CN105928814A - 沥青混合料穿透型水气扩散系数检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种沥青混合料穿透型水气扩散系数检测方法。成型圆柱体沥青混合料薄片试样；统一规格的容器内注入调节相对湿度的溶液，使试样底部盖住容器开口并密封试样与容器开口边沿的接触部位；将容器与试样置于能控制恒定温湿度的环境箱内，通过环境箱控制整体温度和容器外相对湿度，并通过容器内溶液调节容器内相对湿度，得到容器内外不同相对湿度梯度环境；通过公式即可算得对应各试验温度及其相对湿度梯度条件下样品的水气扩散系数。本发明为测试不同温度及多相对湿度梯度下沥青混合料中穿透型水气扩散系数的新方法，其从试验方案的合理性、试验操作的便捷性上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。

Description

沥青混合料穿透型水气扩散系数检测方法

技术领域

本发明属于道路工程领域，涉及一种道路沥青混合料中穿透型水气扩散系数检测方法。

背景技术

高速公路沥青路面早期水损害已成为我国高速公路沥青路面最主要的病害之一。通常认为水损害产生的原因是液态水从路面裂缝、空隙渗入沥青混合料内部，在冻融、车辆动载产生的孔隙水压力或真空负压吸附力作用下，逐步进入沥青与集料表面剥落，导致混合料丧失粘结力，因而产生开裂、松散、坑洞等破坏。

目前国内外对水损害的传统认识和研究主要集中在水以液态形式对沥青混合料产生的破坏。如国内采用的马歇尔沥青混合料设计方法中的浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验是将试件进行静水浸泡、冻融循环等液态水处理，由浸水前后得到的浸水残留稳定度和冻融循环前后的冻融劈裂抗拉强度比来评价水稳定性；而美国的Superpave设计法评价水稳定性的方法也是通过对试件进行真空饱水、冻融循环等液态水处理。然而，大量工程实践已证实，沥青路面的水损害并非仅仅出现在潮湿多雨地区，一些干旱少雨地区同样也出现了不容忽视的水损害现象。例如，我国新疆自治区的哈密地区为典型的沙漠气候，年均降水量不到40mm，且年蒸发量远大于降水量，但其境内星星峡至哈密市的国道G312路段也产生了唧浆、坑洞等早期水损害现象。国外也有类似的案例，如美国亚利桑那州沙漠地区的高速公路，经调查证实后其沥青路面水损害非常严重，特别是在沥青路面上铺设表面封层后，约50％的路段出现了沥青膜脱落、集料松散等现象。日本大阪机场在发生水损害与未发生水损害的沥青路面上进行钻芯取样，并进行渗水试验和水气渗透试验，结果表明发生水损害的沥青芯样均不透水(液态水)，但是水气可以穿透。

以上工程实例可以证明，液态水并非沥青混合料水损害的唯一来源，更普遍存在的情况是水气携带气态水分子在沥青混合料中运动。近年来有学者也发现，即使面层沥青混合料不透水(液态水)，混合料也一直随外界温度和湿度变化不断“吸入”和“呼出”水汽，因此沥青路面始终处于一个动态的“呼吸”过程中。究其原因，主要是因为外界环境与路基存在湿度梯度和温度梯度，两种梯度共同驱使水气在整个沥青路面结构中运动。大量研究表明，无论气候环境条件如何变化，路面结构以下的路基土的总吸力一般总在2～4.5pF之间波动，根据Kelvin公式可以推导出总吸力与相对湿度之间的关系，发现相对湿度总是大于98％。趋近于饱和湿度的路基与路面结构上方的空气存在湿度梯度，该湿度梯度驱使水气从路基向路表自下而上运动，水气在沥青混合料中运动过程中，水气不断携带水分子进入到沥青混合料内部以及沥青与集料界面，降低沥青膜自身的内聚结合能以及沥青与集料界面的粘附结合能，从而引起沥青膜的内聚破坏或沥青与集料之间的粘聚破坏，再加上重复荷载作用进而导致沥青路面产生水损害。因此研究水气在沥青混合料中的扩散运动规律，是研究气态水分子引起的水损害的前提，也对后续深入研究沥青路面水损害具有十分重要的意义。

目前国内对沥青混合料中水气扩散运动研究较少，国外已进行了部分相关研究，如通过热电偶湿度计测量常压、25℃、相对湿度梯度100％-室湿下热拌密级配沥青混合料试件内部某一位置总吸力随时间变化曲线来计算水气扩散系数；测量得到35℃、常压、相对湿度梯度100％-15％条件下沥青混合料水气扩散系数。但现有研究所测扩散系数都是单一湿度梯度下进行的，无法模拟水气在各个相对湿度梯度作用下穿透过沥青面层扩散到外界的实际服役环境，更无法说明相对湿度梯度的不同对水气扩散系数的影响。

因此，现阶段急需一种可研究多湿度梯度条件下沥青混合料中穿透型的水气扩散运动规律的便捷、准确的试验方法，能真实反映水气受湿度梯度影响从路基向上运动穿透沥青面层扩散到外界环境的水气扩散规律，为研究沥青混合料水损害机理提供理论基础。

发明内容

本发明目的在于提供一种测试特定试验温度及多湿度梯度条件下沥青混合料中穿透型水气扩散系数的试验方法，真实模拟沥青混合料面层处于的上下不同相对湿度的服役环境，探究不同相对湿度梯度对沥青混合料穿透型水气扩散系数的影响，为研究沥青混合料内部的水气运动提供基础。

沥青混合料中穿透型水气扩散系数检测方法，包括以下步骤：

成型圆柱体沥青混合料薄片试样，测量其厚度，室温下风干；

统一规格的容器内注入调节相对湿度的溶液，将试样置于容器开口上方，使试样底部盖住容器开口并密封试样与容器开口边沿的接触部位，称量容器与试样结合体的初始质量M_o；

将容器与试样置于能控制恒定温湿度的环境箱内，通过环境箱控制整体温度和容器外相对湿度，并通过容器内溶液调节容器内相对湿度，得到容器内外不同相对湿度梯度环境，同时称量并记录质量M_t，根据水气穿透量M_o-M_t随时间的变化曲线得到水气穿透率

通过公式即可算得对应各试验温度及其相对湿度梯度条件下样品的水气扩散系数；

$D_{eff}=-\frac{1}{A}\frac{{\mathrm{dW}}_{H_{2}O}}{dt}\frac{RT}{M_{H_{2}O}}\[\frac{L}{P_1-P_0}\]$

其中，D_eff-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-环境箱内温度；-水的相对分子质量；L-试件薄片的厚度；P₁和P₀-分别为容器内和外的水蒸气分压力。

按上述方案，容器内调节相对湿度的溶液为蒸馏水以及饱和盐水溶液。

按上述方案，所述容器为开口为圆形，大小与圆柱体试样的圆形面一致。

按上述方案，密封试样与容器开口边沿的方法如下：

容器开口边缘涂上真空硅脂并覆盖一层环形乳胶垫圈，将试件盖住垫圈并封住容器开口，再用熔融蜡将接缝处填充饱满。

按上述方案，所述环境箱为能够调节温度和湿度的封闭系统。

按上述方案，环境箱设置有天平，容器与试样结合体放置在天平上。

本发明通过自制装置使其内部溶液来提供装置内即试件薄片一侧的稳定相对湿度，通过恒温恒湿箱或装有P₂O₅的干燥器来提供容器外即试件薄片外侧的稳定相对湿度，同时通过恒温恒湿箱和生化培养箱提供稳定温度，从而实现不同温度及各相对湿度梯度下的水气扩散试验，较以往单一湿度梯度的水气扩散试验而言，扩充了湿度梯度区间。另外，该试验方法能更真实有效模拟沥青混合料处在两侧湿度梯度作用下的全天候服役环境以及水气从路基向上运动并穿透过沥青面层的情况。

本发明所用水气扩散试验装置原材料方便易得，组装过程简单快捷，单个湿度梯度下的试验周期称量过程一般耗时15～20天，仪器设备允许条件下可多组湿度梯度试验同时进行，进行多组湿度梯度试验时有效地节省了时间。

本发明为了保证水气仅从沥青混合料试件中扩散出去，采用熔融蜡进行各缝隙处的密封，对于考虑水气从蜡填缝以及杯壁处扩散的影响，采取空白对照组试验，即对上述水气扩散试验装置进行改造，将试件薄片替换成塑料杯盖，并且杯盖上端和各接缝处均用熔融蜡完全密封，对空白试验组的数据检测结果能很好的排除掉水气从杯壁和填缝蜡扩散的影响。另外，试验装置内部溶液控制湿度以及外界恒温恒湿箱和干燥器所控制温湿度均通过统一规格的高精度温湿度仪进行准确监测，保证了温湿度数据的准确性。通过0.1mg精度的分析天平对装置质量进行称量，准确测量了水气穿透量的细微变化，预期水气穿透量随时间变化曲线为一直线，实际试验结果符合预期且线性拟合程度很高，保证了试验精度。

本发明有益效果如下：

本发明为测试不同温度及多相对湿度梯度下沥青混合料中穿透型水气扩散系数的新方法，其从试验方案的合理性、试验操作的便捷性上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。

本试验操作便捷，单组湿度梯度试验时间较短。

整体装置密封效果好，外界环境控制精准，精度高。

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SBS改性沥青，集料为产自湖北房县的石灰岩，级配中各筛孔通过率如下所述：26.5mm，100％；19mm，97.8％；16mm，89.5％；13.2mm，78.1％；9.5mm，54.4％；4.75mm，34.6％；2.36mm，23％；1.18mm，18.8％；0.6mm，13.7％；0.3mm，9.5％；0.15mm，7.1％；0.075mm，5.5％。采用马歇尔试验法确定油石比为4.3％。使用旋转压实仪成型HMA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切下厚度为8±1mm的试件薄片作为本试验的试件样品。从每一个标准HMA试件上切割得到两个个试件薄片作为一组，将其作为后续水气扩散试验某一湿度梯度的平行试验组，这样做是为了尽量保证同一梯度的试验所用试件薄片来源于同一个标准试件，由于试件中部空隙率较均匀，因此尽量使两个试件薄片的各体积参数接近。然后用游标卡尺对每个试件薄片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薄片的厚度，并对其进行编号，如“1-1”表示该薄片是从编号为“1”的标准HMA试件中切割下的第1个薄片，“1-2”表示该薄片是从编号为“1”的同一个标准HMA试件中切割下的第2个薄片，室温下风干至恒重。

装置内溶液湿度监测

将配制好的饱和盐水溶液或蒸馏水适量(与正式试验注入量一致)倒入塑料容器内，再将设置好的温湿度仪固定在容器盖子的里侧。用盖子盖住容器后，将整个容器放入温度为20℃的生化培养箱中养生，每天定时观察湿度显示值，待达到稳定后再取出温湿度仪，读取其存储的实时湿度数据。本试验已检测蒸馏水、MgCl₂饱和溶液、NaBr饱和溶液、KCl饱和溶液在本试验所用容器内所控制湿度稳定值依次为100％、36.5％、62％和87％，其与文献中记载值相差不大，考虑到本试验饱和溶液所处的环境与文献所述环境存在一定的差异性，所以以实测值为准。

组装水气扩散试验装置

试验所用统一规格的塑料容器容积为250ml，高度53mm，上端开口，直径96mm。具体组装步骤如下：a.在塑料容器沿杯高每1cm处进行标记以确保所有容器内所加溶液量相同，并将控制相应相对湿度的溶液倒入容器内刻度线2cm处；b.将真空硅脂涂于塑料容器的开口边缘来促进密封容器并防止水分散失，并用已清洗干净的环形乳胶垫圈粘贴覆盖容器开口边缘；c.将事先已加热成熔融状态的蜡涂在乳胶垫圈上，并快速将试件薄片粘贴盖住垫圈并封住容器开口，且方向不能偏移；d.用熔融蜡将试件薄片与乳胶垫圈接缝处以及乳胶垫圈与容器开口边缘接缝处填充饱满，防止水分从装置各大缝隙处渗出；e.待熔融蜡冷却凝固后，将整个装置填缝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。

组装空白对照组装置

为测试试验装置的密封性能，确定试验过程中水气仅穿透HMA试件扩散到外界环境，另行组装了空白对照试验装置，检测水气是否也从填缝蜡或塑料容器外壁对外进行扩散。对照组的试验装置组装过程与对照组类似，采用同样的塑料容器，并装有等量的控制湿度的溶液，但杯口直接用杯盖封闭，并用熔融态蜡将杯盖和杯口边缘缝隙处填充密实，同时也将杯盖上表面也涂满，进一步防止水蒸气从杯口溢出，尽量保证水气仅从杯壁以及填缝蜡处扩散。

养生及周期称量

以试验温度为20℃、相对湿度梯度分别为100-60％、100-50％、100-4％下的穿透型水气扩散试验为例。将试验组与对照组的水气扩散试验装置组装完毕并冷却风干后，用量程为320g，精度为0.1mg的高精度分析天平称量并记录所有装置的初始总质量记为M₀。对于100-50％梯度和100-60％梯度，取装置内溶液为蒸馏水，置于控制温度为20℃、湿度为50％和60％的两个恒温恒湿箱中分别养生；对于100％-4％梯度，取装置内溶液为蒸馏水，置于装有P₂O₅的干燥器中，再将整个干燥器放入控制温度为20℃的生化培养培养箱中养生，通过温湿度仪监测干燥器内即水气扩散试验装置外环境湿度能稳定在4％。

待安放完毕后，用高精度天平对每个装置的质量进行记录，记为Mt，追踪其质量变化即水蒸气从试件穿透散失量。

处理试验数据，计算各相对湿度梯度下沥青混合料的水气扩散系数通过周期称量，得到初始质量与周期质量差值Mo-Mt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汽分压力、试件厚度等其它已知量代入公式即得：

$D_{eff}=-\frac{1}{A}\frac{{\mathrm{dW}}_{H_{2}O}}{dt}\frac{RT}{M_{H_{2}O}}\[\frac{L}{P_1-P_0}\]$

其中，D_eff-水汽扩散系数；A-有效扩散面积；-试验装置内水气穿透过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-环境箱内温度；-水的相对分子质量；L-试件薄片的厚度；P₁和P₀-分别为容器内和外的水蒸气分压力，温度一定时与相对湿度成正比，20℃时取P_sat＝2338.8Pa。

各梯度试验不变量取值如表1所示，均为实测或按规定取值。试验所得水气扩散率和以及最后的扩散系数如表2所示。

表1

表2

注：对照组没有试件，假设杯壁厚度为1mm。

表2选取了20℃下三个湿度梯度下的试验数据，从表中可看出数据的拟合优度较高，从所得三个湿度梯度的水气扩散系数可知，试验组水气扩散系数都远大于对照组，约100倍以上，因此可以忽略掉水气从杯壁侧面及蜡缝隙处扩散的影响，以试验组的扩散系数作为最终试验结果，不需要修正。

另外，试验温度为20℃、三组湿度梯度下的沥青混合料水气扩散系数并不相同，可能呈现出某一规律，说明保持温度一定并以不同相对湿度梯度作为驱动力会对水气扩散过程产生一定影响，从而影响水气扩散系数。根据本专利所提供方法，后续可以进行更多试验来实现更多相对湿度梯度下水气扩散系数的试验测量，从而进一步了解湿度梯度对水气扩散系数及其过程的影响，也更加说明了本专利测试特定温度及不同相对湿度梯度作用下沥青混合料水气扩散系数方法的重要性。

Claims (6)

1.沥青混合料中穿透型水气扩散系数检测方法，其特征在于包括以下步骤：

1)成型圆柱体沥青混合料薄片试样，测量其厚度，室温下风干；

2)统一规格的容器内注入调节相对湿度的溶液，将试样置于容器开口上方，使试样底部盖住容器开口，并密封试样与容器开口边沿的接触部位，称量容器与试样结合体的初始质量M_o；

3)将容器与试样置于能控制恒定温湿度的环境箱内，通过环境箱控制整体温度和容器外相对湿度，并通过容器内溶液调节容器内相对湿度，得到容器内外不同相对湿度梯度环境，同时称量并记录质量M_t，根据水气穿透量M_o-M_t随时间的变化曲线得到水气穿透率

4)通过以下公式即可算得对应各试验温度及其相对湿度梯度条件下样品的水气扩散系数；

$D_{eff}=-\frac{1}{A}\frac{{\mathrm{dW}}_{H_{2}O}}{dt}\frac{RT}{M_{H_{2}O}}\[\frac{L}{P_1-P_0}\]$

其中，D_eff-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-环境箱内温度；-水的相对分子质量；L-试件薄片的厚度；P₁和P₀-分别为容器内和外的水蒸气分压力。

2.如权利要求1所述沥青混合料中穿透型水气扩散系数检测方法，其特征在于容器内调节相对湿度的溶液为蒸馏水以及饱和盐水溶液。

3.如权利要求1所述沥青混合料中穿透型水气扩散系数检测方法，其特征在于所述容器开口为圆形，大小与圆柱体试样的圆形面一致。

4.如权利要求1所述沥青混合料中穿透型水气扩散系数检测方法，其特征在于密封试样与容器开口边沿的方法如下：

容器开口边缘涂上真空硅脂并覆盖一层环形乳胶垫圈，将试件盖住垫圈并封住容器开口，再用熔融蜡将接缝处填充饱满。

5.如权利要求1所述沥青混合料中穿透型水气扩散系数检测方法，其特征在于所述环境箱为能够调节温度和湿度的封闭系统。

6.如权利要求1所述沥青混合料中穿透型水气扩散系数检测方法，其特征在于环境箱设置有天平，容器与试样结合体放置在天平上。