CN110361427A - 一种基于介电特性的沥青混合料级配评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于介电特性的沥青混合料级配评价方法，该方法包括：步骤1、获取设计沥青混合料级配各筛孔粒径通过百分比，计算设计级配对应的分形维数；步骤2、测量设计级配沥青混合料的介电常数；步骤3、测量所用沥青的介电常数；步骤4、根据介电常数模型确定矿料的介电常数；步骤5、确定位置处沥青混合料的实际介电常数，求解空隙率和实际矿料间隙率；步骤6、根据三维空隙模型，将实际矿料间隙率带入确定相应级配的分形维数；步骤7、确定最大、最小分形维数的区间范围，比较测试沥青混合料的级配分维数，判断其是否在该区间范围内。本发明可快速评价现场沥青混合料的级配与设计级配的差异，进而能研究沥青路面级配与路用性能的关系。

Description

一种基于介电特性的沥青混合料级配评价方法

技术领域

本发明涉及道路工程领域，尤其涉及一种基于介电特性的沥青混合料级配评价方法。

背景技术

我国沥青路面早期病害较为严重，主要原因除了路面复杂的服役环境以及超载严重外，还与沥青路面施工质量密切相关。由于施工质量不佳，出现如压实度不均、级配离析等情况会造成沥青路面提前进入了中修甚至是大修工程，这不仅影响了公路的正常运营，降低了交通运输的收益；也造成了路面服役性能下降，交通事故率上升等不良影响。而其中主要原因是路面施工沥青混合料级配与设计级配并不一致，或产生的差异超过规范级配上下限。沥青路面级配差异是施工中重点控制的工序之一，保证级配差异在可供范围内即保证沥青路面施工质量与服役性能。因此，有必要提出一种快速、全面的评价沥青混合料级配技术。

在施工阶段沥青混合料检测中，级配检验仅仅检测拌合站中的沥青混合料级配，对于现场摊铺中的沥青混合料级配并未进行检测，因此实际并未检测路面摊铺后沥青混合料级配与设计级配的差异；而传统取芯检测级配仅仅只能对部分路段进行检测，无法检测路面全幅的级配差异。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中沥青路面级配差异评价技术不全面的缺陷，提供一种基于介电特性的沥青混合料级配评价方法，，为今后保证沥青路面施工质量提供基础，同时也为探地雷达全面检测沥青路面级配差异提供相应的参考。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种基于介电特性的沥青混合料级配评价方法，该方法包括以下步骤：

步骤1、获取设计沥青混合料级配各筛孔粒径通过百分比，并计算得到设计级配对应的分形维数；

步骤2、测量设计级配沥青混合料的介电常数；

步骤3、测量所用沥青的介电常数；

步骤4、根据介电常数模型确定矿料的介电常数；

步骤5、检测施工摊铺后确定位置处沥青混合料的实际介电常数，假定实际路面沥青体积不发生改变，求解空隙率，并得到实际矿料间隙率；

步骤6、根据三维空隙模型，将实际矿料间隙率带入确定相应级配的分形维数；

步骤7、查找对应设计级配规范中的上、下限级配，确定最大、最小分形维数的区间范围，比较测试沥青混合料的级配分维数，判断其是否在该区间范围内。

进一步地，本发明的步骤1中计算分形维数的方法为：

拟合公式并得到设计级配对应的分形维数D：

其中，P(r)为对应筛孔孔径的通过百分率，r为筛孔尺寸，r_max为筛孔最大尺寸，M(≤r)为粒径小于对应筛孔孔径的集料质量，M₀为集料总质量。

进一步地，本发明的步骤2中测量设计级配沥青混合料的介电常数ε_m的方法为：

根据设计级配制作三个沥青混合料试件；

以设计级配和空隙率为标准，采用旋转压实成型得到圆柱体沥青混合料试件，钻芯切割，得到圆柱体待测试件；

采用介电常数仪Percometer检测待测试件介电常数，选择圆型探头并选择对应的测量模式对Percometer仪器进行标定，标定结束后，再将Percometer打开预热一定时间；

将探头举起放置在待测试件上方位置，若Percometer的示数为1.0，则Percometer正常工作，若示数不为1.0，则再次进行标定；

对待测试件上下圆形面的上下左右和中部进行多次测量，测量完毕记录介电常数值以及测量温度，取测量值的均值作为设计级配沥青混合料介电常数值ε_m。

进一步地，本发明的步骤3中测量所用沥青的介电常数ε_b的方法为：

取沥青若干，放置于烘箱中加热一定时间，保证沥青处于流动状态，取直径15mm的玻璃器皿周围四壁抹滑石粉，导入沥青，放置室温直至冷却为固体，取出沥青试件，采用该方法制作三个沥青样品进行测量；

采用高温介电常数平台检测沥青介电常数，选择测量探头并选择对应的测量模式对Percometer仪器进行标定，测量三个沥青样品的介电常数，取平均值作为沥青介电常数。

进一步地，本发明的步骤4中的介电常数模型为：

根据介电常数模型确定矿料的介电常数ε_s：

其中，ε_m为沥青混合料介电常数，ε_s为矿料介电常数，ε_b为矿料介电常数，f_a为矿料体积占比，f_b为沥青体积占比。

进一步地，本发明的步骤6中确定相应级配的分形维数的方法为：

根据三维空隙模型将实际矿料间隙率ψ带入确定相应级配的分形维数D’；其公式为：

其中，L为沥青混合料马歇尔试件等效立方体边长；r_max为最大空隙直径，r_min为最小空隙直径；r_max＝0.22D₁；r_min＝0.22D_n；D₁是第一档集料的公称最大粒径，Dn是最后一档集料的公称最大粒径。

进一步地，本发明的步骤7中的方法为：

查找对应设计级配规范中的上、下限级配，确定最大、最小分形维数的区间范围(D_max，D_min)，比较测试沥青混合料的级配分维数，判断其是否在该区间范围内；

其公式为：

其中，r_max为最大空隙直径，r_min为最小空隙直径，lnP(r_上)，r_上，lnP(r_下)，r_下P(r)为对应筛孔孔径的通过百分率，r_上为上限级配对应筛孔尺寸，r_下为下限级配对应筛孔尺寸。

本发明产生的有益效果是：本发明的基于介电特性的沥青混合料级配评价方法，该评价方法需要收集设计阶段的参数，实际施工只需检测现场摊铺沥青混合料介电常数即可反算实际级配对应分形维数，在矿料和沥青不发生改变的情况下，可以快速评价现场沥青混合料的级配与设计级配的差异，现场取拌合站沥青混合料检测级配无法确定实际摊铺的情况，且消耗大量人力物力。本测量方法采用理论推导，利用Percometer仪器无损测量沥青混合料介电常数，代入公式反算得到沥青混合料级配，相较在拌合站取样检测，本方法可以在测得路面实际级配后进一步研究沥青路面级配与路用性能的关系，为探地雷达实现路面全幅级配检测提供相应的基础。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的方法流程图；

图2是本发明实施例的高温测试平台示意图；

图3是本发明实施例的Percometer仪器示意图；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例中的基于介电特性的沥青混合料级配评价方法，包括以下步骤：

1)获取设计沥青混合料级配各筛孔粒径通过百分比，拟合公式并得到设计级配对应的分形维数D：

式中：P(r)为对应筛孔孔径的通过百分率，r为筛孔尺寸，r_max为筛孔最大尺寸。

2)测量设计级配沥青混合料的介电常数ε_m

根据设计级配制作三个沥青混合料试件，根据以下方案测量介电常数

以设计级配和空隙率(沥青混合料设计阶段的已知参数)为标准，采用旋转压实成型高170mm×直径150mm的圆柱体沥青混合料试件，钻芯切割，得高150mm×直径100mm的圆柱体待测试件；

采用介电常数仪Percometer检测试件介电常数，选择圆型探头并选择对应的测量模式对Percometer仪器进行标定，标定结束后，再将Percometer打开预热1-2分钟；

探头举起放置在待测试件上方5-10cm的位置处，若Percometer的示数E为1.0，则Percometer正常工作，若示数不为1.0，则再次进行标定；

对待测试件上下圆形面的上下左右和中部进行5次测量，测量完毕记录介电常数值以及测量温度，取测量值的均值作为设计级配沥青混合料介电常数值ε_m；

3)测量所用沥青的介电常数ε_b：

取沥青若干，放置于170℃烘箱中加热2.5h，保证沥青处于流动状态，取直径15mm的玻璃器皿周围四壁抹滑石粉，导入沥青，放置室温直至冷却为固体，取出沥青试件，采用该方法制作三个沥青样品进行测量。

采用高温介电常数平台检测沥青介电常数，选择测量上限较小的探头并选择对应的测量模式对Percometer仪器进行标定，测量三个沥青样品的介电常数，取平均值作为沥青介电常数。

4)根据介电常数模型确定矿料的介电常数ε_s：

式中：ε_m为沥青混合料介电常数，ε_s为矿料介电常数，ε_b为矿料介电常数，f_a为矿料体积占比，f_b为沥青体积占比。

5)检测施工摊铺后确定位置处沥青混合料的实际介电常数ε。假定实际路面沥青体积不发生改变，求解空隙率，并得到实际矿料间隙率ψ。

6)根据三维空隙模型将实际矿料间隙率ψ带入确定相应级配的分形维数D’。

式中：L为沥青混合料马歇尔试件等效立方体边长。标准马歇尔试件为Φ101.6mm×63.5mm，根据体积等效原理确定L；r_max为最大空隙直径，r_min为最小空隙直径。

r_max＝0.22D₁

r_min＝0.22D_n

式中：D₁是第一档集料的公称最大粒径，Dn是最后一档集料的公称最大粒径。

7)查找对应设计级配规范中的上、下限级配，确定最大、最小分形维数D_max、D_min，比较测试沥青混合料的级配分维数是否在D_min―D_max。

在本发明的另一个具体实施例中：

本发明的方法采用理论推导，利用Percometer仪器无损测量沥青混合料介电常数，代入公式反算得到沥青混合料级配，相较在拌合站取样检测，本方法可以在测得路面实际级配后进一步研究沥青路面级配与路用性能的关系，为探地雷达实现路面全幅级配检测提供相应的基础。该方法主要包括以下步骤：

本发明实施例的基于介电常数的沥青混合料级配评价方法，通过公式推导，建立沥青混合料分形维数与介电常数模型，记录设计级配对应的矿料间隙率并检测沥青及矿料介电常数，采用Percometer按步骤对不同级配的沥青混合料进行测量，将测量的沥青混合料介电常数带入模型中求解级配对应的分形维数，比较测量级配分形维数与规范级配上下限的分行维数，评价级配的差异性。

1.收集施工中沥青混合料的设计级配与油石比，获取沥青混合料最大理论相对密度、标准相对密度(均为设计资料)、沥青密度和沥青含量。本次检测针对的是湖北武汉某道路施工项目，设计级配为AC-13，所用沥青为SBS改性沥青。对于AC-13设计级配：最大理论相对密度G_mm为2.654，沥青混合料的毛体积相对密度G₀为2.546，沥青含量P_b为5.48％，沥青体积为8.16％，沥青密度为1.038(g/cm³)。设计级配各筛孔的通过百分率如表1，根据公式拟合ln(r/r_max)与ln P(r)，求解设计级配的分形维数D为2.4513。

表1

2.制备设计级配沥青混合料试件，以设计标准级配与油石比为标准，采用旋转压实成型设计空隙率为4.0％(AC-13)的高170mm×直径100mm的圆柱体试件。集料和沥青均采用现场实际材料，沥青为湖北国创高新材料股份有限公司生产的SBS改性沥青，集料为是湖北省某石料厂生产的玄武岩，矿粉由石灰岩磨制而成。对成型试件采用钻芯与切割处理，得高150mm×直径100mm的圆柱体试件。

3.测量沥青的介电常数值，制作3个沥青试件，采用高温介电常数平台测量沥青试件介电常数，每个试件正反各测一次，测量结果取6个测量值的平均值作为此种沥青的介电常数值，本次SBS改性沥青的介电常数ε_b为4.0；

4.测量设计级配沥青混合料试件介电常数，选择直径为60mm的探头SF169与PM主机连接，根据探头型号选择测量模式，此时显示屏左上方上显示H169C即是设置正确；而后对Percometer进行标定，将探头置于空气中进行测量，屏幕显示E为1.0，标定成功；接着打开仪器预热1-2分钟之后即可开始测量。将探头垂直放在沥青混合料试件上方，使探头置于沥青混合料顶面，分别在沥青混合料试件圆面上、下、左、右、中五个方位进行测量，然后将沥青混合料试件倒转按上述步骤再次测量，取10次测量平的均值为沥青混合料试件的介电常数。按照同样的步骤对所有沥青混合料试件进行测量。标准级配沥青混合料试件AC-13对应介电常数为9.677。

5.根据介电常数模型确定矿料介电常数ε_s，通过标准级配沥青混合料介电常数ε_m计算矿料的介电常数ε_s；标准级配沥青混合料AC-13中矿料介电常数的计算值为12.963。

6.制备不同级配的沥青混合料试件，试验采用旋转压实成型试件，集料和沥青均采用项目实际材料。级配为现场拌合站检测的级配，如表2所示，以不同压实次数和质量成型高170mm×直径100mm的圆柱体试件。对成型试件进行钻芯与切割处理，得高150mm×直径100mm的圆柱体试件。

表2

其中玄武岩AC-13按照标准级配的压实次数分别成型2个试件，分别编号AC-13-1、AC-13-2；AC-13-3、AC-13-4，同时保证压实次数与设计级配沥青混合料压实次数一致。

7.测量不同级配沥青混合料试件介电常数，选择直径为60mm的探头SF169与PM主机连接，根据探头型号选择测量模式，此时显示屏左上方上显示H169C即是设置正确；而后对Percometer进行标定，将探头置于空气中进行测量，屏幕显示E为1.0，标定成功；接着打开仪器预热1-2分钟之后即可开始测量。将探头垂直放在沥青混合料试件上方，使探头置于沥青混合料圆面内，待数据稳定后进行记录；分别在沥青混合料试件圆面上、下、左、右、中五个方位进行测量，然后将沥青混合料试件倒转按上述步骤再次测量，取10次测量平的均值为沥青混合料试件的介电常数。所得介电常数值见表3所示。

表3

8.计算级配对应分形维数，假定沥青混合料试件中沥青体积与设计级配一致，根据多相介电常数复合模型确定试件对应的矿料间隙率，取两个试件矿料间隙率均值为级配对应的矿料间隙率，如表4所示。

表4

根据级配对应的矿料间隙率确定级配对应的分形维数，如表5所示。根据规范的AC-13级配上下限确定分形维数D_max、D_min，AC-13级配上下限分形维数范围为2.5521-2.3774。因此比较级配1和级配2的分形维数与标准级配可得，实际级配与设计级配有所差距，并非为设计级配，但分形维数满足上下限级配分形维数范围，满足规范的要求。

表5

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于介电特性的沥青混合料级配评价方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1、获取设计沥青混合料级配各筛孔粒径通过百分比，并计算得到设计级配对应的分形维数；

步骤2、测量设计级配沥青混合料的介电常数；

步骤3、测量所用沥青的介电常数；

步骤4、根据介电常数模型确定矿料的介电常数；

步骤5、检测施工摊铺后确定位置处沥青混合料的实际介电常数，假定实际路面沥青体积不发生改变，求解空隙率，并得到实际矿料间隙率；

步骤6、根据三维空隙模型，将实际矿料间隙率带入确定相应级配的分形维数；

步骤7、查找对应设计级配规范中的上、下限级配，确定最大、最小分形维数的区间范围，比较测试沥青混合料的级配分维数，判断其是否在该区间范围内。

2.根据权利要求1所述的基于介电特性的沥青混合料级配评价方法，其特征在于，步骤1中计算分形维数的方法为：

拟合公式并得到设计级配对应的分形维数D：

其中，P(r)为对应筛孔孔径的通过百分率，r为筛孔尺寸，r_max为筛孔最大尺寸，M为粒径小于对应筛孔孔径的集料质量，M₀为集料总质量。

3.根据权利要求1所述的基于介电特性的沥青混合料级配评价方法，其特征在于，步骤2中测量设计级配沥青混合料的介电常数ε_m的方法为：

根据设计级配制作三个沥青混合料试件；

以设计级配和空隙率为标准，采用旋转压实成型得到圆柱体沥青混合料试件，钻芯切割，得到圆柱体待测试件；

采用介电常数仪Percometer检测待测试件介电常数，选择圆型探头并选择对应的测量模式对Percometer仪器进行标定，标定结束后，再将Percometer打开预热一定时间；

将探头举起放置在待测试件上方位置，若Percometer的示数为1.0，则Percometer正常工作，若示数不为1.0，则再次进行标定；

对待测试件上下圆形面的上下左右和中部进行多次测量，测量完毕记录介电常数值以及测量温度，取测量值的均值作为设计级配沥青混合料介电常数值ε_m。

4.根据权利要求1所述的基于介电特性的沥青混合料级配评价方法，其特征在于，步骤3中测量所用沥青的介电常数ε_b的方法为：

取沥青若干，放置于烘箱中加热一定时间，保证沥青处于流动状态，取直径15mm的玻璃器皿周围四壁抹滑石粉，导入沥青，放置室温直至冷却为固体，取出沥青试件，采用该方法制作三个沥青样品进行测量；

采用高温介电常数平台检测沥青介电常数，选择测量探头并选择对应的测量模式对Percometer仪器进行标定，测量三个沥青样品的介电常数，取平均值作为沥青介电常数。

5.根据权利要求1所述的基于介电特性的沥青混合料级配评价方法，其特征在于，步骤4中的介电常数模型为：

根据介电常数模型确定矿料的介电常数ε_s：

其中，ε_m为沥青混合料介电常数，ε_s为矿料介电常数，ε_b为矿料介电常数，f_a为矿料体积占比，f_b为沥青体积占比。

6.根据权利要求1所述的基于介电特性的沥青混合料级配评价方法，其特征在于，步骤6中确定相应级配的分形维数的方法为：

根据三维空隙模型将实际矿料间隙率ψ带入确定相应级配的分形维数D’；其公式为：

其中，L为沥青混合料马歇尔试件等效立方体边长；r_max为最大空隙直径，r_min为最小空隙直径；r_max＝0.22D₁；r_min＝0.22D_n；D₁是第一档集料的公称最大粒径，Dn是最后一档集料的公称最大粒径。

7.根据权利要求6所述的基于介电特性的沥青混合料级配评价方法，其特征在于，步骤7中的方法为：

查找对应设计级配规范中的上、下限级配，确定最大、最小分形维数的区间范围(D_max，D_min)，比较测试沥青混合料的级配分维数，判断其是否在该区间范围内；

其公式为：

其中，r_max为最大空隙直径，r_min为最小空隙直径，P(r)为对应筛孔孔径的通过百分率，r_上为上限级配对应筛孔尺寸，r_下为下限级配对应筛孔尺寸。