X-Ray CT技术在医学、机械、岩土等领域应用已经较为成熟，并取得了一系列研究成果^{[1, 2, 3, 4]}。在沥青混合料、水泥混凝土等路面材料研究领域，CT无损检测研究的发展略显迟慢，主要表现为研究规模较窄，研究内容比较分散，对其他交叉学科的研究成果借鉴不足等。段跃华、张肖宁^[5]基于工业CT技术对沥青混合料的粗集料接触特性、粗集料的二维和三维轮廓表征方法，粗集料L,W,T维度确定及筛分分析进行了深入的研究。E.Masad^[6]运用CT扫描技术对沥青混合料内部的构成状况(长轴取向、集料间的接触方式)进行分析，将其转换至ABAQUS有限元软件中，对混合料试件水平向与垂直向的模量进行数值模拟，分析集料的长轴取向及各向异性状况对混合料模量的影响效应等。这些研究对扫描图像质量都有较高的要求。因此，优化沥青混合料图像质量是很有必要的。

获取高精度的图像是进行图像处理与分析的前提，包括物质分割、数值模拟分析、破坏机理研究等^{[7, 8, 9, 10]}。但是，不同于物质成分相对单一、均匀的岩土材料，沥青混合料内部物质较复杂，主要包括粗、细集料，矿粉，沥青，空隙。其中集料的粒径在0.075~31.5 mm范围内各不相同，不同岩性集料的矿物成分不同，由于岩石受到沉积、风化等作用，同一颗集料的密度也不一定均匀。沥青的主要组分是油分、树脂和地沥青质，并含有少量的蜡，沥青中还会掺加纤维、橡胶等改性剂，此外，沥青与矿粉融合，同时吸附在集料的表面，X-Ray CT较难辨识集料的轮廓，特别是细集料的轮廓。这些都为高质量沥青混合料图像的获取增加了扫描难度。

沥青混合料CT图像质量不仅取决于设备的硬件，也与扫描方式、扫描参数有很大的关系^[11]，此外，沥青混合料试件本身也会影响图像的质量。由于X-Ray CT设备昂贵和扫描费用高，本文将研究不同尺寸、不同岩性集料、不同成型方式对沥青混合料试件扫描效果的影响，并对国内常用的马歇尔试件进行扫描参数优化，既可以获取高精度的图像，也能够降低扫描时间，减少扫描费用。

试验扫描用的设备为长安大学购置的德国YXLON公司225 kV工业CT。该工业CT系统包括以下几个组成部分：射线源、辐射平板探测器和准直器、焦点控制器、高压发生器、计算机数据采集处理系统、主控电柜及样品扫描机械系统等。本研究所采用的CT扫描系统如图 1所示，设备规格见表 1。

图 1 工业CT锥束扫描系统 Fig. 1 Industrial CT cone beam scanning system

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CT是基于不同物质的X射线入射强度和出射强度之间的特定关系进行成像的，假设入射X射线是横断面足够小的单能光子束，若入射X射线强度为I(x)，出射的X 射线强度为I+dI，在对材料作了均匀的假定前提下，经过简单的定积分计算，可得到入射和出射的 X 射线强度关系如下：

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因此，对于不同材质的物体，由于材料的线衰减系数不同，穿过物质的X射线衰减程度也会发生相应的变化。常规的X射线检测，得到的是反映X射线强度I的投影数据图像，也即透视图像，然后通过实际测量的投影数据，得到不重叠的断层图像，也就是物体某个断面上对于特定能量X射线的线衰减系数的分布μ(x,y)，即CT图像。所以，沥青混合料扫描图像可能与X射线穿透强度和对不同物质的衰减敏感性密切相关。此外，混合料不同的内部结构也可能会对X射线的穿透过程产生一定的影响。综上所述，沥青混合料的尺寸、岩性组成、成型方式可能会影响扫描成像质量。

本文采用马歇尔击实、旋转压实和静压这三种成型方式的沥青混合料试件作对比扫描，试件直径均为100 mm，集料均为石灰岩，研究不同成型方式对扫描成像质量的影响；采用石灰岩、花岗岩、闪长岩、辉绿岩不同岩性组成的四种马歇尔试件作对比扫描，研究集料岩性对沥青混合料扫描成像质量的影响；采用D100 mm×H63.5 mm，D100 mm×H100 mm，D150 mm×H120 mm，三种不同尺寸的马歇尔试件作对比扫描，研究试件尺寸对扫描成像质量的影响。最后，选取D100 mm×H63.5 mm尺寸的标准马歇尔试件，对其扫描参数进行优化。不同岩性的集料和不同尺寸的沥青混合料试件如图 2、图 3所示。由于三种成型方式的试件从外观上看不出区别，本文没有给出图示。

图 2 不同岩性的集料 Fig. 2 Aggregates with different lithology

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图 3 不同尺寸的沥青混合料试件 Fig. 3 Asphalt mixture specimens with different sizes

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通过X-Ray CT设备分别对D100 mm×H63.5 mm，D100 mm×H100 mm，D150 mm×H120 mm，3种不同尺寸的马歇尔试件进行扫描，试件正放于旋转载物台上，扫描电压为200 kV，扫描电流为0.56 mA，采用1 mm Fe和1 mm Cu的滤波片组合，扫描积分时间为750 ms，投影数目为1 080张。此条件下，沥青混合料横断面图像在试件高度方向分别生成530,834和1 000张图片，每层间隔为0.12 mm，取其中间层位具有代表性图像，如图 4所示，同时，通过VG Studio MAX 2.0三维可视化软件，可以得到所有扫描图像的统计灰度直方图，其横坐标表示灰度级，纵坐标是该灰度出现的频率(像素的个数)，如图 5所示。

图 4 不同尺寸沥青混合料试件的扫描图像 Fig. 4 Scanned images of asphalt mixture specimens with different sizes

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图 5 不同尺寸沥青混合料试件的灰度直方图 Fig. 5 Gray histograms of asphalt mixture specimens with different sizes

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从图 4中可以看出，D100 mm×H63.5 mm尺寸的沥青混合料试件扫描图像质量最好，集料的边界轮廓最清晰，与沥青胶浆具有很好的对比度，也容易识别空隙的位置和特征。D100 mm×H100 mm尺寸的沥青混合料试件的图像质量与D100 mm×H63.5 mm 尺寸的图像质量差别不大，集料边界轮廓、空隙特征都比较容易识别。而D150 mm×H120 mm尺寸的沥青混合料试件的图像质量则不理想，会出现边缘亮、中间暗的不平滑现象，集料的边界轮廓模糊，与沥青胶浆之间的对比度差，这些都为集料与空隙识别、分割、测量计算等后期图像处理带来困难^{[12, 13]}。这表明X射线穿射方向的试件尺寸对CT扫描成像质量有显著的影响，尺寸越大，X射线越难以穿越，对成像质量越不利，而试件的高度方向尺寸影响较小。从图 5中可以更为客观地验证沥青混合料试件的尺寸对扫描成像质量的影响。由于沥青混合料内部主要包括集料、沥青、空隙等，因此，其灰度图理论上应该呈现多峰多谷的形式。D100 mm×H63.5 mm和D100 mm×H100 mm尺寸的沥青混合料试件的灰度图均较为符合实际，可以较好地自动识别集料与砂浆的边界，基本满足后期分析与处理图像的需要。而D150 mm×H120 mm尺寸的沥青混合料试件的灰度图表现呈单峰，这说明沥青混合料内部物质没有获得精确的扫描识别，导致图像质量达不到高精度要求。为了提高扫描成像质量，应该尽可能让X射线穿射方向与试件最小尺寸方向保持一致，如果试件尺寸过大，也可以通过增大扫描电压、电流来提高X射线的穿透能力，从而可以更好地识别沥青混合料内部物质。

对于沥青混合料这种多相复合材料，集料占据了其体积百分率的绝大多数。不同岩性的集料其密度不一样，这样将导致扫描过程中沥青混合料的最大理论密度不一样，对于X射线能量的吸收率也会有所不同，从而最终影响图像的色彩对比度。考虑到普适性原则，本文对公路上常用集料，石灰岩、花岗岩、玄武岩与辉绿岩，及其混合料断层的扫描图像进行对比，可为数值模拟分析与构建混合料三维数值化试件选取提供参考。

首先，对粒径为9.5 mm的四种单颗集料进行扫描，扫描电压为200 kV，扫描电流为0.06 mA，采用的滤波片为1 mm Al，投影数目为360张，扫描图像见图 6。然后，对由每种集料组成的沥青混合料马歇尔试件分别进行扫描，采用与上节相同的扫描参数，扫描图像见图 7。

图 6 不同岩性集料扫描图像 Fig. 6 Scanned images of aggregates with different lithology

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图 7 不同岩性沥青混合料扫描图像 Fig. 7 Scanned images of asphalt mixture specimens with different lithology

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从图 6、图 7中可以看出，单一颗粒石灰岩的色彩对比度最好，但是在沥青混合料中，花岗岩与沥青胶浆、空隙之间的对比度最好，边界轮廓最清晰，石灰岩次之，玄武岩与辉绿岩扫描效果最差。这表明集料岩性对沥青混合料试件扫描成像质量具有很大的影响，花岗岩沥青混合料图像质量最好，最适合用于制作数值虚拟试件，但花岗岩为酸性集料，与沥青黏附性较差，工程中较少采用，在细观结构研究时，可考虑掺入部分抗剥离剂。如果条件不允许，也可以对石灰岩成型的试件进行扫描，能够为后期数值分析提供满足精度要求的图像。

沥青混合料通常采用的成型方式有静压成型、马歇尔击实成型与旋转压实成型。不同成型方式，沥青混合料内部颗粒定向和空隙分布不同，会对扫描成像质量产生一定的影响。本文对该三种成型方式的沥青混合料试件进行扫描对比，试件直径均为100 mm，采用的是石灰岩集料。扫描电压为 200 kV，扫描电流为0.56 mA，采用1 mm Fe和1 mm Cu的滤波片组合，扫描积分时间为750 ms，投影数目为1 080 张。扫描获得的切片图像如图 8所示。同时，由扫描图像得到的灰度直方图如图 9所示。

图 8 不同成型方式扫描图像 Fig. 8 Scanned images of asphalt mixture specimens obtained by different compaction ways

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图 9 不同成型方式的灰度直方图 Fig. 9 Grey histograms of asphalt mixture specimens obtained by different compaction ways

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从图 8中可以看出，静压成型的沥青混合料试件扫描图像质量最好，能够很好地识别集料、沥青与空隙的分布和边界特征，这是因为静压成型试件的空隙率较大，X射线更容易穿透试件，内部物质能够得到充分的识别。旋转压实成型的试件次之，而马歇尔击实成型的试件扫描图像质量略差于旋转压实成型的试件，这是因为旋转压实成型能够让集料更均匀地分布于沥青混合料中^[14]，有助于提高扫描成像质量，此外，马歇尔击实成型容易使集料破碎，导致出现细粒化现象，不利于CT扫描识别，从而影响图像质量，但也能够满足后期图像处理分析的精度要求。图 9灰度结果表明，静压成型试件多峰多谷形式最明显，旋转压实试件次之，马歇尔试件最差，这也进一步验证了不同成型方式对沥青混合料扫描成像质量会产生一定的影响。

由于目前国内常用的是沥青混合料马歇尔试件，因此，本文将针对马歇尔试件，对其扫描参数进行优化，为后期物质分割、裂纹扩展分析、骨架接触评价、数值模拟等研究提供高质量的沥青混合料内部结构图像^{[15, 16, 17, 18]}，同时也可以缩短扫描时间，提高扫描效率，降低扫描成本。

CT扫描影响最终图像质量的因素主要有两个：一个是饱和度(RID)；另一个是对比度(Contrast)。饱和度和对比度越大，图像质量越好，但是当达到一定值时，对图像质量的提升作用会越来越小。一般为了保护探测器，要求无论是在信号校正还是在正式扫描过程中，饱和度值最大不能超过80%，建议扫描过程中饱和度值调整在50%~70%为宜，对比度最小值大于3 000 即可。通过分析知道，YD值(探测器与焦点距离)越小，滤波片数量和厚度越小，增大扫描电压、电流，提高积分时间和像合并次数均可以有效地提高饱和度与对比度。对于马歇尔试件，试件尺寸一般为D100 mm×H63.5 mm左右，因此200 kV，0.56 mA扫描电压、电流可以满足X射线最佳穿透要求。经过反复试验，积分时间为400 ms，2次像合并的时候，既可以达到很好的扫描效果，也能够降低扫描时间。此外，可以通过增加投影数目提高扫描成像质量，由于投影数每增加90，时间延长2~3 min，因此建议投影数为1 080。由于X射线的多色性，不安放滤波片或数量较少，会导致射束硬化现象，从而影响图像质量，如果放置的滤波片过多，会使图像饱和度和对比度降低，同时，滤波片的材质也会影响图像质量，所以需要对滤波片组合进行优化。本文将对六种滤波片组合进行对比分析，见表 2。表中6组滤波片组合均是在该试件最佳扫描参数下作的微调。在这六种滤波片组合下沥青混合料马歇尔试件扫描结果见图 10。

图 10 不同滤波片组合扫描图像 Fig. 10 Scanned images obtained by different filter combinations

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从图 10中可以看出，滤波片组合3(1 mm Cu，1 mm Fe)的扫描图像质量最好，不同物质之间易于区分，边界轮廓特征清晰。滤波片组合2(0.5 mm Al，1 mm Cu，0.5 mm Fe)的扫描图像质量仅次于组合3，物质特征较为清晰，而其他几种滤波片组合下的扫描成像质量明显差于3组合滤波片。因此，扫描沥青混合料马歇尔试件的最佳滤波片组合为1 mm Cu，1 mm Fe。通过以上对比分析可知，沥青混合料马歇尔试件最优扫描参数可标定为： 扫描电压为200 kV; 扫描电流为0.56 mA; 投影数目为1 080 张; 积分时间为400 ms; 像合并数为2次； 滤波片组合：1 mm Cu，1 mm Fe。 在该扫描参数条件下，扫描得到的高质量图像可以更方便于后期的处理分析，也能够缩短扫描时间，完成1个马歇尔试件扫描只需要24 min左右，大大提高了扫描效率。

基于225 kV工业X-Ray CT设备，本文研究试件尺寸、集料岩性、成型方式对沥青混合料扫描成像质量的影响，同时对国内常用的沥青混合料马歇尔试件的扫描参数进行优化，可得到如下结论：

(1) 沥青混合料试件尺寸对扫描成像质量影响很大，尺寸越大，图像质量越差，应尽量让X射线穿射方向与试件最小尺寸方向保持一致。

(2)集料岩性会对扫描成像质量产生一定的影响，花岗岩在沥青混合料中的对比度最好，最适合于后期图像处理分析。

(3)沥青混合料成型方式对扫描成像质量具有显著的影响，其中静压成型对成像质量最有利，其次是旋转压实成型，而马歇尔击实成型略差于旋转压实成型。