CN109001258B - 基于沥青混合料介电特性的沥青含量无损检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于沥青混合料介电特性的沥青含量无损检测方法。本发明通过推导公式，将沥青含量与其介电特性建立联系，利用资料数据获得沥青与矿料的密度，通过设计得到混合料的孔隙率，而后通过实验测量沥青与矿料的介电常数，将以上数据输入至公式中后即可通过测量沥青混合料介电常数直接计算其沥青含量。该方法无论从测试方法的合理性还是实验时间上均有较大进步，另外其无损检测的特性，与常规的沥青含量测量方法有着本质区别与优势，并能够为实际道路工程无损检测沥青含量研究奠定基础。

Description

基于沥青混合料介电特性的沥青含量无损检测方法
技术领域
本发明属于道路工程领域，涉及一种基于沥青混合料介电特性的沥青含量无损检测方法。
背景技术
沥青路面出现早期病害与否，不仅与施工工艺及摊铺质量控制等施工过程相关，也同样与选取的沥青混合料原材料性质和级配、油石比等设计不当有关。而其中最常见的病害是泛油或车辙，即采用沥青用量不当导致。在我国规范中，沥青混合料设计方法通常采用马歇尔法，设计核心为通过空隙率、矿料间隙率等体积参数对沥青混合料有关组分的体积进行描述，但未计算沥青被集料吸收的部分，并没有对沥青混合料各组分的体积进行准确地分析与计算，导致沥青混合料的沥青用量偏小、空隙率偏大。但如果仅盲目考虑增加部分沥青用量，则可能会导致沥青用量偏大、空隙率偏小，从而降低沥青路面的热稳定性，导致车辙等病害问题。综上，合理设计沥青混合料所采用的油石比是确保沥青路面的施工质量和使用性能的关键之一。而如何对沥青混合料进行合理的油石比设计，是保证沥青路面使用性能和寿命的关键条件之一。
在现今的工程实际中，对沥青含量测定的一般方法是燃烧法和离心抽提法，但这两种测量方法会对混合料试件造成破坏，且操作复杂耗时长。
发明内容
本发明目的在于针对目前检测沥青混合料沥青含量操作复杂、有损的缺陷，提供一种沥青含量无损检测方法，准确、快速、无损地计算沥青混合料的沥青含量，从而反映实际工程道路的施工质量，也为室内监测沥青混合料沥青含量变化乃至道路检测提供方法借鉴。
为达到上述目的，采用技术方案如下：
基于沥青混合料介电特性的沥青含量无损检测方法，包括以下步骤：
建立混合料沥青含量与介电常数的关系如下：
Figure GDA0002484550970000011
式中，P为沥青含量；e为沥青混合料的空隙率；μ为沥青与矿料密度换算比，
Figure GDA0002484550970000012
为换算式，γas、γs分别为沥青和矿料的密度；km、ks、kas分别为沥青混合料、矿料以及沥青的介电常数系数；
其中，
Figure GDA0002484550970000013
分别为三个系数的计算式；εm、εs、εas分别为沥青混合料、矿料以及沥青的介电常数；
将相关测量数据代入公式中，计算得到沥青混合料的沥青含量。
按上述方案，矿料的介电常数按以下方法确定：
对大型矿料进行钻芯切割得到3个高12mm×直径26mm的小试件，采用高温测试平台正反两面各测量一次小试件介电常数，用3个小试件测得的共6个介电常数的均值代表矿料的介电常数值。
按上述方案，沥青的介电常数按以下方法确定：
制作5个直径为40mm，厚度为9.5mm的圆柱形模具，上端开口，四周及下端封闭，将沥青加热倒入其中，静置待其冷却后，将其上部表面刮平，敲碎模具，取出沥青块，对其进行钻芯，得到符合测量要求的直径25mm，厚度9.5mm的沥青块试件，测量前放入25℃恒温箱内保温30min，使其温度保持与混合料测量温度一致，每个试件正反各测一次，测量结果取10个测量值的平均值作为此种沥青的介电常数值。
按上述方案，混合料的介电常数按以下方法确定：
制备混合料试件，使用旋转压实成型试件，控制其空隙率在4％±0.5％的范围内；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；
采用介电常数仪Percometer(以下简称PM)进行测量，选择合适的探头后需在PM中选择正确的探头模式对空气进行测量，即对PM进行标定，标定完毕后，再将PM预热1-2分钟；
进行试验之前，将探头举起放置在试件上方5-10cm的位置处，此时PM的示数E为1.0，以此来确定PM正常工作；
对沥青混合料上下底面的上下左右和中部进行5次测量，每次测量完毕后记录介电常数值以及测量温度，并取10次测量的均值代表沥青混合料的介电常数值。
本发明通过推导公式，将沥青含量与其介电特性建立联系，利用资料数据获得沥青与矿料的密度，通过设计得到混合料的空隙率，而后通过实验测量沥青与矿料的介电常数，将以上数据输入至公式中后即可通过测量沥青混合料介电常数直接计算其沥青含量。该方法无论从测试方法的合理性还是实验时间上均有较大进步，另外其无损检测的特性，与常规的沥青含量测量方法有着本质区别与优势，并能够为实际道路工程无损检测沥青含量研究奠定基础。
具体如下：
(1)使用PM测量沥青混合料介电常数加快试验进度，缩短试验时间，该测量方法前期需一次性测量出公式里的各种常数，大概耗时10小时，即可通过测量沥青混合料介电常数进行反算混合料的沥青含量，且在矿料以及沥青种类不变的情况下，可以快速测量计算多个混合料的沥青含量，平均每个混合料测量及计算耗时15分钟，而常规的燃烧法以及离心分离法测量每个沥青混合料则需要耗时半天以上。
(2)可实现室内条件下沥青混合料沥青含量的无损测量
该测量方法采用公式反算法，利用PM仪器无损测量沥青混合料介电常数后代入公式进行反算可直接得到混合料的沥青含量，无需对试件进行破坏，较以往的破坏型测量方法，本方法可以在测得沥青含量之后进一步对混合料试件做其它实验，为今后研究沥青混合料力学性质与沥青含量之间的关系奠定研究基础。
(3)能够为实际道路工程无损检测沥青含量研究奠定基础
该测量方法采用的是公式反算法，在实际道路工程应用中，如能准确获知路面测量点的空隙率，即可无损快速测量道路对应测量点的沥青含量。另外，在将来建立了沥青混合料介电特性与空隙率的关系后，即可通过使用路用探地雷达检测路面不同位置的介电常数，得到路面对应位置的空隙率，进而通过本方法反算得到整个路面的沥青含量，用于评价施工质量。
具体实施方式
以下实施例进一步阐释本发明的技术方案，但不作为对本发明保护范围的限制。
制备沥青混合料试验样品
试验采用旋转压实成型试件，沥青选取的沥青是由湖北国创高新材料股份有限公司提供的SBS改性沥青；集料选取的集料是湖北省房县某石料厂生产的石灰岩和湖北省鄂州某石料厂生产的玄武岩；矿粉使用的是石灰岩磨成的矿粉；同种集料采用相同级配，并采用两组线性变化的油石比作为变量，其中，沥青与玄武岩矿料密度比μ经计算为0.3812，沥青与石灰岩矿料密度比μ经计算为0.4012。
其中玄武岩SMA-13按照油石比3.1％、3.6％、4.1％、4.6％、5.1％分别制作5个试件，分别编号SMA-13-1、SMA-13-2、SMA-13-3、SMA-13-4、SMA-13-5，石灰岩AC-20按照油石比3.8％、4.3％、4.8％、5.3％、5.8％分别制作5个试件，分别编号AC-20-1、AC-20-2、AC-20-3、AC-20-4、AC-20-5，同时控制旋转压实试件的空隙率在4％±0.5％的范围内。而后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。
调试PM
选择直径为60mm的探头SF169与PM主机连接，打开PM，根据探头型号选择正确的测量模式，此时显示屏左上方上显示H169C即是设置正确；而后对PM进行标定，将探头置于空气中，此时屏幕显示E为1.0，即标定成功，预热1-2分钟之后即可开始测量。
开始测量
将探头垂直放在混合料试件上方，使探头边缘与混合料圆周相切，此时PM屏幕会显示E的值，待数据稳定后进行记录；再在对称部位进行5次测量，然后在混合料反面进行同样的五次测量，取10次测量平均值为整个混合料的介电常数值，最后按照同样的步骤对余下9试件进行测量，得到的介电常数数据汇总列于下表1中。
表1混合料介电常数测试数据
Figure GDA0002484550970000041
测量集料的介电常数值
选取大尺寸的玄武岩和石灰岩矿料，对其进行钻芯切割得到3个高12mm×直径26mm的小试件，采用高温测试平台正反两面各测量一次小试件介电常数，用3个小试件测得的共6个介电常数的均值代表矿料的介电常数值，最后经换算得到玄武岩的ks为0.8357，石灰岩的ks为0.7433；
测量沥青的介电常数值
沥青采用上述的方法进行测量，先将沥青加热倒入模具中，静置待其冷却后，将其上部表面刮平，敲碎模具，取出沥青块，对其进行钻芯，得到符合测量要求的直径25mm，厚度9.5mm的沥青块试件，测量前放入25℃恒温箱内保温30min，使其温度保持与混合料测量温度一致，每个试件正反各测一次，测量结果取10个测量值的平均值作为此种沥青的介电常数值，最后经换算得到沥青的kas为0.5012；
代入计算
将上述沥青矿料密度比μ、空隙率e、矿料的介电常数换算系数ks、沥青的介电常数换算系数kas以及混合料介电常数换算系数km代入至公式中，最终计算得到沥青含量的计算值，与设计值的对比情况见下表2，从平均相对误差的结果来看，其值均小于3％，计算结果精确，本方法具有可行性。
表2各沥青混合料试件沥青含量设计值与计算值对比
Figure GDA0002484550970000051

Claims (4)

1.基于沥青混合料介电特性的沥青含量无损检测方法，其特征在于包括以下步骤：
建立混合料沥青含量与介电常数的关系如下：
Figure FDA0002484550960000011
式中，P为沥青含量；e为沥青混合料的空隙率；μ为沥青与矿料密度换算比，
Figure FDA0002484550960000012
为换算式，γas、γs分别为沥青和矿料的密度；km、ks、kas分别为沥青混合料、矿料以及沥青的介电常数系数；
其中，
Figure FDA0002484550960000013
分别为三个系数的计算式；εm、εs、εas分别为沥青混合料、矿料以及沥青的介电常数；
将相关测量数据代入公式中，计算得到沥青混合料的沥青含量。
2.如权利要求1所述基于沥青混合料介电特性的沥青含量无损检测方法，其特征在于矿料的介电常数按以下方法确定：
对大型矿料进行钻芯切割得到3个高12mm×直径26mm的小试件，采用高温测试平台正反两面各测量一次小试件介电常数，用3个小试件测得的共6个介电常数的均值代表矿料的介电常数值。
3.如权利要求1所述基于沥青混合料介电特性的沥青含量无损检测方法，其特征在于沥青的介电常数按以下方法确定：
制作5个直径为40mm，厚度为9.5mm的圆柱形模具，上端开口，四周及下端封闭，将沥青加热倒入其中，静置待其冷却后，将其上部表面刮平，敲碎模具，取出沥青块，对其进行钻芯，得到符合测量要求的直径25mm，厚度9.5mm的沥青块试件，测量前放入25℃恒温箱内保温30min，使其温度保持与混合料测量温度一致，每个试件正反各测一次，测量结果取10个测量值的平均值作为此种沥青的介电常数值。
4.如权利要求1所述基于沥青混合料介电特性的沥青含量无损检测方法，其特征在于混合料的介电常数按以下方法确定：
制备混合料试件，使用旋转压实成型试件，控制其空隙率在4％±0.5％的范围内；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；
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