一种利用汉堡车辙确定沥青路面预养护时机的方法和系统与流程

1.本发明属于沥青路面养护技术领域，更具体地，涉及一种利用汉堡车 辙确定沥青路面预养护时机的方法和系统。


背景技术：

2.尽管我国已有相关规范规定了路面预养护的材料与应用技术，但如何 确定沥青路面的预养护时机依然是一件困难的事情。目前主流的确定预养 护时机的方式有三种，第一种是对沥青路面开展技术状况检测，其通过路面 破损指数pci以及路面技术状况指数pqi的衰减规律及临界值来确定预养 护时机；第二种是如同中国专利cn106592395a中所公开的一种沥青路面 养护时机的判断方法，其利用老化沥青的流动性能来确定养护时机；第三种 是如同专利cn107741351b中所公开的一种沥青路面预防性养护最佳时机 的确定方法，其从沥青混合料的破坏机理出发，建立相应的细观指标作为预 防性养护实施的最佳时机的判断指标。
[0003][0004]
然而，上述方法均存在一些不可忽略的技术问题：
[0005]
(1)上述第一种方法中，其需要使用专用的路面检测仪器。然而由于 路面技术状况检测最多为一年一次，很多企业因经费不足可能会将路检延 长至二年一次，时间跨度长，这些问题会导致预养护时机判定过于宽泛， 无法体现沥青混凝土材料性能的衰变特征，因而指导性不强，极易错过最 佳养护时机。
[0006]
(2)上述第二种方法过于繁琐，且只适用于含钢棉纤维的感应加热沥 青混凝土，这种具有自愈合功能的沥青路面在我国应用极少，并不具备代 表性，仅仅对沥青混凝土中的老化沥青流动性开展测试容易造成“以偏概全
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的问题，不适用于沥青路面真实的服役环境。
[0007]
(3)上述第三种方法需要频繁使用ct设备扫描与疲劳实验相结合， 判定依据复杂，在实际应用时较难实行，实验的测试环境与沥青路面实际 服役情景差异较大，导致结果并不准确。


技术实现要素：

[0008]
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种利用汉堡车 辙确定沥青路面预养护时机的方法和系统，其目的在于，解决现有基于沥 青路面的技术状况检测实现的预养护时机确定方法由于费用昂贵、时间跨 度长，导致无法体现沥青混凝土材料性能的衰变特征、指导性不强、极易 错过最佳养护时机的技术问题，以及现有利用老化沥青的流动性能来确定 养护时机的方法不适用于沥青路面真实的服役环境、适用性差的技术问题， 以及现有基于沥青混合料的破坏机理的实现方法由于在实际应用时较难实 行、实验的测试环境与沥青路面实际服役情景差异较大导致结果并不准确 的技术问题。
[0009]
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种利用汉堡车辙 确定沥青路
面预养护时机的方法，包括以下步骤：
[0010]
(1)采用旋转压实法成型沥青混合料并静置；
[0011]
(2)初始化沥青混合料的碾压次数n＝0；
[0012]
(3)判断沥青混合料的碾压次数是否已经达到预设阈值，如果是则进 入步骤(6)，否则转入步骤(4)；
[0013]
(4)根据设定的沥青混合料的碾压次数并利用汉堡车辙试验仪对静置 处理后的沥青混合料进行碾压测试，以得到沥青混合料碾压轮辙处的车辙 深度h，并暂停测试，得到从沥青混合料的表面剥离的集料质量δ1，通过该 集料质量δ1得到沥青混合料的集料剥落系数α＝δ1/δ2，其中δ2为沥青混合 料的总质量，并获取沥青混合料碾压轮辙处的抗滑系数bpn；
[0014]
(5)将沥青混合料的碾压次数n设置为n＝n t，并返回步骤(3)；其 中t的取值是10的s倍，s的取值是∈[1，10]。
[0015]
(6)根据得到的不同碾压次数及对应的不同抗滑系数bpn获取第一 关系图，根据该第一关系图并使用指数函数拟合法构建碾压次数-抗滑系数 曲线，并根据构建的碾压次数-抗滑系数曲线确定拟合公式中的参数，从而 得到碾压次数-抗滑系数拟合公式bpn＝y0 a*exp(-n/t1)；根据得到 的不同碾压次数及对应的车辙深度h获取第二关系图，根据该第二关系图 并使用指数函数拟合法构建碾压次数-车辙深度曲线，并根据构建的碾压次 数-车辙深度曲线确定拟合公式中的参数，从而得到碾压次数-车辙深度拟合 公式h＝y1 b*exp(-n/t2)；根据得到的不同碾压次数及对应的集料剥 落系数α获取第三关系图，根据该第三关系图并使用线性函数拟合法构建碾 压次数-集料剥落系数曲线，并根据构建的碾压次数-集料剥落系数曲线确定 拟合公式中的参数，从而得到碾压次数-集料剥落系数拟合公式α＝c d* n；其中y0、y1、a、b、c、d、t1、t2均为拟合参数。
[0016]
(7)分别根据预设抗滑系数的下限值、预设集料剥落系数的下限值、 以及预设车辙深度的下限值在碾压次数-抗滑系数曲线、碾压次数-集料剥落 系数曲线、以及碾压次数-车辙深度曲线中获取对应的碾压次数，将得到的 三个碾压次数中的最小值作为选定的碾压次数n；
[0017]
(8)根据步骤(7)选定的碾压次数n确定沥青路面的预养护时机， 过程结束。
[0018]
优选地，步骤(1)的成型过程是根据沥青路面生产配合比进行成型操 作，沥青路面生产配合比是根据沥青路面的目标配合比确定的，静置过程 最少是24小时。
[0019]
优选地，沥青混合料为圆柱形，其直径为150mm，高度为110至115mm 之间。
[0020]
优选地，汉堡车辙试验的水浴温度为50℃；
[0021]
抗滑系数bpn是使用摆式摩擦仪获取。
[0022]
优选地，步骤(7)中如果碾压次数-车辙深度曲线中出现剥落反弯点， 则将该剥落反弯点对应的碾压次数作为选定的碾压次数n；
[0023]
预设抗滑系数的下限值是45，预设集料剥落系数的下限值是10％，预 设车辙深度的下限值是15毫米。
[0024]
优选地，步骤(8)中的沥青路面的材料组成与沥青混合料的材料组成 完全一致。
[0025]
优选地，沥青路面的预养护时机是该沥青路面的累计车流量s到达 0.17n时，其中车流量s的单位是万辆。
[0026]
按照本发明的另一方面，提供了一种利用汉堡车辙确定沥青路面预养 护时机的系统，包括：
[0027]
第一模块，用于采用旋转压实法成型沥青混合料并静置；
[0028]
第二模块，用于初始化沥青混合料的碾压次数n＝0；
[0029]
第三模块，用于判断沥青混合料的碾压次数是否已经达到预设阈值， 如果是则进入第六模块，否则转入第四模块；
[0030]
第四模块，用于根据设定的沥青混合料的碾压次数并利用汉堡车辙试 验仪对静置处理后的沥青混合料进行碾压测试，以得到沥青混合料碾压轮 辙处的车辙深度h，并暂停测试，得到从沥青混合料的表面剥离的集料质量 δ1，通过该集料质量δ1得到沥青混合料的集料剥落系数α＝δ1/δ2，其中δ2为沥青混合料的总质量，并获取沥青混合料碾压轮辙处的抗滑系数bpn；
[0031]
第五模块，用于将沥青混合料的碾压次数n设置为n＝n t，并返回第 三模块；其中t的取值是10的s倍，s的取值是∈[1，10]。
[0032]
第六模块，用于根据得到的不同碾压次数及对应的不同抗滑系数bpn 获取第一关系图，根据该第一关系图并使用指数函数拟合法构建碾压次数
‑ꢀ
抗滑系数曲线，并根据构建的碾压次数-抗滑系数曲线确定拟合公式中的参 数，从而得到碾压次数-抗滑系数拟合公式bpn＝y0 a*exp(-n/t1)； 根据得到的不同碾压次数及对应的车辙深度h获取第二关系图，根据该第 二关系图并使用指数函数拟合法构建碾压次数-车辙深度曲线，并根据构建 的碾压次数-车辙深度曲线确定拟合公式中的参数，从而得到碾压次数-车辙 深度拟合公式h＝y1 b*exp(-n/t2)；根据得到的不同碾压次数及对应 的集料剥落系数α获取第三关系图，根据该第三关系图并使用线性函数拟合 法构建碾压次数-集料剥落系数曲线，并根据构建的碾压次数-集料剥落系数 曲线确定拟合公式中的参数，从而得到碾压次数-集料剥落系数拟合公式 α＝c d*n；其中y0、y1、a、b、c、d、t1、t2均为拟合参数。
[0033]
第七模块，用于分别根据预设抗滑系数的下限值、预设集料剥落系数 的下限值、以及预设车辙深度的下限值在碾压次数-抗滑系数曲线、碾压次 数-集料剥落系数曲线、以及碾压次数-车辙深度曲线中获取对应的碾压次数， 将得到的三个碾压次数中的最小值作为选定的碾压次数n；
[0034]
第八模块，用于根据第七模块选定的碾压次数n确定沥青路面的预养 护时机，过程结束。
[0035]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够 取得下列有益效果：
[0036]
(1)本发明由于采用了步骤(1)到步骤(8)，其通过抗滑系数、车 辙深度与剥落系数对应的最小碾压次数n来确定沥青混合料的预养护时机， 因此能够解决现有第一种方法存在的养护时机判定不精确的技术问题；
[0037]
(2)本发明由于采用了步骤(1)到步骤(2)，其测试对象的材料组 成与对应的沥青路面完全一样，且在碾压过程中模拟了沥青路面车辆行驶 及动水损害等情景，因此能够解决现有第二种方法存在的应用范围窄、不 适用于所有沥青路面的技术问题；
[0038]
(3)本发明由于采用了步骤(6)到步骤(8)，其通过计算抗滑系数、 车辙深度与剥落系数对应的最小碾压次数n，进而与已经服役的沥青路面 累计车流量建立对应关系，能
够方便快捷地确定沥青路面的预养护时机， 因此能够解决现有第三种方法由于实操性差、无法代表真实沥青路面服役 情景的导致准确性较差的技术问题；
[0039]
(4)本发明的汉堡车辙试验可在实验室内进行，而其对应的沥青路面 的累计车辆流量为公开数据，可以很方便的查询和统计。由此可快速、准 确地测试沥青混合料并求取其对应的沥青路面最佳养护时机，具有可操作 性强、复现性好等优点，能很好指导不同类型沥青路面预防性养护。
附图说明
[0040]
图1是本发明方法的步骤(7)中针对ac-13型沥青混合料获取碾压次 数的示意图；
[0041]
图2是本发明方法的步骤(7)中针对sma-13型沥青混合料获取碾压 次数的示意图；
[0042]
图3是本发明汉堡车辙实验中出现剥落反弯点的结果示例；
[0043]
图4是本发明利用汉堡车辙确定沥青路面预养护时机的方法的流程图。
具体实施方式
[0044]
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。此外，下面所描述的 本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可 以相互组合。
[0045]
本发明实现的技术原理为：沥青路面建设后会遭受车辆荷载、雨水、 环境温度等因素的影响，在汽车车轮荷载使用下，沥青路面性能逐渐下降。 沥青混合料性能下降主要体现在表层出现抗滑性能衰减、集料开始剥落以 及轻度车辙病害出现。这些均在沥青路面预养护的时间范围内。一般认为， 新建沥青路面在交工验收后两年开展竣工验收，此时按照jtgd50《公路 沥青路面设计规范》要求，沥青路面bpn需大于45；我国jtg/t5124《公 路沥青路面预防养护技术规范》中也将车辙深度小于15mm定义为预防性 养护范畴；此外申请人前期研究发现，路面出现少许集料掉粒时，即集料 从路面剥落比率小于10％时可开展罩面等预防性养护措施。而汉堡车辙实 验要求沥青混合料试件在测试中需同时经受轮碾与热水侵蚀，是一种较为 常见的测试沥青混合料耐久性能的办法。综合上述规定，本专利利用汉堡 车辙试验仪对沥青混合料开展测试，提出将沥青混合料碾压轮辙处的抗滑 系数(摆值bpn≥4(5)、集料剥落系数(α≤10％)与车辙深度(h≤15mm 或出现剥落反弯点时)作为技术指标，并利用平衡设计理念求得同时满足 三个技术指标时的临界轮碾次数，然后将其等效为实际沥青路面累计车辆 流量。
[0046]
如图4所示，本发明公开了一种利用汉堡车辙确定沥青路面预养护时 机的方法，包括以下步骤：
[0047]
(1)采用旋转压实法成型沥青混合料并静置；
[0048]
具体而言，本步骤的成型过程中是根据沥青路面生产配合比进行成型 操作，而沥青路面生产配合比是根据沥青路面的目标配合比确定的；
[0049]
采用的旋转压实法成型的沥青混合料为圆柱形，直径150mm，高度为 110至115mm之间；
[0050]
更进一步而言，本步骤中的静置过程最少是24小时。
[0051]
(2)设定沥青混合料的碾压次数n，其初始值为0；
[0052]
需要说明的是，0次碾压代表沥青混合料新建状态，20000次碾压代表 沥青混合料遭受破坏时的状态；
[0053]
(3)判断沥青混合料的当前碾压次数是否已经达到预设阈值，如果是 则进入步骤(6)，否则转入步骤(4)；
[0054]
具体而言，本步骤中的预设阈值是10的整数倍，且其最大值是20000 次。
[0055]
(4)根据设定的沥青混合料的碾压次数并利用汉堡车辙试验仪(汉堡 车辙试验的水浴温度为50℃)对静置处理后的沥青混合料进行碾压测试， 以得到沥青混合料碾压轮辙处的车辙深度h，并暂停测试，得到从沥青混合 料的表面剥离的集料质量δ1，通过该集料质量δ1得到沥青混合料的集料剥 落系数α＝δ1/δ2，其中δ2为沥青混合料的总质量，并获取沥青混合料碾压 轮辙处的抗滑系数bpn(使用摆式摩擦仪获取)；
[0056]
(5)将沥青混合料的碾压次数n设置为n＝n t，并返回步骤(3)；
[0057]
具体而言，本步骤中t的取值是10的s倍，s的取值是∈[1，10]。
[0058]
(6)根据得到的不同碾压次数及对应的不同抗滑系数bpn获取第一 关系图，根据该第一关系图并使用指数函数拟合法构建碾压次数-抗滑系数 曲线，并根据构建的碾压次数-抗滑系数曲线确定拟合公式中的参数，从而 得到碾压次数-抗滑系数拟合公式bpn＝y0 a*exp(-n/t1)；根据得到 的不同碾压次数及对应的车辙深度h获取第二关系图，根据该第二关系图 并使用指数函数拟合法构建碾压次数-车辙深度曲线，并根据构建的碾压次 数-车辙深度曲线确定拟合公式中的参数，从而得到碾压次数-车辙深度拟合 公式h＝y1 b*exp(-n/t2)；根据得到的不同碾压次数及对应的集料剥 落系数α获取第三关系图，根据该第三关系图并使用线性函数拟合法构建碾 压次数-集料剥落系数曲线，并根据构建的碾压次数-集料剥落系数曲线确定 拟合公式中的参数，从而得到碾压次数-集料剥落系数拟合公式α＝c d* n；其中y0、y1、a、b、c、d、t1、t2均为拟合参数。
[0059]
(7)分别根据预设抗滑系数的下限值、预设集料剥落系数的下限值、 以及预设车辙深度的下限值在碾压次数-抗滑系数曲线、碾压次数-集料剥落 系数曲线、以及碾压次数-车辙深度曲线中获取对应的碾压次数，将得到的 三个碾压次数中的最小值作为选定的碾压次数n；其中，如果碾压次数-车 辙深度曲线中出现剥落反弯点(如图3所示，出现剥落反弯点代表沥青混 合料出现加速破坏，错过了最佳养护时机)，则将该剥落反弯点对应的碾压 次数作为选定的碾压次数n，如图1和图2所示；
[0060]
具体而言，预设抗滑系数的下限值是45，预设集料剥落系数的下限值 是10％，预设车辙深度的下限值是15毫米。
[0061]
(8)根据步骤(7)选定的碾压次数n确定沥青路面的预养护时机。
[0062]
具体而言，本步骤中沥青路面(其材料组成与前述步骤中沥青混合料 的材料组成完全一致)的预养护时机，是该沥青路面的累计车流量(万辆) s到达0.17n时。
[0063]
实施例1
[0064]
第一步：制备试样
[0065]
采用碱性集料石灰岩与改性沥青，采用ac-13型密级配，设计级配与 油石比信息如下表1所示。然后按照t 0736-2011沥青混合料旋转压实试件 制作方法(sgc方法)，利用
旋转压实仪制备标准圆柱形沥青混合料试件， 试件直径测得为150mm，高度为112mm。
[0066]
表1沥青混合料级配与油石比信息
[0067]
规格[mm]9.5-164.75-9.52.36-4.750-2.36矿粉油石比比例[％]2428123154.8
[0068]
第二步：汉堡车辙实验
[0069]
将第一步中获得的旋转压实圆柱试件置于汉堡车辙仪水槽中水浴50℃ 保温5h，然后在50℃水浴条件下对圆柱形式样开展碾压，并在0、2000、5000、10000、20000次暂停实验，将碾压处理后的样品开展实验测试。
[0070]
第三步：确定试样bpn
[0071]
将第二步中0、2000、5000、10000、20000次碾压后样品在室温下自 然通风放置48h使试件内部水分挥发，然后使用摆式摩擦仪，分别测试并 记录试样的摆值。由于摆式摩擦试验是一种无损测试方法，因此测试完成 的试件仍然可以继续开展汉堡车辙实验。
[0072]
表2不同圆柱试样摆值
[0073][0074]
第四步：确定试样集料剥落率
[0075]
将第二步中0、2000、5000、10000、20000次碾压后样品在室温下自 然通风放置48h，使试件水分挥发完全，按照下面公式计算集料剥落率，对 应的结果如表3所示。
[0076]
α＝δ1/δ2，
[0077]
其中δ1为碾压暂停时从沥青混合料试件表面剥离的集
[0078]
料质量；δ2为沥青混合料试件总质量。
[0079]
表3圆柱试样不同碾压次数后的集料剥落率
[0080][0081]
第五步：确定试样车辙深度
[0082]
利用汉堡车辙仪自带的位移传感器，读取在0、2000、5000、10000、 20000次碾压后的车辙深度，对应的结果如表4所示。
[0083]
表4圆柱试样不同碾压次数后的车辙深度
[0084][0085]
第六步：确定预养护时机
[0086]
将实验中获得的bpn20、车辙深度和集料剥落率数据在坐标图中绘制， 对应的结果如图1所示。
[0087]
由图1可以看出，碾压次数与摆值、剥落率及车辙深度的拟合相关性 均较好，拟合相关性系数均超过了0.9。汉堡车辙临界碾压次数为14602次。
[0088]
与该沥青混合料对应的沥青路面的年交通量统计结果如表5所示。表5 所代表的沥青路面是湖北省中部某条交通运载量比较繁忙的高速公路。
[0089]
表5沥青路面开通后的年车辆流量统计表
[0090]
年度总流量(万辆)增长率2014686.0 2015817.919.2％2016973.218.7％20171348.238.9％
[0091]
可求得该沥青路面需要及时开展预防性养护的最晚时间为其累计交通 总流量s＝0.17
×
14602＝2482.34万辆。此时对应的沥青路面累计服役时间为 2017年1月(因为自2014至2016年该沥青路面车辆总流量为2477.1万辆； 而2017年1月时累计车辆总流量即可达到2482.34万辆)，即该沥青路面的 最佳养护时机约为服役后的3至3年零1月之间。
[0092]
实施例2
[0093]
实施例2中涉及的沥青混合料矿料级配采用sma-13型级配，油石比 设为6.3％，制备的试件直径测得为150mm，高度为113mm。
[0094]
表6沥青混合料级配与油石比信息
[0095]
规格[mm]9.5-164.75-9.52.36-4.750-2.36矿粉油石比比例[％]44308996.3
[0096]
分别测试不同碾压次数下沥青混合料试件的摆值、剥落率及车辙深度， 结果如下表所示：
[0097]
表7沥青混合料在汉堡车辙试验仪中的测试数据
[0098][0099]
将实验中获得的bpn20、车辙深度和集料剥落率数据在坐标轴中绘制， 对应的结果如图2所示。
[0100]
由图2可以看出，碾压次数与摆值、剥落率及车辙深度的拟合相关性 均较好，拟合相关性系数均超过了0.9。由于sma沥青混合料耐久性更好， 因此在碾压结束时，其剥落率与车辙深度均未达到下限，因而临界碾压次 数由摆值的下限来决定，计算为7961次。
[0101]
与该沥青混合料对应的沥青路面的年交通量统计表如表8所示。表8 代表的沥青路面是连接我国南北纵向的某高速公路湖北段，于2018年1月 沥青路面经重新修建后开放交通。
[0102]
表8沥青路面开通后的年车辆流量统计表
[0103]
年度总流量(万辆)增长率20182127.626.90％20192274.53-25.72％20201689.5141.36％20212388.326.90％
[0104]
可求得该沥青路面需要及时开展预防性养护的最晚时间为其累计交通 总流量s＝0.17
×
7961
×
10000＝1353.37万辆。此时对应的沥青路面累计服役时 间为2018年8月(因为自2018年1月开通以来，在8月时其累计车辆交 通量已可达到1353.37万辆)。由于此沥青路面交通量异常繁重，需要及时 对其进行预防性养护以防止病害发生，保障服役质量。综合预防性养护经 济效益等原因，即该沥青路面的最佳养护时机为服役后的第8个月。
[0105]
由上述两个实际沥青路面的实施例可以看出，沥青路面服役后车流量 较大时，其预防性养护时机也应提前；反之则其预防性养护时机相应较晚。 本发明公开的确定沥青路面养护时机的方法与实际沥青路面的结合性较强， 具有较强的可实施性。
[0106]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等 同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。