寒冷地区沥青混合料实际冻融损伤的量化评估方法、装置、设备及存储介质

本发明涉及道路材料与建设，具体涉及一种寒冷地区沥青混合料实际冻融损伤的量化评估方法、装置、设备及存储介质。

背景技术：

1、沥青混合料作为道路铺面的基础材料，其性能的优劣直接影响着道路的使用寿命和安全性。沥青混合料的冻融损伤是制约寒冷地区沥青路面耐久性的核心问题。

2、目前，对于沥青混合料冻融损伤的研究主要在于冻融循环作用次数与沥青混合料力学强度衰减之间的关系。然而，随着对现场冻融现象认识的不断加深，发现真实环境冻融的降温速率、最低冻结温度、冻融时长等都会影响冻融作用效果。以最低冻结温度为例，冻结应力的产生时间受冻结温度的影响，当冻结应力开始产生后，冻结应力的增长也与冻结温度相关，冻结温度越低，冻结速度越快，沥青混合料内部冻结应力的增幅越大。

3、此外，冻融损伤是一个逐渐积累的过程，与疲劳破坏过程类似，当冻融损伤累积到一定程度时，最终出现冻胀开裂现象，从而导致沥青混合料的力学性能降低。

4、由此，现有技术中采用冻融循环次数这单一因素的评价方法实际难以直接应用于现场沥青混合料冻融耐久性预测，会影响沥青路面长期服役性能评估。而如何对沥青混合料的实际冻融作用进行量化评价，对于保障道路的安全和持久使用却至关重要。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，提供一种寒冷地区沥青混合料实际冻融损伤的量化评估方法、装置、设备及存储介质。通过冰点试验确定沥青混合料的冻融循环条件，以冻结温度划分冻融强度，结合气象资料绘制冻融强度谱；在不考虑水分影响的前提下，基于损伤等效和miner线性损伤理论，建立实际冻融作用和室内冻融作用损伤的等效关系；结合当地的冻融强度谱和室内外冻融损伤的等效关系，计算获得沥青混合料在当地的实际冻融损伤情况，建立沥青混合料冻融疲劳寿命预估模型，为当地沥青路面的冻融病害提供预估和分析手段。

2、为实现上述目标，本发明提供如下技术方案：

3、本发明的一个方面在于，提供一种寒冷地区沥青混合料实际冻融损伤的量化评估方法，包括：

4、s1，建立沥青混合料的冻融强度分级标准；

5、s2，建立沥青混合料的实际冻融损伤和室内冻融损伤之间的等效关系；

6、s3，结合所述冻融强度分级标准和所述等效关系建立沥青混合料的实际冻融疲劳损伤累积模型以计算沥青混合料的实际冻融损伤总量，并基于此建立沥青混合料的冻融疲劳寿命预估方程，量化沥青混合料的冻融疲劳寿命。

7、可选地，步骤s1所述建立沥青混合料的冻融强度分级标准包括：

8、s11，确定沥青混合料的冻融循环发生条件；

9、s12，基于所述冻融循环发生条件，结合当地温度气象数据信息，建立沥青混合料的冻融强度谱。

10、可选地，步骤s11所述确定沥青混合料的冻融循环发生条件包括：采用饱水情况下的冰点试验测定沥青混合料的冰点温度，并以此建立沥青混合料的冰点数据库，以0℃为融化温度下限阈值、冰点温度为冻结温度上限阈值，即以当日最高温度高于0℃、最低温度低于目标材料的冰点温度，建立所述冻融循环发生条件。

11、根据《公路沥青混合料用融冰雪材料第2部分：盐化物材料》(jt/t1210.2-2018)附录c的测定方法进行沥青混合料饱水状态的冰点试验，并利用温度传感器采集测试沥青混合料的冰点温度进行冻实际冻融循环次数的统计。

12、可选地，步骤s12包括：基于所述冻融循环发生条件，分析当地温度气象数据信息，将满足所述冻融循环发生条件的日冻结温度作为统计对象，以冻结温度作为冻融强度的划分标准，绘制冻融温度直方图，采用截断正态分布函数拟合所述冻融温度直方图，得到沥青混合料的实际冻融概率密度函数，明确不同等级的冻融强度在实际冻融中的占比，建立沥青混合料的冻融强度谱；其中，所述概率密度函数为不同冻融强度下的概率分布函数，如式(1)所示：

13、

14、式中，xc为沥青混合料的冰点温度；a为当地历史冻结最低温度，σ为正态分布的标准差，a为非线性拟合参数。

15、可选地，步骤s2所述建立沥青混合料的实际冻融损伤和室内冻融损伤之间的等效关系包括：

16、s21，以室内标准冻融循环试验为对照组，以室外实际冻融循环试验为试验组，进行冻融循环试验；

17、s22，测试不同冻融强度下，沥青混合料的劲度模量衰减至初始值的50％时的冻融循环次数，计算冻融强度单次循环作用下的损伤量，记作冻融强度i的单位损伤量di，i取[a,xc]；

18、s23，根据损伤等效原则和miner线性累积损伤理论，以室内标准冻融损伤量为基准，建立沥青混合料的冻融循环疲劳损伤等效关系(即将室外不同冻融强度下的冻融损伤量等效为室内标准冻融损伤量)，并以此确定沥青混合料在室外不同冻融强度下的冻融损伤当量系数，如式(2)所示：

19、

20、式中，ds和ns表示室内标准冻融试验中单次循环作用下的冻融损伤量及循环次数；di和ni表示室外实际冻融试验中单次循环作用下的冻融损伤量及循环次数，i表示冻融强度等级。

21、可选地，室内试验时采用的沥青混合料包括但不限于ac-13和/或ac-16混合料，沥青包括但不限于克拉玛依90#沥青。

22、室内冻融循环试验：根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(jtge20-2011)t0729-2000，将沥青混合料棱柱体试件饱水处理后，冷冻温度-18℃保持16h，融化温度60℃保温24h。

23、室外冻融循环试验：根据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(jtg 3420—2020)t0565-2005，结合当地气象资料控制冷冻温度和融化温度以及降升温速率，建立室外不同冻融强度的冻融循环条件。冷冻温度为冻融强度i，融化温度为当地冬季日平均高温温度。降温升温速率根据当地高温低温出现时间设置。

24、

25、式中，vs表示升温速率，vj降温速率，t2表示最终温度(℃)，t1表示最初温度(℃)，t2表示最终时间(小时)，t1表示初始时间(小时)。

26、根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(jtge20-2011)t0715-2011沥青混合料弯曲试验的测试方法，测试沥青混合料劲度模量。

27、根据损伤等效原则和miner线性累积损伤理论，同一种沥青混合料在不同冻融强度作用下，若达到相同的损伤量，相应的冻融强度循环次数被认为是等效的。

28、可选地，步骤s23的实施中同时满足以下两个假设条件：假设条件一：同一冻结温度的冻融循环产生等量的沥青混合料内部损伤；假设条件二：冻结温度出现顺序对沥青混合料冻融破坏没有影响。

29、可选地，步骤s3所述结合所述冻融强度分级标准和所述等效关系建立沥青混合料的实际冻融疲劳损伤累积模型以计算沥青混合料的实际冻融损伤总量，并基于此建立沥青混合料的冻融疲劳寿命预估方程，量化沥青混合料的冻融疲劳寿命包括：

30、s31，基于所述冻融损伤当量系数，建立沥青混合料的实际冻融疲劳损伤累积模型，如式(3)所示：

31、

32、式中，pi表示冻融强度i发生的概率，从所述冻融强度分级标准中获取，b表示当地年均冻融循环次数，从当气象数据信息中获得；βi为考虑冻结温度的调整系数。

33、根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(jtge20-2011)t0739-2011，沥青混合料试件的劲度模量降低至初始值的50％作为疲劳损伤的阈值，β值计算如式(4)：

34、

35、s32，建立沥青混合料的冻融疲劳寿命预估方程，如式(5)所示：

36、

37、式中，nf为沥青混合料的预估冻融疲劳寿命。

38、本发明的第二个方面在于，提供一种寒冷地区沥青混合料实际冻融损伤的评估装置，包括：冻融强度分级建立模块，其适于建立沥青混合料的冻融强度分级标准；冻融损伤等效计算模块，其适于建立沥青混合料的实际冻融损伤和室内冻融损伤之间的等效关系；冻融疲劳寿命量化模块，其适于结合所述冻融强度分级标准和所述等效关系建立沥青混合料的实际冻融疲劳损伤累积模型以计算沥青混合料的实际冻融损伤总量，并基于此建立沥青混合料的冻融疲劳寿命预估方程，量化沥青混合料的冻融疲劳寿命。

39、本发明的第三个方面在于，提供一种电子设备，包括：处理器(相当于分析评估系统)；存储器，存储有可在所述处理器上运行的计算机程序；其中，所述计算机程序被所述处理器执行时实现本发明所述的量化评估方法。

40、可选地，该电子设备还包括试验系统和传感采集系统；其中，试验系统包括冻融试验设施和力学性能测试设备，用于获得沥青混合料室内标准冻融损伤量和室外不同冻融强度作用的冻融损伤量；传感采集系统包括各类传感设备，用于冻融温度和力学性能测试结果的获取。

41、可选地，该电子设备还包括气象数据服务器，用于记录各行政区的当地气象数据信息，提供访问接口获取当地年均冻融循环次数。

42、可选地，该电子设备还适于提供分布式的客户端网页，用于各地用户通过互联网访问所述处理器，以提交当地行政所属位置信息，为当地沥青路面的冻融病害提供预估和分析手段，为沥青路面全寿命期内的性能退化预测提供所需的冻融作用参数。

43、本发明的第四个方面在于，提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被执行时实现本发明所述的量化评估方法。

44、相较于现有技术，本发明的技术方案至少具有以下有益效果：

45、例如，本发明根据试验确定沥青混合料的冻融循环条件，基于气象资料绘制当地冻融强度谱；运用损伤等效原则和miner线性损伤理论，在沥青混合料实际冻融损伤的研究时，准确地确定室内外冻融损伤的当量关系；可根据当地的气象资料，在沥青路面混合料设计中有效的调整试验方案；可预估沥青混合料的实际冻融损伤值，使沥青混合料的疲劳分析更为精确。

46、又例如，本发明提出的沥青混合料实际冻融作用量化的方法，具有试验依据、过程简单，有效提高了模拟试验的准确性，为沥青混合料的冻融损伤分析，疲劳耐久性试验研究提供了一种科学、可靠、实用的方法。

技术特征：

1.一种寒冷地区沥青混合料实际冻融损伤的量化评估方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的量化评估方法，其特征在于，步骤s1所述建立沥青混合料的冻融强度分级标准包括：

3.根据权利要求2所述的量化评估方法，其特征在于，步骤s11所述确定沥青混合料的冻融循环发生条件包括：

4.根据权利要求2所述的量化评估方法，其特征在于，步骤s12包括：

5.根据权利要求1所述的量化评估方法，其特征在于，步骤s2所述建立沥青混合料的实际冻融损伤和室内冻融损伤之间的等效关系包括：

6.根据权利要求5所述的量化评估方法，其特征在于，步骤s23的实施同时满足以下两个假设条件：

7.根据权利要求5所述的量化评估方法，其特征在于，步骤s3所述结合所述冻融强度分级标准和所述等效关系建立沥青混合料的实际冻融疲劳损伤累积模型以计算沥青混合料的实际冻融损伤总量，并基于此建立沥青混合料的冻融疲劳寿命预估方程，量化沥青混合料的冻融疲劳寿命包括：

8.一种寒冷地区沥青混合料实际冻融损伤的评估装置，其特征在于，包括：

9.一种电子设备，其特征在于，包括：

10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被执行时实现如权利要求1至7中任一项所述的量化评估方法。

技术总结
本发明公布了一种寒冷地区沥青混合料实际冻融损伤的量化评估方法、装置、设备及存储介质。该量化评估方法，根据沥青混合料的冰点试验，明确沥青混合料的冻融循环条件；通过对当地气象资料的收集与处理，依据冻融循环条件编制目标地区的冻融强度谱；利用劲度模量为冻融损伤评价指标，以室内冻融损伤量为基准，依据损伤等效原则和Miner线性累积损伤理论，建立室内与室外冻融损伤的等效关系，提出不同冻融强度的室内冻融损伤当量系数；再利用冻融损伤当量关系，结合冻融强度谱，求得沥青混合料实际冻融损伤情况，计算沥青混合料实际冻融疲劳损伤寿命，从而为沥青路面的冻融病害提供预估和分析手段，为实际环境下沥青路面的建设维护提供参考。

技术研发人员：胡帮艳,艾贤臣,冉武平,满长恒,呙玉昊,程正鹏
受保护的技术使用者：新疆大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23