CN111650087A - 一种半刚性基层强度无损检测方法及检测设备 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种半刚性基层强度无损检测方法及检测设备，所述半刚性基层强度无损检测方法，包括：测量得到半刚性基层的超声波速和基层材料密度；基于半刚性基层的超声波速与半刚性基层的弹性模量，以及半刚性基层的超声波速与基层材料密度的关联关系，建立以超声波速和基层材料密度为双变量耦合的强度推定规则，确定半刚性基层的强度。本发明提供的方法及设备在不破坏或损伤基层结构的前提下，能够有效检测半刚性基层的强度。
Description
技术领域
本公开涉及路面基层检测技术领域，尤其涉及一种半刚性基层强度无损检测方法及检测设备。
背景技术
半刚性基层具有强度高、刚度大、整体性和稳定性好、造价低、有利于环保等优点。根据半刚性基层中颗粒组成的不同，常用的半刚性基层可分为悬浮密实型和骨架密实型两大类，骨架密实型结构由于其整体强度高、耐久性好，被用于高速公路和一级公路半刚性基层中。骨架密实型半刚性基层是基于各档集料逐级填充的理论按照体积法进行设计的，使细集料充分填充到粗骨料形成的空隙中，形成密实的板体结构。半刚性基层强度形成的过程可以简化为：胶结料化学反应(作用)→新生物凝胶→晶体(结晶)→形成板体强度，这一过程是不断、连续地进行的。半刚性基层强度形成是一个长期的过程，尤其对于二灰稳定类半刚性基层而言，胶结料的火山灰反应是一个长期、缓慢的过程，基层强度也随着龄期的增长而逐渐增大。
半刚性基层整体强度的大小和施工质量的优劣，将会直接影响整个沥青路面的使用质量和寿命。随着我国公路交通运输业的迅速发展和交通轴载的不断增加，一些半刚性基层沥青路面已经开始出现不同程度的损坏，其中大部分病害的产生是由于半刚性基层强度不足和施工不均匀导致的。
目前对施工期半刚性基层质量检测采用钻孔取芯法，即对不同养护期的半刚性基层进行钻孔取芯，检测半刚性基层的整体性。取出芯样则认为半刚性基层强度满足要求，若无法取出完整芯样，则认为不满足要求。
但是这种方法由于受机械钻头掘进难易程度、钻孔位置、坡度和操作者水平影响以及检测数量的限制，测定结果存在一定的随机性和偏差，并且取芯后基层板体留下薄弱面，加速了水分渗入和冻融，损坏了基层结构的整体性和板体性，降低路面结构功能。
发明内容
本公开的目的之一是通过提供一种半刚性基层强度无损检测方法及检测设备，在不破坏或损伤基层结构的前提下，能够有效检测半刚性基层的强度。
为实现上述目的，根据本公开实施例的第一方面，提供一种半刚性基层强度无损检测方法，包括：测量得到半刚性基层的超声波速和基层材料密度；基于半刚性基层的超声波速与半刚性基层的弹性模量，以及半刚性基层的超声波速与基层材料密度的关联关系，建立以超声波速和基层材料密度为双变量耦合的强度推定规则，确定半刚性基层的强度。
可选地，采用超声波检测仪测量得到半刚性基层的超声波速，或/和采用电磁密度仪测量得到半刚性基层的基层材料密度。
可选地，所述电磁密度仪包括电磁波发射器、隔离环、电磁波接收器和信号处理装置，所述测量得到半刚性基层的基层材料密度的步骤包括：由电磁波发射器向半刚性基层材料发射透过隔离环的电磁波，其中所述电磁波在半刚性基层材料中传播的过程中，其能量被吸收并发生损耗，所述能量被吸收和损耗取决于半刚性基层材料的介电常数，所述介电常数与基层材料的组分成分及组分的比例及基层材料压实程度相关；由电磁波接收器接收从半刚性基层材料反射并透过隔离环的电磁波；由信号处理装置根据电磁波接收器接收到的电磁波计算得到半刚性基层的基层材料密度。
可选地，所述建立以超声波速和基层材料密度为双变量耦合的强度推定规则，确定半刚性基层的强度具体包括：
采用以下公式(1)-公式(6)计算半刚性基层的强度：
上述公式(1)表达的是半刚性基层的强度与超声波速和弹性模量之间的关系，其中，
为半刚性基层的强度，vp为测量得到的半刚性基层的超声波速，E为弹性模量，a、b、c为待定系数；
上述公式(2)表达的是超声波在半刚性基层介质中传播的纵波声速的推算过程，其中，μ为半刚性材料的泊松比，E为弹性模量，ρ为基层密度，通常情况下，不同半刚性材料的泊松比波动较小，以检测基层强度的主要控制参数为原则，可以认为是常量，因此，将(2)式变形可得：
将(3)式代入(1)式，整理后可得，
(4)式分离变量后得到
将(5)式整理为待定系数的一般形式
式(6)中α、β、γ为待定的回归系数。
根据本公开实施例的第二方面，提供一种半刚性基层强度无损检测设备，所述半刚性基层强度无损检测设备包括超声波检测仪、电磁密度仪和计算设备，所述超声波检测仪能够测量得到半刚性基层的超声波速，所述电磁密度仪能够测量得到半刚性基层的基层材料密度，所述计算设备基于半刚性基层的超声波速与半刚性基层的弹性模量，以及半刚性基层的超声波速与基层材料密度的关联关系，基于预先建立的以超声波速和基层材料密度为双变量耦合的强度推定规则，确定半刚性基层的强度。
本公开的实施例提供的技术方案可以实现以下有益效果：
本发明提供的半刚性基层强度无损检测方法及检测设备，能够在不破坏或损伤原结构的前提下，有效测定和评价基层结构的物理和力学性能，是控制和提高半刚性基层养生期的强度，保证路面整体承载能力的重要技术措施。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1示出的是根据本申请一个优选实施例的半刚性基层强度无损检测方法流程图；
图2示出了根据本申请一个优选实施例的超声波检测仪对半刚性基层进行检测的示意图；
图3示出了本申请一个优选实施例的电磁密度仪对半刚性基层进行检测的示意图；
图4示出了本申请一个优选实施例的现场无损检测中检测得到的部分实验数据的示意图；
附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的结构。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包括一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
根据本申请的一个方面，提供了一种半刚性基层强度无损检测方法。请参考图1，图1示出的是根据本申请一个优选实施例的半刚性基层强度无损检测方法流程图。根据图1，所述半刚性基层强度无损检测方法包括：
步骤S101，测量得到半刚性基层的超声波速和基层材料密度。
步骤S102，基于半刚性基层的超声波速与半刚性基层的弹性模量，以及半刚性基层的超声波速与基层材料密度的关联关系，建立以超声波速和基层材料密度为双变量耦合的强度推定规则，确定半刚性基层的强度。
具体地，在步骤S101中，采用超声波检测仪测量得到半刚性基层的超声波速，或/和采用电磁密度仪测量得到半刚性基层的基层材料密度。
对于超声波检测仪而言，可以参考图2，图2示出了根据本申请一个优选实施例的超声波检测仪对半刚性基层进行检测的示意图。如图2所示，所述超声波检测仪可以包括诸如进行电路连接或/和信号连接的发射换能器、接收换能器、发射电路、同步信号电路、信号滤波器、波形显示装置等，所述超声波检测仪对半刚性基层结构进行超声波检测的原理可以参考现有的超声波检测技术，所述另外，所述超声波检测仪可以采用现有技术中任何适用于本申请能够实现对固体材料的超声波速进行材料的超声波检测装置，在此不予赘述。
对于所述电磁密度仪而言，其可以包括但不限于现有技术中诸如PQI301、2701-B、BS-3004等型号的电磁密度仪。
由于半刚性基层材料可以被认为是各向同性材料，而对于各向同性的固体材料，应力和应变满足虎克定律，超声波在该类固体材料中传播的速度Vx与材料的弹性模量E、密度ρ和泊松比μ这些因素密切相关，具体关系可以参考以下公式：
由此，半刚性基层材料的超声波速与半刚性基层强度特征参数有一定的内在联系，通过进行大量的超声波速和基层强度的对应测试，能够建立两者满足一定误差限的定量关系，从而代替传统的基层取芯的基层质量检测方法。
根据本申请的一个优选实施例，半刚性基层密度通过对发射的电磁波在基层材料中的能量吸收和损耗的确定而得到。请参考图3，图3示出了本申请一个优选实施例的电磁密度仪对半刚性基层进行检测的示意图。根据图3，所述电磁密度仪可以主要包括电磁波发射器(发射器主要包括发射电极)、隔离环(所述隔离环例如为一个环状电子容感应环，作用是通过感应场，测量得到目标材料的介电常数)、电磁波接收器(主要包括感应电极)和信号处理装置(所述信号处理装置在图3中未示出)，在步骤S101中，所述测量得到半刚性基层的基层材料密度的步骤可以包括：
-由电磁波发射器向半刚性基层材料发射透过隔离环的电磁波，其中所述电磁波是电场和磁场相互作用振动而产生的，电磁波在半刚性基层材料中传播的过程中，其能量被吸收并发生损耗，所述能量被吸收和损耗取决于半刚性基层材料的介电常数，所述介电常数与基层材料的组分成分及组分的比例及基层材料压实程度相关；
-由电磁波接收器接收从半刚性基层材料反射并透过隔离环的电磁波；
-由信号处理装置根据电磁波接收器接收到的电磁波计算得到半刚性基层的基层材料密度。
其中，本申请的电磁波密度仪可以采用现有技术中任一基于电磁波信号对固体材料的密度进行测量或检测的装置。
其中，对于半刚性基层材料而言，其组成成分通常包括水泥、石灰、集料、空气和水，而这些成分的介电常数不同；另外，当基层的密度发生变化时，基层材料总的介电常数也会发生变化，从而基层对电磁波的能量吸收的能力相应变化。从而电磁密度仪能够通过检测电磁波能量的吸收和损耗的程度，来确定基层材料的密度变化。
在步骤S102中，所述建立以超声波速和基层材料密度为双变量耦合的强度推定规则，确定半刚性基层的强度具体包括：
采用以下公式(1)-公式(6)计算半刚性基层的强度：
上述公式(1)表达的是半刚性基层的强度与超声波速和弹性模量之间的关系，其中，
为半刚性基层的强度，vp为测量得到的半刚性基层的超声波速，E为弹性模量，a、b、c为待定系数；其中，所述待定系数可以通过诸如取芯试件无侧限抗压强度与测试获得的超声波速及弹性模量回归确定；
上述公式(2)表达的是超声波在半刚性基层介质中传播的纵波声速的推算过程，其中，μ为半刚性材料的泊松比，E为弹性模量，ρ为基层密度，通常情况下，不同半刚性材料的泊松比波动较小，以检测基层强度的主要控制参数为原则，可以认为是常量，因此，将(2)式变形可得：
将(3)式代入(1)式，整理后可得，
(4)式分离变量后得到
将(5)式整理为待定系数的一般形式
式(6)中α、β、γ为待定的回归系数。其中，所述待定的回归系数可以通过诸如取芯试件的无侧限抗压强度与测试获得的超声波速及密度回归确定。
由上式(6)可以看到，半刚性基层强度除了和超声波速具有较好相关性外，与半刚性基层材料的密度也有密切的关系。从而，本发明将检测基层强度时的波速和弹性模量这两类变量转换为了波速和密度这两类变量，从而实现半刚性基层强度的快速检测与评定。
通过本发明提供的检测方法，能够实现高速公路沥青路面半刚性基层强度的快速无损检测与评定，代替了传统的现场取芯检测法，大大提高了检测效率，保持了半刚性基层的完整性，减小了半刚性基层施工质量检测对基层结构耐久性的影响，具有显著的经济和社会效益。同时，通过半刚性基层超声和密度连续检测，可以一定程度上判断半刚性基层是否发生离析等施工问题，了解基层的均匀程度，为施工质量评价提供依据。
在实践中，本发明已成功应用于营城子至松江河高速公路抚民至靖宇段水泥稳定碎石半刚性基层强度的现场无损检测中，检测得到的部分实验数据请参考图4，其中测试编号代表的是不同测试点的编号。其中主线单幅共检测30公里50个断面450个测点，匝道及连接线单幅共检测6公里10个断面90个测点。同时对长平高速公路沥青路面半刚性基层取芯试件强度进行了无损检测，共测试了40个取芯试件。通过建立的回归模型分析结果显示，采用本检测方法及设备检测得到的半刚性基层强度最大相关系数为0.987，最小相关系数为0.774，最大相对标准误差为21.61％，最小相对标准误差为8.9％，平均相对标准误差为12.44％，检测结果精度和收敛性能够满足公路工程现场检测要求。
应当注意，尽管在附图中以特定顺序描述了本公开方法的操作，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。相反，流程图中描绘的步骤可以改变执行顺序。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。
根据本申请的一个总的发明构思，本申请实施例还提供一种半刚性基层强度无损检测设备，所述半刚性基层强度无损检测设备包括超声波检测仪、电磁密度仪和计算设备，所述超声波检测仪能够测量得到半刚性基层的超声波速，所述电磁密度仪能够测量得到半刚性基层的基层材料密度，所述计算设备基于半刚性基层的超声波速与半刚性基层的弹性模量，以及半刚性基层的超声波速与基层材料密度的关联关系，基于预先建立的以超声波速和基层材料密度为双变量耦合的强度推定规则，确定半刚性基层的强度。
可选地，所述电磁密度仪包括电磁波发射器、隔离环、电磁波接收器和信号处理装置，所述电磁密度仪测量得到半刚性基层的基层材料密度包括：
由电磁波发射器向半刚性基层材料发射透过隔离环的电磁波，其中所述电磁波在半刚性基层材料中传播的过程中，其能量被吸收并发生损耗，所述能量被吸收和损耗取决于半刚性基层材料的介电常数，所述介电常数与基层材料的组分成分及组分的比例及基层材料压实程度相关；
由电磁波接收器接收从半刚性基层材料反射并透过隔离环的电磁波；
由信号处理装置根据电磁波接收器接收到的电磁波计算得到半刚性基层的基层材料密度。
可选地，所述计算设备基于半刚性基层的超声波速与半刚性基层的弹性模量，以及半刚性基层的超声波速与基层材料密度的关联关系，基于预先建立的以超声波速和基层材料密度为双变量耦合的强度推定规则，确定半刚性基层的强度包括：
采用以下公式(1)-公式(6)计算半刚性基层的强度：
上述公式(1)表达的是半刚性基层的强度与超声波速和弹性模量之间的关系，其中，
为半刚性基层的强度，vp为测量得到的半刚性基层的超声波速，E为弹性模量，a、b、c为待定系数；
上述公式(2)表达的是超声波在半刚性基层介质中传播的纵波声速的推算过程，其中，μ为半刚性材料的泊松比，E为弹性模量，ρ为基层密度，通常情况下，不同半刚性材料的泊松比波动较小，以检测基层强度的主要控制参数为原则，可以认为是常量，因此，将(2)式变形可得：
将(3)式代入(1)式，整理后可得，
(4)式分离变量后得到
将(5)式整理为待定系数的一般形式
式(6)中α、β、γ为待定的回归系数。
本发明提供的方法和设备，可以实现半刚性基层强度的快速检测与评定，保证半刚性基层结构的完整性，提高公路质量检测的精度和效率。
对于设备或方法实施例而言，由于其基本对应于方法或设备实施例，所以相关之处参见方法或设备实施例的部分说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的。可以根据实际的需要选择其中的部分或全部模块来实现本公开方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。
对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (7)
1.一种半刚性基层强度无损检测方法，其特征在于，包括：
测量得到半刚性基层的超声波速和基层材料密度；
基于半刚性基层的超声波速与半刚性基层的弹性模量，以及半刚性基层的超声波速与基层材料密度的关联关系，建立以超声波速和基层材料密度为双变量耦合的强度推定规则，确定半刚性基层的强度。
2.根据权利要求1所述的半刚性基层强度无损检测方法，其特征在于，采用超声波检测仪测量得到半刚性基层的超声波速，或/和采用电磁密度仪测量得到半刚性基层的基层材料密度。
3.根据权利要求2所述的半刚性基层强度无损检测方法，其特征在于，所述电磁密度仪包括电磁波发射器、隔离环、电磁波接收器和信号处理装置，所述测量得到半刚性基层的基层材料密度的步骤包括：
由电磁波发射器向半刚性基层材料发射透过隔离环的电磁波，其中电磁波在半刚性基层材料中传播的过程中，其能量被吸收并发生损耗，所述能量被吸收和损耗取决于半刚性基层材料的介电常数，所述介电常数与基层材料的组分成分及组分的比例及基层材料压实程度相关；
由电磁波接收器接收从半刚性基层材料反射并透过隔离环的电磁波；
由信号处理装置根据电磁波接收器接收到的电磁波计算得到半刚性基层的基层材料密度。
4.根据权利要求1-3任一项所述的半刚性基层强度无损检测方法，其特征在于，所述建立以超声波速和基层材料密度为双变量耦合的强度推定规则，确定半刚性基层的强度具体包括：
采用以下公式(1)-公式(6)计算半刚性基层的强度：
上述公式(1)表达的是半刚性基层的强度与超声波速和弹性模量之间的关系，其中，
为半刚性基层的强度，vp为测量得到的半刚性基层的超声波速，E为弹性模量，a、b、c为待定系数；
上述公式(2)表达的是超声波在半刚性基层介质中传播的纵波声速的推算过程，其中，μ为半刚性材料的泊松比，E为弹性模量，ρ为基层密度，所述泊松比被认为是常量，因此，将(2)式变形可得：
将(3)式代入(1)式，整理后可得，
(4)式分离变量后得到：
将(5)式整理为待定系数的一般形式：
式(6)中α、β、γ为待定的回归系数。
5.一种半刚性基层强度无损检测设备，其特征在于，所述半刚性基层强度无损检测设备包括超声波检测仪、电磁密度仪和计算设备，所述超声波检测仪能够测量得到半刚性基层的超声波速，所述电磁密度仪能够测量得到半刚性基层的基层材料密度，所述计算设备基于半刚性基层的超声波速与半刚性基层的弹性模量，以及半刚性基层的超声波速与基层材料密度的关联关系，基于预先建立的以超声波速和基层材料密度为双变量耦合的强度推定规则，确定半刚性基层的强度。
6.根据权利要求5所述的半刚性基层强度无损检测设备，其特征在于，所述电磁密度仪包括电磁波发射器、隔离环、电磁波接收器和信号处理装置，所述电磁密度仪测量得到半刚性基层的基层材料密度包括：
由电磁波发射器向半刚性基层材料发射透过隔离环的电磁波，其中所述电磁波在半刚性基层材料中传播的过程中，其能量被吸收并发生损耗，所述能量被吸收和损耗取决于半刚性基层材料的介电常数，所述介电常数与基层材料的组分成分及组分的比例及基层材料压实程度相关；
由电磁波接收器接收从半刚性基层材料反射并透过隔离环的电磁波；
由信号处理装置根据电磁波接收器接收到的电磁波计算得到半刚性基层的基层材料密度。
7.根据权利要求5或6所述的半刚性基层强度无损检测设备，其特征在于，所述计算设备基于半刚性基层的超声波速与半刚性基层的弹性模量，以及半刚性基层的超声波速与基层材料密度的关联关系，基于预先建立的以超声波速和基层材料密度为双变量耦合的强度推定规则，确定半刚性基层的强度包括：
采用以下公式(1)-公式(6)计算半刚性基层的强度：
上述公式(1)表达的是半刚性基层的强度与超声波速和弹性模量之间的关系，其中，
为半刚性基层的强度，vp为测量得到的半刚性基层的超声波速，E为弹性模量，a、b、c为待定系数；
上述公式(2)表达的是超声波在半刚性基层介质中传播的纵波声速的推算过程，其中，μ为半刚性材料的泊松比，E为弹性模量，ρ为基层密度，所述泊松比被认为是常量，因此，将(2)式变形可得：
将(3)式代入(1)式，整理后可得，
(4)式分离变量后得到：
将(5)式整理为待定系数的一般形式：
式(6)中α、β、γ为待定的回归系数。
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|---|---|---|---|
| CN202010669987.1A CN111650087A (zh) | 2020-07-13 | 2020-07-13 | 一种半刚性基层强度无损检测方法及检测设备 |
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| CN202010669987.1A Pending CN111650087A (zh) | 2020-07-13 | 2020-07-13 | 一种半刚性基层强度无损检测方法及检测设备 |
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| CN (1) | CN111650087A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113218817A (zh) * | 2021-04-07 | 2021-08-06 | 任波 | 一种用于公路试验检测的路基强度试验方法 |
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| EP3491373A1 (en) * | 2016-08-01 | 2019-06-05 | Donald Eugene Yuhas | Methods and apparatus to perform non-destructive dynamic modulus measurements of materials |
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| CN110261485A (zh) * | 2019-07-26 | 2019-09-20 | 北京领示科技有限公司 | 一种超声波测量材料内部各处弹性模量及泊松比的方法 |
-
2020
- 2020-07-13 CN CN202010669987.1A patent/CN111650087A/zh active Pending
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