一种泡沫沥青水分含量测试方法与流程

本发明的技术方案涉及利用核磁共振来测试或分析材料，具体地说是一种泡沫沥青水分含量测试方法。

背景技术：

与普通热拌沥青混合料相比，温拌沥青混合料可以在相对较低温度条件下进行拌合、摊铺和碾压的沥青混合料。温拌技术主要可以通过以下四种技术途径获得，包括：蜡基温拌剂、泡沫沥青、乳化剂类以及表面活性剂类。温拌沥青混合料的拌合温度为105℃～125℃，而普通热拌沥青混合料的拌合温度为135℃～165℃，施工温度显著降低，据测算能够节能20％～30％。

与其他温拌技术相比，泡沫沥青温拌技术具有明显的优势，在世界范围内该技术还处于推广阶段。该技术至今还存在一些技术问题，包括由于发泡过程中水分引入是否会造成沥青路面水损坏还需要进一步解答。在施工完成后，泡沫破灭，部分水分可能残存在混合料中，通过扩散作用和冻融过程，这些残存的水分很可能会导致沥青路面水损坏。为了事先系统地了解水分在泡沫沥青及其混合料中的含量及其变化规律，本技术领域中，为此进行研究的一些现有技术如下：

(1)重量法：该方法虽然操作简单，但由于沥青中会有一些可溶于水中的盐分进入到水相中，从而得到的沥青质量变化不能直接反映水分在其中的扩散。

(2)红外光谱-衰减全反射法：该方法应用于研究水分在沥青中的扩散问题。因为在波数为3000cm^-1-3650cm^-1处，水分子中羟基的伸缩振动峰的强度会随着进入沥青中水分的增加而增强，而水分子在1640cm^-1处的弯曲振动峰在水分含量很低时并不会出现，所以测量不同时间羟基伸缩振动峰的强度，可以研究水分在沥青中的扩散过程。该方法要求将沥青制作成薄膜状，沥青的一侧为水，另一侧为SiO₂薄膜，与泡沫沥青的使用环境不符合，因此该方法不适用于检测泡沫沥青的水分含量及其变化规律的检测。

(3)Diffusion-Through试验法：主要用于作为核废料防护沥青的研究中。需要采用放射性元素作为示踪剂，通过测量示踪剂浓度的变化进行研究。其中涉及到放射性元素的使用，该方法并不方便实用，也不适用于检测泡沫沥青的水分含量及其变化规律的检测。

(4)X射线谱图法：采用同步加速器技术的X射线谱图法仪对泡沫沥青中的水泡及其随时间的变化进行分析。可是X射线的方法不能够直接回答有多少水分被引入到泡沫沥青中，因为水泡通常是空心的，孔隙的体积不能反映水的体积；X射线容易受到原子电子云的干扰；X射线法对于原子量比较小的原子不太敏感，也不适用于检测泡沫沥青的水分含量及其变化规律的检测。

(5)中子小角度衍射法：中子通过短程核力与原子发生作用，因此对于较小分子量的原子和同位素一样有效；同时由于中子不带电荷可以深入渗透材料，允许在复杂的样品环境中研究材料特性。然而开展中子小角度衍射实验需要的中子源一般为中子反应堆或蜕变中子源，这意味着需要核燃料作为中子源，因此这种检测技术使用非常困难。

(6)电化学阻抗法：电化学交流阻抗是一种常用的电化学测试技术，被广泛用于研究涂层金属的腐蚀行为，是一种成熟简单的方法。但该技术需要被检测的试样一侧必须为金属，而另一侧必须为水或者溶液，与泡沫沥青的使用环境不符合，因此不适用于检测泡沫沥青的水分含量检测。

(7)CN103558236A公开了“基于工业CT的沥青混合料水分分布测试方法”。CT成像方法主要存在三方面缺陷：①T整个成像过程设计2次信号转换(信号数模/模数转换)，微小信号可在数模/模数转换过程中易丢失；②CT成像有精度限制，现有成像精度普遍在10微米范围，在CT成像图片中对于小于10微米的微水滴是无法反映；③需要对所得到的非空隙物质的增加区域进行测量计算。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种泡沫沥青水分含量测试方法，采用核磁共振装置测定泡沫沥青中的水分含量，克服了上述现有技术方法不适用于测定泡沫沥青中的水分含量和上述CN103558236A公开的工业CT的沥青混合料水分分布测试方法所存在的缺陷。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：一种泡沫沥青水分含量测试方法，采用核磁共振装置测定泡沫沥青中的水分含量，步骤如下：

第一步，待测试水分含量的泡沫沥青试样的制备：

将未发泡的基质沥青加热至温度达到150℃后，启动室内实验室沥青发泡装置将其喷射成为泡沫沥青，用1000mL大玻璃烧杯收集该泡沫沥青，以每分钟10转的速度搅拌120s，再静置120s后，向直径为20mm的玻璃瓶中注入10克±1克的泡沫沥青，然后精确测定所注入玻璃瓶中的待测试水分含量的泡沫沥青试样的质量为Z_{泡沫沥青试样}，精度要求达到0.001克，将该待测试水分含量的泡沫沥青试样的玻璃瓶放入2℃～6℃的冷藏室中储存，待测；

第二步，核磁共振装置的核磁参数设置：

将用来测定泡沫沥青水分含量的核磁共振装置的核磁参数设置为：永久磁体磁场强度为0.53T，共振频率为23.347MHz，磁体温度控制在32.00±0.02℃，探头线圈直径为25mm，CPMG：SF＝23MHz，O1＝347913.2Hz，P1＝8us，P2＝15us，SW＝200KHz，TW＝5000ms，RFD＝0.002ms，RG1＝20db，DRG1＝3，NS＝64，DR＝1，PRG＝3，NECH＝18000，TD＝1799894，TE＝0.7ms；

第三步，获取每克去除杂质的沥青的核磁共振信号量：

首先制备去除杂质的沥青试样：将熔融去除杂质的沥青放入直径20mm的玻璃瓶中，待冷却后，精确称取放入该玻璃瓶中的去除杂质的沥青试样的质量，精度为0.001克，将用来测定的核磁共振装置的核磁参数设置为上述第二步所示，将上述放入去除杂质的沥青试样的玻璃瓶放进该核磁共振装置中的线圈内采集核磁共振信号，经过对采集到的核磁共振信号的反演分析，获得去除杂质的沥青试样的弛豫时间分布谱图，对该谱图的曲线进行积分，得到上述去除杂质的沥青试样的核磁共振信号量，再除以上述精确称取的该去除杂质的沥青试样的质量，得到每克去除杂质的沥青试样的核磁共振信号量为H_{每克去除杂质的沥青试样}；

第四步，确定标准试样中水分含量与核磁共振信号量的关系：

用已知质量的水(H₂O)和已知质量的重水(D₂O)配制成的一定质量的水和重水的混合液体作为标准试样，将四个已知含水质量的标准试样分别放入到上述同一核磁共振装置中的线圈内进行采集核磁共振信号，拟合出一条沥青试样中水分含量质量Z_水分含量与沥青试样中水分的核磁共振信号量H_水分之间的关系直线，通过回归得到直线方程如式(1)所示：

H_水分＝a×Z_水分含量+b (1)

式中，a和b为实验回归系数，

换算一下得：

Z_水分含量＝(H_水分-b)/a (2)

第五步，获取待测试水分含量的泡沫沥青试样的核磁共振信号总量：

将上述第一步制备好的待测泡沫沥青试样从冷藏室中取出，用软布擦干玻璃瓶表面凝露后，将该待测泡沫沥青试样放在上述核磁共振装置中的线圈内，开机采集该待测泡沫沥青试样的核磁共振信号，经过对采集到的核磁共振信号的反演分析，获得该待测泡沫沥青试样的弛豫时间分布谱图，对该谱图的曲线进行积分，获取待测试水分含量的泡沫沥青试样的核磁共振信号总量为H_{泡沫沥青试样}；

第六步，获取待测试水分含量的泡沫沥青试样中的泡沫沥青蒸发残留物的质量：

将上述第五步已经完成核磁共振信号量测量的泡沫沥青试样放入80℃烘箱中，烘至恒重，即1小时内质量变化小于0.02％，待冷却后，测定待测试水分含量的泡沫沥青试样中的泡沫沥青蒸发残留物的质量为Z_{试样中的泡沫沥青蒸发残留物}；

第七步，待测试水分含量的泡沫沥青试样中水分含量的计算：

上述第五步中所获取待测试水分含量的泡沫沥青试样的核磁共振信号总量H_{泡沫沥青试样}由两部分构成，即待测试水分含量的泡沫沥青试样中的轻质油分的背景核磁共振信号量H_背景和待测试水分含量的泡沫沥青试样中的水分核磁共振信号量H_水分，

有：

H_{泡沫沥青试样}＝H_背景+H_水分 (3)

其中，H_背景＝H_{每克去除杂质的沥青试样}×Z_{试样中的泡沫沥青蒸发残留物}，代入(2)式可得：

H_{泡沫沥青试样}＝H_{每克去除杂质的沥青试样}×Z_{试样中的泡沫沥青蒸发残留物}+H_水分 (4)

进而得到：

H_水分＝H_{泡沫沥青试样}-H_{每克去除杂质的沥青试样}×Z_{试样中的泡沫沥青蒸发残留物} (5)

由此计算待测试水分含量的泡沫沥青试样中水分含量质量Z_{泡沫沥青试样中的水分含量}为：

Z_{泡沫沥青试样中的水分含量}＝((H_{泡沫沥青试样}-H_{每克去除杂质的沥青试样}×Z_{试样中的泡沫沥青蒸发残留物})-b)/a (6)

其中，H_{泡沫沥青试样}由上述第五步测得，H_{每克去除杂质的沥青试样}由上述第三步测得，Z_{试样中的泡沫沥青蒸发残留物}由上述第六步测得，a和b为实验回归系数；

待测试水分含量的泡沫沥青试样中水分含量的质量百分比为：

Z_{泡沫沥青试样中的水分含量}/Z_{试样中的泡沫沥青蒸发残留物}×100％；

上述各步骤中的质量单位均为克。

上述一种泡沫沥青水分含量测试方法，所述第一步中的待测试水分含量的泡沫沥青试样的数量为四个。

上述一种泡沫沥青水分含量测试方法，所涉及的设备、仪器和原材料均由公知途径获得。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明方法具有的突出的实质性特点与显著进步是：采用核磁共振装置测定泡沫沥青中的水分含量，是直接测定待测泡沫沥青试样的磁场信号变化，直接将磁场信号转换为电信号，采用数学工具直接对电信号进行计算，即可得到弛豫时间分布谱图，通过公式计算就可以得到泡沫沥青试样中的水分含量，整个过程仅有1次磁信号转化为电信号，且属于模拟信号转换为模拟信号，可以认为信号的转化是无损的。弛豫时间分布谱图与水分含量存在直接清楚、明确的函数关系，无需多次信号转换和处理，测试精度高，因而克服了上述现有技术方法不适用于测定泡沫沥青中的水分含量和上述CN103558236A公开的工业CT的沥青混合料水分分布测试方法所存在的缺陷。

基于核磁共振测试方法的泡沫沥青水分含量分析方法，具有操作简单，精度高，检测速度快，人为误差小，重复性好，分析方法简单，便于过程控制，可实现无损检测。该分析方法的提出，为泡沫沥青温拌技术中水分迁移的研究提供了可靠、准确、简单的分析方法，对于工程现场泡沫沥青的质量的检测和控制也具有重要的实用价值。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为四个除杂质的沥青试样的弛豫时间分布谱图。

图2为四个标准试样中水分含量质量与标准试样中水分的核磁共振信号量之间的关系直线图。

图3为四个待测试水分含量的泡沫沥青试样的弛豫时间分布谱图。

具体实施方式

实施例

本实施例的一种泡沫沥青水分含量测试方法，步骤如下：

第一步，待测试水分含量的泡沫沥青试样的制备：

将未发泡的基质沥青加热至温度达到150℃后，启动室内实验室沥青发泡装置将其喷射成为泡沫沥青，用1000mL大玻璃烧杯收集该泡沫沥青，以每分钟10转的速度搅拌120s，再静置120s后，向直径为20mm的玻璃瓶中注入10克±1克的泡沫沥青，然后精确测定所注入玻璃瓶中的泡沫沥青试样的质量为Z_{泡沫沥青试样}，精度要求达到0.001克，将该待测试水分含量的泡沫沥青试样的玻璃瓶放入2℃～6℃的冷藏室中储存，共制备四个待测试水分含量的泡沫沥青试样，分别是5#待测试水分含量的泡沫沥青试样，其质量为Z_{5#泡沫沥青试样}＝10.112克，6#待测试水分含量的泡沫沥青试样，其质量为Z_{6#泡沫沥青试样}＝10.247克，7#待测试水分含量的泡沫沥青试样，其质量为Z_{7#泡沫沥青试样}＝10.560克，8#待测试水分含量的泡沫沥青试样，其质量为Z_{8#泡沫沥青试样}＝9.789克，待测；

第二步，核磁共振装置的核磁参数设置：

将用来测定泡沫沥青水分含量的核磁共振装置的核磁参数设置为：永久磁体磁场强度为0.53T，共振频率为23.347MHz，磁体温度控制在32.00±0.02℃，探头线圈直径为25mm，CPMG：SF＝23MHz，O1＝347913.2Hz，P1＝8us，P2＝15us，SW＝200KHz，TW＝5000ms，RFD＝0.002ms，RG1＝20db，DRG1＝3，NS＝64，DR＝1，PRG＝3，NECH＝18000，TD＝1799894，TE＝0.7ms；

第三步，获取每克去除杂质的沥青的核磁共振信号量：

首先制备四个去除杂质的沥青试样，分别为1#去除杂质的沥青试样、2#去除杂质的沥青试样、3#去除杂质的沥青试样、4#去除杂质的沥青试样，将熔融去除杂质的纯沥青放入直径20mm的玻璃瓶中，待冷却后，精确称取所取纯沥青试样质量，精度为0.001克，其中1#去除杂质的沥青试样＝9.227克、2#去除杂质的沥青试样＝10.629克、3#去除杂质的沥青试样＝10.258克、4#去除杂质的沥青试样＝10.844克，将用来测定的核磁共振装置的核磁参数设置为上述第二步所示，将上述四个放入去除杂质的沥青试样的玻璃瓶分别放进该核磁共振装置中的线圈内采集核磁共振信号，图1为四个去除杂质的沥青试样的弛豫时间分布谱图。

图1中的曲线从下至上分别为1#去除杂质的沥青试样的弛豫时间分布谱图的曲线、2#去除杂质的沥青试样的弛豫时间分布谱图的曲线、3#去除杂质的沥青试样的弛豫时间分布谱图的曲线、4#去除杂质的沥青试样的弛豫时间分布谱图的曲线，对该谱图的曲线进行积分，得到上述各个去除杂质的沥青试样的核磁共振信号量，再除以上述精确称取的该去除杂质的沥青试样的质量，得到去除杂质的沥青试样的每克核磁共振信号量为H_{每克去除杂质的沥青试样}；表1列出了四个去除杂质的沥青试样的每克核磁共振信号量H_{每克去除杂质的沥青试样}。

表1.四个去除杂质的沥青试样的每克核磁共振信号量H_{每克去除杂质的沥青试样}

第四步，确定标准试样中水分含量与核磁共振信号量的关系：

用已知质量的水(H₂O)和已知质量的重水(D₂O)配制成的一定质量的水和重水的混合液体作为标准试样，将四个已知含水质量分别为9#＝0.05g、10#＝0.3g、11#＝0.6g、12#＝1.0g的标准试样分别放入到上述同一核磁共振装置中的线圈内进行采集核磁共振信号，拟合出一条标准试样中水分含量质量Z_水分含量与标准试样中水分的核磁共振信号量H_水分之间的关系直线，通过回归得到直线方程如式(1)所示：

H_水分＝a×Z_水分含量+b (1)

式中，a和b为实验回归系数，

换算一下得：

Z_水分含量＝(H_水分-b)/a (2)

图2显示该四个标准试样中水分含量质量与标准试样中水分的核磁共振信号量之间的关系直线图，得出回归结果为H_水分＝57387×Z_水分含量+754.63，R²＝0.9998，其中，实验回归系数a＝57387，实验回归系数b＝754.63，R²为回归平方和与总离差平方和的比值，此值越接近1，回归拟合效果越好，

则式(2)可以写为：

Z_水分含量＝(H_水分-754.63)/57387 (2’)

第五步，获取待测试水分含量的泡沫沥青试样的核磁共振信号总量：

将上述第一步制备好的待测泡沫沥青试样从冷藏室中取出，用软布擦干玻璃瓶表面凝露后，将该待测的5#待测试水分含量的泡沫沥青试样、6#待测试水分含量的泡沫沥青试样、7#待测试水分含量的泡沫沥青试样、8#待测试水分含量的泡沫沥青试样，分别放在上述核磁共振装置中的线圈内，开机采集该待测泡沫沥青试样的核磁共振信号，经过对采集到的核磁共振信号的反演分析，获得各个待测泡沫沥青试样的弛豫时间分布谱图，图3为该四个泡沫沥青试样的弛豫时间分布谱图，图中的曲线从下至上分别为5#待测试水分含量的泡沫沥青试样的弛豫时间分布谱图的曲线、6#待测试水分含量的泡沫沥青试样的弛豫时间分布谱图的曲线、7#待测试水分含量的泡沫沥青试样的弛豫时间分布谱图的曲线、8#待测试水分含量的泡沫沥青试样的弛豫时间分布谱图的曲线，对该谱图的曲线进行积分，获取各个待测试水分含量的泡沫沥青试样的核磁共振信号总量分别为H_{5#泡沫沥青试样}＝10423.512、H_{6#泡沫沥青试样}＝10213.490、H_{7#泡沫沥青试样}＝9645.871、H_{8#泡沫沥青试样}＝8994.754；

第六步，获取待测试水分含量的泡沫沥青试样中的泡沫沥青蒸发残留物的质量：

将上述第五步已经完成核磁共振信号量测量的四个待测试水分含量的泡沫沥青试样放入80℃烘箱中，烘至恒重，即1小时内质量变化小于0.02％，待冷却后，测定各个待测试水分含量的泡沫沥青试样中的泡沫沥青蒸发残留物的质量为Z_{试样中的泡沫沥青蒸发残留物}，分别是：Z_{5#试样中的泡沫沥青蒸发残留物}＝10.015克，Z_{6#试样中的泡沫沥青蒸发残留物}＝10.164克，Z_{7#试样中的泡沫沥青蒸发残留物}＝10.476克，Z_{8#试样中的泡沫沥青蒸发残留物}＝9.712克；

第七步，待测试水分含量的泡沫沥青试样中水分含量的计算：

上述第五步中所获取的各个待测试水分含量的泡沫沥青试样的核磁共振信号总量H_{泡沫沥青试样}由两部分构成，即沥青中的轻质油分背景核磁共振信号量H_背景和水分核磁共振信号量H_水分，

有：

H_{泡沫沥青试样}＝H_背景+H_水分 (3)

其中，H_背景＝H_{每克去除杂质的沥青试样}×Z_{试样中的泡沫沥青蒸发残留物}，代入(2)式可得：

H_{泡沫沥青试样}＝H_{每克去除杂质的沥青试样}×Z_{试样中的泡沫沥青蒸发残留物}+H_水分 (4)

进而得到：

H_水分＝H_{泡沫沥青试样}-H_{每克去除杂质的沥青试样}×Z_{试样中的泡沫沥青蒸发残留物} (5)

由此计算待测试水分含量的泡沫沥青试样中水分含量质量Z_{泡沫沥青试样中的水分含量}为：

Z_{泡沫沥青试样中的水分含量}＝((H_{泡沫沥青试样}-H_{每克去除杂质的沥青试样}×Z_{试样中的泡沫沥青蒸发残留物})-b)/a (6)其中，H_{泡沫沥青试样}由上述第五步测得，H_{每克去除杂质的沥青试样}由上述第三步测得，Z_{试样中的泡沫沥青蒸发残留物}由上述第六步测得，a和b为实验回归系数；

得到：Z_{5#泡沫沥青试样中的水分含量}＝0.0973，Z_{6#泡沫沥青试样中的水分含量}＝0.0963，Z_{7#泡沫沥青试样中的水分含量}＝0.1019，Z_{8#泡沫沥青试样中的水分含量}＝0.07903。

待测试水分含量的泡沫沥青试样中水分含量的质量百分比为：

Z_{泡沫沥青试样中的水分含量}/Z_{试样中的泡沫沥青蒸发残留物}×100％；

上述各步骤中的质量单位均为克。

表2.四个待测试水分含量的泡沫沥青试样中的水分含量的测试结果

表2列出了四个待测试水分含量的泡沫沥青试样中的水分含量的测试结果，表中：

H_{泡沫沥青试样}为上述第五步获取的待测试水分含量的泡沫沥青试样的核磁共振信号总量，Z_{试样中的泡沫沥青蒸发残留物}为上述第六步测得的待测试水分含量的泡沫沥青试样中的泡沫沥青蒸发残留物的质量，H_{每克去除杂质的沥青试样}算术平均值为表1中列出的H_{每克去除杂质的沥青试样}算术平均值，Z_{泡沫沥青试样中的水分含量}为上述第七步计算得到的待测试水分含量的泡沫沥青试样中水分含量质量。

上述实施例中所涉及的设备、仪器和原材料均由公知途径获得。