CN102590062B

CN102590062B - 沥青混合料气压型渗透仪以及渗透性能测试方法

Info

Publication number: CN102590062B
Application number: CN201210019986.8A
Authority: CN
Inventors: 郝培文; 蒋锦毅; 苏东兰
Original assignee: Changan University
Current assignee: Changan University
Priority date: 2012-01-21
Filing date: 2012-01-21
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2032-01-21
Also published as: CN102590062A

Abstract

一种沥青混合料气压型渗透仪，它包括控制器储气囊，储气囊的进气端通过安装在导管上的电磁进气阀与充气装置相联通、出气端通过安装在导管上的电磁出气阀与密封盖相联通，电磁进气阀和电磁出气阀通过导线与控制器相连，储气囊的侧壁上设置有通过导线与控制器相连的压力传感器，还包括有计时装置以及设置在密封盖的边沿上的配重块。本发明以空气为介质，控制器控制储气囊的进、出气阀门，使压缩空气穿过与密封盖相联的沥青混合料试件，压力传感器将压力信号传给控制器，由控制器将压力信号转换为时间信号，由计时装置显示气囊从一固定气压下降到另一固定气压所用的时间，测出试件的渗透性能，试验时间大幅缩短，效率高，节约了水资源。

Description

沥青混合料气压型渗透仪以及渗透性能测试方法

技术领域

本发明涉及一种基于空气为介质的沥青路面渗透仪以及渗透性能测试方法。

背景技术

沥青混合料的渗水性大小对沥青路面的耐久性有重要影响，由于沥青路面渗水而导致路面的早期破坏相当严重。当沥青路面积水时，水通过沥青混合料的联通空隙率进入沥青混合料内部，在外部车辆荷载作用下，沥青膜逐渐从集料表面剥离，造成沥青路面松散、剥落、坑槽等一些列损害现象，甚至当水从沥青混合料下渗到基层导致基层承载能力下降而引发的破坏在早期破坏中占有相当大的比例。

目前国际上较为常用的是采用降水头渗水系数测定仪来测定沥青混合料的渗水系数。我国现行《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》JTJ 052-2000规定采用降水头渗水系数测定仪测定碾压成型的沥青混合料试件的渗水系数，以检验沥青混合料的配合比设计。沥青混合料试件的渗水系数按式(1)计算，计算时以水面，100ml下降至500ml所需的时间为标准，若渗水时间过长亦可采用3分种通过的水量计算：

C_{W} = \frac{V_{2} - V_{1}}{t_{2} - t_{1}} \times 60 - - - (1)

式中：CW-沥青混合料试件的渗水系数，ml/min；

V1-第一次读数时的水量(通常为100ml)，ml；

V2-第二次读数时的水量(通常为500ml)，ml；

t1-第一次读数时的时间，秒；

t2-第二次读数时的时间，秒。

国内传统沥青路面渗水仪实采用降水头原理，在底座与路面密封的前提下，密封底座内的水在上部水压作用下渗进沥青路面的空隙中，以测得沥青路面的渗透系数。不难发现，国内传统沥青路面渗水仪存在以下不足：

1、需水量大，耗时长

传统渗水仪需要大量的水来进行渗透系数试验，对于野外现场的检测试验，携带大量水试验很不方便；另外渗水试验耗时较长，耗费人工精力较大，试验效率很低。

2、水难以渗入较小孔径空隙

由渗水仪的原理可知，密封底座内的水靠上部水压作用下渗透进入沥青路面的空隙，因为水表面张力的存在，水在不同温度下表面张力在变化，当水表面张力向上的分力大小等于水压力大小时，上下受力达到平衡状态，水便不会继续往下渗透。为进一步分析水在细小空隙内部的受力情况，将沥青混合料内部的空隙形状理想化为圆柱形，其周壁由包裹集料的沥青组成。

通常在行驶车辆的轮胎作用下，路表水会对沥青路面产生较大水压力(可高达42KPa)，这一压力远大于传统渗水仪所产生的水压力，在动水压力作用下，水对沥青混合料的渗透作用增强。因此对于那些密实型沥青混合料来说，用传统渗水仪测得的渗水系数与沥青路面实际工况之间存在较大差异。

3、试验再现性差

《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ 052-2000)指出，在正常情况下，水应该从试件的反面及四周渗出，如果底座与试件密封不好，水从底座与密封材料间渗出，即试验失败，则应另行采用其他干燥的试件重新进行试验。事实上，当发现密封失败时，已有相当一部分水渗透进入沥青混合料试件内部，如果在该试件上继续做渗水试验，原本在沥青混合料内部的水势必会影响第二次渗水试验时水在混合料内部的渗流情况，导致试验结果不准确，即试验的再现性较差。如此一来为得到平行试验数据，有可能不得不重新成型试件，导致试验量增加，工作周期增长。

由于目前使用的路面渗透仪存在较多不足，用传统渗水仪测得的渗水系数与沥青路面实际工况之间存在较大差异，因此设计开新型沥青路面渗透仪已经迫在眉急，设计开发一种快速、方便、再现性好、便携式的沥青路面渗透仪，以能更好地评价沥青混合料的渗透性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服上述沥青混合料渗水仪测试结果偏差大、耗时长、再现性差的缺陷，提供一种试验时间短、实验效率高、节约水资源的沥青混合料气压型渗透仪。

本发明所要解决的技术问题在于为沥青混合料气压型渗透仪提供一种试验再现性好、试件利用率高、试验量小、试验周期短的渗透性能测试方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：它包括控制器以及储气囊，储气囊的进气端通过安装在导管上的电磁进气阀与充气装置相联通、出气端通过安装在导管上的电磁出气阀与密封盖相联通，电磁进气阀和电磁出气阀通过导线与控制器相连，储气囊的侧壁上设置有通过导线与控制器相连的压力传感器，还包括通过导线与控制器相连的计时装置。

本发明密封盖的边沿上设置有配重块。

本发明的密封盖的竖截面为圆弧线形。

使用上述沥青混合料渗透性能测试方法，它包括以下步骤：

1、开启控制器的电源开关，设定储气囊的压力上限值和压力下限值。

2、由控制器控制储气囊的电磁进气阀打开，开始对储气囊进行充气，并通过压力传感器实时将压力信号传送给控制器，由控制器将接收的压力信号转换为数字信号并与其设定的压力上限值进行比较，如果检测值小于设定压力上限值时，保持充气，直至储气囊内气压达到步骤1设定的压力上限值。

3、由控制器控制储气囊的电磁进气阀关闭，电磁出气阀6打开，将储气囊与设置在沥青混合料测试台上且同试件密封联接的密封盖相联通，并开始计时。

4、储气囊内的气压下降至压力下限值时，关闭储气囊的电磁出气阀并停止计时。

5、记录时间差值。

在本发明的步骤5之后还包括至少重复步骤1至步骤5两次，计算N个时间差的平均值，N≥2。

在本发明的步骤3中的计时是通过控制器控制计时装置自动计时。

本发明的沥青混合料气压型渗透仪以及渗透性能测试方法，其主要具有以下优点：

1、本发明是以空气为介质，利用导管将一定体积的储气囊与充气装置和密封盖相连通，将密封盖与沥青路面密封，利用控制器控制储气囊的进、出气阀门，使压缩空气穿过与密封盖相联的沥青混合料试件，于此同时压力传感器将压力信号传给控制器，并由控制器将压力信号转换为时间信号，最后由计时装置显示气囊从一固定气压下降到另一固定气压所用的时间，从而测出试件的渗透性能，其试验时间大幅缩短，实验效率得到明显提高，试验过程不需要大量的水，节约水资源。

2、本发明利用空气为介质能够很好地区分沥青混合料的渗透性大小，尤其对于渗透性较小的沥青混合料，本发明可以很好地区分不同类型沥青混合料渗透性能的优劣。

3、本发明的试验再现性好，其可以在同一试验地点进行多次重复试验，试验再现性好；当出现一次密封性不好时，可以进行二次密封，而不用废弃试件，试验量小，工作周期短。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图。

图2是本发明与现有技术的渗透试验结果回归分析图。

图3是级配优化前后传统渗水试验渗透系数对比图。

图4是级配优化前后本发明的渗透时间对比图。

图5是渗透时间与孔隙率回归情况。

图6是渗透时间与密度回归情况。

图7是不同级配类沥青混合料的渗透时间对比图。

图8是AC-20不同油石比下的渗透时间对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。

实施例1

参见图1，本发明的沥青混合料气压型渗透仪是由充气装置1、电磁进气阀2、压力传感器3、控制器4、计时装置5、电磁出气阀6、导管7、配重块8、密封盖9、储气囊10联接构成。

在储气囊10的进气端设置有电磁进气阀2，储气囊10通过导管7与充气装置1相联通，本实施例的充气装置1选用空压机来实现对空气压缩并输出到储气囊10。在储气囊10的出气端设置有电磁出气阀6，并且通过导管7与密封盖9的顶部相联通，密封盖9的竖截面是弧线形，整体呈球冠形状，将密封盖9设置在沥青混合料试件上，使得密封盖9与沥青混合料试件之间形成密闭空腔。为了保证更好地密封效果，在安装密封盖9时应朝某一方向旋转10°，再在密封盖9上加上配重块8，以防压缩空气从密封盖9与沥青混合料试件之间的缝隙中泄露。在储气囊10的侧壁上还设置有压力传感器3，压力传感器3、电磁进气阀2以及电磁出气阀6分别通过导线与控制器4相连。本实施例中在控制器4上还通过导线连接有计时装置5，用于接收控制器4输出的计时信号。

本发明的沥青混合料气压型渗透仪是以空气为介质，采用导管7将一定体积的储气囊10的进、出气端分别与空压机1和密封盖9相联通，将密封盖9与沥青路面密封，利用控制器4打开电磁进气阀2，通过空压机产生压缩空气并将其输送到储气囊10中，同时压力传感器3将压力信号输送给控制器4，并由控制器4将压力信号转换为数字信号，并将检测值与设定值进行比较，若检测值小于设定的压力上限值，则储气囊10的电磁进气阀2保持进气，直至检测值等于设定的压力上限值，则由控制器4控制关闭电磁进气阀2，使得储气囊10达到恒定的压力上限值，然后由控制器4控制电磁出气阀6打开，压缩空气从储气囊10通过导管7进入密封盖9，使压缩空气穿过与密封盖9联接的沥青混合料试件，进入沥青混合料试件的孔隙中，同时控制器4也给计时装置5发送信号，使得计时装置5开始计时，储气囊10内的气压开始下降，直至储气囊10内的气压达到设定的压力下限值时，控制器4给计时装置5发送停止计时的信号，计时装置停止计时并将储气囊10从压力上限值下降到压力下限值所用的时间显示出来。该时间越短，则说明沥青路面越容易被渗透，其渗透性越大；相反，如果该时间越长，则说明沥青路面越不容易被渗透，其渗透性越小。

本发明的沥青混合料渗透性能测试方法，具体步骤如下：

步骤1：打开控制器4的电源开关，设置相关试验参数，主要是在控制器4中设定储气囊10的空气压力上限值和下限值。

步骤2：接通空压机的电源，空压机开始给储气囊10充气，并由压力传感器3将实时检测的压力信号传送给控制器4，此时电磁出气阀6处于关闭状态而电磁进气阀2处于开启状态，空压机1一直给储气囊10充气，同时通过压力传感器将储气囊10的气压值实时反馈到控制器4中，由控制器4对检测值和预先设定的压力上限值进行比较，直到储气囊10内的压力达到步骤1中设定的气压上限值，控制器4自动将电磁进气阀2关闭，储气囊10处于固定压力状态。

步骤3：由控制器4控制电磁进气阀2关闭、电磁出气阀6打开状态，储气囊10通过导管7开始向密封盖9充入压缩空气，并使空气穿入与密封盖9相联的沥青混合料试件中，开始计时，其精度控制为0.01秒，储气囊10内的压力随着时间增加逐渐减小。

步骤4：当储气囊10内的压力达到步骤1设定的压力下限值时，电磁出气阀6自动关闭，停止计时，并计算出将所用时间差通过其显示屏显示出来；

步骤5：记录计时装置5时间差值。

步骤6：重复步骤1至步骤5，对同一试件进行3次重复试验，并记录结果，以平均值作为试件的最终试验结果。

本发明的上述步骤1至步骤6中，若在3次重复试验时发现结果之间相差较大，且显示时间结果越来越小，则表明密封盖9与沥青混合料试件之间的密封效果可能已经破坏，出现泄漏，此时应重新进行密封，重新进行试验。

实施例2

本实施例中的沥青混合料气压型渗透仪是由充气装置1、电磁进气阀2、压力传感器3、控制器4、计时装置5、电磁出气阀6、导管7、配重块8、密封盖9以及储气囊10联接构成。

本实施例的计时装置5采用秒表，由人工控制。其他零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。本实施例工作原理以及沥青混合料渗透性能测试方法与实施例1相同。

为了验证本发明的有益效果，发明人采用了本发明实施例1制备的沥青混合料气压型渗透仪以及沥青混合料渗透性能测试方法与现有技术中的渗水检测方法进行了对比试验，各种试验情况如下：

1、试验方法：

《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》JTG E20-2000

根据T 0703-1993沥青混合料时间制作方法(轮碾法)制作试验试件，再根据T 0971-2008沥青路面渗水系数测试方法及本仪器测定方法分别对同组试件进行试验。试验结果参见表1和表2。

表1 国内传统渗水试验结果

表2 本发明的路面渗透试验结果

2、试验结果回归分析

将传统渗水试验结果与本发明的渗透试验结果进行回归分析。回归分析中，将传统渗水试验所得结果中的不渗水现象记为0ml/min，回归结果见图2。

从图2可以看出，本发明的渗透试验测得结果与传统渗水试验测得结果之间存在很好的非线性相关性(回归系数R2为0.8998)，说明本发明可用来测定沥青混合料渗透系数大小。进一步分析发现回归曲线有明显的拐点。拐点左侧，渗透系数大于0，且随着渗透时间的增加而快速下降，两者呈现很好线性关系，说明对于渗透系数较大的沥青混合料，传统渗水试验测得的渗透系数和本发明测得的渗透时间都可以用来评价沥青混合料的渗透性大小；拐点右侧，渗透系数为0，但不同沥青混合料的渗透时间有明显差异，说明对于渗透系数较小的沥青混合料，用传统的渗透试验已不能区分其渗透性大小(渗透系数都为0)，而本发明可以很好区分不同沥青混合料的渗透性能(渗透时间明显不一样)。

3、级配优化前后渗透系数对比分析

参见图3，图中所示为级配优化前后传统渗水渗透系数对比情况，从图3中可以看到，AC-20混合料经级配优化后，渗透系数从57.2ml/min降到20.4ml/min，沥青混合料的渗透性明显降低，采用体积法优化级配可以改善沥青混合料的渗透性能；SMA-13混合料级配优化前后均不渗水，即采用传统渗水仪不能区分SMA-13级配优化前后沥青混合料的渗透性能优劣。

参见图4，图中所示为级配优化前后本发明的渗透时间对比情况，AC-20混合料经级配优化后，渗透时间从1.44秒增加到4.52秒，沥青混合料的渗透性明显降低；SMA-13混合料经级配优化后，渗透时间从47.32秒增加到50.46秒，混合料渗透性降低，在传统渗水仪不能区分SMA混合料渗透性能优劣的情况下，本发明可以较好地区分不同混合料渗透性能的优劣。

4、沥青混合料渗透性影响因素分析

参见图5，图中所示为渗透时间与孔隙率的回归情况，两者的相关系数R2为0.51，有一定相关性。分析其原因，沥青混合料中的空隙由三部分组成：闭口空隙、半闭口空隙、联通空隙，其中闭口空隙和半闭口空隙不能排水，只有联通空隙可以排水。不同类型的混合料，由于内部结构不同，其空隙构造也不尽相同，即使孔隙率相同，其内部的联通空隙率也不一定相同，另外孔隙率越大，联通空隙数量会相应变化，会对渗透试验结果产生一定的影响，因此沥青混合料的渗透时间与孔隙率有一定相关性，但是相关性不是很高。

图6所示为渗透时间与密度的回归情况，两者的相关系数为0.439，相关性较差。对于采用相同集料的不同沥青混合料而言，其渗透性能与混合料的密度没有必然联系。

图7所示为不同级配类沥青混合料的渗透时间，从图7中可以看到，对于悬浮密实性混合料，不管是基质沥青还是改性沥青，渗透时间均随着集料最大公称粒径的增大而减小，即混合料的渗透性能随着最大公称粒径的增大而增加。

图8所示为AC-20混合料在不同油石比下的渗透时间，从图8中可以看到对于给定级配，随着油石比的增加，渗透时间明显增加，混合料的渗透性能降低。其原因是当油石比增加时，集料间空隙被更多的沥青胶浆填充，内部联通空隙减少，使得混合料的渗透性能降低。

由上述试验对比，可以毫无疑义地得出：本发明测得结果与传统渗水仪测得结果之间存在很好的非线性相关性(回归系数R2为0.8998)，相较于传统渗水仪，本发明能更好地区分渗透性较小的沥青混合料渗透性能优劣；另外，AC-20和SMA-13级配优化后的混合料渗透性要低于优化之前混合料的渗透性，即级配优化后的沥青混合料具有更好的密水性；沥青混合料的孔隙率与渗透时间相关性一般，混合料密度与与渗透时间相关性不好，对于悬浮密实性混合料，混合料的渗透性随着最大公称粒径的增大而增加，对于给定级配，随着油石比的增加，渗透时间明显增加，混合料的渗透性能降低。

Claims

1.一种沥青混合料气压型渗透仪，其特征在于：该渗透仪包括控制器（4）以及储气囊（10），储气囊（10）的进气端通过安装在导管上的电磁进气阀（2）与充气装置（1）相联通、出气端通过安装在导管上的电磁出气阀（6）与设置在沥青混凝试件外的密封盖（9）相联通，电磁进气阀（2）和电磁出气阀（6）分别通过导线与控制器相连，储气囊（10）的侧壁上设置有通过导线与控制器（4）相连的压力传感器（3），还包括通过导线与控制器（4）连接的计时装置（5）。

2.根据权利要求1所述的沥青混合料气压型渗透仪，其特征在于：所述密封盖（9）的边沿上设置有配重块（8）。

3.根据权利要求1或2所述的沥青混合料气压型渗透仪，其特征在于：所述密封盖（9）的竖截面为圆弧线形。

4.一种使用如权利要求1所述的沥青混合料气压型渗透仪进行沥青混合料渗透性能测试的方法，包括以下步骤：

1）开启控制器（4）的电源开关，设定储气囊（10）的压力上限值和压力下限值；

2）由控制器（4）控制储气囊（10）的电磁进气阀（2）打开，开始对储气囊（10）进行充气，并通过压力传感器（3）实时将压力信号传送给控制器（4），由控制器（4）将接收的压力信号转换为数字信号并与储气囊（10）设定的压力上限值进行比较，如果检测值小于设定压力上限值时，保持充气，直至储气囊（10）内气压达到步骤1）设定的压力上限值；

3）由控制器4控制储气囊（10）的电磁进气阀（2）关闭，电磁出气阀（6）打开，将储气囊（10）与设置在沥青混合料测试台上且同试件密封联接的密封盖（9）相联通，并开始计时；

4）储气囊（10）内的气压下降至压力下限值时，关闭储气囊（10）的电磁出气阀（6）并停止计时；

5）记录时间差值。

5.根据权利要求4所述的沥青混合料渗透性能测试方法，其特征在于：在步骤5）之后还包括至少重复步骤1）至步骤5）2次，计算重复时间差值的平均值。

6.根据权利要求4或5所述的沥青混合料渗透性能测试方法，其特征在于：所述步骤3）中的计时是通过控制器（4）控制计时装置（5）自动计时。