CN114166891A - 基于电性能冷拌冷铺沥青混合料碾压时机确定装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于电性能冷拌冷铺沥青混合料碾压时机确定装置与方法，首先将电桥仪均匀布置在待碾压的沥青混合料一侧，通过电桥仪采集待碾压的沥青混合料的电性能数据；然后对所获得的电性能数据进行归一化处理，在归一化处理结果满足设定条件时，确定冷拌冷铺沥青混合料的碾压时机。本发明能够快速精准的判断冷拌冷铺沥青混合料的固化程度，从而确定碾压时机，具有较大的工程应用价值和经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及道路工程技术领域，具体涉及基于电性能冷拌冷铺沥青混合料碾压时机确定装置与方法。
背景技术
冷拌冷铺沥青混合料中乳化沥青的破乳和混合料的固化过程实际上表现为混合料的颜色从棕色变为黑色的过程。冷拌冷铺沥青混合料强度的增长速度取决于水从乳化沥青中分离出来的速度。水的蒸发速度受环境条件、乳化沥青和集料性质等影响较大，这也导致施工后冷拌冷铺沥青混合料表面与内部水分蒸发速度具有一定差异。实际工程中，摊铺后的混合料表面虽然由棕色变为黑色，但内部依旧残留有一定的水分，仅从表面的状态无法确定合适的碾压时机。传统方法主要是依赖有经验的技术人员判断，没有一种定量的方法和指标，并且过早碾压会导致混合料表层黏附在钢轮表面，造成路面掉粒或破损，而过晚碾压会影响开放交通的时间。常规经验判断时间为2～5h，如果天气不佳，甚至需要更长才能进行碾压和开放交通。因此，急需一种精确的评价方法用于确定冷拌冷铺混合料的碾压时机。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种基于电性能冷拌冷铺沥青混合料碾压时机确定装置与方法，能够快速精准的判断冷拌冷铺沥青混合料的固化程度，从而确定碾压时机。
为达到上述技术目的，本发明装置的技术方案是：
包括电桥仪、信号传输装置和信号处理装置；电桥仪用于采集待碾压沥青混合料的电性能数据，信号传输装置用于接收电性能数据并传输至信号处理装置，信号处理装置用于对数据进行处理，确定待碾压沥青混合料的碾压时机。
进一步地，电桥仪上带有若干个用于探测的针头，针头连接伸缩装置。
进一步地，伸缩装置包括机架、水平设置在机架上的第一动力传送带，以及用于带动第一动力传送带的调节旋钮；第一动力传送带连接若干个转向齿轮，每个转向齿轮分别连接竖直设置的第二动力传送带，第二动力传送带分别连接传递齿轮，传递齿轮分别与齿条一端相啮合，电桥仪的针头固定在齿条另一端；转向齿轮和传递齿轮安装在机架上。
进一步地，机架为可拆卸式结构；调节旋钮包括相啮合且轴线相互垂直的第一伞齿轮和第二伞齿轮，其中，当第一伞齿轮的轴线处于竖直状态时，第二伞齿轮连接第一动力传送带，且第二伞齿轮安装在机架上；齿条上装有刻度尺。
进一步地，电桥仪采用LCR电桥仪；信号传输装置包括Zigbee无线接收器和数据线；信号处理装置采用电脑。
本发明碾压时机确定方法的技术方案是：包括以下步骤：
首先将电桥仪均匀布置在待碾压的沥青混合料一侧，通过电桥仪采集待碾压的沥青混合料的电性能数据；然后对所获得的电性能数据进行归一化处理，在归一化处理结果满足设定条件时，确定冷拌冷铺沥青混合料的碾压时机。
进一步地，电性能数据包括待碾压的沥青混合料的电阻和电感；
归一化处理步骤包括获得归一化电阻值GY-R和归一化电感值GY-L，并生成归一化电阻-时间曲线和归一化电感-时间曲线；归一化电阻值GY-R和归一化电感值GY-L的计算公式为：
其中,R0为初始电阻值；Rt为t时刻测得的电阻值；
其中，L0为初始电感值；Lt为t时刻测得的电感值。
进一步地，设定条件为GY-R≥10和/或GY-L≥100。
进一步地，电桥仪的交流电频率为100Hz～100kHz。
进一步地，电桥仪按10～30m间隔均匀布置在待碾压的沥青混合料一侧。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：
1、本发明提出一种基于电性能的冷拌冷铺沥青混合料碾压时机的确定装置，能够快速精准的判断冷拌冷铺沥青混合料的固化程度，能够精确判断混合料表层至内部的含水率情况，从而确定碾压时机，具有较大的工程应用价值和经济效益。
2、本发明方法一方面能够适用于不同厚度的冷拌冷铺沥青混合料路面，达到全深度范围内的破乳检测，另一方面能够对不同长度范围内的路面进行破乳检测，通过无线传输的方式生成数据曲线图，实现动态监控；通过提出的指标定量评价混合料固化程度，从而精准指导碾压施工。混合料初始强度达到后，减少了因碾压造成的路面掉粒、松散等病害，从而确保了尽早的开放交通。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图；
图2是本发明中伸缩装置部分的结构示意图；
图3是本发明中伸缩装置部分的局部结构示意图；
图4是本发明无线分布式电桥仪现场使用示意图；
图5是本发明使用时的信号传输及处理示意图；
图6是本发明应用例1的冷拌冷铺沥青混合料GY-R随时间变化图；
图7是本发明应用例1的冷拌冷铺沥青混合料GY-L在100kHz条件下随时间变化图；
图8是本发明应用例2的冷拌冷铺沥青混合料GY-R随时间变化图；
图9是本发明应用例2的冷拌冷铺沥青混合料GY-L在100kHz条件下随时间变化图。
其中：1-电桥仪；2-针头；3-信号传输装置；4-齿条；5-调节旋钮；6-转向齿轮；7-传递齿轮；8-第一皮带；9-第二皮带；10-第三皮带；11-第四皮带；12-电脑；13-Zigbee无线接收器；14-数据线；15-刻度尺；16-路面。
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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本发明中以实际工作时电桥仪处于水平状态进行描述，仅为了更好地描述清楚各部件之间的位置以及连接关系，而不是对本发明的限定。
同时，处于啮合状态的齿轮等部件，其安装方式对于本领域技术人员是可以理解的。
极性化合物是电的导体，而非极性化合物通常表现为绝缘体。沥青是一种复杂的材料，但总的来说属于非极性。乳化沥青中60％左右为沥青，40％左右为水，水属于极性物质。因此，冷拌冷铺沥青混合料在固化过程中，随着水分的蒸发，混合料的电性能也是逐渐变化的。基于此原理，本发明提出一种基于电性能的冷拌冷铺沥青混合料碾压时机的确定装置与方法。
参见图1，本发明装置包括电桥仪1、信号传输装置3和信号处理装置；电桥仪1用于采集待碾压沥青混合料的电性能数据，信号传输装置3用于接收电性能数据并传输至信号处理装置，信号处理装置用于对数据进行处理，确定待碾压沥青混合料的碾压时机。
电桥仪1上带有若干个用于探测的针头2，针头2连接伸缩装置。
参见图2，伸缩装置包括水平设置的第一动力传送带，以及用于带动第一动力传送带的调节旋钮5；第一动力传送带连接若干个转向齿轮6，每个转向齿轮6分别连接竖直设置的第二动力传送带，第二动力传送带分别连接传递齿轮7，传递齿轮7分别与齿条4一端相啮合，电桥仪1的针头2固定在齿条4另一端。
转向齿轮6和传递齿轮7可以分别固定安装在机架上，机架采用可拆卸式，便于移动和测试。
齿条4固定针头2的一端上还设置有刻度，可以是直接刻写的刻度，也可以是将刻度尺15固定在其上得到的。在具体实施过程中，利于及时了解针头2进入沥青混合料的深度。
调节旋钮5包括相啮合且轴线相互垂直的第一伞齿轮和第二伞齿轮，其中，当第一伞齿轮的轴线处于竖直状态时，水平设置的第二伞齿轮连接第一动力传送带，第二伞齿轮可以固定安装在机架上。
本发明提供一种优选的实施例，一个电桥仪上连接两个针头：
参见图2和图3，伸缩装置包括水平设置的第一皮带8和第二皮带9，以及用于带动第一皮带8和第二皮带9的调节旋钮5；第一皮带8和第二皮带9一端套接在调节旋钮5上，第一皮带8和第二皮带9的另一端分别套接转向齿轮6，每个转向齿轮6分别连接竖直的第三皮带10和第四皮带11的一端，第三皮带10和第四皮带11相互平行且另一端分别连接传递齿轮7，传递齿轮7分别与竖直的齿条4一端相啮合，电桥仪1的针头2固定在齿条4另一端。
调节旋钮5包括相啮合且轴线相互垂直的第一伞齿轮和第二伞齿轮，其中，当第一伞齿轮的轴线处于竖直状态时，第二伞齿轮连接第一皮带8和第二皮带9。
通过旋转第一伞齿轮，带动水平的第二伞齿轮转动，第二伞齿轮带动套接在其上的第一皮带8和第二皮带9，第一皮带8和第二皮带9转动，通过转向齿轮6分别带动第三皮带10和第四皮带11转动，第三皮带10和第四皮带11带动传递齿轮7向同一个方向转动，如顺时针转动，则设置在传递齿轮7右侧的齿条4向下移动，针头2下降。
作为一种替换，调节旋钮5中的伞齿轮也可以包括两对，对称设置，其中水平设置的伞齿轮分别连接第一皮带8和第二皮带9。调节旋钮5内部通过对称螺旋伞齿轮同时控制第一皮带8和第二皮带9，使两边针头2同步伸缩。
本发明还提供一种优选的实施例，一个电桥仪上连接超过两个针头：
本发明中伸缩装置也可以采用链条加齿轮的形式，通过相啮合的链条加齿轮，链条套接在若干个转向齿轮6上，比如针头有三个，则转向齿轮6设置为3个，转向齿轮6再通过皮带连接传递齿轮7，传递齿轮7分别与齿条4一端相啮合，电桥仪1的针头2固定在齿条4另一端。转动齿轮，则依次带动链条、转向齿轮6、皮带、传递齿轮7和齿条4，齿条4带动针头2上下移动。
电桥仪1采用TH2822M型迷你LCR电桥仪，体积小，便于携带和安装；信号传输装置3包括Zigbee无线接收器13和数据线14；信号处理装置采用电脑12。
参见图4，本发明方法包括以下步骤：
1)首先根据冷拌冷铺沥青混合料的摊铺厚度，通过调节无线分布式电桥的针头伸缩调节按钮，如图1，使可伸缩的针头2伸出一定长度，从而防止电桥仪外壳碰到混合料表面影响测量，设置电桥仪1的交流电频率；
2)将调节好的无线分布式电桥仪按照一定距离，如10～30米的间隔，布置在路面16表面，如图4所示，有效利用电桥仪进行监测，同时保证大规模施工时混合料碾压的准确性；将电桥仪1均匀布置在待碾压的沥青混合料边缘一侧，通过电桥仪1的针头2伸入到沥青混合料中间，采集待碾压的沥青混合料的电性能数据；电性能数据包括待碾压的沥青混合料的电阻和电感；
3)无线分布式电桥仪的测试信号通过Zigbee发送，设置发送时间间隔，并通过无线接收装置完成信号的接收；
4)电桥仪1采集的数据包括混合料的电阻和电感。不同工程项目具有不同的乳化沥青种类、骨料的种类和规格等，因此冷拌冷铺沥青混合料的厚度也不尽相同。为了避免截面积的影响，本发明采用归一法处理电阻和电感。
参见图5，本发明Zigbee无线接收器13通过数据线14与电脑12连接，电脑12接收信号后对所获得的电性能数据进行归一化处理，生成路面电性能云图；归一化处理步骤包括获得归一化电阻值和归一化电感值；其中：
GY-R为归一化电阻值；R0为初始电阻值；Rt为t时刻测得的电阻值；
GY-L为归一化电感值；L0为初始电感值；Lt为t时刻测得的电感值。
5)在归一化处理结果满足设定条件时，如数据曲线中GY-R≥10和/或GY-L≥100，此时归一化电阻-时间曲线和归一化电感-时间曲线中对应的时间，即为碾压开始时间，由此确定冷拌冷铺沥青混合料的碾压时机。
电桥仪的交流电频率为100Hz～100kHz。
本发明适用的冷拌冷铺沥青混合料包括市售的普通沥青混合料。
优选的，本发明适用的冷拌冷铺沥青混合料包含0～3mm的细集料，3～5mm的粗集料，矿粉，改性乳化沥青和纤维。粗、细集料的掺配的质量比为0.8～1.2，矿粉用量占集料质量0％～5％，乳化沥青用量占集料质量8％～12％，纤维用量占集料质量0％～3％。集料类型为辉绿岩或者玄武岩；矿粉为石灰岩粉末，粒径小于0.075mm；改性乳化沥青由苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物改性沥青通过常规的剪切乳化步骤而成；纤维为玄武岩纤维短切而成，长度为3～6mm。冷拌冷铺沥青混合料通过现场拌合并摊铺而成，摊铺厚度控制范围为8mm～15mm。
下面通过具体的应用例对本发明做进一步详细说明。
应用例1
一个无线分布式的电桥仪1上面只有一个迷你电桥仪，针头2为两个。
传递齿轮7为两个，通过皮带与转向齿轮6啮合，左右设计相同；调节旋钮5内部通过对称螺旋伞齿轮同时控制第一皮带8和第二皮带9，使两边针头2同步伸缩。
采用的沥青混合料包含0～3mm细集料，3～5mm粗集料，矿粉，改性乳化沥青，纤维。细集料和粗集料质量比为1:1，矿粉用量占集料质量5％，改性乳化沥青用量占集料质量9％，纤维用量占集料质量1.5％。集料类型为辉绿岩；矿粉为石灰岩粉末，粒径小于0.075mm；改性乳化沥青由苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物改性沥青通过乳化而成；纤维为玄武岩纤维短切而成，长度为4mm。冷拌冷铺沥青混合料通过现场拌合并摊铺而成，摊铺厚度控制范围为8mm～10mm。
具体步骤包括：
1)冷拌冷铺沥青混合料的摊铺厚度为10mm，通过调节无线分布式电桥仪的针头伸缩调节按钮，使可伸缩针头伸出长度大于10mm，从而防止电桥仪外壳碰到混合料表面影响测量，设置电桥仪的交流电频率为100Hz、400Hz、1kHz、10kHz、20kHz、40kHz、100kHz；
2)试验段长度10米，采用人工摊铺的方式，因此将调节好的无线分布式电桥仪按设置于试验段边缘中间一侧，布置在冷拌冷铺沥青混合料表面；
3)无线分布式电桥仪的测试信号通过Zigbee发送，发送时间间隔为15min，并通过无线接收装置完成信号的接收；
4)电桥仪采集的数据包括混合料的电阻和电感。不同工程项目具有不同的乳化沥青种类、骨料的种类和规格等，因此冷拌冷铺沥青混合料的厚度也不尽相同。为了避免截面积的影响，本发明采用归一法处理电阻和电感，计算公式详见上述公式(1)和公式(2)。
5)无线接收装置通过数据线与电脑连接，电脑接收信号后完成数据处理并生成归一化电阻-时间曲线、归一化电感-时间曲线，如图6和图7所示；
6)当数据曲线中GY-R≥10时，所需时间为1.5小时；当GY-L≥100时，时间为1.58小时，考虑到在高频率下GY-L值更加具有代表性，此处只列出了100kHz下的曲线图。
由步骤6)确定的两个时间都能够作为碾压时机，保守起见，优选时间稍长的，因此通过本发明提出的方法，最终确定碾压时机为1.58小时，即可进行冷拌冷铺沥青混合料路面的碾压施工环节。
应用例二
采用的沥青混合料为：单一粒径冷拌冷铺沥青混合料。冷拌冷铺沥青混合料包含3～5mm粗集料，矿粉，改性乳化沥青，纤维。矿粉用量占集料质量5％，乳化沥青用量占集料质量9％，纤维用量占集料质量1.5％。集料类型为辉绿岩；矿粉为石灰岩粉末，粒径小于0.075mm；改性乳化沥青由苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物改性沥青通过乳化而成；纤维为玄武岩纤维短切而成，长度为6mm。冷拌冷铺沥青混合料通过现场拌合并摊铺而成，摊铺厚度控制范围为8mm～10mm。
其他处理条件以及装置结构和应用例一相同。
经测试，结果如图8和图9所示，当数据曲线中GY-R≥10时，所需时间为1.5小时；当GY-L≥100时，时间为1.38小时，考虑到在高频率下GY-L值更加具有代表性，此处只列出了100kHz下的曲线图。最终确定碾压时机为摊铺后1.5小时。
本发明能够用于解决现有技术中缺乏精准确定冷拌冷铺混合料的碾压时机的问题，通过至少连续采集两组数据，采集的初始值为含水量较大情况，随着时间延长会逐渐蒸发，由此进行分析处理；本发明中均一化处理生成的归一化电阻-时间曲线和归一化电感-时间曲线规律性强，归一化效果好，曲线上出现的拐点代表电阻或电感突然变大，说明水分蒸发情况足以抵抗轮胎的碾压和剪切作用，由此确定碾压时机，可以减少传统的主观因素影响。本方法和装置能够精确判断混合料表层至内部的含水率情况，通过提出的指标定量评价混合料固化程度，从而精准指导碾压施工。混合料初始强度达到后，减少了因碾压造成的路面掉粒、松散等病害，路面性能更好，也确保了尽早的开放交通。
本发明可以为根据电性能确定冷拌冷铺沥青混合料的固化程度提供试验方法参考。本发明对冷拌冷铺沥青混合料的施工质量控制以及推广应用具有重要意义。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.基于电性能冷拌冷铺沥青混合料碾压时机确定装置，其特征在于：包括电桥仪、信号传输装置和信号处理装置；电桥仪用于采集待碾压沥青混合料的电性能数据，信号传输装置用于接收电性能数据并传输至信号处理装置，信号处理装置用于对数据进行处理，确定待碾压沥青混合料的碾压时机。
2.根据权利要求1所述的基于电性能冷拌冷铺沥青混合料碾压时机确定装置，其特征在于：电桥仪上带有若干个用于探测的针头，针头连接伸缩装置。
3.根据权利要求2所述的基于电性能冷拌冷铺沥青混合料碾压时机确定装置，其特征在于：伸缩装置包括机架、水平设置在机架上的第一动力传送带，以及用于带动第一动力传送带的调节旋钮；第一动力传送带连接若干个转向齿轮，每个转向齿轮分别连接竖直设置的第二动力传送带，第二动力传送带分别连接传递齿轮，传递齿轮分别与齿条一端相啮合，电桥仪的针头固定在齿条另一端；转向齿轮和传递齿轮安装在机架上。
4.根据权利要求3所述的基于电性能冷拌冷铺沥青混合料碾压时机确定装置，其特征在于：机架为可拆卸式结构；调节旋钮包括相啮合且轴线相互垂直的第一伞齿轮和第二伞齿轮，其中，当第一伞齿轮的轴线处于竖直状态时，第二伞齿轮连接第一动力传送带，且第二伞齿轮安装在机架上；齿条上装有刻度尺。
5.根据权利要求1所述的基于电性能冷拌冷铺沥青混合料碾压时机确定装置，其特征在于：电桥仪采用LCR电桥仪；信号传输装置包括Zigbee无线接收器和数据线；信号处理装置采用电脑。
6.基于电性能冷拌冷铺沥青混合料碾压时机确定方法，其特征在于：包括以下步骤：
首先将电桥仪均匀布置在待碾压的沥青混合料一侧，通过电桥仪采集待碾压的沥青混合料的电性能数据；然后对所获得的电性能数据进行归一化处理，在归一化处理结果满足设定条件时，确定冷拌冷铺沥青混合料的碾压时机。
7.根据权利要求6所述的基于电性能冷拌冷铺沥青混合料碾压时机确定方法，其特征在于：电性能数据包括待碾压的沥青混合料的电阻和电感；
归一化处理步骤包括获得归一化电阻值GY-R和归一化电感值GY-L，并生成归一化电阻-时间曲线和归一化电感-时间曲线；归一化电阻值GY-R和归一化电感值GY-L的计算公式为：
其中,R0为初始电阻值；Rt为t时刻测得的电阻值；
其中，L0为初始电感值；Lt为t时刻测得的电感值。
8.根据权利要求7所述的基于电性能冷拌冷铺沥青混合料碾压时机确定方法，其特征在于：设定条件为GY-R≥10和/或GY-L≥100。
9.根据权利要求6所述的基于电性能冷拌冷铺沥青混合料碾压时机确定方法，其特征在于：电桥仪的交流电频率为100Hz～100kHz。
10.根据权利要求6所述的基于电性能冷拌冷铺沥青混合料碾压时机确定方法，其特征在于：电桥仪按10～30m间隔均匀布置在待碾压的沥青混合料一侧。
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