基于传感器检测的透水沥青路面的冲洗时机决策方法 |
|||||||
| 申请号 | CN202410100529.4 | 申请日 | 2024-01-24 | 公开(公告)号 | CN117926675A | 公开(公告)日 | 2024-04-26 |
| 申请人 | 东南大学; | 发明人 | 董侨; 王天宇; 陈雪琴; 姚康; 史斌; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种基于 传感器 检测的透 水 沥青 路面的冲洗时机决策方法，包括制作沥青混合料试件；应用平面电容传感器测试试件的电容值；测试试件的渗透系数；进行多组原位堵塞试验；测试堵塞试验后试件的电容值和渗透系数；对渗透系数进行修正并计算每组堵塞试验后的堵塞程度；最后，将堵塞程度和电容值对应关系进行拟合，优化建立适用于实际情况的拟合公式，对实际透水沥青路面进行检测，依据堵塞程度标准，做出透水沥青路面的冲洗时机决策。通过本发明方法，可将平面电容传感器获得的实际路面电容值，通过拟合公式转化为相应的堵塞程度，实现了对沥青路面堵塞状态的无损连续检测，提升了路面检测效率，对透水沥青路面的冲洗时机决策具有重要意义。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种基于传感器检测的透水沥青路面的冲洗时机决策方法，其特征在于，包括以下步骤： |
||||||
| 说明书全文 | 基于传感器检测的透水沥青路面的冲洗时机决策方法技术领域背景技术[0002] 透水沥青路面作为海绵城市的组成部分，其高空隙结构能够有效减少地表雨水径流，保证行车安全，贯通性的空隙结构还具备吸音降噪、调节地表温湿度等功能，可以显著提高道路服务质量并减缓城市热岛效应。但高空隙结构特点也使其易受颗粒物的堵塞作用影响，使得透水沥青路面的有效空隙率降低，功能性减弱，甚至导致其服役寿命受到消极影响。 [0003] 我国公路建设正由高速度向高质量转换发展，公路的检测养护对快速化、无损化和智能化要求越来越高。传统的道路检测方法成本高昂、效率低下、检测周期长，会对道路检测点造成结构性破坏且适用能力有限，对检测环境要求严苛，无法满足现代道路结构的检测需求。 发明内容[0004] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于传感器检测的透水沥青路面的冲洗时机决策方法，可将平面电容传感器获得的实际路面电容值，通过拟合公式转化为相应的堵塞程度，实现了对沥青路面堵塞状态的无损连续检测，提升了路面检测效率，对透水沥青路面的冲洗时机决断具有重要意义。 [0005] 申请人在构思历程中认为： [0006] 平面电容传感器是基于边缘效应检测原理的电容传感器，当两电极置于同一平面时，正极发出的电场线会以圆弧形式指向负极，当电场中引入非金属介质时，电场线会发生偏折，引起电容值的变化。平面电容传感器具有非侵入、无辐射、便携、成本低等优点。 [0007] 透水沥青路面的堵塞程度影响着道路的服务质量。当堵塞程度较高时，透水沥青路面的功能性下降，地表雨水径流增强，对行车的安全性产生消极影响。道路吸音降噪和保湿保温性能的下降，对于道路服务质量也具有消极影响。将平面电容传感器应用于透水沥青路面堵塞程度检测，可无损、连续、高效获取路面堵塞程度，相比于传统道路检测方法具有明显优势，对于透水沥青路面冲洗时机决策具有重要意义。 [0008] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现： [0009] 本发明提供一种基于传感器检测的透水沥青路面的冲洗时机决策方法，包括以下步骤： [0010] (1)制作沥青混合料试件，应用平面电容传感器获取试件的初始电容值C； [0011] (2)应用渗透系数测试装置，测试沥青混合料试件的初始渗透系数K； [0012] (3)对沥青混合料试件进行多组原位堵塞试验，在每组堵塞试验结束后，应用平面电容传感器分别获取试件的电容值Cn，应用渗透系数测试装置分别测试试件的渗透系数[0013] (4)对初始渗透系数K和每组堵塞试验后的渗透系数 进行温度修正，获取修正后*的渗透系数K， [0014] (5)利用修正后的渗透系数计算每组堵塞试验后的沥青混合料堵塞程度In； [0015] (6)将每组堵塞试验后的堵塞程度In和电容值Cn进行拟合，得到堵塞程度和电容值的拟合公式； [0016] (7)利用平面电容传感器对实际透水沥青路面进行检测，获取沥青混合料的电容值，通过所述拟合公式得到透水沥青路面的理论堵塞程度； [0017] (8)依据堵塞程度标准，做出透水沥青路面的冲洗时机决策。 [0018] 进一步地，对于新建透水沥青道路，可采用步骤(1)‑(7)，首先，室内成型沥青混合料试件。接着，通过试验获取堵塞程度和电容值，对堵塞程度和电容值进行拟合。最后，在道路投入使用一段时间后，对实际的透水沥青路面进行试验，以实际堵塞程度对拟合得到的理论堵塞程度进行标定，应用于实际路面检测；对于旧有透水沥青道路，首先，选取具有统计意义一些的测量点位。接着，利用平面电容传感器测试其电容值，同时进行现场渗透试验得出实际堵塞程度。最后，将各点位电容值与实际堵塞程度进行拟合，得出拟合公式，即可应用于工程实践。 [0019] 进一步地，步骤(1)和(3)中，所述平面电容传感器包括两片共面电极、与共面电极连接的激励电源、与共面电极连接的感应电极、与感应电极连接的数据采集系统。 [0021] 测量沥青混合料试件电容值时，将试件放置在平面电容传感器中心位置。 [0022] 进一步地，步骤(2)和(3)中，沥青混合料的渗透系数试验装置包括： [0023] 透水圆筒：设于沥青混合料样品上端，用于自沥青混合料样品上表面的注水； [0024] 金属套筒：设于透水圆筒下端，用于固定沥青混合料样品、防止渗流水外流； [0025] 溢流水槽：透水圆筒、金属套筒和沥青混合料样品均设于所述溢流水槽中，沥青混合料样品下表面渗流出水承接于所述溢流水槽中； [0026] 直尺：用于测量沥青混合料样品尺寸、透水圆筒尺寸、溢流水槽尺寸； [0027] 其中，透水圆筒内径与沥青混合料样品直径匹配。 [0028] 进一步地，步骤(2)和(3)中，所述渗透系数计算方法为， 式中， 为第n组堵塞试验后，水温为T(℃)时试件的渗透系数(mm/s)，Q为试件t(s)内溢流水槽溢流管流2 出的水量(ml)，L为时间的高度(mm)，A为试件的上表面积(mm)，H为透水圆筒中的水位和溢流水槽中的水位之差(mm)。 [0029] 进一步地，步骤(3)中，所述原位堵塞试验中，选取粒径为1.18‑2.36mm和0.6‑1.18mm的颗粒混合配置成堵塞颗粒，其中1.18‑2.36mm的颗粒占比45.2％，0.6‑1.18mm的颗粒占比54.8％； [0030] 步骤(3)中，所述原位堵塞试验中，每次将10g堵塞颗粒均匀撒布在沥青混合料表层，然后开启人工降雨模拟系统，降雨强度为0.2mm/min，降雨时间30s，冲刷完毕之后等待其蒸发变干，随后进行电容值和渗透系数的测试，共进行10次原位试验。 [0031] 进一步地，步骤(4)中，对渗透系数进行温度修正在于将试验所测渗透系数统一为15℃时试件的渗透系数，转换方法为， 式中， 为第n组堵塞试验后，试件在标准温度(15℃)下试件的渗透系数(mm/s)，ηT为T(℃)时水的动力粘滞系数(kPa·s)，η15为 15℃时水的动力粘滞系数(kPa·s)。 [0032] 进一步地，步骤(5)中，沥青混合料堵塞程度的计算方法为，即堵塞程度＝(1‑第n组堵塞试验后渗透系数/初始渗透系数)×100％； [0034] 进一步地，步骤(7)中，对实际透水沥青路面进行堵塞程度检测前，需对平面电容传感器进行标定，步骤包括： [0035] (1)在检测路面选取一干燥平整区域，取一点为形心画一尺寸为100mm×100mm的正方形，正方形形心为1号点； [0036] (2)将平面电容传感器分别置于正方形的形心和4个顶点位置进行电容值测量，取5个数的平均数作为1号点的电容值，依据拟合公式得出理论堵塞程度； [0037] (3)在以1号点为形心，画一尺寸为400mm×400mm的正方形，选取正方形的4个顶点按照上述方法测得电容值，得出理论堵塞程度； [0038] (4)分别在5个测点处进行透水沥青路面现场渗透试验，用渗透装置获取5点的渗透系数并进行温度修正，计算出5点处的实际堵塞程度； [0039] (5)以实际堵塞程度对理论堵塞程度进行标定，并输入平面电容传感器。 [0040] 进一步地，现场路面渗透系数测量方法的主要依据为：JTG/T 0971‑2008《公路路基路面现场测试规程》； [0041] 现场渗透系数试计算方法为， 式中，Cw为路面渗水系数(mL/min)，V1为第一次计时时的水量(mL)，通常为100mL，V2为第二次计时时的水量(mL)，通常为 500mL，t1为第一次计时的时间(s)，t2为第二次计时的时间(s)。 [0042] 与现有技术相比，本发明具有以下技术优势： [0043] (1)本发明操作简单，在透水沥青路面验收过程中能够显著减少测试所需时间； [0044] (2)本发明能够在不破坏透水沥青路面结构且不影响路面质量的情况下进行堵塞检测； [0045] (3)本发明能够定量检测透水沥青路面堵塞程度，为路面冲洗时机决策提供参考指标； 具体实施方式[0048] 本发明中基于传感器检测的透水沥青路面的冲洗时机决策方法，包括如下步骤： [0049] (1)制作沥青混合料试件，应用平面电容传感器获取试件的初始电容值C； [0050] (2)应用渗透系数测试装置，测试沥青混合料试件的初始渗透系数K； [0051] (3)对沥青混合料试件进行多组原位堵塞试验，在每组堵塞试验结束后，应用平面电容传感器分别获取试件的电容值Cn，应用渗透系数测试装置分别测试试件的渗透系数[0052] (4)对初始和每组堵塞试验后的渗透系数进行温度修正，获取修正后的渗透系数*K， [0053] (5)利用修正后的渗透系数计算每组堵塞试验后的沥青混合料堵塞程度In； [0054] (6)将每组堵塞试验后的堵塞程度In和电容值Cn进行拟合，得到堵塞程度和电容值的拟合公式； [0055] (7)利用平面电容传感器对实际透水沥青路面进行检测，获取沥青混合料的电容值，通过拟合公式得到透水沥青路面的理论堵塞程度； [0056] (8)以电容值测试点位为中心，对透水沥青路面进行现场渗透试验，得出实际堵塞程度，以实际堵塞程度对理论堵塞程度进行标定； [0057] (9)依据堵塞程度标准，对透水沥青路面的冲洗时机进行决策。 [0058] 具体实施时可选的，依照新建道路沥青混合料的设计方法，在室内采用热拌原料的方法制备试件。 [0059] 具体实施时可选的，所述沥青混合料试件，采用标准击实法制备，使用50次击实次数来成型试件，成型试件尺寸为φ101.6mm×63.5mm。或可选用旋转压实法进行沥青混合料制备，分别在旋转压实次数35、40、45、50、55次下进行旋转压实成型，尺寸为直径100mm的圆柱体试件。 [0060] 具体实施时可选的，步骤(1)和(3)中，平面电容传感器为两电极平面电容传感器，包括平面电极装置和数据采集系统，数据采集系统用于控制平面电极进行测量，通过对激励电极施加电压，由感应电极检测电容值。平面电极装置包括： [0061] (1)两片共面电极由铜片制成，每个极板尺寸40mm×12mm，极板间间距为6mm，极间屏蔽条宽度为1mm； [0062] (2)平面电容传感器固定在基板上，基板由聚酰亚胺制成； [0063] (3)测量沥青混合料试件电容值时，将试件放置在平面电容传感器中心位置。 [0064] 平面电容传感器的穿透深度T将取决于传感器的几何形状，并与两个共面电极的中心线之间的距离成正比，即与电极宽度s和两电极间距g有关，符合公式： [0065] T＝1.35g+0.65s [0066] 工程中可根据实际情况选取不同构型的平面电容传感器，具有宽电极和宽间隔的平面电容传感器能够更深入地穿透材料，远离其表面。对于透水沥青路面堵塞状况，一般情况下，堵塞最大深度小于10mm，可根据堵塞情况选取电极参数。但需注意的是，随着电极间距g的增加，有效电容值将逐渐减小，C随电极间距g近似成负指数变化，满足公式： [0067] C＝α(g)β [0068] 其中α是与电极宽度有关的参数。 [0069] 具体实施时优选的，步骤(1)中，应用平面电容传感器获取电容值的操作方法为，将沥青混合料试件置于平面电容传感器探头中心，每隔30秒读取一次传感器读数，共读取4次读数，取平均值作为试件的电容值。 [0070] 具体实施时优选的，步骤(3)中，应用平面电容传感器获取电容值的操作方法为，每组堵塞试验和渗透系数试验完成后，待沥青混合料试件干燥，将沥青混合料试件置于平面电容传感器探头中心，每隔30秒读取一次传感器读数，共读取4次读数，取平均值作为试件的电容值。 [0071] 具体实施时优选的，步骤(2)和(3)中，沥青混合料的渗透系数试验装置包括：透水圆筒、透水圆筒溢流管、溢流水槽、水槽溢流管、金属套筒、密封材料、直尺等，渗透系数，计算方法为， 式中， 为第n组堵塞试验后，水温为T(℃)时试件的渗透系数(mm/s),Q为试件t(s)内溢流水槽溢流管流出的水量(ml)，L为时间的高度(mm)，A为试件的上表2 面积(mm)，H为透水圆筒中的水位和溢流水槽中的水位之差(mm)。 [0072] 具体实施时优选的，步骤(3)中，沥青混合料的原位堵塞试验，每次将10g堵塞颗粒均匀撒布在沥青混合料表层，然后开启人工降雨模拟系统，降雨强度为0.2mm/min，降雨时间30s，冲刷完毕之后等待其蒸发变干，随后进行电容值和渗透系数的测试。共进行10次原位试验。 [0073] 具体实施时优选的，步骤(4)中，对渗透系数进行温度修正在于将试验所测渗透系数统一为15℃时试件的渗透系数，转换方法为， 式中， 为第n组堵塞试验后，试件在标准温度(15℃)下试件的渗透系数(mm/s)，ηT为T(℃)时水的动力粘滞系数(kPa·s)，η15为15℃时水的动力粘滞系数(kPa·s)。 [0074] 具体实施时优选的，步骤(5)中，沥青混合料堵塞程度的计算方法为，即堵塞程度＝(1‑第n组堵塞试验后渗透系数/初始渗透系数)×100％。 [0075] 具体实施时优选的，步骤(6)中，将10次试验获得的堵塞程度和电容值输入计算机，利用统计软件对堵塞程度和电容值进行拟合。 [0076] 具体实施时优选的，步骤(7)和(8)中，对实际路面进行孔隙率检测前，需对平面电容传感器进行标定，步骤包括： [0077] (1)在检测路面选取一干燥平整区域，取一点为形心画一尺寸为100mm×100mm的正方形，正方形形心为1号点； [0078] (2)将平面电容传感器分别置于正方形的形心和4个顶点位置进行电容值测量，取5个数的平均数作为1号点的电容值，依据拟合公式得出理论堵塞程度； [0079] (3)在以1号点为形心，画一尺寸为400mm×400mm的正方形，选取正方形的4个顶点按照上述方法测得电容值，得出理论堵塞程度； [0080] (4)分别在5个测点处进行透水沥青路面现场渗透试验，用渗透装置获取5点的渗透系数并进行温度修正，计算出5点处的实际堵塞程度； [0081] (5)以实际堵塞程度对理论堵塞程度进行标定，并输入平面电容传感器。 [0082] 具体实施时优选的，步骤(8)中，现场路面渗透系数测量方法的主要依据为：JTG/T 0971‑2008《公路路基路面现场测试规程》。现场渗透系数试验所需仪器与材料包括：路面渗水仪、水筒及大漏斗、秒表、密封材料(防水腻子、油灰或橡皮泥)和其他材料(水、粉笔、塑料圈、刮刀、扫帚等)。计算方法为， 式中，Cw为路面渗水系数(mL/min)，V1为第一次计时时的水量(mL)，通常为100mL，V2为第二次计时时的水量(mL)，通常为500mL，t1为第一次计时的时间(s)，t2为第二次计时的时间(s)。 [0083] 为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。 [0085] 实施例1 [0086] 某段新建透水沥青道路堵塞程度的平面电容传感器检测实例。 [0087] 图1为本发明中一种透水沥青路面堵塞状态下的平面电容传感器的沥青路面孔隙率检测方法的流程图，该方法包括以下步骤： [0088] (1)依据实际路面沥青混合料的设计方法，在室内成型试件，采用热拌原料的方法制备试件并采用标准击实法成型沥青混合料试件，尺寸为φ101.6mm×63.5mm。试件击实成型后，于室温条件下放置24h后拆模。 [0089] 沥青混合料拆模后计算试件孔隙率为20.4％，符合透水沥青路面的孔隙率要求。 [0090] (2)将沥青混合料试件置于平面电容传感器探头中心，保证仪器不晃动，使传感器与试件表面紧密接触后，启动传感器，电容值测量将在1‑2秒内完成。每隔30s测量仪器，共测量4次，平均值作为试件的电容值。 [0091] (3)获取沥青混合料试件的初始渗透系数。随后，对沥青混合料试件进行10组堵塞试验，每组试验结束并将试件蒸发变干后，应用上述方法进行电容值的测量并测试渗透系数。 [0092] 渗透系数试验装置包括：透水圆筒、透水圆筒溢流管、溢流水槽、水槽溢流管、金属套筒、密封材料、直尺等，计算方法为， 式中， 为第n组堵塞试验后，水温为T(℃)时试件的渗透系数(mm/s)，Q为试件t(s)内溢流水槽溢流管流出的水量(ml),L为时间2 的高度(mm)，A为试件的上表面积(mm)，H为透水圆筒中的水位和溢流水槽中的水位之差(mm)。 [0093] (4)对初始和堵塞试验后的渗透系数进行温度修正，统一为15℃下试件的渗透系数，方法为， 式中， 为第n组堵塞试验后，试件在标准温度(15℃)下试件的渗透系数(mm/s)，ηT为T(℃)时水的动力粘滞系数(kPa·s)，η15为15℃时水的动力粘滞系数(kPa·s)。 [0094] 计算每组堵塞试验后沥青混合料试件的堵塞程度，方法为，即堵塞程度＝(1‑第n组堵塞试验后渗透系数/初始渗透系数)×100％。 [0095] 得到试件堵塞程度和电容值结果如下表2所示： [0096] 表2 [0097] 堵塞试验 堵塞程度 电容值未进行堵塞试验 0.00％ 18.13pF 1次堵塞试验 34.68％ 19.54pF 2次堵塞试验 60.18％ 20.88pF 3次堵塞试验 64.26％ 21.12pF 4次堵塞试验 66.78％ 21.28pF 5次堵塞试验 72.46％ 21.52pF 6次堵塞试验 74.48％ 21.58pF 7次堵塞试验 78.58％ 21.78pF 8次堵塞试验 80.12％ 21.84pF 9次堵塞试验 86.28％ 22.22pF 10次堵塞试验 88.48％ 22.34pF [0098] (5)利用统计软件以最小二乘法将堵塞程度In与电容值C进行二项式拟合，得出拟合关系式为： [0099] In＝‑0.0064C2+0.4687C‑6.3736 [0100] 待新建透水沥青道路投入使用一段时间后，在测试实际透水沥青路面前对平面电容传感器进行标定，步骤为： [0101] (1)在检测路面选取一干燥平整区域，取一点为形心画一尺寸为100mm×100mm的正方形，正方形形心为1号点； [0102] (2)将平面电容传感器分别置于正方形的形心和4个顶点位置进行电容值测量，取5个数的平均数作为1号点的电容值，依据拟合公式得出理论堵塞程度； [0103] (3)在以1号点为形心，画一尺寸为400mm×400mm的正方形，选取正方形的4个顶点按照上述方法测得电容值，得出理论堵塞程度； [0104] (4)分别在5个测点处进行透水沥青路面现场渗透试验，用渗透装置获取5点的渗透系数并进行温度修正，计算出5点处的实际堵塞程度； [0105] 现场路面渗透系数测量方法的主要依据为：JTG/T 0971‑2008《公路路基路面现场测试规程》。现场渗透系数试验所需仪器与材料包括：路面渗水仪、水筒及大漏斗、秒表、密封材料(防水腻子、油灰或橡皮泥)和其他材料(水、粉笔、塑料圈、刮刀、扫帚等)。计算方法为， 式中，Cw为路面渗水系数(mL/min)，V1为第一次计时时的水量(mL)，通常为100mL，V2为第二次计时时的水量(mL)，通常为500mL，t1为第一次计时的时间(s)，t2为第二次计时的时间(s)。 [0106] 标定结果如下表3所示： [0107] 表3 [0108] [0109] 利用统计软件以最小二乘法将计算堵塞程度In和真实堵塞程度Ir进行拟合标定，得出关系式为： [0110] Ir＝0.992In+0.0048 [0111] 应用上述方法可以对透水沥青路面的堵塞程度进行平面电容式快速、无损、连续检测，对现代道路冲洗时机决策具有重要意义，即当透水沥青路面的堵塞程度达到阈值时，进行道路冲洗。 [0112] 上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。 |
||||||
