CT數(shù)字圖像處理技術(shù)在瀝青混合料微觀(guān)結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用

1、2009年3月MunicipalEngineeringTechnologyMar.，2009文章編號(hào)：10097767（2009）02017604CT數(shù)字圖像處理技術(shù)在瀝青混合料微觀(guān)結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用彭興坤1，琚曉輝2（1.北京市市政二建設(shè)工程有限責(zé)任公司，北京100037；2.交通部科學(xué)研究院道路養(yǎng)護(hù)技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室，北京100029）摘要：利用CT機(jī)對(duì)馬歇爾成型的瀝青混合料試件進(jìn)行分層掃描，通過(guò)數(shù)字圖象處理技術(shù)對(duì)試件凍融劈裂前后圖像的變化進(jìn)行分析，從空隙率、膠漿面積、粗集料面積等3個(gè)方面揭示了試件內(nèi)部?jī)鋈谂亚昂笪⒂^(guān)結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律。通過(guò)數(shù)學(xué)假設(shè)，建立了瀝青混合料CT值分布規(guī)律的數(shù)學(xué)模型，從而將

2、CT值和瀝青混合料的損傷變量聯(lián)系起來(lái)，利用損傷變量對(duì)瀝青混合料試件凍融劈裂前后水損害情況進(jìn)行了對(duì)比分析。關(guān)鍵詞：瀝青混合料；CT值；數(shù)字圖象處理；損傷變量；凍融劈裂中圖分類(lèi)號(hào)：TP317.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：BApplicationofX-rayComputedTomographyinAnalysisofMicrostructureofAsphaltMixturePengXingkun，JuXiaohui隨著計(jì)算機(jī)層析技術(shù)（X-rayComputerizedTomog-狀態(tài)的原因是混合料的離析現(xiàn)象，而且這種離析隨著混合料級(jí)配中集料最大粒徑的增大而加劇，AC-20-型瀝青混合料試件的粗骨料非常明顯地集

3、中于試件的下部，而膠漿則集中在試件上部，這和馬歇爾試件制作方法中的倒料、插搗等操作有很大關(guān)系。SAC-16型級(jí)配試件粗骨料和膠漿沿其高度的分布是較均勻的，只是試件下部的空隙同樣由于離析的原因而突然增多，這與該級(jí)配中礦粉和瀝青用量較大、混合料中膠漿含量多有關(guān)。SMA-16試件空隙分布相對(duì)較均勻，離析雖沒(méi)有上述幾種級(jí)配明顯但試件中部和下部空隙數(shù)量仍較上部多。raphy，簡(jiǎn)稱(chēng)CT）在醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的成功應(yīng)用，越來(lái)越多的學(xué)者已將該技術(shù)引入到巖土、土木工程等領(lǐng)域，并證明有廣闊的發(fā)展前景1。本試驗(yàn)采用飛利浦Brillia-nceTM型醫(yī)用CT機(jī)完成，所檢測(cè)層有效厚度10mm，空間分辨率0.5mm×0

4、.5mm，掃描層厚4.5mm，掃描電壓140kV，瀝青混合料試件采用馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)法擊實(shí)成型。選定掃描條件后，在每種級(jí)配的瀝青混合料試件中選擇一個(gè)試件進(jìn)行掃描，共4個(gè)，分別為AC-16-型、AC-20-型、SAC-16型和SMA-16。每個(gè)試件掃描12層。2馬歇爾試件初始內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析為了進(jìn)一步分析4種級(jí)配瀝青混合料馬歇爾試1馬歇爾試件初始內(nèi)部結(jié)構(gòu)CT試驗(yàn)結(jié)果從掃描結(jié)果看出，對(duì)于型瀝青混合料而言，馬件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，本次試驗(yàn)利用間隔均勻的12個(gè)層位進(jìn)行了掃描。具體步驟如下：歇爾試件內(nèi)部空隙分布很不均勻，AC-16-型瀝青混合料試件的空隙集中分布在試件的下部（下部是試件進(jìn)行第一輪擊實(shí)時(shí)的底面，下同），

5、試件上部、中部各層空隙很少；AC-20-型瀝青混合料試件的空隙是從試件上部到試件下部逐漸增多，造成這一空隙分布收稿日期：2008-11-27作者簡(jiǎn)介：彭興坤（1968-），男，北京人，工程師，主要從事市政工程項(xiàng)目施工管理。1）確定使各試件每個(gè)層位空隙率之和等于其實(shí)測(cè)空隙率的灰度值；2）通過(guò)確定的灰度值，計(jì)算每一層位的實(shí)際空隙率。在混合料CT圖像中，同一組織結(jié)構(gòu)往往具有不同的灰度值，而同一灰度值的體素又可能屬于不同的組織結(jié)構(gòu)。已有的瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的CT圖像分2009年第2期CT數(shù)字圖像處理技術(shù)在瀝青混合料微觀(guān)結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用··177析表明，膠漿和空隙之間密度的分布是連續(xù)

6、的，這種密度的變化為利用數(shù)字圖像處理技術(shù)區(qū)分集料、膠漿和空隙奠定了基礎(chǔ)2。CT圖像的三值化首先要確定的是區(qū)分空隙與瀝青膠漿的閥值以及區(qū)分瀝青膠漿和集料的閥值，這兩個(gè)閥值的確定是數(shù)字轉(zhuǎn)換過(guò)程中的重點(diǎn)問(wèn)題，本次試驗(yàn)以雙峰法進(jìn)行圖象數(shù)字化，最終確定的閥值如下：對(duì)于A(yíng)C-16-型試件，確定灰度值小于72的圖像代表空隙，大于105的圖像代表集料，介于72和105之間的圖像代表瀝青膠漿；而AC-20-、SAC-16和SMA-16的這兩個(gè)閥值分別為75、101，66、105和70、102。圖1為AC-16-、AC-20-、SAC-16和SMA-164種級(jí)配的試件經(jīng)圖像處理后各層位的空隙分布變化圖。從圖中亦可

7、看出，馬歇爾試件的空隙呈不均勻分布，上部和中部空隙較少，下部空隙較多。圖1不同掃描層位的初始空隙分布圖2為膠結(jié)料面積占試件截面總面積的對(duì)比圖，圖3為粗集料面積占試件截面總面積的對(duì)比圖。從圖中看出，試件中的膠漿和粗集料亦呈不均勻分布，在空隙增多的試件底部膠漿相對(duì)減少，而粗集料則相對(duì)增多，試件內(nèi)部的這種微觀(guān)組成特征必將會(huì)影響其宏觀(guān)力學(xué)性能。圖2不同掃描層位的初始膠漿分布3凍融劈裂試驗(yàn)后試件CT試驗(yàn)結(jié)果分析通過(guò)對(duì)4種級(jí)配瀝青混合料試件凍融劈裂試驗(yàn)后相應(yīng)12個(gè)層位的CT掃描，可以看出，試件的劈裂圖3不同掃描層位的初始粗集料分布破壞多發(fā)生在其初始空隙分布較密集處，且空隙的擴(kuò)展方向基本與其初始方向類(lèi)似，可

8、見(jiàn)空隙的擴(kuò)展、貫穿與其初始分布關(guān)系密切。由于瀝青混合料內(nèi)部初始空隙分布呈現(xiàn)明顯的隨機(jī)性，這種隨機(jī)性使得試件內(nèi)部具有非均勻、非連續(xù)的特性，空隙分布不均勻的試件在受力破損的過(guò)程中，在力學(xué)性質(zhì)上表現(xiàn)為各向異性3；從圖中還看出，空隙擴(kuò)展為裂縫基本上是沿瀝青膠漿與粗集料的接觸面擴(kuò)展的，表明試件經(jīng)凍融處理后，水進(jìn)入瀝青混合料試件中，對(duì)瀝青膠漿與集料的粘結(jié)具有明顯的破壞作用4。試件初始空隙率大的地方受到劈裂作用時(shí)空隙率增大幅度很大，反之，試件初始空隙率小的地方受到劈裂作用時(shí)空隙率增大幅度相對(duì)較小，這也說(shuō)明試件在受外力作用后損傷的發(fā)展與其初始損傷的位置和方向是一致的。圖4為AC-20-I型瀝青混合料劈裂前后試

9、件空隙率對(duì)比。圖4AC-20-型瀝青混合料劈裂前后試件空隙率對(duì)比4瀝青混合料CT值分布的特性規(guī)律CT的圖像分析能夠在一定程度上反映瀝青混合料凍融劈裂試件的損傷特性，但要從總體上了解凍融劈裂試件的損傷特性，還需要研究CT值的大小及CT值的分布規(guī)律，采取定量的分析方法。這也正是CT識(shí)別的最大優(yōu)點(diǎn)之一，使用CT值可以定量描述瀝青混合料的損傷。以AC-16-1試件為例，分別對(duì)其沿長(zhǎng)度方向的上··178市政技術(shù)第27卷部、中部和下部3個(gè)掃描橫截面內(nèi)的CT值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，試件凍融劈裂前后的CT值分布見(jiàn)圖5。AC16-6截面（前）AC16-6截面（后）圖5凍融劈裂后試件中層面的CT值分布

10、圖圖5中，橫坐標(biāo)為CT值，縱坐標(biāo)為CT值對(duì)應(yīng)的像素?cái)?shù)。因此，該坐標(biāo)圖實(shí)際上是CT值的統(tǒng)計(jì)分布圖。經(jīng)過(guò)凍融劈裂處理后，試件CT值的分布規(guī)律沒(méi)有發(fā)生變化，由于其具有相同的分布規(guī)律，所以可以用相同的數(shù)學(xué)模型來(lái)分析其凍融劈裂前后的CT值分布規(guī)律。5CT值分布規(guī)律的數(shù)學(xué)建模為了能定量分析，根據(jù)瀝青混合料CT值分布規(guī)律的特點(diǎn)引入下面數(shù)學(xué)假設(shè)：1）瀝青混合料試件內(nèi)的損傷表現(xiàn)為一類(lèi)損傷，損傷的形式為孔洞（微裂紋），并且孔洞在瀝青混合料內(nèi)是隨機(jī)分布的；2）在每一分辨單元內(nèi)單個(gè)孔洞面積大致相等，記為A0；3）互不相交的體域內(nèi)，損傷孔洞個(gè)數(shù)互相獨(dú)立；4）在以X為中心的體域A內(nèi)有k個(gè)孔洞的概率Pk（A）僅與A有關(guān)，且

11、P0（A）不恒等于1；5）在有限的體域A內(nèi)只有有限個(gè)孔洞，即Pk（A）=1；k=06）在體域A內(nèi)出現(xiàn)多于一個(gè)孔洞的概率是A的高階無(wú)窮小，即式（1）：limA0（1-P0（A）-P1（A）/A=0。（1）經(jīng)反復(fù)推導(dǎo)求得相應(yīng)掃描橫截面積上損傷變量如式（2）：D=S-SefSdn*S=S=*A0S（2）式中：D為相應(yīng)掃描橫截面積上損傷變量；為單位面積上損傷缺陷平均個(gè)數(shù)（可以由相應(yīng)導(dǎo)出公式求出）；A0為每一分辨單元內(nèi)單個(gè)孔洞損傷缺陷平均大小的估計(jì)值（可以由相應(yīng)導(dǎo)出公式求出）；S為試樣掃描橫截面積；Sef為試樣掃描橫截面有效面積；Sd為試樣掃描橫截面損傷缺陷面積；n為試樣掃描橫截面分辨單元數(shù)目（可以由相

12、應(yīng)導(dǎo)出公式求出）。若CT設(shè)備分辨率為m0，此時(shí)n=S/m2，則式（2）可改寫(xiě)為式（3）：D=1m2A0=11-E（）0m200（3）CT識(shí)別損傷一方面可以達(dá)到無(wú)損檢測(cè)，更重要的是可以由其CT值去定量求出其損傷變量，通過(guò)對(duì)瀝青混合料試件凍融劈裂試驗(yàn)前后損傷變量的對(duì)比可以研究水對(duì)混合料的破壞作用。6凍融劈裂前后試件損傷變量比較以AC-16-為例，筆者嘗試以試件在最佳瀝青用量時(shí)4個(gè)馬歇爾試件的平均密度作為其無(wú)損密度，制作瀝青混合料馬歇爾試件，以擊實(shí)次數(shù)為雙面75次試件CT掃描得到的CT值的均值為其瀝青混合料基體材料的CT值，對(duì)其試件凍融劈裂前后的上中下3個(gè)截面的損傷變量按式（3）計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表1。表

13、1試件凍融劈裂前后上中下3個(gè)截面的損傷變量級(jí)配損傷變量?jī)鋈谂亚皟鋈谂押驞10.45090.7975由試件CT值的量值可以定量求出其損傷變量。從表1試件凍融劈裂前后損傷變量的對(duì)比看出，雖然試件凍融劈裂前后CT值的分布規(guī)律沒(méi)有發(fā)生變化，其相應(yīng)的損傷變量卻都不同程度地增加了。從試件凍融劈裂前后各層位損傷變量的增加值可以看出，空隙數(shù)量較多的上下層位損傷變量增加較多，而空隙數(shù)量較少的試件中部損傷變量增加則較少5。各層位損傷變量的增加表明凍融劈裂后試件空隙增大、數(shù)量增多，并且有裂縫產(chǎn)生，結(jié)合其CT值分布仍為單峰型分布也可得出同樣的結(jié)論。7結(jié)論由于受到水的作用和影響，瀝青混合料馬歇爾試件在凍融劈裂試驗(yàn)前

14、后包括空隙大小、分布等在內(nèi)的內(nèi)部微觀(guān)結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，筆者利用CT技術(shù)對(duì)試件進(jìn)行了掃描，從CT圖像方面分析了試件的初始結(jié)構(gòu)和凍融劈裂試驗(yàn)后的結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明：1）4種級(jí)配馬歇爾試件的CT圖像表明其具有相似的空隙分布規(guī)律，即空隙分布不均勻，試件進(jìn)行第一次50次擊實(shí)的下底面空隙較多，上部和中部空隙較少。（下轉(zhuǎn)第191頁(yè)）2009年第2期關(guān)于工程建設(shè)項(xiàng)目招投標(biāo)管理的思考··191擇相適應(yīng)的施工資質(zhì)；投標(biāo)企業(yè)對(duì)特殊工程設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的施工方案是否合理；投標(biāo)施工企業(yè)的誠(chéng)信水平和信譽(yù)評(píng)估等內(nèi)容。招標(biāo)機(jī)構(gòu)應(yīng)充分尊重和保護(hù)評(píng)標(biāo)專(zhuān)家的權(quán)益。例如：目前大部分評(píng)標(biāo)專(zhuān)家尚未退休，評(píng)標(biāo)時(shí)間安排應(yīng)尊重評(píng)標(biāo)專(zhuān)家的

15、時(shí)間安排，不能以參加評(píng)標(biāo)次數(shù)和推辭評(píng)標(biāo)次數(shù)作為考核評(píng)標(biāo)專(zhuān)家的標(biāo)準(zhǔn)；評(píng)標(biāo)過(guò)程應(yīng)尊重評(píng)標(biāo)專(zhuān)家的意見(jiàn)；評(píng)標(biāo)專(zhuān)家參加評(píng)標(biāo)應(yīng)根據(jù)參評(píng)項(xiàng)目的規(guī)模和技術(shù)復(fù)雜程度給以相應(yīng)的報(bào)酬，不能簡(jiǎn)單按評(píng)標(biāo)時(shí)間長(zhǎng)短計(jì)算報(bào)酬；由于業(yè)主和招標(biāo)機(jī)構(gòu)的原因引起招標(biāo)時(shí)間和安排變更，應(yīng)給予評(píng)標(biāo)專(zhuān)家適當(dāng)?shù)膱?bào)酬補(bǔ)償，等等。另外，評(píng)標(biāo)專(zhuān)家應(yīng)有正常的入庫(kù)和退出機(jī)制。評(píng)標(biāo)專(zhuān)家入庫(kù)首先應(yīng)符合基本標(biāo)準(zhǔn)要求，在經(jīng)過(guò)幾輪實(shí)際評(píng)標(biāo)實(shí)踐驗(yàn)證其實(shí)際能力合格之后，再由招標(biāo)機(jī)構(gòu)正式納入其評(píng)標(biāo)專(zhuān)家?guī)臁Ｓ捎谀挲g老化、技術(shù)落伍、違反紀(jì)律以及其它原因不再適合擔(dān)任評(píng)標(biāo)工作的入庫(kù)專(zhuān)家，應(yīng)及時(shí)清出專(zhuān)家?guī)?。大量的工程建設(shè)項(xiàng)目是常規(guī)通用項(xiàng)目，例如：普通住宅建設(shè)項(xiàng)目、標(biāo)準(zhǔn)廠(chǎng)房、道路

16、及橋梁等等。這類(lèi)建設(shè)項(xiàng)目，可由技術(shù)專(zhuān)家根據(jù)設(shè)計(jì)文件確定相應(yīng)的施工企業(yè)資質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，招標(biāo)公告僅要求投標(biāo)企業(yè)達(dá)到一定的資質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)作為入圍條件，即認(rèn)為其具有相應(yīng)資質(zhì)等級(jí)就具有相應(yīng)的技術(shù)和管理能力。參與投標(biāo)的施工企業(yè)在投標(biāo)時(shí)僅需提供資質(zhì)證書(shū)，并對(duì)投標(biāo)建設(shè)工程工期、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和投標(biāo)價(jià)格等關(guān)鍵內(nèi)容進(jìn)行應(yīng)答即可。如此操作可以大大簡(jiǎn)化招投標(biāo)程序和有關(guān)文件的準(zhǔn)備，節(jié)約招投標(biāo)時(shí)間和成本。重大和特殊工程建設(shè)項(xiàng)目（例如：大型機(jī)場(chǎng)、特殊場(chǎng)館等）則需在驗(yàn)證施工企業(yè)資質(zhì)證書(shū)的基礎(chǔ)上，增加施工技術(shù)方案和施工組織設(shè)計(jì)審查的環(huán)節(jié)，這類(lèi)項(xiàng)目的評(píng)審應(yīng)以通過(guò)技術(shù)評(píng)審為前提，而后再考慮工程投標(biāo)價(jià)格因素。2.4改善并簡(jiǎn)化建設(shè)工程招投標(biāo)程序工程建設(shè)

17、項(xiàng)目的招投標(biāo)應(yīng)限定在一定范圍內(nèi)。根據(jù)國(guó)家現(xiàn)行的制度，工程建設(shè)招投標(biāo)范圍應(yīng)嚴(yán)格按照工程建設(shè)項(xiàng)目招標(biāo)范圍和規(guī)模標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，不宜隨意擴(kuò)大。對(duì)于工程建設(shè)項(xiàng)目招標(biāo)范圍和規(guī)模標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍之外的其他工程建設(shè)項(xiàng)目，項(xiàng)目業(yè)主可以參照該標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，但不應(yīng)將招標(biāo)作為行政強(qiáng)制執(zhí)行范圍。建設(shè)行政管理部門(mén)也不應(yīng)將這些項(xiàng)目的招標(biāo)程序作為行政管理程序的環(huán)節(jié)，作為其它后續(xù)行業(yè)管理程序的前置程序。（上接第178頁(yè)）建筑施工企業(yè)是建筑業(yè)市場(chǎng)中的重要成員，也是建筑業(yè)市場(chǎng)化能否健康發(fā)展的關(guān)鍵因素。在建筑施工企業(yè)資質(zhì)管理方面，應(yīng)該鼓勵(lì)施工企業(yè)加強(qiáng)“工、料、機(jī)”等建筑施工企業(yè)基本要素的建設(shè)和管理，不斷提高施工企業(yè)技術(shù)進(jìn)步（包括機(jī)械化施工水平）

18、和施工企業(yè)管理水平，以達(dá)到全面促進(jìn)和提升我國(guó)建筑施工企業(yè)綜合經(jīng)營(yíng)管理水平，確保施工企業(yè)為社會(huì)提供高質(zhì)量、安全的各類(lèi)建筑產(chǎn)品的行政管理目的。通過(guò)不斷提高和改善建筑施工企業(yè)資質(zhì)管理水平，也可促進(jìn)建筑業(yè)市場(chǎng)行政管理程序的合理簡(jiǎn)化，提高工程建設(shè)項(xiàng)目招投標(biāo)的運(yùn)作效率和水平。試件凍融劈裂前后水損害情況的對(duì)比分析。2）試件的劈裂破壞多發(fā)生在其初始空隙分布較密集處，且空隙的擴(kuò)展方向基本與其初始方向類(lèi)似，空隙擴(kuò)展為裂縫基本上是沿瀝青膠漿與粗集料的接觸面展開(kāi)的，表明試件經(jīng)凍融處理后，水進(jìn)入瀝青混合料試件中，對(duì)瀝青膠漿與集料的粘結(jié)具有明顯的破壞作用。5）馬歇爾試件內(nèi)部存在明顯離析，且離析的嚴(yán)重程度隨級(jí)配公稱(chēng)最大粒徑的增大而增大。參考文獻(xiàn)：1章毓晉.圖像處理和分析M.北京：清華大學(xué)出版社，1999：2-10.2張婧娜基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的瀝青混合料微觀(guān)結(jié)構(gòu)分析方法研究D.上海：同濟(jì)大學(xué)，2002.3）C