基于温度-频率等效模型的沥青混合料质量评价方法

摘要

本发明公开了一种基于温度‑频率等效模型的沥青混合料质量评价方法，其步骤包括：备样，介电常数测定，建立介电理论模型，建立温度‑频率转换模型，验证温度‑频率转换模型以及质量评价；建立温度‑频率转换模型步骤具体包括：基于介电理论模型建立关于温度、频率之间的量化关系，得到温度‑频率转换模型；质量评价步骤具体包括：根据介电理论模型和温度‑频率转换模型，计算电导活化能值，用于评价沥青混合料的质量。本发明通过构建温度‑频率等效转换模型，实现了无损检测设备在不同温度、频率条件下检测结果的统一，为无损检测设备的应用推广奠定了基础，并提高了对沥青混合料质量评价的准确度。

说明书

技术领域

本发明涉及道路工程领域，特别是一种基于温度-频率等效模型的沥青混合 料质量评价方法。

背景技术

采用探地雷达等无损检测设备对沥青路面进行无损检测时，是基于某一路 段不同位置处沥青路面材料的介电常数值差异来进行质量评价的。沥青路面材 料的介电常数值通常与密度、压实度等工程指标相关，也可依据不同位置处介 电常数值的差异对路面病害进行诊断。因此，实现沥青路面材料的介电常数的 准确测定对沥青路面质量评价而言至关重要。

目前,对于沥青混合料介电特性的研究主要集中在复合材料介电模型及其 应用方面，未充分考虑外界因素对沥青混合料介电特性的影响。从实际检测过 程中可知，现有对无损检测设备检测精度造成干扰的主要因素为检测频率和温 度。不同的无损检测设备由于在检测过程中对检测深度的要求不同，需要采用 不同的检测频率，而沥青混合料在不同频率下的介电特性存在差异，使得众多 无损检测设备的检测结果缺乏统一性，无法形成有效的参照。除此之外，由于 沥青路面的温度动态变化，并不是恒定的值，而沥青混合料的介电特性在不同 温度下存在较大差异，检测结果也无法形成统一。综上所述，如何明确频率、 温度因素对于沥青混合料介电特性的影响，使得不同频率和温度条件下的无损 检测数据能够形成统一，这是提升无损检测设备检测精度、形成无损检测设备 结果统一性的关键。

故需要提出一种新的沥青混合料质量评价方案用于解决上述现有技术中所 存在的问题。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于温度-频率等效模型的沥青混合料质量评 价方法，用于解决现有技术中无损检测设备在不同频率、不同温度下检测结果 难以统一的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于温度-频率等效模型的沥青混 合料质量评价方法，其步骤包括：备样，介电常数测定，建立介电理论模型， 建立温度-频率转换模型，验证温度-频率转换模型以及质量评价；建立温度-频 率转换模型步骤具体包括：基于介电理论模型建立关于温度、频率之间的量化 关系，得到温度-频率转换模型；质量评价步骤具体包括：根据介电理论模型和 温度-频率转换模型，计算电导活化能值，用于评价沥青混合料的质量。

其中，建立介电理论模型的步骤具体包括：量化温度、频率影响因素，并 建立介电理论模型；介电理论模型的表达式为：

该式中，ε为沥青混合料的介电常数，ε

其中，建立温度-频率转换模型步骤具体包括：基于介电理论模型，令温度 为定值，频率为变量，得到关于介电常数的第一变化值Δε

该式中，E为电导活化能，K为Boltzmann常数，T

其中，第一变化值的表达式为：

该式中，f

其中，第二变化值的表达式为：

该式中，T

其中，备样步骤具体包括：选取沥青和集料混合制成混合料，经压实、切 割、加工后制成试样，每组混合料至少5个平行试样；备样步骤中沥青选自70# 基质沥青和SBS改性沥青中的任意一种，集料选自石灰岩；试样为具有中间开 孔的薄片。

其中，介电常数测定步骤具体包括：测定试样在不同温度和频率下的介电 常数与损耗角正切值。

其中，介电常数测定步骤中测试平台为介电常数测试平台，介电常数测试 的参数为：升温速率0.4K/min，温度实际偏差为±273.45K，温度范围为30～60℃， 测试电压设定值为2V，测试频率范围为1～500KHz。

其中，验证温度-频率转换模型步骤具体包括：基于介电常数测定步骤中实 测的不同温度和频率条件下介电常数与损耗角正切值，绘制关于温度-介电常数 的实测曲线；基于温度-频率等效转换模型，绘制转换关于温度-介电常数的模 型曲线；对比模型曲线与实测曲线的拟合度大于预设值时，则判定温度-频率等 效转换方法有效。

本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明提供了一种基于温 度-频率等效模型的沥青混合料质量评价方法，通过构建温度-频率等效转换模 型，实现了无损检测设备在不同温度、频率条件下检测结果的统一，为无损检 测设备的应用推广奠定了基础，并提高了对沥青混合料质量评价的准确度。

附图说明

图1是本发明中基于温度-频率等效模型的沥青混合料质量评价方法一实 施方式的流程图；

图2是本发明实施例1中备样步骤的流程图：a为旋转压实试件，b为标准 试件，c为薄切片，d为测试试件，e为试件直径测量，f为试件厚度测试；

图3是本发明实施例1中两组沥青混合料关于介电常数的拟合度对比图：a 为70#基质沥青+石灰岩样品关于介电常数的拟合度对比图，b为SBS改性沥青 +石灰岩样品关于介电常数的拟合度对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，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，均属于本发明保护的范围。

请参阅图1，图1是本发明中基于温度-频率等效模型的沥青混合料质量评 价方法一实施方式的流程图。本发明中基于温度-频率等效模型的沥青混合料质 量评价方法，其步骤包括：

S1，备样。本步骤中，选取沥青和集料混合制成混合料，经压实、切割、 加工后制成试样，每组混合料至少5个平行试样；本实施方式中，沥青选自70# 基质沥青和SBS改性沥青中的任意一种，集料选自石灰岩，试样为具有中间开 孔的薄片；在其他实施方式中，可根据实际需求对试样的材料和制片进行适应 性选择，在此不做限定。

S2，介电常数测定。本步骤中，具体地，测定试样在不同温度和频率下的 介电常数与损耗角正切值，并计算得到电导活化能。本实施方式中，介电常数 测定步骤中测试平台为介电常数测试平台，介电常数测试的参数为：升温速率 0.4K/min，温度实际偏差为±273.45K，温度范围为30～60℃，测试电压设定值 为2V，测试频率范围为1～500KHz，具体测试频率为1KHz、10KHz、50KHz、 100KHz、500KHz。

S3，建立介电理论模型。本步骤中，具体地，采用开尔文温度进行计算， 故将测试温度t转为为开尔文温度T，其转换关系如式(1)所示：

T＝t+273.15 (1)

沥青混合料在温度的逐渐升高时，极化能力逐渐增强，即会呈现出弱电解 质的状态，我们可以采用如公式(2)所示的Arrhenius关系去构建样品电导率 与温度之间的联系：

其中，A为材料的电导常数，单位ohm

由于沥青混合料是由集料、沥青、空气组成的三相混合物，则可以构建沥 青混合料的复合电导率公式，如公式(3)所示：

其中：σ

由于空气的电导率为0，故可以简化公式(4)为：

为简化公式，减少参数变量，可将各组分的电导率比例系数与电导常数合 并处理，即作如公式(5)、公式(6)处理。

γ

γ

其中：A′

通过公式(5)、公式(6)的简化处理，可以得到如下沥青混合料复合电导 率公式(7)：

如需要在沥青混合料中除集料、沥青、空气外添加其它材料，则可进一步 扩展电导率复合关系为公式(8)所示：

其中：A′

则沥青混合料介电常数关于温度的关系式可简化为如式(9)所示：

式(9)中，ε为沥青混合料的介电常数，ε

S4，建立温度-频率转换模型

1)基于介电理论模型，令温度为定值，频率为变量，得到关于介电常数的 第一变化值。本步骤中，基于S3步骤中介电理论模型表达式，以温度T

该式中，f

2)基于介电理论模型，令频率为定值，温度为变量，得到关于介电常数的 第二变化值。本步骤中，基于S3步骤中介电理论模型表达式，以温度T

该式中，T

3)匹配第一变化值和第二变化值，得到关于沥青混合料介电常数的温度- 频率转换模型。本步骤中，匹配第一变化值Δε

化简后可得公式(13)：

公式(13)即为关于沥青混合料介电常数的温度-频率转换模型的表达式， 由公式(13)可知，如果已知沥青混合料的电导活化能E，则可以得到温度-频 率的等效关系，从而为无损检测设备在不同温度、频率条件下检测结果的统一 提供了明确的理论支持。上述公式中，存在f

S5，验证温度-频率转换模型。本步骤中，基于S2步骤中实测的不同温度 和频率条件下介电常数与损耗角正切值，绘制关于温度-介电常数的实测曲线； 基于温度-频率等效转换模型，绘制转换关于温度-介电常数的模型曲线；对比 模型曲线与实测曲线的拟合度，当拟合度大于预设值时，则判定温度-频率等效 转换方法对沥青混合料具有较好的适用性。本实施方式中，将拟合度R

S6，质量评价。本步骤中，根据上述介电理论模型和温度-频率转换模型， 计算电导活化能值，用于评价沥青混合料的质量。由于现有的质量评价方式仅 是通过介电理论模型求解得到沥青和集料的变异系数以及各物质的点到活化能， 并用来对沥青混合料的质量进行评价，可见现有技术方案并未将温度与频率之 间量化关系进行限定，而不同的检测频率和温度环境均会对沥青混合料的介电 特性造成影响，故在采用现有技术进行质量评价时，会因为不同频率和温度条 件的影响，使得无损检测数据无法形成统一，进而影响最终质量评价结果。而 本发明引入了温度-频率转换模型，建立了温度与频率之间量化关系，并结合介 电理论模型计算电导活化能值，实现了无损检测设备在不同温度、频率条件下检测结果的统一，提高了对沥青混合料质量评价的准确度。

下面通过具体实施例对上述基于温度-频率等效模型的沥青混合料质量评 价方法的应用效果进行阐述。

实施例1

(1)试验样品备样。

本试验集料所采用的是来自中国湖北省的石灰岩，沥青采用的是湖北国创 提供的70#基质沥青及SBS改性沥青，各材料性能均能满足规范要求。

按照规范要求设计沥青混合料最优级配，具体矿料级配如下表1所示。通 过马歇尔试验确定石灰岩、玄武岩分别与沥青的最佳油石比为5.6％，试件空隙 率应保证控制在4±0.5％范围内。

表1 石灰岩AC-20C沥青混合料级配组成表

请参阅图2，具体备样的方法如下：

(a)准备初始样品。采用来自中国湖北省的70#基质沥青和SBS改性沥青， 同时采用来自中国湖北省的石灰岩集料。将两种沥青和集料分别组合制作六种 沥青混合料旋转压实试件。

(b)切割标准试件。由于得到的沥青混合料旋转压实试件直径为150mm、 高度为170mm的试件，如图2(a)，再利用钻芯机和切割机将试件加工成直径为 100mm、高度为170mm的标准试件，如图2(b)所示。控制所得标准试件空隙率 在4±0.5％范围内。

(c)切割测量样品。根据介电常数高温测试平台对于被测物体的尺寸要求， 将所得标准试件加工成厚度为10mm左右的薄片，如图2(c)所示，再从薄片上 进行钻芯，得到如图2(d)所示的适合介电常数高温测试平台适用的如图2(e)所 示直径为26mm左右和如图2(f)所示厚度为10mm左右的沥青混合料测试试件， 每种类型的集料与沥青的组合的至少准备5个完好无损的平行试验样品。

(2)介电常数测定。

本实施例中所采用的设备主要是介电常数高温测试平台，通常用来测试被 测物体的介电常数，设备主要由固定装置、隔离层、测量装置、环境箱、加热 装置五个部分组成。该设备最大的优势是可以均匀地按照梯度改变温度，从而 可以实现在不同温度梯度下连续测定被测物体的介电常数及损耗角正切值，具 体的测试条件参数如表2所示。

表2 介电常数测试试验中各条件参数

在设定好测量参数后，将制作得到的样品按照所示放入介电常数测试平台 测量装置内部，使得样品两端与测量装置两级接触面贴合，以确保测量的准确 性。待样品按照要求放入测量装置后，则可将测量装置放入环境箱中正式开始 测量试验。

(3)建立介电理论模型以及温度-频率转换模型，该步骤已在上文详细阐 述，在此不做赘述。

(4)验证温度-频率转换模型。

针对上文所述的两种沥青混合料，由公式(13)的转换原理公式可得如下 表达式：

1)第1组：70#基质沥青+石灰岩

2)第2组：SBS改性沥青+石灰岩

以频率为1MHz作为初始频率，以302.85K作为初始温度，应用温度-频率 等效原理分别计算两组沥青混合料在1KHz、10KHz、50KHz、100KHz、500KHz 五个频率下分别对应的温度，其计算结果如下表3所示。

表3 基于温度-频率转换模型的对应温度

选取实际温度条件下和基于温度-频率等效原理的转换温度下两组沥青混 合料的介电常数值绘制结果如下图3所示。其中图3a为70#基质沥青+石灰岩 样品关于介电常数的拟合度对比图，图3b为SBS改性沥青+石灰岩样品关于介 电常数的拟合度对比图。由图3可见，实际温度条件下沥青混合料介电常数值 与基于温度-频率等效关系的转换温度下沥青混合料介电常数值相比，二者基本 一致，拟合优度R

区别于现有技术的情况，本发明提供了一种基于温度-频率等效模型的沥青 混合料质量评价方法，通过构建温度-频率等效转换模型，实现了无损检测设备 在不同温度、频率条件下检测结果的统一，为无损检测设备的应用推广奠定了 基础，并提高了对沥青混合料质量评价的准确度。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但 并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普 通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进， 这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要 求为准。