沥青混合料中氧气扩散系数和消耗系数的测定装置及测定方法与流程

本发明属于道路施工材料性能测定技术领域，具体涉及沥青混合料中氧气扩散系数和消耗系数的测定装置及测定方法。

背景技术：

沥青混合料是一种广泛应用于道路、机场、停车场等路面的施工材料，沥青混合料中沥青粘结剂的老化程度直接影响着沥青混合料的使用性能，从而影响路面的使用年限。研究发现，无论沥青粘结剂应用在何种路面结构上，其都会随着时间的推移发生不同程度的老化，因此，通过测定沥青混合料的老化敏感性，进而开发出性能更好的抗老化沥青混合料是提高沥青路面耐久性的关键。

氧气可及性是评价沥青粘结剂老化敏感性的重要因素之一，其是通过测量沥青混合料中氧气的扩散系数和消耗系数来确定的，现有的测量沥青混合料中氧气的扩散系数和消耗系数是通过探测识别沥青混合料中气孔的大小和分布进行判断的，研究时采用x射线计算机断层扫描来检查沥青混合料中气孔的大小和分布，尽管通过气孔的大小和分布可以初步判断氧气在微观水平的传输和扩散，有助于对沥青粘结剂老化现象的理解，但是由其判断产生的结果误差较大。主要原因是利用x射线计算机断层扫描的方法存在以下限制：

1、采用x射线计算机断层扫描图像的分辨率通常不足以检测小空隙和空隙通道；

2、计算出的空隙率和空隙连通性结果不准确；

3、x射线计算机断层扫描设备使用过程复杂，需要专业的人员去操作。

技术实现要素：

针对上述利用x射线计算机断层扫描方法测量出的沥青混合料中空隙和空隙通道不准确，导致测量误差大，且x射线计算机断层扫描设备对操作人员的专业性要求高的问题，本发明提出了一种沥青混合料中氧气扩散系数和消耗系数的测定装置及测定方法，其是根据氧气浓度差通过气体扩散的原理对沥青混合料的氧气可及性进行测量，测量结果准确且操作过程简单。具体技术方案和方法步骤如下：

沥青混合料中氧气扩散系数和消耗系数的测定装置，包括测试箱、保温箱以及与测试箱和保温箱连接的控制箱，所述测试箱置于保温箱内；

所述测试箱包括上测试腔、中间试样腔及下测试腔，所述中间试样腔用于放置待测的压实沥青混合料，所述上测试腔通过中间试样腔与下测试腔连通，所述上测试腔和下测试腔内均设置有氧气浓度传感器，所述氧气浓度传感器用于检测上测试腔或下测试腔气体中氧气的浓度。

进一步限定，所述上测试腔包括上腔体侧壁以及设置在上腔体侧壁上方的上盖板，所述氧气浓度传感器与上盖板连接，所述上盖板上还连接有温度传感器及湿度传感器，所述温度传感器用于测定上测试腔内气体的温度，所述湿度传感器用于测定上测试腔内气体的湿度；

所述下测试腔包括下腔体侧壁以及设置在下腔体侧壁下方的下盖板，所述氧气浓度传感器与下盖板连接，所述下盖板上还连接有温度传感器及湿度传感器，所述温度传感器用于测定下测试腔内气体的温度，所述湿度传感器用于测定下测试腔内气体的湿度；

所述氧气浓度传感器、温度传感器及湿度传感器均与控制箱电连接。

进一步限定，所述中间试样腔包括橡胶圈、橡胶圈固定架及橡胶圈固定板，所述橡胶圈用于密封中间试样腔和放置待测的压实沥青混合料，且所述橡胶圈通过橡胶圈固定架密封环绕在橡胶圈固定板的侧边；所述橡胶圈的顶部与上测试腔的底部连接，所述橡胶圈的底部与下测试腔的顶部连接。

进一步限定，所述中间试样腔包括橡胶圈、橡胶圈固定架、橡胶圈固定板及支撑杆，所述橡胶圈用于密封中间试样腔和放置待测的压实沥青混合料，所述橡胶圈通过橡胶圈固定架密封环绕在橡胶圈固定板的侧边，所述支撑板连接在橡胶圈固定架的外侧，且支撑杆的顶部与上测试腔的底部连接，支撑杆的底部与下测试腔的顶部连接，支撑杆用于对上测试腔和下测试腔进行支撑。

进一步限定，所述保温箱的上端设置有保温盖板，且在保温箱的内侧壁面上设置有风扇。

进一步限定，所述控制箱包括加热单元、制冷单元、传感器单元及加湿单元，所述加热单元和制冷单元通过控温管与保温箱的内腔连通，用于对保温箱内的温度进行调节；所述传感器单元通过传感器连接导线与设置在上测试腔和下测试腔上的氧气浓度传感器、温度传感器及湿度传感器连接，用于检测上测试腔和下测试腔内气体中氧气的浓度、气体温度和气体湿度；所述加湿单元通过连接软管分别与上测试腔和下测试腔连通，用于对上测试腔和下测试腔加湿。

利用上述的沥青混合料中氧气扩散系数和消耗系数的测定装置实现沥青混合料中氧气扩散系数和消耗系数的测定方法，其包括以下步骤：

(1)保持测定装置密封，给上测试腔内通入充足的空气，同时给下测试腔内通入充足的氮气；

(2)通过控制箱(21)调节保温箱(29)内的温度恒定，记录上测试腔和下测试腔内氧气的初始浓度和气体的初始温度；

(3)静置一段时间，使上测试腔内的空气和下测试腔内的氮气通过中间试样腔中压实沥青混合料的孔隙自然流通，待流通至上测试腔和下测试腔气体中氧气浓度相等时，记录上测试腔和下测试腔内氧气的截止浓度；

(4)利用有限体积法计算出沥青混合料中氧气扩散系数和氧气消耗系数。

进一步限定，上述步骤(1)具体为：

保持测定装置密封，启动控制器(21)上的加湿单元(25)，通过连接软管(5)给上测试腔和下测试腔加湿，并给上测试腔内通入充足的空气，下测试腔内通入充足的氮气，待通气完成后，关闭控制器(21)上的加湿单元(25)，记录通过湿度传感器(15)反馈至控制箱(21)的上测试腔和下测试腔的气体的初始湿度。

进一步限定，上述步骤(2)具体为：

通过温度传感器(15)检测上测试腔和下测试腔内气体的温度，反馈给控制箱(21)，控制箱(21)作出判断，若温度低于要求的恒定温度，控制箱(21)启动加热单元(22)给保温箱(29)加热；若温度低于要求的恒定温度，控制箱(21)启动制冷单元(23)给保温箱(29)降温，从而使上测试腔和下测试腔内的温度保持恒定；同时通过风扇(13)促使保温箱(29)内气体快速流动，保证上测试腔和下测试腔内温度分布均匀，记录上测试腔和下测试腔气体中氧气的初始浓度和气体的初始温度。

进一步限定，上述步骤(4)具体为：

(4.1)将上测试腔的上端和下测试腔的下端位置处的氧气浓度实测值分别导入，用多项式函数拟合上测试腔的上端和下测试腔的下端之间的氧气浓度随时间变化的曲线，并按照时间间隔计算上测试腔的上端和下测试腔的下端位置处的初始氧气浓度值；

(4.2)在同一时间间隔时，上测试腔的上端和下测试腔的下端位置处的氧气浓度计算值和实测值之间的误差平方，若误差平方和大于10^-3时，则返回第(4.1)步，重新调整多项式函数，直到误差满足要求；

(4.3)将氧气扩散系数和氧气消耗系数的变化范围进行等分，对每个体积单元进行差分处理，按照有限体积法分析，将扩散系数、消耗系数、容器长度、每层位置、初始条件、边界条件、时间间隔、边界接触条件进行赋值，采用后向欧拉法对时间离散化处理，计算在时间序列内，在容器中不同位置处氧气浓度值；

(4.4)提取上测试腔的上端和下测试腔的下端在整个时间列里面的氧气浓度值，计算出整个时间列里面的氧气浓度值与步骤(4.1)的初始氧气浓度值之间的误差平方和，并找出最小系数组合，判断相邻两组系数间氧气浓度值的误差平方和之差是否小于10^-3，若大于10^-3，则将该相邻两组系数重新等分，并返回步骤(4.3)，直到误差小于10^-3，终止循环；输出上测试腔的上端和下测试腔的下端之间的氧气随时间变化的浓度值，即可确定出沥青混合料中氧气扩散系数。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明的中间试样腔采用橡胶圈封装压实的沥青混合料，再用两个横截面为半圆形的钢圈将橡胶圈箍在橡胶圈固定板的侧边，在钢圈的外侧连接有支撑杆，支撑杆将上筒体侧壁和下筒体侧壁连接，既能够固定沥青混合料，又能够使沥青混合料的侧面密封不透气，保证了实验数据的准确性。

2、本发明的保温箱内侧壁上设置有风扇，风扇能够保证实验装置内的气体流动充分和实验装置内的温度分布均匀，保证整个实验装置受热均匀；实验装置的上盖板和下盖板上设置有氧气浓度传感器、温度传感器及湿度传感器，能够实时监测实验装置内的氧气浓度、温度和湿度，有效地模拟沥青混合料的老化环境，进一步地保证了测量数据的准确性。

3、相对于现有的x射线计算机断层扫描装置，本发明的测定装置安装简单、体积小、容易携带，操作简单，一般的实验人员皆可进行操作。

4、本发明的测定方法通过调节不同的湿度条件、不同的温度条件及不同氧气浓度的空气来评估压实沥青混合料中的氧气输送效率，模拟环境条件接近真实的路面环境，从而计算推导出氧气的扩散系数和消耗系数，为评价沥青混合料的老化敏感性提供有效地参考，进而对路面耐久性的评估提供更加可靠的数据。

附图说明

图1为本发明测定装置的结构示意图；

图2为上盖板的结构示意图；

图3为控制箱结构示意图；

其中，1-上腔体侧壁，2-上盖板，3-螺纹杆，4-下腔体侧壁，5-连接软管，6-气体阀口，7-螺钉，8-支撑杆，9-电线，10-橡胶圈，11-钢圈拼接固定端口，12-橡胶圈固定板，13-风扇，14-氧气浓度传感器，15-温度传感器，16-湿度传感器，17-边缘板，18-控温管，19-传感器连接导线，20-控制系统，21-控制箱，22-加热单元，23-制冷单元，24-传感器单元，25-加湿单元，26-钢圈，27-下盖板，28-保温盖板，29-保温箱，30-螺母，31-气体出口，32-密封圈。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的技术方案进行进一步地解释说明，但本发明并不限于以下说明的实施方式。

参见图1，本发明的沥青混合料中氧气扩散系数和消耗系数的测定装置包括测试箱、保温箱29和控制箱21，测试箱置于保温箱29内，控制箱21与测试箱和保温箱29连接。

测试箱包括上测试腔、中间试样腔、下测试腔，上测试腔包括气体阀口6、上腔体侧壁1和设置在上腔体侧壁1上端的上盖板2，上腔体侧壁1通过螺钉7和螺母30与上盖板2连接，在螺钉7和螺母30之间设置有密封圈32，气体阀口6设置在上腔体侧壁1或上盖板2上，参见图2，上盖板2上连接有氧气浓度传感器14、温度传感器15和湿度传感器16；下测试腔包括气体阀口6、下腔体侧壁4和设置在下腔体侧壁4下端的下盖板27，下腔体侧壁4通过螺钉7和螺母30与下盖板27连接，在螺钉7和螺母30之间设置有密封圈32，气体阀口6设置在下腔体侧壁4或下盖板27上，下盖板27上连接有氧气浓度传感器14、温度传感器15和湿度传感器16；中间试样腔包括橡胶圈10、橡胶圈固定架和橡胶圈固定板12，橡胶圈10为两个，分别为上橡胶圈和下橡胶圈，橡胶圈固定板12为圆饼状的钢化玻璃，且橡胶圈固定板12为两个，两个橡胶圈10通过橡胶圈固定架紧箍在两个橡胶圈固定板12的侧边上，上橡胶圈的上端面与上腔体侧壁1的底部连接，下橡胶圈的下端面与下腔体侧壁4的顶部连接。

保温箱29的侧面和底面均由边缘板17围成，保温箱29的上端设置有保温盖板28，且在保温箱29的侧壁上方设置有气体出口31，用于排出保温装置内的加热气体，18充入加热气体，气体流通，实现温度保持，在侧壁上还设置有用于传感器连接导线19和连接软管5穿过的孔，在保温箱29的内侧壁上设置有风扇13，风扇13通过电线9与电源连接；保温箱29通过设置在其内部底面上方的支撑杆(3)与下测试腔的底部连接。

参见图3，控制箱21包括加热单元22、制冷单元23、传感器单元24及加湿单元25，控制箱21通过安装在其内部的控制系统20与加热单元22、制冷单元23、传感器单元24及加湿单元25电连接，对加热单元22、制冷单元23、传感器单元24及加湿单元25进行控制、调节；加热单元22和制冷单元23分别通过控温管18与保温箱29的内腔连通，对保温箱29内的温度进行调节；传感器单元24通过传感器连接导线19与设置在上测试腔和下测试腔上的氧气浓度传感器14、温度传感器15及湿度传感器16连接，用于检测上测试腔和下测试腔内气体中的氧气浓度、气体温度和气体湿度；加湿单元25通过连接软管5分别与设置在上腔体侧壁1上的第二上气体阀口和设置在下腔体侧壁4上的第二下气体阀口连通，对上测试腔和下测试腔内的气体进行加湿。

实施例1

本实施例的沥青混合料中氧气扩散系数和消耗系数的测定装置，其上测试腔上的气体阀口6有三个，分别为第一上气体阀口、第二上气体阀口和第三上气体阀口，第一上气体阀口设置在上盖板2上，为排气口，排气口通过连接软管5连接至保温箱29外侧，第二上气体阀口和第三上气体阀口均设置在上腔体侧壁1上，第二上气体阀口通过连接软管5与控制箱21上加湿单元25连接，第三上气体阀口为进气口，进气口通过连接软管5连接至保温箱29外侧；下测试腔上的气体阀口6有三个，分别为第一下气体阀口、第二下气体阀口和第三下气体阀口，第一下气体阀口设置在下盖板27上，为排气口，排气口通过连接软管5连接至保温箱29外侧，第二下气体阀口和第三下气体阀口均设置在下腔体侧壁4上，第二下气体阀口通过连接软管5与控制箱21上加湿单元25连接，第三下气体阀口为进气口，进气口通过连接软管5连接至保温箱29外侧。

橡胶圈固定架是由两个横截面为半圆形的钢圈26拼接形成的，在钢圈26的中部形成钢圈拼接固定端口11，钢圈拼接固定端口11通过螺钉7和螺母30连接，橡胶圈10通过钢圈26紧箍在橡胶圈固定板12的侧面；在钢圈26的外侧连接有支撑杆8，支撑杆8的顶部与上腔体侧壁1的底部连接，支撑杆8的底部与下腔体侧壁4的顶部连接。

保温箱29的内侧壁上设置有4个风扇13，且风扇13的中心轴与保温箱29的侧壁母线形成的夹角为45°。

利用本实施例的沥青混合料中氧气扩散系数和消耗系数的测定装置实现沥青混合料中氧气扩散系数和消耗系数的测定方法，包括以下步骤：

(1)保持测定装置密封，启动控制器21上的加湿单元25，通过连接软管5给上测试腔和下测试腔加湿，并通过第三上气体阀口给上测试腔内通入充足的空气，通过第三下气体阀口给下测试腔内通入充足的氮气，待通气完成后，关闭控制器21上的加湿单元25，记录通过湿度传感器15反馈至控制箱21的上测试腔和下测试腔的气体的初始湿度；

(2)通过温度传感器15检测上测试腔和下测试腔内气体的温度，反馈给控制箱21，控制箱21作出判断，若温度低于65℃，控制箱21启动加热单元22给保温箱29加热；若温度低于65℃，控制箱21启动制冷单元23给保温箱29降温，从而使上测试腔和下测试腔内的温度保持在65℃；同时通过风扇13促使保温箱29内气体快速流动，保证上测试腔和下测试腔内温度分布均匀，记录通过氧气浓度传感器14和温度传感器15反馈至控制箱21的上测试腔和下测试腔的气体中氧气的初始浓度和气体的初始温度；

(3)静置30min，使上测试腔内的空气和下测试腔内的氮气通过中间试样腔内压实沥青混合料的孔隙自然流通，待流通至上测试腔和下测试腔内气体中的氧气浓度相等时，分别记录上测试腔和下测试腔气体中氧气的截止浓度、气体的截止温度和气体的截止湿度；

(4)利用有限体积法计算出沥青混合料中氧气扩散系数和氧气消耗系数。

(4.1)将上测试腔的上端和下测试腔的下端位置处的氧气浓度实测值分别导入，用多项式函数拟合上测试腔的上端和下测试腔的下端之间的氧气浓度随时间变化的曲线，并按照时间间隔计算上测试腔的上端和下测试腔的下端位置处的初始氧气浓度值；

(4.2)在同一时间间隔时，上测试腔的上端和下测试腔的下端位置处的氧气浓度计算值和实测值之间的误差平方，若误差平方和大于10^-3时，则返回第(4.1)步，重新调整多项式函数，直到误差满足要求；

(4.3)将氧气扩散系数和氧气消耗系数的变化范围进行等分，对每个体积单元进行差分处理，按照有限体积法分析，将扩散系数、消耗系数、容器长度、每层位置、初始条件、边界条件、时间间隔、边界接触条件进行赋值，采用后向欧拉法对时间离散化处理，计算在时间序列内，在容器中不同位置处氧气浓度值；

(4.4)提取上测试腔的上端和下测试腔的下端在整个时间列里面的氧气浓度值，计算出整个时间列里面的氧气浓度值与步骤(4.1)的初始氧气浓度值之间的误差平方和，并找出最小系数组合，判断相邻两组系数间氧气浓度值的误差平方和之差是否小于10^-3，若大于10^-3，则将该相邻两组系数重新等分，并返回步骤(4.3)，直到误差小于10^-3，终止循环；输出上测试腔的上端和下测试腔的下端之间的氧气随时间变化的浓度值，即可确定出沥青混合料中氧气扩散系数。

多项式函数为f(x)＝anxⁿ+an-1·x^(n-1)+…+a2·x²+a1x+a0；式中an,an-1,…,a2,a1,a0分别为拟合n,n-1,…,2,1,0次的为拟合系数；x为拟合间隔的时间；f(x)为氧气浓度值。n值一般不超过5，本实施例中n值为3。

实施例2

与实施例1不同的是，本实施例的沥青混合料中氧气扩散系数和消耗系数的测定装置，其橡胶圈固定架是由两个横截面为半圆形的钢圈26拼接形成的，在钢圈26的中部形成钢圈拼接固定端口11，钢圈拼接固定端口11通过螺钉7和螺母30连接，橡胶圈10通过钢圈26紧箍在橡胶圈固定板12的侧面；上橡胶圈的上端面与上腔体侧壁1的底部连接，下橡胶圈的下端面与下腔体侧壁4的顶部连接。

保温箱29的内侧壁上设置有6个风扇13，且风扇13的中心轴与保温箱29的侧壁母线形成的夹角为45°。

步骤(4)利用有限体积法计算出沥青混合料中氧气扩散系数和氧气消耗系数，具体为：

(4.1)设置上测试腔和下测试腔以及沥青混合料试件的高度、初始条件、边界条件：

初始条件：上测试腔充满空气；下测试腔和试件内部无氧气存在；

边界条件：上测试腔顶部(z0)和下测试腔底部(z3)的气通量为0；试件与气体接触界面(z1和z2)两侧的浓度或通量相等，无浓度差。

将上测试腔的上端z0位置和下测试腔的下端z3位置处的氧气浓度实测值分别导入，调用多项式函数拟合上测试腔的上端和下测试腔的下端之间的氧气浓度随时间变化的曲线，并按照时间间隔计算上测试腔的上端(z0)和下测试腔的下端(z3)位置处的氧气浓度值；

(4.2)在同一时间间隔时，上测试腔的上端和下测试腔的下端位置处的氧气浓度的计算值和实测值之间的误差平方，若误差平方和大于10^-3时，则返回第(4.1)步，重新调整多项式的函数，直到误差满足要求；

(4.3)将氧气扩散系数和氧气消耗系数的变化范围进行5等分，对每个体积单元进行差分处理，按照有限体积法分析，将扩散系数、消耗系数、容器长度、每层位置、初始条件、边界条件、时间间隔、边界接触条件进行赋值，采用后向欧拉法对时间离散化处理，计算在时间序列内，在容器中不同位置处氧气浓度值；

(4.3.1)首先对以上输入变量进行判别是否正确并重新对其赋值；

(4.3.2)将容器中三层空间，每层各分为50层；

(4.3.3)对每个体积单元进行差分处理；

(4.3.4)给每层中节点进行赋值，注意上测试腔的上端(z0)和下测试腔的下端(z3)位置节点和中间部分节点的计算公式不同；

(4.3.5)采用后向欧拉法对时间离散化处理，定义时间序列函数；

(4.3.6)计算在时间序列内，在容器中不同位置处氧气浓度值；

(4.4)提取上测试腔的上端和下测试腔的下端在整个时间列里面的氧气浓度值，计算出整个时间列里面的氧气浓度值与步骤(4.1)的初始氧气浓度值之间的误差平方和，并找出最小系数组合，判断相邻两组系数间氧气浓度值的误差平方和之差是否小于10^-3，若大于10^-3，则将该相邻两组系数重新5等分，并返回步骤(4.3)，直到误差小于10^-3，终止循环；输出上测试腔的上端和下测试腔的下端之间的氧气随时间变化的浓度值，即可确定出沥青混合料中氧气消耗系数。

多项式函数为f(x)＝anxⁿ+an-1·x^(n-1)+…+a2·x²+a1x+a0；式中an,an-1,…,a2,a1,a0分别为拟合n,n-1,…,2,1,0次的为拟合系数；x为拟合间隔的时间；f(x)为氧气浓度值。n值一般不超过5，本实施例中n值为4。

其余均与实施例1相同。

上述实施例1和实施例2中所用的控制箱29是本领域中的常用设备，其为定制耐高温塑料桶，内径225mm,外径260mm,高度1400mm。盖子半径300mm,厚度30mm。