大厚度及低空隙率沥青混合料穿透型水气扩散系数检测方法与流程

本发明属于道路工程领域，涉及一种道路沥青混合料中水气扩散系数检测方法。

背景技术

水气扩散是沥青路面水损害的重要来源之一，目前许多研究人员已对沥青路面水气运动开始重视并开展相应研究。而研究水气运动的前提是准确测得水气扩散系数，其是指当浓度梯度为一个单位时，单位时间内通过单位面积的水气量，能表征水气的运动速率，同时水气扩散系数也是水气运动数值模拟和水气扩散模型中的重要参数，因此准确测量沥青混合料内水气扩散系数尤为重要，其是研究沥青路面水气运动的前提。

已有研究表明，气态水分子进入沥青混合料内部的过程可分为水气积聚和水气穿透两个阶段。重量法(包括干杯法和湿杯法)是美国材料实验协会astm(americansocietyoftestingmaterials)e96标准中所提出的一种测量水气在试验样品中穿透扩散特性的方法，通过组装水气扩散试验装置并构造相对湿度差，保持温度恒定，实现水气在相对湿度梯度驱动作用下穿透沥青混合料而扩散的过程，然后不断称量水气穿透试验试件的质量，根据菲克第一定律计算扩散系数。该方法适用前提是在较短时间内水气扩散能达到稳态，且水气穿透量随时间线性变化显著，因此对于较密实结构或者较低空隙率的沥青混合料而言，采用该方法测量材料穿透型水气扩散系数时选取试件厚度不能超过1cm。如arambula等人采用湿杯法测得石灰岩集料、细集料沥青混合料圆柱体试件的水气扩散系数，试件尺寸为直径70mm，厚度仅3～7mm，耗时约40天；henon等采用类似方法测量得到三种长方体岩石试件在常压下的水气扩散系数，试件横截面尺寸为5cm×5cm，厚度为1cm，耗时约30天。从以上研究可看出，在常压下采用湿杯法虽然能准确测量湿度梯度驱动下的穿透型水气扩散系数，但扩散试验耗时较长，效率不高，且适用试件厚度较小，不超过1cm，因为当试件厚度较大时水气扩散无法达到稳态，无法获取扩散系数。而1cm厚度试件并不能充分反映沥青混合料级配与材料特性，更无法反映真实结构层厚度沥青路面的水气扩散特性。

因此，现阶段急需一种能测得大厚度、低空隙率沥青混合料水气扩散系数的高效而准确的试验方法，为后续研究真实结构层厚度沥青路面水气扩散特性提供基础。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种在负压下测试大厚度、低空隙率沥青混合料穿透型水气扩散系数的试验方法，同时还能探究路面与车轮形成的不同负压对沥青混合料穿透型水气扩散速率的影响，为研究真实结构层厚度沥青混合料内部的水气运动提供基础。

为达到上述目的，采用技术方案如下：

大厚度及低空隙率沥青混合料穿透型水气扩散系数检测方法，包括以下步骤：

1)取容器并注入适量蒸馏水，将沥青混合料试件盖住容器开口并密封即得到水气扩散装置，测得初始质量m0；

2)将上述水气扩散装置置于能控制恒定温度和真空度的真空干燥箱内，真空干燥箱内放置p2o5控制箱内稳定较低相对湿度值，由此提供水气扩散装置内外湿度差作为水气运动驱动力；

3)设置真空干燥箱温度为25℃，采用真空泵对真空干燥箱进行抽真空从而实现不同负压条件，每天称量并记录装置质量mt；记δm＝m0-mt，即为水气穿透量，根据水气穿透量随时间的变化曲线得到水气穿透率

4)通过公式即可算得设置不同负压下沥青混合料水气扩散系数；

其中，dx-任一负压下的水气扩散系数；a-有效扩散面积；-试验装置内水气穿透出沥青混合料的质量随时间的变化率即水气穿透率；r-通用气体常数；t-真空干燥箱设置温度；-水的相对分子质量；l-试件厚度；rh1＝试件下侧相对湿度，％；rh2＝试件上侧相对湿度，％；psat-水的饱和蒸气压，取3169pa；

5)通过公式即可将负压下测得的扩散系数转化为常压下值；

px-真空干燥箱所设负压对应的气体压强；patm-常压值，记为101kpa；datm-转化得到常压下的扩散系数。

按上述方案，所述容器为玻璃容器，开口为圆形；所述沥青混合料试件为圆柱体，圆形底面与容器开口大小一致，厚度4～8cm，空隙率1％以上。

按上述方案，步骤1所述密封方法包括在容器开口边缘涂上真空硅脂并覆盖一层环形硅胶板，将沥青混合料试件盖住硅胶板并封住容器开口，再用熔融蜡将接缝处填充饱满。

本发明真空干燥箱能够调节温度和不同真空度的封闭系统，内置p2o5试剂可以控制箱内稳定的相对湿度，因此可保证水气扩散试验装置在真空干燥箱中能实现湿度梯度驱动、不同负压条件下水气扩散过程。

本发明对astm规范中所提出的湿杯法进行了改进，通过自制装置使其内部溶液来提供装置内即试件一侧的稳定相对湿度，并将其置于放有p2o5试剂的真空干燥箱中进行养生来提供试件外侧稳定相对湿度，同时通过真空泵和真空干燥箱实现不同负压及温度的控制，因此可实现不同负压下的水气扩散试验，能较好探究不同负压对水气扩散速率的影响，且负压下试验能显著加快水气扩散速率，使穿透型水气扩散对于大厚度、低空隙率材料而言也能在短时间内达到稳态，从而计算得到水气扩散系数。

本发明有益效果如下：

本发明自制装置并配合相应温度及负压控制仪器、湿度控制试剂等作为在某一湿度梯度驱动、某一温度和负压下测试大厚度、低空隙率沥青混合料穿透型水气扩散系数的新方法，能解决目前对于大厚度、低空隙率沥青混合料穿透型水气扩散系数缺乏的问题，同时该方法也能用于测量一些致密性较高的其它材料(如水泥混凝土、岩石)的水气扩散特性。

负压下的穿透型水气扩散试验方案能明显加快水气扩散进程，缩短试验时间，因此较现有方法具有显著的进步，同时在试验精度上也能较高的控制。

附图说明

图1：本发明沥青混合料穿透型水气扩散系数检测方法示意图；

具体实施方式

以下实施例进一步阐释本发明的技术方案，但不作为对本发明保护范围的限制。

制备沥青混合料试验样品：

试验所用沥青为70#基质沥青，集料为产自湖北房县的辉绿岩，级配中各筛孔通过率如下所述：16mm，100％；13.2mm，96.4％；9.5mm，81.5％；4.75mm，45.2％；2.36mm，30.4％；1.18mm，22％；0.6mm，16.5％；0.3mm，11.5％；0.15mm，8.1％；0.075mm，5.3％。采用马歇尔试验法确定油石比为4.5％。使用旋转压实仪成型该密级配ac-13c试件控制空隙率，再进行钻芯和切割后得到直径为100mm、高度为150mm的标准试件，选用空隙率为4.3％±0.3％的标准试件进行切割，用切割锯取试件中部约10mm及40mm部分各两个，将其作为水气扩散试验用试件，其中对于10mm试件，相关文献已记载较容易测其水气扩散系数，但对于常用结构层厚度的40mm试件的水气扩散系数难以测得，因此选以上两种厚度作对比。然后用游标卡尺对每个试件进行厚度的精确测量，取四个相互垂直方向高度的平均值作为试件的厚度，并对其进行编号，室温下风干至恒重。

组装水气扩散试验装置，参照图1所示：

试验所用圆柱体玻璃容器高度90mm，上端开口直径为76mm。具体组装步骤如下：a.在玻璃容器沿杯高每1cm处进行标记以确保所有装置容器内所加溶液量相同，并将能控制相对湿度为100％的蒸馏水倒入容器内刻度线4cm处；b.将高真空硅脂涂于容器边缘促进密封容器并防止水分散失，并用已清洗干净的环形硅胶板粘贴覆盖容器边缘；c.将沥青混合料试件盖住硅胶板并封住容器开口，且方向不能偏移；d.用熔融蜡将试件与硅胶板接缝处以及硅胶板与容器边缘接缝处填充饱满，防止水分从装置各大缝隙处渗出；e.将整个装置填充固态蜡的地方用小刀修正平滑，防止后续称量过程中蜡屑掉落影响试验结果，待全部完成后将整套装置冷却风干风干，使蜡完全凝固。

负压下养生及周期称量，参照图1所示：

取上述已组装完毕的试验装置置于真空干燥箱中养生，设置温度为25℃。采用真空泵对真空干燥箱进行所设各个压强下的抽真空，可以实现的负压范围为-1bar～0bar。为了对比说明负压下水气扩散试验方案的优化，取两个真空度分别为0bar(常压)和-0.5bar(负压)，对应压强分别约为101kpa和51kpa，每个真空度下养生时间保持一致，约200h。箱内放有p2o5干燥剂来保持稳定湿度环境，经温湿度仪监测各真空度环境养生下箱内相对湿度值均能稳定在5％±0.5％，因此水气扩散试验装置内部水气在25℃、100％–5％湿度差及各负压条件下穿过沥青混合料试件扩散到真空干燥箱中。用天平(3kg/0.01g)每天称量装置的质量记为mt，称完后将所有装置再放回真空干燥箱中继续抽真空养生，初始装置质量记为m0，记δm＝m0-mt，即为水气穿透量。

处理试验数据，计算常压和负压下两种厚度沥青混合料的水气扩散系数：

通过周期称量，得到水气穿透量随时间t的变化曲线，采用直线拟合得到斜率将试件两侧蒸气分压力、试件厚度等其它已知量代入公式(1)即得：

其中，dx-任一负压下的水气扩散系数；a-有效扩散面积；-试验装置内水气穿透出沥青混合料的质量随时间的变化率即水气穿透率；r-通用气体常数；t-真空干燥箱温度；-水的相对分子质量；l-试件厚度；rh1＝试件下侧相对湿度，％；rh2＝试件上侧相对湿度，％；psat-水的饱和蒸气压，取3169pa。

测得负压下的扩散系数dx后，即可根据查普曼-恩斯科格气体理论转化为常压下的扩散系数值，如公式(2)所示：

其中，px-真空干燥箱所设置负压对应的气体压强；patm-常压值，约为101kpa；datm-转化得到常压下的扩散系数。

各压强下水气扩散试验不变量取值如表1所示，均为实测或按规定取值。试验所得水气穿透率和以及扩散系数如表2所示。

表1

表2

表2选取了常压和负压下两种厚度密级配沥青混合料的水气扩散试验数据，从表中可看出对于约1cm厚度的ac-13c及ac-20c两类试件，常压和负压下水气穿透量随时间均能呈现良好的线性关系，拟合优度达到0.97以上；但对于4cm厚度试件由于厚度较大且较密实，在常压下水气穿透过程较困难，所测得水气穿透量随时间的线性关系并不好，线性拟合优度较低，无法获得准确的试验数据用于计算水气扩散系数，但在负压(-0.5bar)下，水气穿透量随时间的变化规律已呈现出良好的线性关系，拟合优度高达0.97以上，可测得负压下的水气扩散系数，再根据压强与扩散系数间的反比关系可转化得到常压下值，因此本专利所述负压下穿透型水气扩散系数检测方法可用于测量一些大厚度、较低空隙率沥青混合料或其它类似特点材料的水气扩散系数。

另外负压下所有试件水气穿透量与时间线性关系的拟合优度均明显高于常压下值，说明本发明中负压下的试验方案可使水气扩散在短期内达到稳态，并得到稳定而准确的水气穿透率用于计算扩散系数，因此能有效缩短试验时间，提高试验效率。