引言

沥青混合料是一种由粗集料、沥青砂浆和空隙构成的多组分复合材料。沥青混合料的均匀性直接关系到沥青路面的路用性能，尤其是对沥青路面的使用寿命影响更为突。沥青混合料不均匀性是沥青混合料各组分不均匀性的综合反映，主要表现为各组分的分布不均匀中国沥青网sinoasphalt.com。随着人们逐渐意识到沥青混合料均匀性的重要性，传统的视觉识别评价均匀性方法已经无法满足研究的客观性和高精度性要求。近年来，研究人员利用数字图像处理技术，特别是x-rAyCT技术分析了沥青混合料内部结构中各组分的空间分布状态，并基于各组分的特性和空间分布提出了评价指标或方法用以进行沥青混合料的均匀性研究。应用数字图像处理技术，提出了通过比较沥青混合料试件截面上相等区域内集料累计面积值的大小来评价沥青混合料集料不均匀性的方法，并采用该方法评价了不同成型方法沥青混合料试件的均匀性AzAｒI根据沥青混合料试件CT扫描图像，提出了采用标准正态分布参数作为集料均匀性的评价指标，分析了集料不均匀性对沥青混合料力学性能的影响，以此对集料分布的不均匀程度进行了评价利用CT技术获取了旋转压实沥青混合料试件的内部空隙分布特征，提出了不均匀指标以定量描述垂直和水平方向的空隙分布，并通过力学性能试验表明空隙的空间分布是影响沥青混合料均匀性的重要因素。蒯海东开发了沥青混合料均匀性分析系统用以研究集料分布的均匀性，建立了以偏心率和面积级配曲线方差分析集料空间分布的均匀性直观评价指标。吴文亮等针对不同级配类型的沥青混合料，利用dIP技术分析了颗粒面积比的变异系数对沥青混合料均匀性的影响程度。胡迟春等采用CT技术对沥青混合料的纵向空隙结构分布情况进行了研究，指出沥青混合料中的空隙和集料分布的不均匀是导致沥青混合料内部结构产生不均匀性的主要原因。刘佳辉针对沥青混合料CT扫描图像的特点，提出了将颗粒面积比、均匀性分布系数和切面间颗粒面积比均值的波动系数分别作为扫描切面粗集料颗粒的分布状态、切面内细观结构质量均匀性和竖向离析的评价指标。郑燕金通过采集不同沥青混合料芯样的断面图像，计算出每个区域中粒径d≥4.75MM颗粒的面积和，然后利用其变异系数评价芯样内部粗集料分布的均匀程度。叶飞基于dIP技术，以沥青混合料CT图像中颗粒的坐标为计算对象，采用格子方差法、MATLAB法和三角形法判断沥青混合料颗粒分布的均匀性。此外，彭勇等针对沥青混合料均匀性开展了较为全面系统的研究工作，提出了一种基于dIＰ技术的沥青混合料均匀性评价方法，据此分别研究了沥青混合料均匀性与其组成材料的力学性能和路用性能指标的关系，讨论了沥青混合料均匀性的影响因素，并且利用分形理论分析了沥青混合料的均匀性。李智等采用CT技术虚拟重构沥青混合料试件，并据此提出了以粗集料不均匀系数、试件颗粒竖向变异系数等指标来评价沥青路面芯样的施工质量。

然而，国内外学者利用dIP技术，尤其是CT技术对沥青混合料内部结构均匀性进行研究还处于探索阶段，其中已有的均匀性评价方法需要提取较多组分，尤其是集料的特征参数计算存在较大误差，而且未充分考虑各组分在沥青混合料内部结构均匀性中发挥的作用，或者均匀性评价方法的具体实施操作较为复杂，因此急需发展完善一种有效、便捷的沥青混合料均匀性评价方法。为此，本文基于CT技术识别沥青混合料内部结构，利用MATLAB软件自行编写图像处理程序，并以沥青混合料中的粗集料、沥青砂浆和空隙各组分的密度和面积为主要特征参数，建立沥青混合料内部结构均匀性评价方法，选用3种级配组成类型的沥青混合料对该方法的有效性进行室内试验验证，并对该方法的适用性进行相关探讨。

均匀性评价方法

均匀性评价方法原理

本文考虑沥青混合料中全部组分的内部结构分布特征，并利用各组分的密度，建立了一种沥青混合料内部结构均匀性评价方法。该方法是利用CT技术将沥青混合料试件沿着高度方向划分成若干层截面，形成若干有效面积相等的CT数字图像，再将每个截面图像划分成若干规则小区域。这样的区域划分不仅有利于简化用于表征沥青混合料试件内部结构均匀性参数的计算工作，而且为提高后续的沥青混合料试件内部结构均匀性识别精度奠定了基础。根据数字图像每个区域中粗集料、沥青砂浆和空隙的密度以及面积比例计算各组分的单层截面中各区域的均匀性评价参数，并利用其作为均匀性评价基本参数，据此得到沥青混合料内部结构均匀性的评价指标。利用MATLAB编写用于多区域划分和计算均匀性评价参数的程序。以马歇尔试件为例：采用工业CT扫描设备对试验试件进行断层扫描试验，利用数字图像处理技术对扫描获得的数字图像进行处理，并建立沥青混合料试件内部结构的数字图像集合。应用图像处理软件对数字图像集合进行分层处理，从而获取沥青混合料试件沿高度方向的截面，原则上，截面的数量和厚度根据研究所需均匀性评价指标的精度自行确定，均匀性评价指标的计算精度愈高，计算量愈大。根据HIMdI的分析原理，将沥青混合料试件的数字图像集合分为n层截面，采用STrel等命令获取每层截面的T个同心圆，每个同心圆的圆心与截面的圆心重合，按照面积由小至大的顺序，同心圆半径增量均为R/T，其中R为有效区域的面积Aep的半径。然后应用IMCrop等指令分别对每层截面沿竖直和水平2个方向进行分割，其实质是划分出截面的4个象限，从而每个象限可获得4个面积不等的扇形区域，同时按照面积由大至小的顺序，4个面积不等的扇形区域依次相减，则每个象限均获得4个面积不等的1/4环形区域，进而每层截面获得4T个1/4环形区域。通过这种单层截面区域划分方法，每个混合料试件会产生4tn个小区域。为了提高CT数字图像边缘的识别精度，本文通过多个环形切割分析计算发现，T=9时，能够满足图像边缘的识别精度，限于篇幅原因，这里不再赘述。事实上，T的取值可以根据研究对象的不同发生一定的变化。在单层截面划分规则区域时，编号1，5，…，4T＋1的小区域组成了第1象限，以此类推，每个截面包含4个面积相同的象限，如编号2，6，…，4T+2的小区域组成了第2象限，逆时针方向分别为第3象限、第4象限。可以发现，每层截面包括4个面积不同的圆环，如编号1，2，3，4的小区域组成了第1层圆环，以此类推，由内至外分别为第2层圆环、第3层圆环、第4层圆环等。每个截面中每个圆环区域的面积各不相同，而每个圆环内包含的区域面积对应相等。利用已选定的灰度分割阈值对数字图像集合中每个截面的小区域分别进行图像灰度化及分割处理，将每个小区域中的粗集料、沥青砂浆和空隙各组分分别提取。

均匀性评价指标

将沥青混合料试件截面数字图像集合中的粗集料、沥青砂浆和空隙提取后，根据各组分的面积及密度计算每层截面中各区域的均匀性评价参数。

Kd(h)的大小表征了单层截面的均匀性程度，数值愈小，表示该层截面的均匀性愈好。在计算ρdIｊj值时，需要如下假设条件：①沥青混合料试件为理想模型，其物理参数与《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》的要求一致；②沥青混合料试件内部结构全部组分呈均匀分布，无相同组分过度集中；③基于CT技术检测试件的数字图像截面层数ｎ相同，并且数字图像中相同面积区域内的全部组分质量相等。

对于相同扫描参数的CT扫描设备，扫描结果中的Aep值均相同，对于不同扫描参数的CT扫描设备，扫描结果中的Aep值不一定相同，这是由于不同的扫描参数所获得图像的灰度值和尺寸不一定相同。此外，N的数值愈大，ρdIj计算结果愈趋于稳定。由于采用ρdIｊ计算单层截面均匀性评价指标Kd，因此应用Kd值可以评价沥青混合料试件中任意截面的均匀性。

此外，利用ρIj和ρdIj可以计算单一沥青混合料试件的均匀性评价指标Kz。Kz的数值大小表征了单一沥青混合料试件的均匀性程度。Kz值越小，表示该试件内部结构均匀性越好。理论上，当沥青混合料试件内部结构均匀性达到理想状态时，其相应的均匀性评价指标Kz=0。

均匀性评价指标有效性

本文选用3种级配组成类型，采用马歇尔试验设计方法，根据《公路沥青路面施工技术规范》推荐的级配范围进行沥青混合料配合比设计。其中，每种级配类型沥青混合料均采用4组不同沥青用量，每组沥青用量包括3个有效试件，即N=3。通过试验得到AC，SMA和OGFC混合料的最佳沥青用量分别为4.2%、5.7%和6.2%。本文采用的工业CT扫描设备为德国菲尼克斯公司生产，型号为S240。设备参数配置为：最大管电压240KV，最大管功率320W。通过调试设备参数及分析相关试验数据，并参考已有的研究成果，确定设备扫描配置为电压180KV，电流80!A。设备能够准确识别的沥青混合料内部最小集料粒径为2.36MM。在CT图像中分析沥青混合料各组分内部结构特征时，粗集料和空隙的个数容易确定，在其确定之后，剩余部分即为沥青砂浆。为了提高识别精度，沿沥青混合料试件高度方向断层扫描划分了690层截面，即n=690，每层截面的实际厚度为0.09MM。此外，由于划分层数较多，为了提高计算效率，基于WIndowS操作系统和VC++语言，采用MATLAB和VS等工具开发了一套沥青混合料数字图像处理以及内部结构组分特征识别和均匀性分析计算的专用软件。目前，对于沥青混合料均匀性检验没有相关规范可以依据，但可通过观测试件不同截面的均匀性来分析均匀性与观测结果是否一致，以此检验均匀性评价指标的有效性。为此，本文通过分析不同沥青混合料试件沿高度方向截面的观测结果与相应Kd的关系，进而检验均匀性评价指标Kd的有效性。每种级配类型沥青混合料试件沿高度方向任取4幅均匀性差异较为明显的截面数字图像。需要说明的是，所有扫描的沥青混合料试件CT图像均在相同CT设备参数下获得，并且图像已经过灰度化处理，以便清晰识别沥青混合料各组分的内部分布。此外，个别截面图像为沿试件高度方向靠近端部的截面，因此其空隙较大。

可知，对于AC沥青混合料，根据截面图像的观测结果，其相应的均匀性优劣排序依次为：截面2，3，4，1。同理，对于SMA沥青混合料，其相应的截面图像均匀性优劣排序依次为：截面5，6，7，8；对于OGFC沥青混合料，其相应的截面图像均匀性优劣排序依次为：截面9，12，10，11。

可知，根据实际观测结果与Kd值的对应关系基本证实均匀性评价指标Kd可以评价沥青混合料试件截面的均匀性，这亦为后续应用Kz评价单一沥青混合料试件内部结构均匀性提供了理论基础。

均匀性评价方法应用

沥青混合料试件均匀性评价

通过分析不同沥青用量下各组混合料试件的Kz值分布规律，可以明确不同沥青用量下各组试件内部结构均匀性。可知，对于每种级配类型沥青混合料而言，不同沥青用量下各组试件的Kz值变化范围没有交集，这表明不同沥青用量的沥青混合料试件内部结构的均匀性变化范围稳定，采用Kz值表征沥青混合料的均匀性具有良好的辨识性。因此，利用每种级配类型混合料的4种沥青用量试件的Kz值变化范围可以定量判断已知制作参数的AC，SMA和OGFC混合料试件的沥青用量。

可知：对于AC沥青混合料试件，沥青用量4.0%试件对应的Kz平均值(B点)最小，其与沥青用量4.5%、5.0%和3.5%试件对应的Kz平均值(C点、d点和A点)分别相差37.1%、68.8%和183.4%；对于SMA沥青合料试件，沥青用量6.0%试件对应的Kz平均值(G点)最小，其与沥青用量5.0%、5.5%和6.5%试件对应的Kz平均值(Ｅ点、Ｆ点和Ｈ点)分别相差156.4%、53.8%和26.4%；对于OGFC沥青混合料试件，沥青用量5.0%试件对应的Kz平均值(J点)最小，其与沥青用量4.5%、5.5%和6.0%试件对应的Kz平均值(I点、K点和Ｌ点)分别相差69.0%、14.1%和30.9%。据此可知，在一定的试验样本数量和已给定的沥青用量条件下，沥青用量为4.0%(AC)、6.0%(SMA)和5.0%(OGFC)的沥青混合料试件内部结构均匀性最好，沥青用量为3.5%(AC)、5.0%(SMA)和4.5%(OGFC)的混合料试件内部结构均匀性最差。

检验沥青混合料试件制作差异

应用Kz不仅可以评价单一沥青混合料试件内部结构的均匀性，还可以对相同成型方法、相同配比的1组沥青混合料试件内部结构均匀性进行评价。

dxy值愈大，表示第x号试件与第y号试件的内部结构均匀性差异愈大；反之，dxy值愈小，则表示第x号试件与第y号试件的内部结构均匀性愈相近。根据实践经验可知，采用相同成型方法制作相同配比的沥青混合料试件时，如果若干试件的内部结构均匀性相似，则说明试件的制作差异性较小。因此本文通过计算每组沥青混合料试件的dxy值分析不同沥青用量下各组试件均匀性的差异，且定量地检验相同成型方法和相同级配的试件制作差异。

可以看出：对于不同沥青用量的AC混合料试件，沥青用量为4.5%时，d(4.5%)12、d(4.5%)13和d(4.5%)23的值较小，这说明该组试件的Kz离散性最小，任意2个试件内部结构均匀性接近，由此可见沥青用量为4.5%的3个AC混合料试件制作的平行性良好；此外，d(3.5%)13、d(4.0%)13和d(5.0%)12的值均较小，这表明沥青用量分别3.5%和4.0%的2组试件中，1号与3号试件内部结构均匀性相差较小，试件制作的平行性较好，沥青用量为5.0%的该组试件中，1号与2号试件制作的平行性较好。AC沥青混合料其他组中试件的dxy均较大，这说明其Kz的离散性较大，该组试件内部结构均匀性相差较大，试件制作的平行性较差。同理，对于不同沥青用量的SMA沥青混合料试件，沥青用量分别为6.0%和6.5%时，2组混合料试件的d(6.0%)xy和d(6.5%)xy均较小，由此说明沥青用量分别为6.0%和6.5%的2组混合料试件制作的平行性良好；d(5.0%)23和d(5.5%)12均较小，这表明沥青用量为5.0%的该组试件中，2号与3号试件内部结构均匀性相差较小，试件制作的平行性较好，沥青用量为5.5%的该组试件中，1号与2号试件制作的平行性较好。对于不同沥青用量的OGFC沥青混合料试件，沥青用量分别为5.5%和6.0%时，2组混合料试件的d(5.5%)xy和d(6.0%)xy均较小，这说明沥青用量分别为5.5%和6.0%的2组混合料试件制作的平行性良好；d(4.5%)12和d(5.0%)23均较小，这表明沥青用量为4.5%的该组试件中，1号与2号试件内部结构均匀性相差较小，试件制作的平行性较好，沥青用量为5.0%的该组试件中，2号与3号试件制作的平行性较好。此外，d(6.0%)12最小，说明沥青用量6.0%的该组试件中，1号与2号试件制作的平行性最好。

为了进一步验证3种级配类型沥青混合料试件制作平行性检验结果在实际应用中的可靠性，选择平行性较好的混合料试件组进行劈裂试验，分析混合料试件的平行性与劈裂强度之间的关系，以此检验基于dxy值评价混合料试件制作平行性的可靠性。依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的沥青混合料劈裂试验方法，利用MTS试验机进行沥青混合料劈裂试验，试验温度为15℃。可知：对于相同类型混合料而言，3个平行试件的劈裂强度相差均较小，其变异系数分别为1.0%、2.9%和1.1%。这表明相同类型混合料的3个试件的劈裂试验结果较为接近，基于dxy值检验相同成型方法、相同配比的沥青混合料试件平行性在实际应用中的可靠性较好。

获得沥青混合料最佳沥青用量

另外，根据Kz曲线的变化，利用插值法计算得AC沥青混合料的Kz最小值为5.210×10-6，同时计算得到Kz最小值对应的沥青用量为4.13%，本文称Kz最小值对应的沥青用量为HIMdI沥青用量。同理，计算获得SMA沥青混合料的Kz最小值为3.795×10-6，其HIMdI沥青用量为6.10%；OGFC沥青混合料的Kz最小值为6.537×10-6，其HIMdI沥青用量为5.15%。由Kz的定义可知，当沥青混合料试件内部结构均匀性处于最佳状态时，此时对应的Kz最小，即当混合料内部结构均匀性处于最佳状态时，AC，SMA和OGFC沥青混合料的沥青用量分别为对应试件的HIMdI沥青用量。AC，SMA和OGFC沥青混合料的HIMdI沥青用量与室内试验测得的最佳沥青用量的差值分别为0.07%、0.1%和0.55%。这表明基于Kz分析计算得到的HIMdI沥青用量与试验确定的最佳沥青用量较为接近。实际上，当沥青混合料的沥青用量为最佳沥青用量时，该试件的内部结构均匀性较好。由此进一步证明了均匀性评价指标Kz可以定量地评价沥青混合料试件内部结构的均匀性，并且分析精度较高。此外，基于Kz分析所获得的HIMdI沥青用量能够为通过马歇尔方法确定的沥青混合料最佳沥青用量提供参考。

判定沥青混合料内部结构均匀性薄弱位置

应用Kd分析沿沥青混合料试件高度方向、不同位置单层截面的均匀性，以此识别各沥青混合料试件的内部结构均匀性，判定试件内部结构均匀性的相对薄弱位置。本文中的均匀性薄弱是指由于沥青混合料内部结构中各组分分布的不均匀性而造成的结构缺陷，检测位置可以精确至试件划分的每层截面。实际上，当内部结构均匀性出现薄弱位置时，试件相应位置的Kd值亦会产生突变。限于篇幅，本文仅以AC沥青混合料试件为例。

不同沥青用量下AC沥青混合料试件沿其高度方向截面的Kd平均值的分布状态。Kd平均值为不同沥青用量各组试件中的3个试件在某个相同位置截面Kd的平均值，其值愈大，表明试件该位置的内部结构均匀性愈差。需要说明的是，由于每个混合料试件包含约690个Kd，则无法清晰显示。为此，本文采用等间距取值的方法，选取沿试件高度方向50个位置的Kd值。此外，可以看出，不同沥青用量混合料Kd分布情况均不相同，这表明沥青混合料试件内部结构均匀性各不相同。其中，Kd(3.5%)分布呈现两端大，中间小。Kd(3.5%)的中间区域波动不稳定，该区域中的2个极大值(分布在两端)与Kd(3.5%)的均值相比，分别相差47.1%和95.5%。此外，由该Kd分布规律可以看出，Kd在沥青用量为3.5%的沥青混合料试件内部结构中分布离散性较大，并且从该部分可以看出，Kd(3.5%)在图像层数为0～68处和612～680处等位置出现了较为明显的突变，由此可以说明，沥青用量为3.5%的试件内部结构在对应位置的均匀性发生了突变，即可以认为该位置的均匀性薄弱。此外，沥青用量分别为4%、4.5%和5%对应的Kd(4.0%)、Kd(4.5%)和Kd(5.0%)分布离散性较小，Kd没有发生突变现象。其中，Kd(4.5%)的最大值与其均值相差30.8%；Kd(4.5%)中的最大值与其均值相差27.6%；Kd(5.0%)中的3个极大值(分布在3个尖角处)与其均值分别相差24.5%、11.4%和24.2%。由上述数据可以看出，所有样本中，内部结构均匀性最差的是沥青用量3.5%的沥青混合料试件，其他沥青用量的沥青混合料试件内部结构均匀性较好。基于上述分析可知，根据Kd的最大值与其对应均值的差值可以判定试件内部结构均匀性发生突变的位置，这种突变亦是均匀性薄弱的位置。

结语

(1)利用CT技术识别了沥青混合料内部结构特征，考虑粗集料、空隙和沥青砂浆各组分的内部分布特征，并以各组分密度和面积为主要特征参数建立了一种沥青混合料内部结构均匀性评价方法HIMIdI，给出了单层截面均匀性评价指标Kd和单一试件均匀性评价指标Kz。

(2)3种级配组成类型沥青混合料的实测结果表明，应用Kd可有效评价不同沥青混合料试件单层截面均匀性。通过分析不同沥青用量条件下各组试件Kz值的分布规律明确了各组试件内部结构的均匀性，基于Kz定量检验了相同成型方法和相同级配的试件制作差异，并通过劈裂试验进一步验证了检验结果的可靠性。

(3)根据不同沥青用量下各组沥青混合料试件Kz平均值的最小值分析获得的各种类型沥青混合料的沥青用量与采用马歇尔试验确定的最佳沥青用量均相差较小。

(4)应用Kd分析了相同成型方法、不同沥青用量的沥青混合料试件沿着高度方向不同位置单层截面的均匀性，以此识别沥青混合料试件的内部结构均匀性，同时利用Kd最大值与其对应均值的差值判定沥青混合料试件内部结构均匀性薄弱位置。

(5)本文仅分析了均匀性方法的有效性和适用性，其中适用性有待进一步验证，而对不同成型方法、不同级配类型沥青混合料的均匀性评价指标Kd和Kz的阈值范围，即相应的均匀性评价标准未进行确定，这需要在今后的工作中通过大量的样本进行统计分析，依此给出相应的均匀性评价标准。