CN102505623A - 基于渗透性的沥青路面预防性养护时机的超声波检定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于渗透性的沥青路面预防性养护时机的超声波检定方法，包括1)建立室内沥青混合料损伤-渗透性模型，步骤：a)取试件进行不同程度的单轴压缩和劈裂试验，得到不同类型和不同大小的损伤；b)对试件损伤前后分别进行动模量测试，得到以动模量表达的损伤D；c)对试件损伤前后分别进行超声波测试，得到以超声波变化表征的损伤D_u，并建立D_u与D的关系；同时通过对不同高度试件进行试验，对D_u进行尺寸修正；d)建立基于超声波的损伤-渗透性模型；e)得出预防性养护的沥青混合料损伤阈值，给出该阈值对应的超声波波速阈值。2)沥青路面预防性养护时机的检定。本发明能够提前对路面做出准确预防，延缓路面病害发展，延长道路使用寿命，节省费用。

Description

基于渗透性的沥青路面预防性养护时机的超声波检定方法

技术领域

本发明属于交通运输领域，尤其是一种基于渗透性的沥青路面预防性养护时机的超声波检定方法。

背景技术

目前路面预防性养护是一种养护理念，核心思想是在路面未出现病害甚至良好状态时就进行主动性养护，从而延缓路面病害发展过程，推迟养护中、大修或改建重建时间，延长道路使用寿命，节省养护费用。在预防性养护中，养护时机的确定是关键。目前，确定沥青路面预防性养护时机所依据的技术指标主要是沥青老化程度、路面渗透性、路面行车安全性能(主要包括抗滑性能与车辙程度)及路面破损情况等。其中路面渗水性能是最重要的指标，因为大多数路面病害是由水直接或间接引起的。水的存在促进了路面裂缝等其它病害的发展，反过来其它病害的发展也会加剧路面的渗透性。路面渗透性与路面损伤程度有着显著的对应关系，但现有对沥青路面预防性养护时机的研究均未给出渗透性的定量标准。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种基于渗透性的沥青路面预防性养护时机的超声波检定方法，该方法采用建立沥青混合料损伤-渗透性模型，建立沥青混合料损伤-超声波波速关系，以及建立沥青混合料渗透性-超声波波速关系，给出渗透性的定量标准，能够提前对路面做出准确的预防，进行主动性养护，从而延缓路面病害发展过程，推迟养护中、大修或改建重建时间，延长道路使用寿命，节省养护费用。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于渗透性的沥青路面预防性养护时机的超声波检定方法，步骤如下：

1)建立室内沥青混合料损伤-渗透性模型，提取与路面材料相同的沥青混合料在室内进行试验，并对试验数据进行分析处理，步骤如下：

a).提取试件分别进行不同程度的单轴压缩和劈裂试验，得到不同类型和不同大小的损伤；单轴压缩试验得到的损伤为剪切型损伤，能够模拟路面龟裂；劈裂试验得到的是拉裂型损伤，能够模拟温度裂缝、不均匀沉降裂缝、反射裂缝的路面病害；

b).对试件损伤前后分别进行动模量测试，得到以动模量表达的损伤D；

c).对试件损伤前后分别进行超声波测试，得到以超声波变化表征的损伤D_u，并建立D_u与D的关系；同时通过对不同高度试件进行试验，对D_u进行尺寸修正；

d).对不同程度剪切型和拉裂型损伤试件分别进行渗透试验，得到不同损伤对应的渗透系数，建立基于超声波的损伤-渗透性模型；

e).通过对剪切型和拉裂型两种损伤-渗透性模型进行分析，提出不同破坏形式下沥青路面需要预防性养护的沥青混合料损伤阈值，并进一步给出该阈值对应的超声波波速阈值。

2)沥青路面预防性养护时机的检定，

在道路不同运营期，在出现破坏征兆处钻取芯样，并进行超声波波速测试，并与室内试验得到的超声波波速阈值进行比较，若小于阈值则需进行预防性养护。

所述步骤1)中b)中的损伤D为：

式中：|E^*|为损伤前动模量；

为损伤后动模量。

所述步骤1)中c)中的损伤D_u为：

V为一维杆中纵波的传播速度，E为弹性模量；ρ为试件密度；

为损伤后材料的超声波速度，忽略密度变化，

为损伤后的模量。

所述D_u与D的关系为：D_u＝f(D)。

所述步骤1)中d)中的基于超声波的损伤-渗透性模型为：k＝g(D)或k＝F(D_u)；k为渗透系数。

所述步骤2)中的与室内试验得到的超声波波速阈值进行比较，在路面龟裂处，需用由剪切型损伤-渗透性模型得到的超声波波速阈值；在路面横缝、纵缝和反射裂缝处，需用由拉裂型损伤-渗透性模型得到的超声波波速阈值。

本发明的原理：

(1)沥青混合料损伤的动模量表达。

沥青路面的破坏可以用材料的内部损伤来刻画。损伤是与材料内部微观结构组织的改变相关联的，是物质内部结构的不可逆变化过程，损伤演变与塑性变形一样都会造成材料的不可逆能量耗散。用损伤力学理论分析材料破坏时，首先要选择恰当的损伤变量来描述材料的损伤状态。损伤变量表明了材料的损伤累积，表征了材料中所有微观缺陷演化的统计行为。故理想的损伤变量定义应该和微观缺陷的演化行为建立统计上的关系，这样有利于搞清材料内部结构演化的微观机理和材料特性之间的联系。根据Rabotnov经典损伤力学观点，假设材料内某单元体的表观面积为A，损伤形成的面积为A^*，有效面积为

，则损伤变量D为：

$D=\frac{A^{*}}{A}=\frac{A-\tilde{A}}{A}---\left(1\right)$

损伤发展是细观结构缺陷(如微裂纹、微孔隙等)萌生、扩展，最终汇合贯通的过程。当材料处于无损伤状态时，D＝0；当材料处于完全损伤状态时，D＝1；当材料处于不同程度的损伤状态时，0＜D＜1。

损伤常用弹性模量的降低来表示，即：

$D=1-\frac{\tilde{E}}{E}---\left(2\right)$

式中：E为损伤前的模量；

为损伤后的模量。

在交通荷载作用下，路面实际受到一个反复动态加载-卸载的过程，所以用沥青混合料动模量的变化来表达其损伤更能反映其物理本质，即：

$D=1-\frac{\left|{\tilde{E}}^{*}\right|}{\left|E^{*}\right|}---\left(3\right)$

式中：|E^*|为损伤前动模量；

为损伤后动模量。

(2)损伤的超声波测试原理。

由波动理论知，一维杆中纵波的传播速度为：

$V=\sqrt{\frac{E}{\mathrm{\ρ}}}---\left(4\right)$

式中：E为弹性模量；ρ为密度。

由式(4)可得：

E＝ρV²                                    (5)

假设损伤后材料密度变化可以忽略，其弹性模量为：

$\tilde{E}=\mathrm{\ρ}{\tilde{V}}^2---\left(6\right)$

式中：

为损伤后材料的超声波速度。

由式(2)、(5)和(6)可得由波速表征的损伤因子：

$D_u=1-\frac{{\tilde{V}}^2}{V^2}---\left(7\right)$

由式(7)知，可用超声波波速的变化来表征沥青路面损伤。通过测试损伤前后沥青混合料芯样的超声波波速，由式(7)即可得到由超声波波速表征的损伤因子D_u。但式(7)是由一维情形得到的，而沥青混合料芯样是有一定尺寸的，所以与一维情形有区别，这使得损伤D_u与式(2)或式(3)所示的损伤D有差别。但是他们之间存在某种确定联系，即：

D_u＝f(D)                                        (8)

上述关系式与芯样尺寸有关。

式(8)提供了一种简便的损伤测试方法，该式的建立可避免测试每一个芯样动模量的复杂过程，而通过测试超声波波速直接由D_u得到D。

(3)损伤-渗透性模型与预防性养护时机的检定。

沥青路面损伤与其材料内部总空隙(含贯通空隙与非贯通空隙)有关，而渗透性仅与贯通空隙有关。但在损伤形式相同的情况下，损伤与渗透性存在必然的联系，即：

k＝g(D)                                                (9)

式中：k为渗透系数。

由式(8)和式(9)可得用超声波表达的渗透系数：

k＝F(D_u)                                            (10)

式(9)和式(10)建立了损伤-渗透性模型，可以通过该模型提出基于渗透性的沥青路面预防性养护时机的检定方法。

本发明采用建立沥青混合料损伤-渗透性模型，建立沥青混合料损伤-超声波波速关系，以及建立沥青混合料渗透性-超声波波速关系，给出渗透性的定量标准，能够提前对路面做出准确的预防，行主动性养护，从而延缓路面病害发展过程，推迟养护中、大修或改建重建时间，延长道路使用寿命，节省养护费用。

附图说明

图1是本发明实施例中剪切型损伤-渗透性曲线图；

图2是本发明实施中拉裂型损伤-渗透性曲线图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

以荣乌高速新河-辛庄子段为例，SMA面层预防性养护时机的检定采用了本发明提出的方法。

通过单轴压缩和劈裂试验，得到了不同类型和不同大小损伤的试件。利用SPT(SimplePerformance Test)试验仪对SMA沥青混合料试件损伤前后的动态模量进行了测试；利用超声波测试仪对沥青混合料试件损伤前后的超声波波速进行了测试；利用ASTM无测向渗水仪对沥青混合料损伤前后的渗透系数进行了测试。

对所试验的SMA沥青混合料，由试验发现，由动模量表达的损伤因子D与由超声波波速表征的损伤因子D_u符合如下关系：

$D=4.435D_u^{1.564}---\left(11\right)$

上式中D_u与D是对标准试件(直径100mm、高150mm)进行试验得到的。但实际路面上面层的设计厚度仅为40mm，所以芯样试件不可能大于40mm，需要对D_u进行如下的试件尺寸修正：

通过试验发现，标准试件与非标准试件超声波的经验关系如下式所示：

$V_{150}=V/[1+0.225{(\frac{h}{150}-1)}^2]---\left(12\right)$

式中：V₁₅₀和V分别为标准试件和非标准试件的波速；h为非标准试件的高度，mm。

对标准试件，式(7)还可写为：

$D_u=1-\frac{{\tilde{V}}_{150}^2}{{\stackrel{\‾}{V}}_{150}^2}---\left(13\right)$

式中：和

分别为标准试件损伤前和损伤后的波速。

由式(12)和(13)可得：

$D_u=1-\frac{{\tilde{V}}^2{[1+0.225(\frac{\stackrel{\‾}{h}}{150}-1)]}^2}{{\stackrel{\‾}{V}}^2{[1+0.225{(\frac{\tilde{h}}{150}-1)}^2]}^2}---\left(14\right)$

式中：

和分别为通车前和通车一定时间后芯样的高度，mm；

和

分别为通车前和通车一定时间后材料的波速。

若

式(14)可简化为：

$D_u=1-\frac{{\tilde{V}}^2}{{\stackrel{\‾}{V}}^2}---\left(15\right)$

(1)路面剪切型损伤区预防性养护时机的检定。

基于D与D_u表达的剪切型损伤-渗透性模型分别如式(16)和(17)所示：

k＝6.059-41.213D+92.207D²                            (16)

$k=6.059+182.780D_u^{1.564}+1813.640D_u^{3.128}---\left(17\right)$

由式(16)可画出剪切型损伤-渗透性曲线，如图1所示。

由图1可见，损伤-渗透性曲线上存在一临界损伤值D＝0.22，当D＞0.22后，沥青混合料的渗透性快速增加，此时水很容易进入路面，加快路面破坏过程。为了维护路面的良好使用性能，可以以这一临界损伤值作为沥青路面龟裂等剪切损伤区预防性养护时机的检定依据。由式(11)知D＝0.22对应的D_u＝0.147。已知通车前的超声波波速

及通车前所测芯样高度

和通车后所测芯样高度，即可由式(14)得到D_u＝0.147对应的超声波波速的预防性养护时机检定阈值。

(2)路面拉裂型破损区预防性养护时机的检定。

拉裂型损伤-渗透性模型如式(18)所示：

$k=2.94+\frac{0.00593}{{(D_u-0.310)}^2+0.000745}---\left(18\right)$

相应的损伤-渗透性曲线如图2所示。

可见，当D_u＜0.2时，渗透系数变化很小；当D_u＝0.2，渗透系数开始较快速增加，说明此时裂隙开始快速扩展；当D_u＝0.27时，k将开始随D_u快速增加，说明此时裂隙的贯通开始加速。在沥青路面拉裂区，可取D_u＝0.27作为预防性养护时机的损伤阈值。已知通车前的超声波波速

及通车前所测芯样高度

和通车后所测芯样高度

，可由式(14)得到D_u＝0.27对应的超声波波速

的预防性养护时机检定阈值。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (4)

1.一种基于渗透性的沥青路面预防性养护时机的超声波检定方法，其特征是，步骤如下：

1)建立室内沥青混合料损伤-渗透性模型，提取与路面材料相同的沥青混合料在室内进行试验，并对试验数据进行分析处理，步骤如下：

a).提取试件分别进行不同程度的单轴压缩和劈裂试验，得到不同类型和不同大小的损伤；单轴压缩试验得到的损伤为剪切型损伤，能够模拟路面龟裂；劈裂试验得到的是拉裂型损伤，能够模拟温度裂缝、不均匀沉降裂缝、反射裂缝路面病害；

b).对试件损伤前后分别进行动模量测试，得到以动模量表达的损伤D；

c).对试件损伤前后分别进行超声波测试，得到以超声波变化表征的损伤D_u，并建立D_u与D的关系；同时通过对不同高度试件进行试验，对D_u进行尺寸修正；

d).对不同程度剪切型和拉裂型损伤试件分别进行渗透试验，得到不同损伤对应的渗透系数，建立基于超声波的损伤-渗透性模型；

e).通过对剪切型和拉裂型两种损伤-渗透性模型进行分析，提出不同破坏形式下沥青路面需要预防性养护的沥青混合料损伤阈值，并进一步给出该阈值对应的超声波波速阈值。

2)沥青路面预防性养护时机的检定，

在道路不同运营期，在出现破坏征兆处钻取芯样，并进行超声波波速测试，并与室内试验得到的超声波波速阈值进行比较，若小于阈值则需进行预防性养护。

2.如权利要求1所述的基于渗透性的沥青路面预防性养护时机的超声波检定方法，其特征是，所述步骤1)中b)中的损伤D为：式中：|E^*|为损伤前动模量；为损伤后动模量。

3.如权利要求1所述的基于渗透性的沥青路面预防性养护时机的超声波检定方法，其特征是，所述步骤1)中c)中的损伤D_u为：

V为一维杆中纵波的传播速度，

E为弹性模量；ρ为试件密度；

为损伤后材料的超声波速度，忽略密度变化，

为损伤后的模量。

4.如权利要求1所述的基于渗透性的沥青路面预防性养护时机的超声波检定方法，其特征是，所述步骤2)中的与室内试验得到的超声波波速阈值进行比较，在路面龟裂处，需用由剪切型损伤-渗透性模型得到的超声波波速阈值；在路面横缝、纵缝和反射裂缝处，需用由拉裂型损伤-渗透性模型得到的超声波波速阈值。

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