得的VVCAmix(I)值比目前经验计算法大15%~20%，考虑集料接触的VVCAmix(I)计算方法显得更加严格。根据试验结果，如以目前常规的经验法计算VVCAmix，级配2和级配3均满足VVCAmix<VVCADRC的主骨架判别式，一般被认为是骨架密实结构；但是，考虑集料接触特性，级配2计算所得的VVCAmix(I)>VVCADRC，并不满足VVCAmix(I)<VVCADRC的主骨架判别式，仅级配3满足主骨架判别的条件。

(2)通过优化级配，在提高沥青混合料平均配位数珔nc的同时降低“悬浮”粗集料含量C值，改善沥青混合料的细观指标，能使主骨架的质量得到明显提升。宏观特征表现为，具有较好细观指标的沥青混合料，动稳定度较高而车辙深度小，抵抗变形的能力也会更好。

(3)当珔nc>1.6且C<20%时，设计的普通沥青混合料的动稳定度能达到规范对夏炎热区动稳定度要求的2倍多，说明此标准已能保证粗集料充分嵌挤形成最优主骨架，使沥青混合料具备较强抵抗变形的能力。

宏观－细观评价指标的关系

为了对宏观与细观评价指标之间的关系进行分析。

可看出：随着配位数的增加和C的降低，设计的沥青混合料具有越来越好的抗车辙性能。分析表明，平均配位数和C这2个沥青混合料细观定量评价指标与其宏观指标有较好的线性相关关系，能够表征沥青混合料的抗车辙性能。

结语

(1)考虑粗集料接触特性，优化的VVCAmix(I)计算方法所得值比目前经验计算法大15%~20%，优化的计算方法在主骨架判别时更加严格、合理，保证粗集料形成主骨架，能更好地反映沥青混合料真实的骨架状态。

(2)骨架密实型沥青混合料设计过程中，通过调整级配，在提高平均配位数珔nc的同时降低C值，能有效改善混合料的细观指标，使主骨架的质量得到明显提高。粗集料形成较优主骨架结构的定性和定量评价标准包括：VVCAmix(I)≤VVCADRC，nc>1.6且C<20%。

(3)沥青混合料细观定量评价指标与其宏观评价指标有较好的相关关系，能够表征沥青混合料的抗车辙性能，以平均配位数珔nc和C作为沥青混合料主骨架性能的评价指标具有可行性，可据此优化沥青混合料的级配。

(4)本文提出的较优主骨架结构的定性和定量评价标准是在有限室内试验得出的结论，具有一定的参考价值。在后续的研究中，需考虑影响主骨架结构的多种因素，针对多种不同沥青混合料进行分析，在获得大量室内和室外试验数据的基础上对评价指标和标准进行进一步论证和优化，以更好地指导骨架密实型沥青混合料级配的设计。