沥青混合料是一种具有流变特性的多尺度不规则粒子堆积在一起的复合材料川，由集料、沥青胶浆和空隙组成。目前采用的沥青混合料设计方法中只有VV, VFA和VMA等统计参数，这些参数只能从宏观上描述沥青混合料的整体特征，不能从细观上反映混合料内部结构组成的具体情况，而工程实例证明，采用当前设计方法并不能很好的控制材料性能，出现了统计指标相同而性能差异较大的情况，体现了宏观设计指标与材料损坏模式不对应的问题。因此有必要在细观尺度上对沥青混合料进行研究，以期寻找更为深层次的路面损坏原因中国沥青网sinoasphalt.com。

CT ( Computerized Tomography，计算机层析识别)技术首先在医学领域得到应用，并且由于它能在无损条件下对各类工业材料或产品等进行检测，最终以计算机数字化的断层图像形式显示被测物体的内部结构、材料组成及缺陷状况等，逐渐被广泛的应用于工业领域。

CT的原理及其在沥青混合料研究中的应用基础

CT技术的原理

Radon变化是CT技术的主要理论基础，1917年，数学家Radon证明，已知所有人射角B的投影函数u(P,0)可以恢复唯一的图像函数f (x，Y)。

非透明物质的组成结构能运用工业CT进行无损检测，它的原理是，不同物质各有不同的射线吸收系数。当射线穿透物质时射线的强度不断衰减并呈指数关系。

又因为衰减率仅与物质密度相关，故将不同物质的射线吸收率定义为CT数。CT数的发明者ftounsfield将空气和水的CT数定义为一1 000和。，就此建立了被检测物体密度和CZ’数之间的关系。再利用正比于CT数的亮度(灰度值)成像，即可得到非透明物体内部组成结构断面的数字信息，进而进行可视化图像重构。

对于工件旋转式扫描方式，探测器每次脉冲测量得到被人射束“切割”处的不透明信息，即一个投影，在被测样品旋转一个小角度后，测得另一个投影;如此继续，得到全部投影数据，再通过计算机反算，进而得到被测截面图像。

CT技术在沥青混合料研究中的应用基础

作为CT扫描对象的沥青混合料试件由集料颗粒、沥青胶浆以及空隙组成，各种物质间密度的差异是能够在扫描结果图像中将其区分的前提。通过CT原理可知，物质密度越大，CT数值越大，表现在图像上则是亮度最大，即灰度值最高。沥青混合料三相密度的不同，使得将CT图像转人普通PC机后进行颗粒、胶浆和空隙的分离成为可能。

当前常用的工业CT扫描空间分辨率可达0. O1 mm量级，理论上可将不同大小的集料区分来，但由于集料晶粒密度不均匀、沥青与矿粉交互渗透导致界面模糊等原因，沥青混合料的CT扫描灰度直方分布图通常如图2所示。要进一步在沥青混合料的研究中应用CT技术，必须

首先解决其二维扫描结果中各组分的准确分割问题。

数字图像学中常用的差异性物质分割法是阈值法，近年的一些研究已开始采用模式识别方法自动确定阈值，应用最多的是最大类间方差法(大津法)。该法将图像分为目标和背景两类，认为两类的灰度方差最大时错分的概率最小，以此自适应确定阑值。此外，也有人采用聚类算法(FCM法)和混合高斯模型(GMM法)进行研究，FCM法考虑像素灰度和空间分布信息聚类化分并引人隶属度概念来给出每个像素属于某个类别的可能性，GMM法则依据最小错误率原则确定最佳决策闭值。张天航、段越华采用真实的马歇尔击实成型AC一13C试件，分别用以上三类方法处理原始图像，然后用三维重构的结果计算的空隙率，与实测值进行比较。

验证的结果表明，三种方法均能较好的分割沥青混合料试件的CT扫描图像，其中大津法偏差较小，切运算效率明显较高。

沥青混合料二维断面图是三维重构的基础，若想得到良好的三维重构结果应用于工程分析，必须对原始图像进行一定的数字图像处理，而内部组成各类物质的良好区分是重要前提，大津法是目前一种常用且有效的方法。

CT技术在沥青及其混合料中的应用及研究现状

首次利用X一ray CT技术对沥青混合料内部组成结构进行研究的是美国联邦公路局与特纳公路研究中心(TFHRC)联合执行的SIMAP计划(1998年)，该计划于2001年发布了中期研究成果。随着CT技术的进步和基础研究的发展，国内外学者开始越来越多的使用CT作为技术手段来对沥青混合料进行研究。这些研究大致可以分为两大类:一类是对真实沥青混合料试件的细观结构分析，并试图建立其与宏观性能之间的联系;另一类是通过扫描结果对沥青混合料进行虚拟数值试验，包括虚拟试件的制作和虚拟力学试验两部分。

真实试件细观结构分析

沥青混合料由集料颗粒、沥青胶浆及空隙组成，其最终路用性能也受几种物质在体积组成上的影响。长期以来，都是采用空隙率、骨料间隙率、沥青饱和度等指标来反映其性能。但由于宏观指标偏于统计而忽略了细观的个别差异，影响了指标反映性能的准确性。故直接由CT数字图像获得的内部细观体积组成对于沥青混合料的设计和研究具有重要意义。

E. Masad开创性地将CT技术和图像分析技术结合在一起，被扫描试件采用Superpave旋转压实成型方法，用获取的二维图像研究了沥青混凝土试件在不同深度范围内的空隙分布，试验结果如图3所示。得到了试件空隙在深度范围内呈“两头大，中间小”的“浴盆”型分布的结论。现场取芯的测定结果与之类似，在靠近碾压表明的混合料空隙率较高，靠近结构层底部的空隙率较小。因此，平均的方法无法描述这种非均匀的空隙率特性。国内方面，华南理工大学的徐科利用线阵CT技术对AM一16马歇尔试件

进行了扫描，图像分割后对各组分信息进行了研究，发现集料面积比分布具有由顶至底递增的趋势;沥青砂胶的分布并未表现出某种特定规律;空隙率随着深度的增加而递减。

在对沥青混合料内部结构的描述上，西南交通大学谢涛采用CT技术观测沥青混合料受力过程中裂缝的发展过程，建立了借助CT分析数据进行理论计算的沥青混合料细观扩展破裂模型，对试件内部初始损伤及裂纹扩展的分布特征进行了分形描述并计算了损伤扩展分维数。颜强认为传统采用的基于欧几里得几何的简化分析方法已经不能很好地表征沥青混合料复杂的细观结构，尝试采用区别于传统几何的分形理论对混合料的细观结构特性进行分析。段跃华等采用工业CT获取沥青混合料断面扫描图，将粗集料从图像中分离，指出当粗颗粒边缘之间距离小于2像素时可判定为接触，并定义了接触指标。李智、陈思宇为评价芯样位置路面结构的竖向颗粒离析，提出了粗集料不均匀系数、试件颗粒竖向变异系数等指标，得到了粗集料颗粒在试件内部分布呈现中间均匀、两端离析的规律。

Aslam Ali , Mufleh A1 Omari采用CT图像处理技术，分析了沥青混合料内部空隙分布特征，同时分析了孔隙分布特征对于沥青混合料渗透性能的影响。张蕾等通过对VCA , VMA等体积参数相同的试件进行CT扫描和图像处理，发现试件内部空隙分布并不相同，透水性和水损害性也不相同，因此将空隙分布参数作为水稳定性评价指标比传统的体积参数要更加灵敏。长安大学的张嘉林采用CT技术，对空隙率较大的多孔排水沥青混合料的空隙空间信息进行了深人的研究，采用多种参数分析了多孔排水沥青混合料中空隙在横向、竖向的分布规律及其对混合料渗流能力的影响。

可见，采用CT技术对真实沥青混合料试件细观结构研究的热点在于对空隙的分析，包括空隙的精确测量、描述、分布以及其对若干混合料整体性能的影响等。原因有两个方面:第一是集料的形态、级配和表面构造的研究多采用其他光学方法，如DayakarPenumadu等采用CCD照相机获取集料的二维图像，利用快速傅里叶变换来描述集料颗粒的形状特性，陈国明划曾采用光纤传感器设计了用于采集集料颗表面纹理构造的设备;第二是对于沥青胶浆，由于其流变特性及其与集料裹附界面的复杂性质，目前其还不适于作为CT的直接研究对象。

虚拟数值试验

对沥青混合料的虚拟数值试验是一种便捷、有效的研究方法，它能克服客观试验条件的诸多限制完成对混合料的各种力学试验，且能获取细观层面上的相关数据。虚拟数值试验包括两个部分—虚拟试件的制作和虚拟力学试验的实施。

虚拟试件的制作

虚拟试件的构造方法可分为两种，一种是真实试样扫描后的图像重构数值试件;另一种是根

据组成材料的性质数据模拟生成的虚拟试件。

就基于真实扫描结果生成的虚拟试件而言，CT扫描结果生成的三维可视化模型不能用来进行力学数值模拟，而CT技术在沥青混合料研究中的应用不应当限于对体积组成的分析，应同时试图研究对混合料施加荷载时的力学响应，故需要将三维可视化模型重构为三维数字化模型。三维重建技术大致上可分为两大类:一类是将多幅二维CT图像叠加成物体的三维图像，另一类是直接从二维投影数据进行三维重建。在实际的应用中仍以第一类技术为主。

万成等采用自行编写的程序，实现了由三维可视化模型向三维数值化模型的转化，还设置一定的边界空隙率，使模型的边界空隙分布符合实际试样的空隙分布，建立了基于实际试样真实内部微细观分布的数值化试样。

而对基于材料性质数据生成的虚拟试件而言，数值试样的制作需要在建立集料性质数值库的基础上，首先按照设计的体积组成级配实行虚拟筛分，再针对试件成型工艺选择虚拟成型的模式，确定此类模式下描述沥青胶浆的适应性本构模型，进而采用能够同时描述成型过程中沥青胶浆粘性流动和集料颗粒接触状态及位移变化的力学模型与计算工具，最后完成数值试样的制作。

美国国防部助L. B. Wangles)开展一项关于穿透混凝土目标的模拟、可视化以及损伤定量的研究。该研究试图建立一种合理的现象模型来克服现有模型在研究穿透过程中的局限性。L B. Wang开发的数值试样和数值试验技术代表了这一时期的一个重要成果。

制作数值试样需要预先建立具有统计意义的数值集料库，美国印地安纳州曾对10类集料的2 500个样本进行了类似的数字图像处理，尽管研究的目标是建立集料规格标准，但这类样本构成了数字集料库的雏形。

另一个重要的基础性问题是如何选择虚拟数值试样的力学模型，由于离散单元(DEM)可以模拟骨架颗粒非连续性相互接触、相互作用状态，允许颗粒间产生大的位移、转动和变形，因此被认为是最适合数值试样的虚拟制作的力学模型。

总之，构造数值试样是虚拟力学试验的基础，可以采用真实试样经过CT扫描处理后的图像重构数值试样，也可以采用虚拟数值试样。

虚拟力学试验

类似于真实的载荷试验，虚拟力学试验通过计算机对预先设定的虚拟试样施加各种荷载，利用适宜的应力分析方法与数值计算手段，计算得到描述试样损伤与破坏的应力、应变及能量的相关信息，据此来预测其对应真实试件的力学行为。

由于纯虚拟试件的制作多采用DEM方法，其虚拟力学试验必然采用DEM方法进行。但对基于真实扫描结果数据制作的数值试样，有限元( FEM)方法更为合适。FEM法被认为是基于连续介质力学的最为成熟的近似计算方法—它能通过细分单元对任意复杂结构做出足够近似的模拟，并且能够直接利用ANSYS, ABAQUS等工具直接进行力学计算，万成在研究中即对扫描真实试样而制作的数值模型进行简化，以节点和单元坐标信息描述集料、沥青胶浆和空隙等差异性物质，形成ABAQUS中的INP输人文件后便捷地完成了单轴压缩等虚拟试验。

陈佩林等论述了将沥青混合料微结构和其力学行为仿真联系在一起的方法。该方法利用数字图像处理技术将CT扫描图像转换为数字格式，并与有限元建模结合，较真实地再现沥青混合料的微结构。

汪海年等在研究中对真实马歇尔试件的扫描结果进行基于体素方法三维重构，选择了Burgers模型来描述沥青胶浆的本构关系，运用ABAQUS有限元软件进行数值模拟，并将数值模拟试验的结果与室内试验进行了对比，验证了该重构方法及Burgers胶浆模型的可行性。

目前存在的主要问题

从以上论述可知，CT技术在沥青混合料中的研究已取得一定成果，但不可避免地也存在一些问题，主要是以下几个方面。

CT技术水平有待提升

尽管CT的标称空间分辨率为0. 01 mm量级，但由于沥青与细集料颗粒的混合密度及边界侵润等问题影响，吴文亮的研究证实，真实沥青混合料试件的CT扫描结果获得的可辨识集料颗粒最小粒径约为1. 18一2. 36 mm，目前的技术不能无限地提高颗粒可辨识精度。在对沥青混合料空隙分布的CT扫描结果中同样存在类似问题，比如:对于真实试件扫描结果进行数字图像分析获得的空隙率通常仅为工业方法测定值的80%一95%，缺失的信息不仅包括最小可辨识尺寸以下部分的空隙体积，也包括了试件边界处区分背景与空隙时的模式识别误差。此外，现有工业CT扫描成像所需时间较长，在试验量较大时具有明显的局限性;更重要的是，也因此无法实时地利用CT来捕捉试件的动态破坏过程中细观结构的变化，缩小了该技术的适用范围。

因此，扫描时间较长及分辨率不足，是CT技术在沥青混合料研究中应用的两大障碍。

材料数据库不完善

沥青混合料数值试样的虚拟制作是沥青混合料计算机辅助设计的基础，也是目前这一领域中研究基础最为薄弱的部分。

制作数值试样需要预先建立具有统计意义的数值集料库。进库数值集料应该在体积、粒径及强度等物理性质方面具有统计意义下的工业代表性，更重要的是要建立数值集料形状分类规则，以期准确描述其边角面形状和集料颗粒间的接触特征，需要时还应描述集料颗粒的表面构造特征等。

但现实情况是，目前还没有一个专门的材料数据库以供沥青混合料虚拟试件制作时直接使用，导致在制作虚拟试件时，每次试验都需要大量的时间精力用于材料的参数的设置，且不能重复利用，大大降低了研究效率。从长远来看，基于CT技术的沥青混合料虚拟试验将会在提升研究层次的同时提高研究的便捷性，如果虚拟试件制作的效率低下，将抵消CT技术的优势。

数值模拟方法存在缺陷

目前，无论是有限元还是离散元方法在数值模拟沥青混合料细观结构方面都存在有缺陷，表现在:有限元方法难以模拟沥青与骨料间的界面效应，也很难计算骨料颗粒间互相滑移引起的非连续变形;离散元方法涉及的内部参数较难确定，且单元数目很多，计算量很大。同时集料之间的接触以及集料与胶浆的接触的问题也需要进一步解决，利用MATLAB进行自编程序能较精细地重构三维结构，但是不能进行后续的模拟力学试验，如不能结合好这几种方法或开发新的方法对进行有效的数值模拟，CT技术的作用将受限。

虚拟试验研究缺乏普遍意义

在虚拟力学试验的相关研究中，验证性研究成果较多。这些验证工作通常是选择单轴压缩(拉伸)和间接拉伸等简单力学试验模式，确定可观测的试验物理量，如:变形、位移，进而比较虚拟力学试验计算的结果与真实试验测定的结果，用以验证虚拟力学试验结果的准确性。对于简单的荷载模式和荷载路径，一般都可以得到理想的验证结果。但对于复杂的荷载模式与荷载路径，进行虚拟力学计算并进行真实试验予以验证的研究尚极少见。多数验证局限在真实试验结果和对CT扫描重构数值试样的虚拟力学试验结果之间进行比较，没有试图去明确沥青混合料的细观特性与宏观性能之间的联系，因而缺乏普遍意义。

发展趋势

结合研究现状与存在问题，可以对CT技术及其在沥青混合料研究中应用的发展趋势作出合理推测。

CT扫描快速化、实时化

随着放射技术、探测技术、计算机技术等CT相关技术的不断进步，CT扫描的速度在未来一定会大为提高，以满足批量试验的实际要求。此外，实时在线成像技术是沥青混合料的研究所期望的，对于工业CT，好的重构算法对于加速成像尤为重要，比如Brune等提出一种距离驱动的方法加速投影与反投影过程，Turbell等提出的在反投影过程中采用分治法近似求和汇划，以及Shih等提出的表映射法。运用CT技术快速、实时地捕捉、监测在荷载作用下的沥青混合料甚至是沥青路面的内部细观结构变化，是学科交叉发展的总体趋势。

数值重构精确化、高效化

从长远来看，CT技术在沥青混合料研究领域中的应用重点将会朝着虚拟数值试验方面转

移。随着重视程度的提升，可预见材料性质数据库将逐步建立完善，建模效率将大为提升。此外，在数值模拟方法上，离散元、有限元的改进或是新方法的出现，也会使数值模拟更为精确，计算结果更为可靠，为实际的力学性能提供巨大的参考意义。

结语

从根本上说，对路面材料进行研究和设计，是服务于路面结构设计、并受路面结构设计所指导的。然而当下在路面结构设计领域中，尚未形成完善的科学理论体系，导致材料的设计、研究也没有明确的目标，带有一定盲目性;且在材料研究中，试验过程往往消耗大量人力物力。而CT技术在沥青混合料研究中的应用，不仅为跳过繁杂的试验过程而直接预测混合料性能带来了可能，而且随着CT技术的不断发展及其在沥青混合料研究中应用的不断成熟，它必将在统一沥青路面结构设计和材料设计理论的过程中，扮演重要角色。

X11芜湖到黄山高速公路2017年开建

日前，黄山市官方公开发布了《S11芜湖至黄山高速公路工程环境影响报告书(全文公示)》，这份重要文件称该高速公路将在2017年建设，2020年建成通车，全部建设工期为4a。

该高速公路项目建设里程116.615 km，全部建设资金约需人民币119. 821亿元。推荐路线起于繁昌县峨山镇，接在建的芜湖长江二桥与南沿江高速相交的繁昌东枢纽互通，自北往南，经青山、桃花冲，在五房村上跨S2I6后，经南陵县家发镇、石峰水库东，在胡村附近接上铜南宣高速，在薛村下穿京福高铁后，沿九龙包西侧，在牌楼村跨越6318、枫坑村跨越S322和青弋江及徽水河，从径县黄村镇东，沿规划的牛岭水库大坝及发电水隧道的下游程家坦，于榔桥镇、马渡村西跨越榔桥河和6205，在族德县蔡家桥镇东再次跨越6205和徽水河，经孙村、庙首、白地，终点至黄山市黄山区谭家桥与铜汤高速相接。

为双向四车道高速公路，起点至南陵南互通段设计时速为100 km/h，路基宽度26 m;南陵南互通至终点段设计时速80 km/h，路基宽度25. 5 m。目前，与本项目拟衔接的路段中，南沿江高速、铜南宣高速和铜汤高速均已按双向四车道标准建成通车，芜湖长江二桥在建，预计2017年底建成通车。

S11芜湖至黄山高速公路项目为安徽省“四纵八横”高速公路网中“纵二”的重要组成部分，本项目主要控制点为繁昌东枢纽、五房、胡村、西牛、牌楼、枫坑、黄村、程家坦、榔桥、蔡家桥、庙首、白地以及谭家桥枢纽。

在区域规划的高速公路项目中仅有本项目尚未建设，本项目作为芜湖长江二桥的南延路段，项目的建设对于完善区域高速公路网络，充分发挥过江通道及高速公路网规模效益意义重大。同时，本项目经过的径县、族德等区县现状尚无高速公路覆盖，因此项目的建设对于实现安徽省政府提出的“县县通高速”的目标也显得至关重要。

本项目全线中繁昌县境内6. 4 km，南陵县境内26. 17 km ,径县境内48. 72 km ,族德县境内30. 38 km ,黄山区境内4. 945 km o设置服务区3处，收费站4处，管理分中心1处，养护工区2处。