专利名称：多孔样品的包封体积和密度的测定的制作方法
技术领域：
本发明涉及测定材料性能的系统和方法，更具体地，涉及测定未压缩沥青铺砌混合料的比重、密度和吸收性，以及土壤和集料的容积和绝对比重以及吸收性，地芯和实验室制备的压制含沥青材料样品的容积比重、渗透率和孔隙度的系统和方法。
背景技术：
在建筑工业，常常需要建筑过程不同阶段所用材料的物理特性的知识。例如，这些材料可以是土壤、集料和沥青铺砌混合料。这些材料的绝对(表观)、最大和容积密度(或比重)及其吸收性，基本构成普遍关注的材料特性。测定粗大和细小集料的这些数值是费时的，因为测量程序常常需要将测试样品浸泡在水池中一段24小时的时间。这些测量方法和程序，例如，已经形成ASTM标准C128-97，“StandardTest Method for Specific Gravity and Absorption of Fine Aggregate”和C127-88，“Standard Test Method for Specific Gravity andAbsorption of Coarse Aggregate”，此二者在这里引用作为参考文献。
测定沥青铺砌混合料理论最大比重和密度的标准方法，这里也称为“Rice法”，其结果这里称为“Rice值”，此标准方法使用一种系统，该系统包括充水比重瓶以及与其协同工作的真空泵和相关管线，以及质量天平。此方法的细节参见ASTM标准D2041-00，“Standard TestMethod for Theoretical Maximum Specific Gravity and Density ofBituminous Paving Mixtures”，该标准在此引用作为参考文献。在沥青铺砌时，通常使用沥青铺砌混合料的Rice值作为基准，现场压制材料的密度与其比较。但是，Rice法繁琐，费时，不准确，对于样品是破坏性的，因为所需测量是将样品浸泡在水中进行的。
因此，需要一种非破坏性测定土壤、集料和沥青铺砌混合料比重、吸收性和其它性能的系统和方法。这种系统和方法希望能用最小的处理快速地进行样品分析，从而得到比通常使用的方法精度提高的所需结果。
发明内容
本发明能满足上述和其它需求，其中，在一个实施例中，提供一种非破坏性测定多孔样品材料性能的方法。将第一容器抽气到负压，而在放置样品的第二容器中建立测试压力，其中测试压力大于负压。接着，通过将可操作地配合在第一和第二容器之间的阀门机构打开，使第一和第二容器的压力相等。从而第一和第二容器的每一个都经历了压力变化，其中第二容器的压力变化在压力-时间曲线上表现出初始压力下降，然后过渡到平衡压力。接着，由初始打开阀门机构时从第二容器得到的最小压力测定样品的包封体积(envelope volume)，其中最小压力与初始压力降有关。然后由样品质量与包封体积的商值确定样品的包封密度(envelope density)。
本发明另一个有优势的方面包括一种非破坏性测定具有质量的多孔样品性能的系统。这种系统包括能抽空到负压的第一容器以及其中放置样品并能建立测试压力的第二容器，其中测试压力大于负压。阀门机构可操作地配合在第一和第二容器之间，并且其设计使阀门机构打开时第一和第二容器的压力与平衡压力相等。并设计了一个监测装置，测定阀门机构打开时第二容器的压力变化，其中压力变化由初始打开阀门机构时第二容器得到的最小压力表示。此最小压力与样品的包封体积有关，因此样品质量与包封体积的商值给出样品的封装密度。
因此，本发明的实施例提供一种系统和方法，为了测定样品体积，利用气体移动非破坏性测定土壤、集料和沥青铺砌混合料的比重、吸收性和其它性能。另外，本发明的实施例提供一种系统和方法，能用最小的处理快速地进行样品分析，从而得到比通常使用的方法精度提高的所需结果。同样地，本发明的实施例减少执行必需的样品分析所需的时间，同时在不污染或不破坏样品的条件下提供较高程度的可重复性，从而使样品能用于随后的测试。因此，本发明的实施例提供了明显的优点，如同这里详细的描述。
上面按一般术语描述了本发明，下面将参照附图，附图不需要按比例画出，在附图中图1是根据本发明一个实施例，非破坏性测定样品材料性能的系统；图2是根据本发明一个实施例，为了平衡第一和第二容器之间的压力打开阀门机构时装有样品的第二容器内压力-时间的示意性曲线；以及图3是根据本发明一个实施例，为了平衡第一和第二容器之间的压力打开阀门机构时分别装有样品和基本不吸收试样的第二容器内压力-时间的示意性曲线。
具体实施例方式
下面将参考附图更详细地描述本发明，附图中示出本发明的优选实施例。但是本发明可以以很多不同形式实施，并且不应该将本发明限制在这里给出的实施例，相反，这些实施例的给出使本说明书彻底和完全，并将本发明的范围全部传达给本领域的一般技术人员。在整个内容中相似的数字代表相似的要素。
图1表示根据本发明一个实施例，非破坏性测定样品性能的系统，所述系统一般表示为数字10。此系统10包括第一容器100，用于将样品300装入其中的第二容器200，与第一容器100和第二容器200相通的阀门机构400，与阀门机构400都相通的气源500和真空源600，以及监测装置700。根据本发明一个有优势的方面，系统10设计成，例如，测定土壤、集料和沥青铺砌混合料样品300的体积，由此测定其密度和比重，从而提供诸如ASTM标准D2041的应用标准所需的数据，如上所述。
更具体地，本发明的实施例利用热力学的理想气体定律(PV＝nRT)测定样品300的体积，其中P是压力，V是体积，n是气体摩尔数，R是常数，T是Kelvin温度。实现测定样品的体积300是通过测量压力变化，而压力变化是由于气体从具有已知体积的闭合第二容器200膨胀到也具有已知体积的抽空第一容器100中，其中第二容器200中放置样品300并建立测试压力。如图1所示，为了实现测定样品300的体积(这里也称为Vs)，第一和第二容器100、200是可以密封的(这里也分别称为“V1”和“V2”)，其中容器100、200也可以可操作地配合监视压力的装置，例如与阀门机构400相连的监测装置700，或者可操作地配合每个容器100、200的压力计。例如，出于热力学考虑，第一和第二容器100、200在一个实施例中是由铝制成，如同本领域一般技术人员从这里的本发明应用方法学的描述可以意识到的。气源500设计成提供本质上的惰性气体，如氦、氮或二氧化碳，而真空源600包括，例如，真空泵。气源500、真空源600以及容器100、200以适当的管道相互连接并与构成阀门机构400的一个或多个阀门410连接。容器100、200对于气体从装样品300的第二容器200膨胀进行进一步优化，如同本领域一般技术人员可以理解的，并且如同这里参考所述系统10的误差传播分析进行的进一步讨论。
在分析样品300之前，例如，首先通过执行一系列测量校准系统10，首先是使用两个空容器，接着将已知体积的校准物体放入第二容器200。对于样品300放在V2中并且气体从V2膨胀到V1的系统结构，接着找出体积V1和V2，从而得到平衡压力Pc，如下所示V1=Vc(PcP0-P02-PePc+PeP0)(PePv-PeP0-PcP0+PvPc)]]>V2=Vc(PvP0-PeP0-PvPc+PePc)(PePv-PeP0-PcP0+PvPc)]]>Vc-校准物体体积；Pv-膨胀之前V1中的抽空压力；
P0-膨胀之前V2中的压力Pe-没有校准物体时V1中的膨胀后压力；Pc-具有校准物体时V1中的膨胀后压力。
此后，为了测量样品300的未知体积Vs，将样品300放入V2并且气体膨胀到V1，从而得到平衡压力Ps。接着按照下面关系式测定样品300的体积VsVs=PvV1+P0V2-Ps(V1+V2)P0-Ps]]>本领域一般技术人员将意识到，必须在执行这里详述的方法之前恰当地准备系统10。例如，通过阀门机构400的连接利用真空源600作用于两个容器100、200以及阀门机构400，首先将系统10抽空。这个程序从系统10中去除或清除空气以及系统10或样品300内存在的任何水。利用真空还导致样品300内的任何水蒸发，便于从样品300中去除水。接着通过阀门机构400的连接，可以将气源500的气体回充到容器100、200和阀门机构400。根据需要可以重复该抽真空和回充程序，并利用监测装置700监测，以保证容器100、200和阀门机构400以及样品300的孔隙仅仅被气体完全充满。在结束此清除过程时，根据下面给出的理论完成上述的方法。
本发明实施例根据理想气体定律使用两个容器100、200以及气体移动方法学特别用于测定样品300的体积。但是，根据这种技术，有两种可能的方法用于测定样品300的体积。如图1所示，体积未知的样品300放在第二容器200中。同样，测定样品300体积的一种方法是对第二容器200抽空并对第一容器100加压，此后连通容器100、200，使二者之间压力平衡。测定样品300体积的第二方法是对第一容器100抽空并接着对第二容器200加压，然后使两个容器100、200的压力平衡。抽空容器的抽空压力可以是，例如，20Torr，而加压容器建立的压力可以是，例如，700Torr。
将测定样品300体积的这两种方法对比，并进行误差传播分析，以便确定哪种方法得到的结果具有最高精度。对于每种方法，将Vs方程确定为如下参量的函数P0(平衡之前第一容器100或第二容器200内建立的正压力)、Ps(平衡时的压力)、第一容器100的体积V1和第二容器200的体积V2。然后，对每个独立变量求偏导数，乘以各自的不确定度(sx)，再平方累加。如同本领域一般技术人员可以理解的，误差传播分析的结果用于估计测量方法作为V1、V2和Vs函数的总不确定度。下面给出偏导数以及总不确定度的方程。
从V1膨胀到V2的误差传播P0·V1＝Ps·(V1+V2-Vs)Vs=V1+V2-P0Ps·V1]]>ddP0(V1+V2-P0Ps·V1)]]>ddP0Vs=-1Ps·V1]]>ddPsVs=P0Ps2·V1]]>ddV1Vs=-(P0-Ps)Ps]]>ddV2Vs=1]]>从V2膨胀到V1的误差传播P0·(V2-Vs)＝Ps·(V1+V2-Vs)Vs=V2-1(P0-Ps)·Ps·V1]]>ddPsVs=-V1·P0(P0-Ps)2]]>ddP0Vs=1(P0-Ps)2·Ps·V1]]>ddV1Vs=-1(P0-Ps)·Ps]]>ddV2Vs=1]]>
SVs=(ddP0Vs)2·(SPo)2+(ddPsVs)2(SPs)2+(ddV1Vs)2·(SV1)2+(ddV2Vs)2·(SV2)2]]>接着，对每种情况进行数字最小化，得到体积V1和V2的最佳比例，以及测量质量的最小不确定度。这种分析的结果表明，第二方法(从V2膨胀到V1)略微精确，根据样品300的大小，其不确定度比第一方法的不确定度小5-10％。并且，在一个实施例中，有优势的体积V1和V2之比为2∶5。
样品300的质量也进行测定，结果将样品300的质量除以其体积Vs得到样品300的密度。样品300的密度单位可以表示为，例如，g/cm3，而样品300的比重可以表示为样品300的质量或密度分别与相同温度下等体积水的质量或密度的无单位比例，所述相同温度可以是，例如，25℃。
为了使用本发明的方法和设备得到具有足够精度的数据，需要使用适当的样品尺寸。例如，对于沥青铺砌材料，推荐如下的样品尺寸准则
在某些情况下，可以限制第二容器200的容量。例如，在一个实施例中，第二容器200的体积V2可以是2000cm3。在这种情况下，如果样品300的质量大于2000g，则可以将样品300分成两个或多个部分。并且，当样品300的质量为6000g时，样品300可以分成三个部分，每个部分的质量为2000g。在其它情况下，根据本发明的一些实施例，优选的样品300的质量至少1500g。
上述程序的结果是一个密度，如同本领域一般技术人员可以理解的，它表示样品300的绝对或表观比重(Gsa)。但是，也可以测定土壤或集料样品300的容积比重(Gsb)，或者沥青铺砌材料样品300的最大比重(Gmm)。更特殊地，Gsb和Gmm参数由于样品300的气体吸收而偏离绝对或表观比重Gsa。因此，根据本发明一个有优势的方面，当气体膨胀到第一容器100(V1)时第二容器200(V2)的压力变化，可以随着容器100、200之间的阀门机构400打开后样品300吸收的气体从其中放出而被监测到。结果，可以测定样品300的包封体积(与容器100、200内压力平衡后的绝对体积相对)，从而测定包封密度，这在下面进一步描述。样品300的包封密度，对于土壤和集料是容积比重(Gsb)，而对于沥青铺砌材料，包封密度是最大比重(Gmm)。即，样品300的包封密度本质上由样品300外表面围成的体积而定，并包括样品300内的任何孔隙。因此，绝对(表观)比重与容积或最大比重之间的差异与样品300的吸收性有关，并且也可以用于指示其渗透率特性。
更特殊地，当阀门机构400初始打开使两个容器100、200的压力平衡时，发现第二容器200(装有样品300)的压力，由监测装置700记录并表示在图2中，其衰减的函数形式等价于四个耦合过阻尼谐振子。同时，样品300中吸收的气体开始从样品300中扩散出来或释放出来，导致平衡压力800(Ps)上升，压力升高的函数形式如下y＝y0+a·(1-e-bx)+c·(1-e-dx)再看图2，最小或基底压力750与平衡压力800之间的数据，例如，第一阻尼谐振子与平衡压力800之间的数据，可以用于将数据的趋势外推到时间t＝0。这种外推到时间t＝0，在假设如果在任何气体从样品300中扩散出来之前阀门机构400立即打开以及/或者系统10使容器100、200立即连接，从而能得到理论最上压力850的条件下，用于表示系统10达到的理论最小压力850。因此，外推的理论最小压力850用于测定包封体积，样品300的包封体积包括样品300的绝对体积加上其中的孔隙体积。因此，包封体积可以用于测定，例如，沥青铺砌材料样品300的理论最大比重(Gmm)，或者具有此包封体积的土壤或集料样品300的容积比重(Gsb)。因此，由最终平衡压力800测定的绝对体积，以及由外推理论最小压力850测定的包封体积，可以用于测定样品300内的孔隙体积，以及由此可测定样品300的吸收性。并且，样品300的吸收性可以进入描述气体吸收性与水吸收性之间关系的函数，从而测定样品300的水吸收性。
在一些情况下，当样品300的孔隙小时，由理论最小压力850测定的包封体积更加准确。即，对于有小体积孔隙的样品300，气体相当慢地从孔隙中扩散出来，从而理论最小压力850用于测定样品300的包封体积足够准确。但是，当样品300还包括较大孔隙(表现出较大吸收性)的情况下，气体相当快地从这些较大孔隙中扩散出来，因此这种样品300的包封体积用理论最小压力850单独表示可能不准确。这种样品300的鉴别，例如，可以通过对比此样品300的压力-log(时间)曲线与包封体积约和样品300相同的基本不吸收试样的压力-log(时间)曲线，如图3所示。基本不吸收试样可以包括，例如，铝或类似材料，并且这些试样与表现出吸收率(孔隙度)的样品300相比，例如表现出阀门机构400打开后压力降低较快以及平衡到最终平衡压力800的速度较快。因此，样品300与基本不吸收试样的压力-时间曲线之间的对比，可以由操作者手工完成，或者，例如，由适当的计算机装置完成，并且还可以用于指示样品300的相对吸收率。
本领域的一般技术人员可以意识到本发明的很多修改和其它实施例，这些都属于上面描述以及相关附图中给出的本发明原理的优势。因此，应该理解的是，本发明并不限于上面给出的具体实施例，很多修改和其它实施例包括在权利要求范围内。虽然这里使用了具体的术语，但它们的使用仅仅是一般性的和描述性的，并不具有限制的目的。
权利要求
1.一种非破坏性测定具有质量的多孔样品性能的方法，所述方法包括将第一容器抽空到一个负压；在其中放有样品的第二容器中建立测试压力，所述测试压力高于所述负压；打开可操作地装配在第一和第二容器之间的阀门机构，使第一和第二容器的压力平衡，从而第一和第二容器都发生了压力变化，所述第二容器压力变化在压力-时间曲线上表现出初始压力降低，然后过渡到平衡压力；由初始打开阀门机构时从第二容器得到的最小压力测定样品的包封体积，所述最小压力与所述初始压力降低有关；以及将样品的包封密度确定为样品所述质量与所述包封体积之商。
2.如权利要求1所述的方法，还包括由第二容器的平衡压力测定样品的绝对体积。
3.如权利要求2所述的方法，还包括将样品的绝对密度确定为样品所述质量与所述绝对体积之商。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于样品包括沥青铺砌混合料，所述方法还包括将沥青铺砌混合料样品的理论最大比重(Gmm)确定为样品的绝对密度与25℃的水密度之商。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于样品是从土壤样品和集料样品构成的组中选择的，并且所述方法还包括将样品的容积比重(Gsb)确定为样品的包封密度与25℃下的密度之商。
6.如权利要求3所述的方法，其特征在于样品是从土壤样品和集料样品构成的组中选择的，并且所述方法还包括将样品的绝对比重(Gsa)确定为样品的绝对密度与25℃下的密度之商。
7.如权利要求1所述的方法，还包括利用至少一个净化循环净化第一和第二容器，每个净化循环包括抽空第一和第二容器，接着用基本惰性气体充满第一和第二容器。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于抽空第一容器还包括将第一容器抽空到压力为20Torr。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于在第二容器内建立测试压力还包括在第二容器内建立的压力为700Torr。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于测定样品的包封体积还包括由最小压力测定样品的包封体积，所述最小压力是根据一种分析确定的，所述分析包括将压力-时间曲线上初始压力降低与平衡压力之间的过渡模型化，从而得到最佳拟合方程，接着使用该方程确定阀门机构初始打开时第二容器得到的最小压力。
11.如权利要求1所述的方法，还包括由最小压力测定样品的包封体积，所述最小压力是根据一种分析确定的，所述分析包括将压力-时间曲线上初始压力降低与平衡压力之间的过渡模型化，从而得到最佳拟合方程，接着使用该方程确定阀门机构初始打开时第二容器得到的最小压力；用包封体积与样品包封体积基本相同的基本不吸收的试样代替第二容器中的样品，接着使第一和第二容器之间的压力平衡，测定所述基本不吸收的试样的压力-时间曲线；将所述基本不吸收试样的压力-时间曲线与所述样品的压力-时间曲线对比，从而确定样品的相对吸收性。
12.一种非破坏性测定具有质量的多孔样品性能的系统，所述系统包括第一容器，所述第一容器能抽空到一个负压；第二容器，所述第二容器具有放置在其中的样品，并能建立一个测试压力，所述测试压力高于所述负压；阀门机构，所述阀门机构可操作地配合到第一和第二容器之间，其设计使阀门机构打开时允许第一和第二容器的压力平衡到平衡压力；以及监测装置，所述监测装置在阀门机构打开时测定第二容器内的压力变化，所述压力变化指示出初始打开阀门机构时第二容器得到的最小压力，所述最小压力与包封体积相关，从而样品的质量与包封体积之商为样品的包封密度。
13.如权利要求12所述的系统，其特征在于所述监测装置还设计为由第二容器的平衡压力测定样品的绝对体积，从而样品的质量与绝对体积之商为样品的绝对密度。
14.如权利要求12所述的系统，还包括净化机构，所述净化机构利用至少一个净化循环净化第一和第二容器，每个净化循环包括抽空第一和第二容器，接着用基本惰性气体充满第一和第二容器。
15.如权利要求14所述的系统，其特征在于所述净化机构还设计成将第一容器抽空到压力为20Torr。
16.如权利要求14所述的系统，其特征在于所述净化机构还设计成在第二容器内建立测试压力为700Torr。
17.如权利要求12所述的系统，其特征在于第一容器和第二容器形成的体积比为2∶5。
18.如权利要求12所述的系统，其特征在于至少第一容器是由铝制成的。
19.如权利要求12所述的系统，还包括计算机装置，所述计算机装置可操作地配合第二容器和监测装置中的至少一个，并设计成将压力-时间曲线上初始压力降低与平衡压力之间的过渡模型化，从而得到最佳拟合方程，使用该方程确定阀门机构初始打开时第二容器得到的最小压力，并由所述最小压力确定样品的包封体积。
20.如权利要求12所述的系统，还包括计算机装置，所述计算机装置可操作地配合第二容器和监测装置中的至少一个，并设计成将压力-时间曲线上初始压力降低与平衡压力之间的过渡模型化，从而得到最佳拟合方程，使用该方程确定阀门机构初始打开时第二容器得到的最小压力，并由所述最小压力确定样品的包封体积；用包封体积与样品包封体积基本相同的基本不吸收的试样代替第二容器中的样品，在使第一和第二容器之间的压力平衡时，测定所述基本不吸收试样的压力-时间曲线；以及将所述基本不吸收试样的压力-时间曲线与所述样品的压力-时间曲线对比，从而确定样品的相对吸收性。
全文摘要
本发明提供一种非破坏性测定多孔样品材料性能的方法。将第一容器(100)抽空到一个负压，在放有样品(300)的第二容器(200)中建立高于所述负压的测试压力。打开第一和第二容器之间的阀门机构(410)，使第一和第二容器的压力平衡。得到的第二容器压力变化表现出初始压力降低，然后过渡到平衡压力。由初始打开阀门机构时从第二容器得到的最小压力测定样品的包封体积，其中所述最小压力与所述初始压力降低相关。因此，样品的包封密度为样品的质量与包封体积之商。样品的绝对密度和相对吸收性也可以测定，并且提供一种相关的系统。
文档编号G01N15/14GK1675533SQ03818883
公开日2005年9月28日 申请日期2003年7月31日 优先权日2002年8月5日
发明者A·K·达默, R·E·特罗克斯勒, M·E·比安弗尼 申请人:特罗克斯勒电子实验有限公司