CN101025394B - 一种集料相对密度及吸水率的测试方法和仪器 - Google Patents

Abstract

一种集料表观相对密度吸水率的测试方法和仪器。方法主要包括：采用抽真空方法缩短集料饱和时间；采用酒精浓度探测法确定饱和面干点；采用超声液位法进行集料体积计算。仪器和系统的主要特征包括由机械本体结构、传感器测量及电子控制数据处理系统和辅助设备三大部分组成。主要步骤包括：(a)将集料放入烘箱中烘干至恒重，秤取一定质量的样品，记录质量；(b)将集料在真空抽气装置中，加浓酒精，抽真空至饱和状态；(c)将饱和集料在饱和面干装置中，在稳定的热风下搅拌，根据酒精浓度传感器判断使之达到饱和面干状态，秤取并记录饱和面干质量；(d)往装料的容器中注入一定量已知密度的浓酒精，用超声波测距装置量取酒精液面位置，记录液面高度数据；(e)根据上述数据计算集料的表观相对密度、毛体积相对密度以及吸水率；(f)根据浓酒精密度和水的密度关系，进行相对密度和吸水(液)率的换算，再根据试验温度，对相对密度和吸水率进行温度修正。本发明实现了粗、细集料的表观相对密度、毛体积相对密度以及吸水率测量的全自动化；统一了原先粗、细两种不同大小集料的测试方法；有效地消除了人工测试方法的主观性，使试验具有更好的精度和可重复性；大大缩短了试验和人工干预时间。

Description

一种集料相对密度及吸水率的测试方法和仪器

技术领域

本发明涉及一种测试方法和仪器，用来测定公路和结构建筑等土木工程以及石油和地质勘探领域所用到的集(石)料的表观相对密度、毛体积相对密度及吸水率。

背景技术

集(石)料相对密度和吸水率是公路和结构建筑工程等土木工程领域中设计和施工时所要用到的两个基本参数。这些参数在石油和地质勘探领域中也有重要作用。工程技术人员非常关心一种能准确并且快速测试集(石)料的相对密度和吸水率的方法和仪器。集(石)料的相对密度和吸水率是反映集(石)料亲水性能的重要指标。

集料的相对密度可以定义为在室温下(AASHTO规范规定的温度为23±1.7℃)单位体积集料的质量和同体积水的质量的比值。集料的相对密度有表观相对密度和毛体积相对密度。表观相对密度的体积考虑的是集料的体积，并不包括集料在饱和状态下(集料完全吸收水的状态)被水所填充的孔隙体积。毛体积相对密度的体积是总体积，除了集料的体积外，还包括集料达到饱和面干(Saturated surface dry：SSD)状态下被水所填充的孔隙体积。如果用其它液体或在其它温度下测定的相对密度可根据换算关系转换。

沥青路面集料有不同大小粒径的集料按一定比例组成。集料有不同形状以及不同材质。在沥青混合料设计中，集(石)料(包括粗集料和细集料)的表观相对密度，毛体积相对密度以及吸水率是设计所需的基本指标。为了计算沥青路面的空隙率，首先要知道集料的相对密度。多孔的集料也容易吸收沥青，为了弥补被集料吸收的沥青，设计需要增加额外的沥青用量。沥青用量的准确程度，是沥青混合料具备优良性能的重要因素之一。粗集料通常指粒径大于4.75mm的集料(最大公称粒径小时则指粒径大于2.36mm的集料)，细集料则指粒径小于4.75mm(或2.36mm)大于0.075mm的集料。通常如果吸水率大于2％则认为集料为吸水性集料。

现有对粗、细集料常用的相对密度测试方法有所不同。

测量细集料相对密度和吸水率的方法有美国各州公路和运输管理者协会规范(American Associationof State Highway and Transportation Officials：AASHTO T84)、美国试验和材料协会规范(AmericanSociety for Testing and Materials：ASTM C128)以及我国的《公路工程集料试验规程》(JTJ058-2000)等。但是这些方法通常由于测试者的主观因素而使试验结果可重复性较差。这些方法的主要步骤如下：将细集(石)料的样品在烘箱中烘干至恒重，将样品在水中浸泡24小时左右(2004年AASHTO规范缩短到15-19小时)达到饱和状态，将浸泡过的集(石)样品放入平底搪瓷盆中，用电吹风吹至饱和面干状态。饱和面干的判断方法是将细集料样品装入倒置的圆台容器中，用金属小锤轻轻压实后，移去圆台容器，如果样品能轻微摊落成圆锥形，则认为样品刚好达到饱和面干状态。如果摊落量太少，表明样品太湿，还需继续吹，直到合适的摊落量为止。如果摊落量过大，表明样品太干，需重新浸水饱和后再进行吹干的过程。不同的试验人员对饱和面干状态的判断通常会有不同的标准。当细集料达到饱和面干状态时，称取一定量的样品装入容量瓶中，加水至刻度线，称量容量瓶、水以及细集料样品的总质量。将细集料倒出，放入烘箱中烘干至恒重，秤量其质量。秤量容量瓶加水至刻度线后的质量。集料的相对密度(表观相对密度和毛体积相对密度)和吸水率可根据上述数据及水的密度计算得到。

棱角性好的细集料通常吸水性较好、表面纹理粗糙而较难摊落。因此，用上述的圆锥法决定富有棱角性的细集料的饱和面干状态就比较困难。相对密度测定的不准确将会严重影响沥青路面或者其它结构的性能。

在水泥混凝土领域，通常也用上述的圆锥法来确定细集料的相对密度并确定混合料中的加水量。加水量的不正确将会影响混凝土结构的强度和耐久性。

AASHTO T85和ASTM C-127以及我国的《公路工程集料试验规程》(JTJ058-2000)描述了粗集料相对密度的测试标准。为了得到粗集料的饱和面干状态，上述规范均用毛巾擦拭粗集料的表面来获得。同样，这一方法受试验者的主观影响很大。毛巾擦拭法时不同试验者或不同样品饱和面干的判断都有不同。

研究人员尝试了多种方法来减少饱和面干状态确定时的人为主观误差。例如：Howard的玻璃广口瓶法、Martin的干湿球温度法、Saxer的吸收时间曲线法、Hughes和Bahramian的饱和空气干燥法以及Kandhal和Lee的色度法等。此外，美国国家沥青技术中心(National Center for Asphalt Technology：NCAT)在2000年第79届交通研究论坛(Transportation Research Board：TRB)上提出了一种采用温度-时间关系曲线和湿度-时间关系曲线的方法测试细集料饱和面干状态的仪器。美国爱达荷州的博伊西州的一家公司(Barnstead／Thermolyne Company of Boise，ID.)近年来推出了一种红外线法测量细集料饱和面干的仪器。2001年日本的AKASAKA NARIYASU申请专利，用水加热法使集料达到饱和状态来测试集料相对密度和吸水率。美国的James和Lawrence等在2002年和2003年两次申请了有关粗、细集料相对密度和吸水率的发明专利，用塑料袋抽真空法来测量集料的相对密度和吸水率。

上述研究和发明大多集中在确定细集料饱和面干状态，这些方法各自在某些程度上有所改进，但应用过程中存在的自动化程度不高、耗时过长、精确度受人为或环境影响较大以及操作不便等问题仍远没有得到全面解决。

我国现有有关密度测试方法和仪器的专利实质上都只是用于固体的表观相对密度的测试。如专利“便携式密度计及密度测量方法”(公开号：CN1084272A)、“沥青混合料最大相对密度仪”(公开号：CN2509579Y)、“多功能真密度瓶”(公开号：CN2188204Y)、“固体密度智能测量装置”(CN2082412U)等等。但这些方法都不能用于同时测量集料的表观相对密度、毛体积相对密度以及吸水率。

发明内容

本发明提供了一种方法和仪器和系统来测试粗、细集料的表观相对密度、毛体积相对密度以及吸水率。

本方法由以下几个步骤组成：(a)将集料放入一定温度的烘箱中烘干至恒重，冷却至室温，秤取一定质量的样品，记录质量；(b)将集料在真空抽气装置中，加浓酒精，抽真空至饱和状态；(c)将饱和集料在饱和面干装置中，在稳定的热风下均匀搅拌，根据酒精浓度传感器判断使之达到饱和面干状态，秤取并记录饱和面干质量；(d)往装料的容器中注入一定量已知密度的浓酒精，用超声波测距装置量取酒精液面位置，记录液面高度数据；(e)根据上述数据及已知浓酒精和水的密度，计算集料的表观相对密度、毛体积相对密度以及吸水率；并根据试验温度，对试验结果进行温度修正。

一种用来测试粗、细集料的表观相对密度、毛体积相对密度以及吸水率的仪器及系统。其特征包括：

I.机械本体机构：

包括：①料桶，金属弧形筛网，②可伸缩搅拌器，③支架，④桶体，⑤钟罩式密封桶盖，⑥安全阀，⑦电机，及⑧底座；

II.传感器测量及电子控制数据处理系统：

包括：①电子称，②酒精浓度传感器，③超声液位计，④温度传感器，⑤电子控制数据处理及显示器；

III.辅助设备

包括：①排气管路控制阀，排气风扇，排气管；②定量供液器，供液控制阀，进液管；③定温供气器，定温供气阀，进风管；④抽真空泵，抽真空控制阀，抽真空管；⑤外排液控制阀，排液管。

上述三部分将组成集料饱和处理部件、集料饱和面干处理部件、集料质量测量部件、集料体积测量部件以及智能控制和数据处理部件。

集料饱和处理部件主要包括桶体、钟罩式密封桶盖、料桶、抽真空泵、抽真空控制阀及抽真空管等；集料饱和面干处理部件主要包括酒精浓度传感器、料桶、金属弧形筛网、可伸缩搅拌器、电机和电子称等；集料体积测量部件主要包括超声液位计、电子称和料桶等；集料质量测量部件主要包括电子称和料桶等，料桶置于电子称上；智能控制和数据处理部件主要包括：酒精浓度传感器、超声液位计、温度传感器和电子控制数据处理及显示器。

集料饱和处理部件、集料饱和面干处理部件及集料体积测量部件的主要部分均在圆筒体和钟罩式密封桶盖内。

整个仪器和系统在智能控制和数据处理部件的控制下，能自动完成粗、细集料表观相对密度、毛体积相对密度及吸水率的全自动测试。

2.仪器的工作原理

I.集料干质量m₀

将集料放入一定温度的烘箱中烘干至恒重，冷却至室温，称取一定量(500-2000g)的样品，打开钟罩式密封桶盖9，将电子称S1读数清零，将集料样品置入料桶4之中，将钟罩式密封桶盖9关上。通过总控制器启动测试程序，仪器将自动完成以下所有测试步骤。首先，仪器将自动称取集料干质量m₀，并记录。

II.集料饱和处理

集料干质量测量完成后，仪器将自动关闭所有阀门，然后开启供液控制阀V2，启动定量供液器S4，向料桶4注入定量的浓酒精，淹没过样品一定深度后关闭定量供液器S4。系统关上进液控制阀V2，开启抽真空控制阀V4，启动抽真空泵S6，使钟罩式密封桶内的真空度达到规定的要求，持续一定的时间，使集料样品充分吸收浓酒精，达到饱和状态。系统关闭抽真空泵S6和抽真空控制阀V4。系统开启排气管路控制阀V1、定温供气阀V3，使空气进入钟罩式密封桶内。系统开启料桶4底部的外排液控制阀V5，使料桶4内的浓酒精通过排液管1排出。

III.集料饱和面干处理

集料饱和处理完成后，系统自动开启定温供气器S5，使热风吹入料桶4，在电机11带动下可伸缩搅拌器5的笼式搅拌杆徐徐转动并伸入料桶4的集料样品中，将集料样品在定温热风下均匀搅拌。在开启定温供气器S5的同时，系统自动开启排气管路控制阀V1和排气风扇S3。电子控制数据处理和显示器S7内的微处理器将根据酒精浓度传感器S2探测的数据实时分析酒精浓度的变化，并结合特定的算法自动判断饱和面干点。集料试样达到饱和面干后，系统关闭定温供气器S5和定温供气阀V3，同时将可伸缩搅拌器5的笼式搅拌杆徐徐提起，至初始位置，停下电机11。系统通过电子称S1自动测量并记录集料饱和面干质量m₁。

IV.集料体积及试验温度测量

集料饱和面干处理完成后，系统关闭料桶4底部的外排液控制阀V5，开启供液控制阀V2，启动定量供液器S4，向料桶4注入定量的浓酒精，淹没过样品一定深度后关闭定量供液器S4。静置一定时间后，系统通过电子称S1自动测量并记录集料加酒精的总质量m₂，同时通过超声液位计13测量并记录酒精液面高度，通过温度传感器15测量钟罩式密封桶内的试验温度。

V.集料相对密度和吸水率的计算

系统根据上述测得的各种质量、液面高度数据、试验温度以及已知的不同温度下浓酒精和水的密度，计算集料的表观相对密度、毛体积相对密度和吸水率，并根据试验温度，对试验结果进行温度修正。

3.本发明的效果

①本发明方法、仪器及系统实现了粗、细集料的表观相对密度、毛体积相对密度以及吸水率测量的全自动化。

②本发明统一了原先粗、细两种不同大小集料相对密度和吸水率的测试方法。粗、细集料可以在同一仪器内进行相对密度和吸水率的测试。

③该发明的测试方法和仪器实现了仪器机电一体化的自动测试，有效地消除了人工测试方法的主观性，使试验具有更好的精确度和可重复性。

④测试中，利用仪器的密封条件和环境控制条件，消除了测试环境温度等因素的干扰，保证了测试参数的一致性。

⑤该发明大大缩短了试验和人工干预时间。原先需要近20小时浸泡时间只需在20分钟左右就可完成；原先数小时的人工试验现在只需人工干预数分钟就可以自动完成。大大提高了试验效率，减轻了测试人员的劳动强度。

⑥仪器设计采用了自动数字化检测、微处理器的计算、程序控制、数字化显示、历史数据查询等功能，提高了测试的可靠性，操作更方便。

⑦该方法和仪器能测试粗、细集料，密实集料和多孔性集料以及其它例如陶瓷或者人工合成材料的相对密度和吸水率。

以上总结和阐述并非是对本专利的限定，其他装置和部件也可用来实现本专利的方法。

为了进一步说明本发明的方法、仪器和系统，以下将结合附图对本发明进行详细的描述。

附图说明

图1为本发明测试粗、细集料的表观相对密度、毛体积相对密度以及吸水率的总结构的实施例图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例的附图，对本发明的方法和仪器结构作详细描述。本发明可以有很多的实现方式，并不局限于此处所描述的这一形式。

参见图1，图1为本发明测试粗、细集料的表观相对密度、毛体积相对密度以及吸水率的总结构的实施例图。

本发明提供了一种方法和仪器和系统来测试粗、细集料的表观相对密度、毛体积相对密度以及吸水率。

本方法由以下几个步骤组成：(a)将集料放入一定温度的烘箱中烘干至恒重，冷却至室温，秤取一定质量的样品，记录质量；(b)将集料在真空抽气装置中，加浓酒精，抽真空至饱和状态；(c)将饱和集料在饱和面干装置中，在稳定的热风下均匀搅拌，根据酒精浓度传感器判断使之达到饱和面干状态，秤取并记录饱和面干质量；(d)往装料的容器中注入一定量已知密度的浓酒精，用超声波测距装置量取酒精液面位置，记录液面高度数据；(e)根据上述数据及已知浓酒精和水的密度，计算集料的表观相对密度、毛体积相对密度以及吸水率；并根据试验温度，对试验结果进行温度修正。

一种用来测试粗、细集料的表观相对密度、毛体积相对密度以及吸水率的仪器及系统。其特征包括：1.仪器的结构：

本仪器是由机械本体结构、传感器测量及电子控制数据处理系统和辅助设备三大部分组成.

I.机械本体机构：

包括：①料桶4，金属弧形筛网2，②可伸缩搅拌器5，③支架6，④桶体7，⑤钟罩式密封桶盖9，⑥安全阀10，⑦电机11，及⑧底座17；

II.传感器测量及电子控制数据处理系统：

包括：①电子称S1，②酒精浓度传感器S2，③超声液位计13，④温度传感器15，⑤电子控制数据处理及显示器S7；

III.辅助设备

包括：①排气管路控制阀V1，排气风扇S3，排气管8；②定量供液器S4，供液控制阀V2，进液管12；③定温供气器S5，定温供气阀V3，进风管14；④抽真空泵S6，抽真空控制阀V4，抽真空管16；⑤外排液控制阀V5，排液管1。

上述三部分将组成集料饱和处理部件、集料饱和面干处理部件、集料质量测量部件、集料体积测量部件以及智能控制和数据处理部件。

集料饱和处理部件主要包括桶体、钟罩式密封桶盖、料桶、抽真空泵、抽真空控制阀及抽真空管等；集料饱和面干处理部件主要包括酒精浓度传感器、料桶、金属弧形筛网、可伸缩搅拌器、电机和电子称等；集料体积测量部件主要包括超声液位计、电子称和料桶等；集料质量测量部件主要包括电子称和料桶等，料桶置于电子称上；智能控制和数据处理部件主要包括：酒精浓度传感器、超声液位计、温度传感器和电子控制数据处理及显示器。

集料饱和处理部件、集料饱和面干处理部件及集料体积测量部件的主要部分均在圆筒体和钟罩式密封桶盖内。

整个仪器和系统在智能控制和数据处理部件的控制下，能自动完成粗、细集料表观相对密度、毛体积相对密度及吸水率的全自动测试。

2.仪器的工作原理

I.集料干质量m₀

将集料放入一定温度的烘箱中烘干至恒重，冷却至室温，称取一定量(500-2000g)的样品，打开钟罩式密封桶盖9，将电子称S1读数清零，将集料样品置入料桶4之中，将钟罩式密封桶盖9关上。通过总控制器启动测试程序，仪器将自动完成以下所有测试步骤。首先，仪器将自动称取集料干质量m₀，并记录。

II.集料饱和处理

集料干质量测量完成后，仪器将自动关闭所有阀门，然后开启供液控制阀V2，启动定量供液器S4，向料桶4注入定量的浓酒精，淹没过样品一定深度后关闭定量供液器S4。系统关上进液控制阀V2，开启抽真空控制阀V4，启动抽真空泵S6，使钟罩式密封桶内的真空度达到规定的要求，持续一定的时间，使集料样品充分吸收浓酒精，达到饱和状态。系统关闭抽真空泵S6和抽真空控制阀V4。系统开启排气管路控制阀V1、定温供气阀V3，使空气进入钟罩式密封桶内。系统开启料桶4底部的外排液控制阀V5，使料桶4内的浓酒精通过排液管1排出。

III.集料饱和面干处理

集料饱和处理完成后，系统自动开启定温供气器S5，使热风吹入料桶4，在电机11带动下可伸缩搅拌器5的笼式搅拌杆徐徐转动并伸入料桶4的集料样品中，将集料样品在一定温度的热风下均匀搅拌。在开启定温供气器S5的同时，系统自动开启排气管路控制阀V1和排气风扇S3。电子控制数据处理及显示器S7内的微处理器将根据酒精浓度传感器S2探测的数据实时分析酒精浓度的变化，并结合特定的算法自动判断饱和面干点。集料试样达到饱和面干后，系统关闭定温供气器S5和定温供气阀V3，同时将可伸缩搅拌器5的笼式搅拌杆徐徐提起，至初始位置，停下电机11。系统通过电子称S1自动测量并记录集料饱和面干质量m₁。

IV.集料体积及试验温度测量

集料饱和面干处理完成后，系统关闭料桶4底部的外排液控制阀V5，开启供液控制阀V2，启动定量供液器S4，向料桶4注入定量的浓酒精，淹没过样品一定深度后关闭定量供液器S4。静置一定时间后，系统通过电子称S1自动测量并记录集料加酒精的总质量m₂，同时通过超声液位计13测量并记录酒精液面高度，通过温度传感器15测量钟罩式密封桶内的试验温度。

V.集料相对密度和吸水率的计算

系统根据上述测得的各种质量、液面高度数据、试验温度以及已知的不同温度下浓酒精和水的密度，计算集料的表观相对密度、毛体积相对密度和吸水率，并根据试验温度，对试验结果进行温度修正。

在本发明中，集料的相对密度和吸水率可由下列公式计算得到。

式中：

G_sb——集料毛体积相对密度；

G_sa——集料表干相对密度；

A——集料吸水率，％；

m₀——集料干质量，g；

m₁——集料饱和面干质量，g；

m₂——集料加酒精的总质量，g；

V——酒精液面下容器的容积，cm³；

γ_酒精——酒精在一定温度下的密度，g／cm³。

γ_w——水在一定温度下的密度，g／cm³。

当然，根据上述公式计算得到的试验结果是集料在试验温度下的相对密度和吸水率。根据试验温度，可对试验结果进行温度修正；得到集料在标准温度下的相对密度和吸水率。

本技术领域中的普通技术人员应该认识到，以上的实施实例仅是用来说明本发明，而并非用作为本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明权利要求书的范围内。

Claims (4)

1.一种集料相对密度及吸水率的测试方法，其步骤包括：(a)将集料放入烘箱中烘干至恒重，秤取一定质量的样品，记录质量；(b)将集料在真空抽气装置中，加浓酒精，抽真空至饱和状态；(c)将饱和集料在饱和面干装置中，在稳定的热风下搅拌，根据酒精浓度传感器判断使之达到饱和面干状态，秤取并记录饱和面干质量；(d)往装料的容器中注入一定量已知密度的浓酒精，用超声波测距装置量取酒精液面位置，记录液面高度数据；(e)根据上述数据计算集料的表观相对密度、毛体积相对密度以及吸水率；(f)根据浓酒精密度和水的密度关系，进行相对密度和吸水(液)率的换算，再根据试验温度，对相对密度和吸水率进行温度修正；

其特征在于所述的方法采用抽真空方法使集料达到饱和状态；采用酒精作为测试溶液，酒精浓度传感器测定集料热风吹干过程中酒精浓度的变化曲线，根据一定算法确定的曲线某一点作为集料饱和面干点；采用超声测液面高度的方法，通过计算得到集料的体积。

2.一种用来测试集料相对密度及吸水率的仪器，其特征包括由机械本体结构、传感器测量及电子控制数据处理系统和辅助设备三大部分组成：

I.机械本体机构：

包括：①料桶，金属弧形筛网，②可伸缩的搅拌器，③支架，④桶体，⑤钟罩式密封桶盖，⑥安全阀，⑦电机，及⑧底座；

II.传感器测量及电子控制数据处理系统：

包括：①电子称，②酒精浓度计传感器，③超声液位计，④温度传感器，⑤电子控制数据处理及显示器；

III.辅助设备

包括：①排气管路控制阀，排气风扇，排气管；②定量供液器，供液控制阀，进液管；③定温供气器，定温供气阀，进风管；④抽真空泵，抽真空控制阀，抽真空管；⑤外排水控制阀，排水管；

上述三部分将完成集料饱和处理部件、集料饱和面干处理部件、集料质量测量部件、集料体积测量部件以及智能控制和数据处理部件；

集料饱和处理部件包括桶体、钟罩式密封桶盖、料桶、抽真空泵、抽真空控制阀及抽真空管；集料饱和面干处理部件包括酒精浓度计传感器、料桶、金属弧形筛网、可伸缩的搅拌器、电机和电子称；集料体积测量部件包括超声液位计、电子称和料桶；集料质量测量部件包括电子称和料桶，料桶直接置于电子称上；智能控制和数据处理部件包括：酒精浓度计传感器、超声液位计、温度传感器和电子控制数据处理及显示器；

集料饱和处理部件、集料饱和面干处理部件及集料体积测量部件均在圆筒体和钟罩式密封桶盖内；

整个仪器在智能控制和数据处理部件的控制下，能自动完成粗、细集料表观相对密度、毛体积相对密度及吸水率的全自动测试。

3.如权利要求2所述的仪器，其特征在于所述的仪器的集料饱和面干处理部件采用精浓度计传感器和微处理器分析饱和面干点；采用可伸缩的搅拌器进行饱和面干搅拌；采用上下同时吹风进行饱和面干处理。

4.如权利要求2所述的仪器，其特征在于所述的仪器的集料体积测量部件采用超声液位仪进行集料体积测量和计算。