一种量化相对湿度因素的沥青混合料质量评价方法与流程

本发明涉及道路工程领域，特别是一种量化相对湿度因素的沥青混合料质量评价方法。
背景技术：
：道路无损检测技术具有高效、快速、无损的特点，是道路检测领域未来发展的重要趋势。就沥青路面而言，无损检测设备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判断。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常数的相关研究主要集中于各组分介电常数和组分的比例关系，包括常见的brown模型、crim模型、rayleigh模型等，在多个的研究领域已经取得了一定的应用。这些模型仅仅考虑了组分间的比例关系，缺乏对环境因素等可能影响无损检测精度的因素进行考量。在此基础之上，也有一部分专家考虑了无损检测设备的频率因素和外界环境中的温度因素对检测精度的影响，建立了基于温度、频率的复合材料介电模型，但是这些理论模型对无损检测设备的精度提升较为有限，并未将相对湿度这一重要环境因素纳入到影响因素之中。在实际环境中，除了存在动态变化的温度影响，相对湿度的变化也会实时地影响无损检测设备对介电常数的测定。因此，提出一种量化相对湿度因素的沥青混合料质量评价方法尤为必要。技术实现要素：本发明的目的在于，提供一种量化相对湿度因素的沥青混合料质量评价方法，用于解决现有技术中在对沥青混合料介电特性的影响因素评价时未考虑湿度因素的问题。为解决上述技术问题，本发明提供了一种量化相对湿度因素的沥青混合料质量评价方法，其步骤包括：备样、养生、介电常数测定、建立介电理论模型、验证理论模型以及质量评价；建立介电理论模型步骤具体包括：基于介电常数测定步骤中获取的数据，建立相对湿度与介电常数之间的量化关系，得到介电理论模型；质量评价步骤具体包括：根据介电理论模型计算电导活化能值，用于评价沥青混合料的质量。其中，建立介电理论模型步骤中介电理论模型的表达式为：式中，ε为介电常数，εb为沥青的介电常数，εs为集料的介电常数，d为测试样品厚度，kh为每单位湿度引入的单位体积内的偶极子数、极化率和局部电场的乘积，h为相对湿度，u为电压值，vh为空气的体积比例，vb为沥青的体积比例，vs为集料的体积比例。其中，介电理论模型的表达式中kh＝nhαhe′；其中，nh为每单位湿度引入的单位体积内的偶极子数，αh为每单位湿度引入的极化率，e′为电介质中的局部电场。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3个平行试样。优选的，备样步骤中的沥青选自sbs改性沥青，集料选自石灰岩；试样均为中间开有孔的薄片。其中，养生步骤具体包括：将试样分别放在若干个湿度指标相异的恒温恒湿箱中进行养生。其中，介电常数测试步骤具体包括：分别测定经过不同湿度条件养生处理后的试样的介电常数。其中，介电常数测试步骤中采用介电常数测试平台进行测试，测试温度为30～60℃，测试电压设定值为2v，测试频率为1khz～1mhz。其中，验证理论模型步骤具体包括：基于介电常数测定步骤中实测的不同湿度条件下介电常数，绘制关于相对湿度-介电常数的实测曲线；基于介电理论模型，绘制关于相对湿度-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，则判定介电理论模型有效。优选的，同模型曲线与实测曲线的拟合度进行对比的预设值为0.95。本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明提供了一种量化相对湿度因素的沥青混合料质量评价方法，通过量化相对湿度，构建关于相对湿度的介电常数理论模型，由此能够减少相对湿度对沥青混合料质量评价的影响，实现无损检测设备检测精度的提升。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中沥青混合料在不同测试频率下相对湿度-介电常数曲线的对比图。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。本发明中量化相对湿度因素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3个平行试样；本实施方式中，沥青选自sbs改性沥青，集料选自石灰岩，试样均为中间开有孔的薄片；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，养生。本步骤中，将试样分别放在若干个湿度指标相异的恒温恒湿箱中进行养生，本实施方式设定的养生湿度条件分别为50％、60％、70％、80％、90％、100％，在其他实施方式中，可根据实际情况进行湿度条件的设置，在此不作限定。s3，介电常数测定。本步骤中，分别测定经过不同湿度条件养生处理后的试样的介电常数，并计算得到电导活化能。本实施方式中，介电常数测试步骤中采用介电常数测试平台进行测试，介电常数测试的参数为：测试温度为30～60℃，测试电压设定值为2v，测试频率为1khz～1mhz，具体测试频率为1khz、10khz、100khz、1mhz。s4，建立介电理论模型。空气中极性气体占据绝大多数，水气作为典型的极性气体，其含量的增加会大大增加极化强度。理论上来说，相对湿度对沥青混合料介电常数的影响从本质上来说即是对沥青混合料电极化强度的影响。由电极化强度的定义可知，电极化强度的大小等于电极化产生的极化电荷面密度，即：p＝σ′(1)式(1)中：p为电极化强度；σ′为极化电荷面密度。自由电荷和极化电荷产生的电场强度大小分别如式(2)和(3)所示：式(2)和(3)中：为e0自由电荷产生的电场强度；e′为极化电荷产生的电场强度；σ为自由电荷面密度；σ′为极化电荷面密度；ε0为真空的介电常数。则介质中的电场强度可表示为：由于电场强度存在如下关系：则自由电荷面密度与极化电荷面密度的关系可表示为：故可进一步得到电介质中电极化强度与电场强度的关系为：可以得到介质介电常数与电极化强度的关系为：对于匀强电场而言，电场强度可以表示为：则介质介电常数与电极化强度的关系可以表示为：由于crim模型的拟合优度相对较好，采用crim模型作为沥青混合料介电模型的表达式如下公式(11)所示：通常情况下，空气组分的介电常数常当作1处理，但如考虑空气中的水气和相对湿度，则不能忽略空气组分的介电常数变化。在电介质物理学中，电极化强度可以表示为单位体积内电介质的总偶极矩，即：p＝nαe′(12)式(12)中：n为单位体积内的偶极子数；α为每单位的极化率；e′为电介质中的局部电场。则水气对电极化强度的影响可以表示为：ph＝hnhαhe′(13)式(13)中：h为相对湿度；nh为每单位湿度引入的单位体积内的偶极子数；αh为每单位湿度引入的极化率。假设在试验条件下，局部电场不随相对湿度变化，则可以将nhαhe′用常数kh表示，得到表达式为：ph＝hkh(14)联立公式可得：将公式(15)化简为介电常数与相对湿度的关系式为下式(16)所示：由于各组分体积和集料、沥青组分的介电常数均为已知量，真空中介电常数为1，电场强度可设定，则上式(16)中未知的变量仅有相对湿度，故可得到相对湿度与沥青混合料介电常数之间的理论联系。s5，验证理论模型。本步骤中，基于介电常数测定步骤中实测的不同湿度条件下介电常数，绘制关于相对湿度-介电常数的实测曲线；基于介电理论模型，绘制关于相对湿度-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，则判定上述介电理论模型对沥青混合料具有较好的评价适用性。本实施方式中，将拟合度r2所需对比参考的预设值设为0.95，在其他实施方式中可根据实际需求，对参考的预设值进行适应性调整，在此不作限定。s6，质量评价。本步骤中，根据上述介电理论模型以及测得的相对湿度等参数，计算出电导活化能值，用于评价沥青混合料的质量。由于现有的质量评价方式并未考虑相对湿度这一影响因素，而影响因素考虑不全面，势必会对最终的质量评价结果产生较大的影响，而本发明中量化相对湿度，并把相对湿度融入介电常数理论模型的表达式中，建立了关于相对湿度的介电常数理论模型式，由此能够减少相对湿度对沥青混合料质量评价的影响，实现无损检测设备检测精度的提升。下面通过具体实施例对上述量化相对湿度因素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。选用ac-20c石灰岩沥青混合料试件作为研究对象，集料为来自中国湖北省的石灰岩和玄武岩，沥青为sbs改性沥青，各项指标均满足规范要求，最佳油石比为4.3％，试件空隙率应保证控制在4％左右，其配合比如下表1所示。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sbs改性沥青，同时采用来自中国湖北省的石灰岩集料。将沥青和集料组合制作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)养生。本实施例中所用的高温测试平台为长沙三琦电子科技有限公司生产的htms10y1110型，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。本实施例中养生所采用的设备主要是恒温恒湿箱，设定养生湿度条件分别为50％、60％、70％、80％、90％、100％。(3)介电常数测试。本实施例中所采用的设备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。待沥青混合料试件达到恒温恒湿状态后，采用介电常数测试平台进行沥青混合料的介电常数测试试验。按照次序先后将50％、60％、70％、80％、90％、100％六种相对湿度条件下养生的沥青混合料试件在1khz、10khz、100khz、1mhz四个频率条件下进行介电常数测量试验，测试电压为2v。由于3个平行试验样品可能存在一定的变异性，为保证试验数据的可靠性和真实性，若在某一频率、某一温度下平时试验样品介电常数的变异系数超过1％，则证明该试件均匀性较差，需重新选择一批样品进行试验。(4)建立介电理论模型，介电理论模型的表达式为：其中，ε为介电常数，εb为沥青的介电常数，εs为集料的介电常数，d为测试样品厚度，kh为每单位湿度引入的单位体积内的偶极子数、极化率和局部电场的乘积，h为相对湿度，u为电压值，vh为空气的体积比例，vb为沥青的体积比例，vs为集料的体积比例。介电理论模型的表达式中kh＝nhαhe′，nh为每单位湿度引入的单位体积内的偶极子数，αh为每单位湿度引入的极化率，e′为电介质中的局部电场。(5)验证介电理论模型。测量沥青混合料试件在50％、60％、70％、80％、90％、100％六种相对湿度条件、1khz、10khz、100khz、1mhz四个频率条件下的介电常数，绘制关系图如下图3所示，其中所表述的拟合值数据均为通过前述介电理论模型拟合得到，相关拟合参数的结果如下表2所示。表2模型参数拟合结果频率(hz)vhvbvsudkhr21k0.040.3960.920420.0165.600.951910k0.040.3960.920420.0137.320.9593100k0.040.3960.920420.0116.930.95251m0.040.3960.920420.014.490.9547从图3所得沥青混合料在四种频率、六种相对湿度条件下的介电常数测试结果来看，本实施例得到的基于相对湿度的沥青混合料介电模型r2的拟合优度较好，四种不同频率条件下r2的拟合优度均在0.95以上，该模型对于沥青混合料的介电常数测定是切实有效的，可以作为量化相对湿度对沥青混合料介电特性影响的理论基础。基于上述测试数据，下面将分别就频率和相对湿度两个因素的影响进行分析。a.从频率角度而言，在1khz～1mhz频率范围内，沥青混合料的介电常数随着频率的增大而减小，说明频率是影响沥青混合料的介电常数的主要因素。与此同时，介电常数值的减小幅度随着相对湿度的增加而增大，在100％相对湿度时的沥青混合料介电常数差值最大为0.6292，在50％相对湿度时的沥青混合料介电常数差值最小为0.2942，可看出相对湿度这一影响因素确实会对介电常数产生较大的影响。b.从相对湿度角度而言，在50％～100％相对湿度范围内，沥青混合料的介电常数随着相对湿度的增大而增大，说明相对湿度是影响沥青混合料的介电常数的主要因素。与此同时，介电常数值的增大幅度随着频率的增大而减小，测量在1khz时的介电常数差值最大为0.2942，在1mhz时的介电常数差值最小为0.1007。上述基于量化相对湿度因素的沥青混合料质量评价方法所进行的分析，能够有效应用于无损检测过程中，提升无损检测设备的检测精度，为无损检测设备的应用推广奠定了基础。区别于现有技术的情况，本发明提供了一种量化相对湿度因素的沥青混合料质量评价方法，通过量化相对湿度，构建关于相对湿度的介电常数理论模型，由此能够减少相对湿度对沥青混合料质量评价的影响，实现无损检测设备检测精度的提升。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。当前第1页12