利用图像识别技术研究粗集料形态对沥青混合料介观结构的影响

《Measurement》：Effect of coarse aggregate morphology on asphalt mixture meso?structure using image recognition technology

　　

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  对沥青混合料接触网络的介观结构特征进行了全面研究。
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  提出了影响沥青混合料介观结构的三个关键敏感因素。
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  建立了将介观结构指标与宏观力学性能关联的数学模型。
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  提出了优化沥青混合料接触网络介观结构的策略。

引言

作为典型的多相复合材料，沥青混合料的宏观力学性能本质上源于沥青粘结剂、骨料以及空气孔隙系统之间的协同作用。在这些组分中，占混合料质量90%以上的骨料决定了沥青混合料的载荷传递路径和破坏模式[1]、[2]、[3]。骨料的形态与空间分布——包括形状、棱角程度以及表面纹理——会显著影响沥青混合料的宏观力学行为。数字图像处理技术在介观结构研究中具有显著优势[4]、[5]，可用于研究介观结构特征[6]、[7]、[8]，分析道路性能与介观力学特性[9]、[10]、[11]，以及定量评估骨料的几何形态[12]、[13]。在研究骨料形态与道路性能方面，Eyad Masad等人[14]、[15]最早提出，骨料的几何形态可通过形状、棱角程度和纹理这三个指标来表征。过去十年间，针对骨料三维几何特性的研究不仅使得人们能够测量再生骨料和天然骨料的形态特征[16]、[17]，还推动了骨料几何形态技术分类标准的制定[18]、[19]。此外，利用3D打印技术从固体废物中制造出强度和形态均可控的人工粗骨料，为数值模拟研究提供了科学依据[20]。关于粗骨料形态对沥青混合料介观结构及道路性能影响的研究已在多个层面取得显著进展，这些研究涵盖了力学性能与磨损性能的介观机制[21]、施工流动性[22]、接触网络结构的拓扑表征方法[23]、不同岩性粗骨料的抗滑性能[24]、[25]，以及骨料形态与水泥乳化沥青混合料之间的黏附特性[26]。另外，粗骨料形态还会影响沥青混合料的力学性能，例如骨料形状与抗车辙性能之间存在明显相关性[27]、[28]，而针片状骨料则会破坏应力分布的连续性，降低沥青混合料内的平均接触力[29]、[30]、[31]。离散元法作为一种分析材料介观尺度应力的有效工具，已被广泛用于研究粗骨料形态对沥青混合料介观力学性能的影响[32?34]。Ma等人[35]、[36]设计了具有真实骨料形态特征的3D虚拟试件，研究表明骨料间的接触有助于形成互锁结构，从而限制粗骨料的移动。离散元模拟也被用于分析粗骨料对沥青混合料应力分布及裂缝发展的影响[37]、[38]。随着3D激光扫描技术和深度学习算法的进步，最新研究显示，在骨料形状指数保持不变的情况下，较低的棱角程度指数会导致沥青混合料的损伤面积减小[39]。

尽管在理解粗骨料形态对沥青混合料道路性能影响方面已取得显著进展，但仍存在一些局限性。这些局限性包括不同骨料形态下的介观结构网络特征，尤其是在仅使用高棱角程度的针片状骨料或立方体骨料等极端条件下的特征，以及这些特征对道路性能的影响。目前仍缺乏关于影响沥青混合料介观结构的关键因素的深入介观力学解释，也缺乏骨料形态指标与力学性能之间关系的清晰认知，这些都制约了基于性能的粗骨料选型标准的发展。因此，本研究以花岗岩粗骨料和AC-20混合料作为典型研究对象，根据形态参数选取了针片状、普通型和立方体三种代表性粗骨料，并制备了马歇尔试件。通过图像处理和智能识别技术，获得了沥青混合料的介观结构信息。本研究分析了接触Voronoi图、接触线以及连通树等介观结构特征，确定了影响介观结构的关键敏感因素，建立了将接触网络的介观结构指标与宏观力学性能关联的数学模型。最后，基于研究结果提出了优化沥青混合料介观结构接触网络的技术措施，为基于性能的材料选型与设计提供了理论依据。

章节摘要

原材料

本研究使用了粒径为10–20毫米、5–10毫米和3–5毫米的花岗岩粗骨料，细骨料则为粒径范围为0–3毫米的石灰石。骨料和沥青均按照相关标准进行了检测[40]、[41]。粗骨料和细骨料的性能指标列于表1，SBS改性沥青的性能指标则列于表2。

本研究所使用的普通骨料来源于

实验室单轴贯入试验

该试验是在60摄氏度的测试温度下，使用UTM-130万能试验机进行的。马歇尔试件的高度为63.5毫米，直径为101.6毫米。试验前，试件需在恒温箱中放置6小时。试验参数包括1毫米/分钟的加载速率以及28.5毫米的贯入头直径。每组试验进行了6次有效的平行试验，最终结果取平均值，

实验室单轴贯入试验

图6展示了采用不同粗骨料形态制备的沥青混合料的单轴贯入应力-应变曲线，同时还给出了根据公式(4)、(5)、(6)计算得出的贯入应力（${\sigma }_{\text{p}}$)和最大位移(S)。

根据图6可得出以下结论：

• (1)
  在单轴贯入试验过程中，贯入头持续施加垂直向下的荷载。三种沥青混合料都迅速从压实阶段过渡到弹性工作阶段

结论

(1) 粗骨料形态显著影响沥青混合料的介观接触特性。随着骨料形态从针片状变为普通型再变为立方体，V_N值增大，而V_A值减小；L_C和L值则出现显著增长。立方体骨料的V_A值为86.99平方毫米，L_C值为3.21毫米，这表明其接触点分布均匀，接触距离较短，从而形成了稳定且均匀的接触网络结构。在

CRediT作者贡献说明

石利湾：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，软件应用，方法论，概念构建。胡志勇：写作——审阅与编辑，研究指导，资源提供。黄洪明：写作——审阅与编辑。林伯煌：写作——审阅与编辑。黄家健：写作——审阅与编辑。熊学堂：写作——审阅与编辑。陈立新：写作——审阅与编辑。

未引用参考文献

[32]、[33]、[34]。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了广东省基础与应用基础研究基金 [项目编号2025A1515011019]以及国家自然科学基金 [项目编号：52508490]的支持。

石利湾|胡志勇|黄洪明|林伯煌|黄家健|熊学堂|陈立新