沥青混合料是典型的颗粒离散性混合物。沥青路面施工影响因素多、工艺复杂，因此沥青路面施工质量变异性控制历来都是质量控制的重点和难点。

现阶段沥青路面施工质量均匀性控制模式表现为数据结果的宏观性、评价指标的单一性等特点。大多数情况下，路面取芯测试压实度结果是一个平均值，无法反映竖向结构内部的变化；同时，单一的密度指标也不能体现级配、孔隙和沥青用量的差异，而这些指标与路用性能是直接相关的，无论是级配离析、碾压离析，还是温度离析，都将导致沥青路面内部结构与设计的差异，进而造成路用性能的变化。美国NCHRP-441等研究表明，沥青路面中等程度离析时，其水稳定性严重下降，饱水拉伸强度仅为设计的50%，抗疲劳性能下降至20%，离析程度越严重的，路用性能受到的影响越大^{[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8]}。

工业CT技术的快速发展与应用，已经让人们认识到，沥青路面细观结构的体积特性对沥青路面有很大的影响^{[9, 10, 11, 12, 13]}。基于工业CT技术的沥青混合料集料、沥青胶浆、孔隙三组分空间分布特性研究显示，粗集料颗粒空间分布形态、嵌挤状态、沥青胶浆、孔隙的体积形态和空间分布均匀程度等，均显著影响高温性能、耐久性、疲劳性能等。

沥青路面施工质量均匀性主要体现在某一点的竖向(厚度)质量变化和路面施工进程中各阶段间的差异。本文主要采用工业CT技术，以沥青路面细观结构为切入点，通过对沥青路面芯样的细观结构体积特性的分析，尝试获取更丰富、更详细的结构质量信息，并建立更准确的沥青路面质量评价体系。 1 X射线断层扫描系统和图像识别技术 1.1 X射线断层扫描系统

X射线 CT是借助计算机将X 射线断层扫描装置的断面再现出来的一种全新的X射线成像技术，可以无损地检测非透明物体的组成结构。计算机断层扫描系统一般包括X射线源，放置试件的旋转台和探测器^[14]。CT断层扫描系统如图 1所示，CT产品性能指标如表 1所示。本论文采用225 kV工业CT，并采用工件旋转的扫描方式和锥束重建算法，代表了目前较高的工业水平。

图 1 典型的工业CT扫描系统 Fig. 1 Typical industrial CT scanning system

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在研究CT图像时，主要关注物体内各部分密度间的差异，因此采用CT数表示密度的相对值。物质的CT数越高相当于密度越高，其中，空气的CT数为-1000 HU，水的CT数为0 HU。以此类推，在CT图像中，集料的CT数最大，沥青胶浆的CT数次之，孔隙的CT数最小。CT数与灰度值呈正相关，即CT数越大，灰度值越高。 1.2 CT图像颗粒识别技术

大量试验证明，普通AC类沥青混凝土试件和实际路面芯样的CT图像一般都呈现从中心到边缘灰度值逐渐增大的现象(中心暗，边缘亮)，没有明显双峰，且随着集料本身成分非均匀性情况的加重以及CT扫描质量不高等原因，所获得图像亮度不一致的问题也将更加突出。图 2为路面芯样的CT扫描断面图和灰度直方图。

图 2 路面芯样的CT扫描断面图及直方图 Fig. 2 Cross-section scanning image and histogram of road pavement core specimens

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为解决这一技术难题，针对路面芯样CT扫描沥青混合料试件图像的特点，本文采用文献^[15]中的图像识别方法。该方法的主要技术特点是采用了环状分区，很好地解决了上述问题。图 3为图像识别的分块示意图和识别效果图。限于篇幅，不再赘述，详细内容见文献^[15]。

图 3 图像识别过程 Fig. 3 Image identification process

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在沥青混合料均匀性研究中，细集料由于颗粒细小、数量众多，基本不存在离析问题，而粗集料的分布状态对于沥青混合料的均匀性则有重要影响，因为混合料中其他组成的分布状态都是由它决定的。文献^[16]指出，通过对试件截面的扫描(如圆环扫描、横纵向扫描、扇形扫描、矩形扫描等)所获取的信息可以评价沥青混合料内部的颗粒分布规律、颗粒密实程度、压实过程中的运动规律等特征。

考虑到通过CT扫描方法获得的是圆形截面，采用扇形扫描较为合适。

以试件截面x轴正向为起点，以圆心为转轴，沿顺时针方向扫描角度θ，得到一系列扇形断面。将扫描断面内累计粗集料颗粒面积之和与扇形面积的比值定义为颗粒面积比，分别计算每次扫描区域内的颗粒面积比，通过对颗粒面积比的统计分析来评价沥青混合料集料分布的均匀性(图 4)。

图 4 扇形扫描过程 Fig. 4 Sector scanning process

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关于扫描角度θ，若θ太大，则反映不出同一截面内局部区域颗粒面积比的变化情况；若θ太小，则得到的颗粒面积比变化范围会很大，不利于数据分析。结合试验和相关研究成果，确定扇形扫描面积以最大颗粒面积的2倍为宜。本研究中，分析计算后得到扫描角度θ为15°，每个截面被划分为24个区域。 2.2 集料分布均匀性评价指标

理想的均匀沥青路面结构应呈现粗集料颗粒在空间范围内(水平面内和竖向平面内)均匀分布，一方面颗粒数量不能太多也不能太少，应与设计相一致，另一方面还应要求不同粒径的颗粒在水平方向或竖直方向内的空间方位均匀分布，不能聚堆。

考虑到路面芯样是圆柱体试件，可以分析多个切片图像内粗集料颗粒的分布，以此替代路面结构的集料分布均匀性。根据以往研究^[17]，选取40张切片可以代表分析结果。

基于此，本文定义采用颗粒面积比作为图像内粗集料空间分布状态的评价参数，采用切片图像颗粒面积比和颗粒不均匀分布系数来评价平面内粗集料分布的均匀程度，采用试件颗粒竖向分布变异系数来评价路面在该位置的竖向结构离析。

颗粒面积比指扇形面积内颗粒面积所占的比例(图 5)：

图 5 颗粒面积比示意图 Fig. 5 Schematic diagram of particle area ratio

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切面内颗粒的不均匀分布系数(简称不均匀分布系数)是指粗集料颗粒在扫描区域内相对中心均匀分布或离散的程度。

试件颗粒竖向分布变异系数(简称竖向变异系数)是指同一个试件(或芯样)的竖向所有切面(40个)间粗集料颗粒面积比指标的变化，反映粗集料颗粒沿竖向均匀分布或离散的程度，用以评价路面在该位置的竖向结构离析。

对于一幅图像，主要关注各扫描扇形颗粒面积比结果的变异性，即均匀分布情况。对于路面芯样图像而言，是指各切片图像的颗粒面积比平均值之间的变异情况。理想的情况应该是在每个切面图像内颗粒变异性较小，各切面图像的颗粒面积比平均值之间变化也较小。

3 均匀性评价和应用

应用对象为道贺高速公路某标中面层AC-20C(表 2)，沥青为路翔SBS改性沥青，集料为石灰岩，最佳油石比为4.1%。在道贺高速公路沥青路面K23+860—K51+778(右幅)路段，选择了5个有代表性的位置钻芯取样，具体桩号见表 3。将芯样首先进行密度测定，风干之后进行CT扫描，获取三维图像并采用相关数字图像处理技术。以各试件的数字图像为对象，采用粗集料均匀性分析方法进行分析。

由于级配离析和压实离析等因素的存在，各芯样将会有不同的均匀性表现。

图 6为不均匀性系数与试件深度的关系，表 4为试件不均匀系数的均值。从图 6和表 4可以看出，各试件内部结构的竖向分析显示粗集料颗粒在芯样中间部分的均匀性要明显好于两端，特别是试件3和试件4，中间段全波动幅度相对较小，曲线舒缓。试件1、试件4、试件5两端的均匀性较差。究其原因，一方面摊铺机布料期间粗集料颗粒通过布料仓的前挡板间隙，先滚落到地面，做成层间位置的级配离析；另一方面由于中面层结构较厚，摊铺速度相对较快，导致螺旋布料器转速偏快，粗集料颗粒被叶片边缘抛起的效应突出，布料仓表层粗集料分布不均匀问题加重。而试件2的表现为一端均匀性好，另一端均匀性差，并且不均匀系数的均值偏大。一方面是施工期间造成的级配离析；另一方面是整体压实不足，从而导致不均匀系数的均值偏大。显然，沥青混合料均匀性的好坏可以通过截面颗粒不均匀性系数来反映。此外，表 4显示了芯样整体质量情况，芯样2最差，若剔除芯样两端由于施工工艺带来的质量离析，则芯样3、芯样4的质量均匀性最好。

图 6 不均匀性系数与试件深度的关系 Fig. 6 Non-uniform indicator vs. depth of specimen

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仅通过上述芯样的不均匀系数分布图还无法量 化评价芯样的竖向离析程度。经过式(3)计算可以 得到试件的变异系数% 用来描述试件的竖向离析 情况。

表 5为试件的竖向变异系数，图 7为试件与竖向变异系数的关系。 表 5和图 7显示，试件1的整体竖向离析较少，而试件2的竖向离析较为明显。表 5显示各芯样的切面颗粒面积比均值都比较接近，说明从试件整体上来看混合料级配的颗粒组成近似一致，但是切面间颗粒面积比均方差的差异性比较大，这说明混合料级配组成在竖向的空间分布情况差别较大。结合前面颗粒面积比的分析结果可见，粗集料颗粒的这种空间分布状态的波动，主要是由集料颗粒施工离析导致的。竖向(厚度)均匀性比较显示，5个位置施工质量的排序为：试件1>试件4>试件3>试件5>试件2。

图 7 试件与竖向变异系数的关系 Fig. 7 Vertical variation coefficient vs. specimen

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针对现阶段沥青路面施工质量均匀性控制模式表现为数据结果的宏观性、评价指标的单一性等问题，以沥青路面细观结构为切入点，结合工业CT技术，对沥青路面芯样的细观结构体积特性进行了分析，主要结论如下：

(1)采用切片图像颗粒面积比和粗集料不均匀系数来评价平面内粗集料分布的均匀程度。竖向分布曲线显示不同质量状态下的芯样受施工工艺的制约，大部分芯样内部质量均匀性呈现中间部分的均匀性优于两端的规律。

(2)为了比较不同芯样间的质量差异，采用试件颗粒竖向分布变异系数来量化评价路面在该位置的竖向结构离析程度，得出试件1的竖向均匀性较好，而试件2的竖向离析比较明显。

本文尝试从细观结构描述沥青路面质量状态，并分析其施工均匀性。虽然仅从粗集料体积指标开展了沥青路面细观结构均匀性的分析，但初步研究成果表明，该方法相对于传统压实度测试法，仍能为沥青路面施工质量控制提供丰富的数据信息，而且也可为相关工程提供借鉴。