CN106644887A - 渗流状态下大空隙沥青混合料空隙饱和度的确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及渗流状态下大空隙沥青混合料空隙饱和度的确定方法，本方法根据大空隙沥青混合料板式试件的体积及其空隙率，计算出试件内的空隙体积，并称出试件的干质量，然后进行渗流试验，以试件径流面出现径流的最小水头高度，作为试件渗流状态下的水头。接着在该水头下，对板式试件进行渗流，渗流开始10min后，迅速移开渗水仪的蓄水槽，收集从此刻开始到试件的渗透面不再渗出水时间段内的渗透水，同时计算出渗流前后板式试件的干湿质量差值，从而确定渗流状态下混合料空隙内水的体积。最后，以板式试件内水的体积与试件内空隙体积的比值，作为渗流状态下大空隙沥青混合料的空隙饱和度。本发明简单、直观地体现了大空隙沥青混合料板式试件的保水性。
Description
技术领域
本发明涉及渗流状态下大空隙沥青混合料空隙饱和度的确定方法，属于沥青混合料内部结构测试与评价技术领域。
背景技术
开级配抗滑磨耗层(OGFC)沥青混合料是一种大空隙沥青混合料。以该沥青混合料修筑上面层的排水性沥青路面，具有优越的排水、抗滑、防水雾、防水溅、防眩光和降噪等功能。工程实践表明，排水性路面能够具备上述优良性能，主要依赖于大空隙沥青混合料中存在的大量连通空隙。为了保证大空隙沥青混合料具有足够丰富的连通空隙，我国现行的设计规范要求其空隙率不能小于18％，国外对于大空隙沥青混合料的空隙率也有明确要求。但是，沥青混合料如此之多的空隙在有水(渗流)状态下，是否都发挥排水作用，或者如此之大的空隙中，有多少是排水的有效空隙，这些问题在现有规范中没有得到体现。为此，近年来一些学者以渗流状态下混合料空隙内水的体积与空隙体积的比值定义为空隙饱和度，并以此指标评价大空隙沥青混合料中发挥排水作用的空隙大小。
目前，确定渗流状态下大空隙沥青混合料空隙饱和度的方法主要分为两个步骤，包括：(1)在混合料渗流过程中，采用X射线CT扫描混合料试件的几个截面，得到由矿料、空隙和水组成的截面图像；(2)采用图像处理技术对截面图像中水分所占面积、空隙面积进行统计，以截面内水与空隙的面积比作为空隙饱和度。尽管一些学者采用这种方法成功计算了渗流状态下的空隙饱和度，但这种方法的缺点却十分明显，具体表现在：(1)这种方法依赖CT扫描，该设备在道路工程领域并不普及；(2)CT扫描的只是混合料试件的少数几个截面，由少数截面的水分布来体现整个混合料试件，显得过于粗略；(3)混合料CT扫描的效果，主要取决于于空隙、矿料和水密度差异，由于水与空隙之间的密度差异小于水与矿料之间的差异，这可能导致扫描出的截面图像并不能很好的区分空隙和水分，从而给后续的图像处理计算水分面积带来困难；(4)这种方法只是通过水与空隙面积的比例间接计算空隙饱和度，并不符合空隙饱和度的物理含义。可见，这种方法存在着设备缺乏、过程繁琐、计算粗略等缺陷。
综上所述，渗流状态下大空隙沥青混合料空隙饱和度的相关研究还处于起步阶段，目前的确定方法存在着许多不足。
发明内容
为了解决上述存在的问题，本发明公开了一种渗流状态下大空隙沥青混合料空隙饱和度的确定方法，本方法能够简单、直接、快速确定大空隙沥青混合料空隙饱和度，其具体技术方案如下：
渗流状态下大空隙沥青混合料空隙饱和度的确定方法，包括以下步骤：
步骤一：制备大空隙沥青混合料板式试件，测量大空隙沥青混合料板式试件四条边中间位置处的厚度hi，取其平均值作为试件厚度，并测试试件的空隙率VV，按Vk＝Vb·VV计算试件的空隙体积Vk，其中大空隙沥青混合料板式试件的体积Vb＝S·h，板式试件底面面积S＝300×300＝9×104mm2；选取大空隙沥青混合料板式试件的上表面为径流面，选取大空隙沥青混合料板式试件的一个侧面作为渗透面，其余4个面涂抹石蜡，以封住它们表面的空隙，称取石蜡干燥后大空隙沥青混合料板式试件的干质量为mg；
步骤二：把4个面密封后的板式试件放入渗水仪中，调整渗水仪上底板坡度至预定值，分别采用9cm、14cm、19cm、24cm和29cm的水头高度进行渗流试验，以试件径流面出现径流的最小水头高度，作为大空隙沥青混合料板式试件渗流状态下的水头hw；
步骤三：在水头高度hw下，将大空隙沥青混合料板式试件置于渗水仪上进行渗流，渗流开始10min后，迅速移开蓄水槽，同时收集并称量该时刻后由试件渗透侧面排出水的质量为m1，等大空隙沥青混合料板式试件的渗透侧面不再渗出水后，从渗水仪中取出大空隙沥青混合料板式试件，称量试件的湿质量为ms；
步骤四：计算渗流状态下大空隙沥青混合料板式试件中水的体积为其中ρw为水的密度，以此得到渗流状态下大空隙沥青混合料空隙饱和度为
所述大空隙沥青混合料板式试件为矩形体形状，其尺寸为300mm×300mm×60mm，所述大空隙沥青混合料板式试件中一个规格为300mm×300mm的侧面作为排水径流面，一个规格为300mm×60mm的侧面作为渗透面。
步骤二中使用的渗水仪包括蓄水槽和底座，所述大空隙沥青混合料板式试件平铺在底座内。
所述蓄水槽包括矩形板形状的底板和四个矩形板形状的侧板，所述底板的四周边缘与侧板的底部边缘密封固定，所述底板设置若干个通孔，其中一个侧板纵向设置有若干个泄水孔。
所述底座设置有上底板和下底板，所述上底板和下底板一端铰接连接，另一端设置有高度调节装置，高度调节装置能够改变上底板的坡度，所述上底板的四周设置有围挡，所述上底板的一组相对边内侧设有卡槽，所述蓄水槽插入卡槽内固定。
所述上底板和下底板靠近隔板的一端通过铰接连接，另一端设置有高度调节装置，所述高度调节装置包括螺丝和螺母，螺丝穿过上底板，螺丝的底端设置于下底板的上表面，通过旋转螺丝和螺母可调节两层之间的距离，改变上底板的坡度。
所述侧板纵向设置有5个泄水孔，所述泄水孔距底板距离分别为9cm、14cm、19cm、24cm和29cm，5个泄水孔的高度由低到高对应的降雨强度分别为12.5ml/s·m2、15.7ml/s·m2、21.2ml/s·m2、24.7ml/s·m2和27.1ml/s·m2。
本发明的工作原理是：
首先根据大空隙沥青混合料板式试件的体积及其空隙率，计算出试件内的空隙体积，并称出试件的干质量。然后采用本发明涉及的渗水仪对板式试件进行渗流试验，以试件径流面出现径流的最小水头高度，作为大空隙沥青混合料板式试件渗流状态下的水头hw。接着在水头高度hw下，将大空隙沥青混合料板式试件置于渗水仪上进行渗流，待渗流稳定后，移开渗水仪的蓄水槽，收集并称量从此刻开始到大空隙沥青混合料板式试件的渗透面不再渗出水时间段内的渗透水，同时计算出渗流前后板式试件的干湿质量差值，从而确定渗流状态下混合料空隙内水的体积。最后，以板式试件内水的体积与试件内空隙体积的比值，作为渗流状态下大空隙沥青混合料的空隙饱和度。
本发明的有益效果是：
本发明收集在大空隙沥青混合料板式试件排水稳定后大空隙沥青混合料板式试件内开口空隙内的水，并通过实验前后大空隙沥青混合料板式试件的质量差，计算出残留在大空隙沥青混合料的水量，能更简单、直观地确定大空隙沥青混合料内参与渗水的有效空隙。
附图说明
图1是本发明中蓄水槽的结构示意图；
图2是本发明中底座的结构示意图；
图3是本发明中泄水孔高度为9cm时大空隙沥青混合料板式试件空隙饱和度与上底板坡度之间的关系直方图；
图4是渗流状态下大空隙沥青混合料空隙饱和度的确定方法的流程图；
附图标记列表：1—蓄水槽，2—泄水孔，3—底座，4—卡槽。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
图1是本发明中蓄水槽的结构示意图，图2是本发明中底座的结构示意图，结合附图可见，本渗水仪，包括蓄水槽和底座，所述蓄水槽包括矩形板形状的底板和四个矩形板形状的侧板，所述底板的四周边缘与侧板的底部边缘密封固定，所述底板设置若干个通孔，其中一个侧板纵向设置有若干个泄水孔，所述底座设置有上底板和下底板，所述上底板和下底板一端铰接连接，另一端设置有高度调节装置，高度调节装置能够改变上底板的坡度，所述上底板的四周设置有围挡，所述上底板的一组相对边内侧设有卡槽，所述蓄水槽插入卡槽内固定，使蓄水槽中的水落到试件上，所述围挡上设置有隔板，所述隔板覆盖部分围挡。所述侧板纵向设置有5个泄水孔，所述泄水孔距底板距离分别为9cm、14cm、19cm、24cm和29cm，5个泄水孔的高度由低到高对应的降雨强度分别为12.5ml/s·m2、15.7ml/s·m2、21.2ml/s·m2、24.7ml/s·m2和27.1ml/s·m2。所述通孔直径为1mm，水经过通孔向下流，模拟降雨。通过不同的泄水孔调节水头差，得到不同的降雨强度，如果需要19cm的水头差，需将9cm和14cm的泄水孔密闭。
所述蓄水槽底板的规格为300mm×50mm。
所述上底板和下底板靠近隔板的一端通过铰接连接，另一端设置有高度调节装置，所述高度调节装置包括螺丝和螺母，螺丝穿过上底板，螺丝的底端设置于下底板的上表面，通过旋转螺丝和螺母可调节两层之间的距离，改变上底板的坡度。高度调节装置改变上底板的坡度，从而模拟路面横坡。
图4是渗流状态下大空隙沥青混合料空隙饱和度的确定方法的流程图，结合附图可见，渗流状态下大空隙沥青混合料空隙饱和度的确定方法，包括以下步骤：
步骤一：测量大空隙沥青混合料板式试件四条边中间位置处的厚度hi，取其平均值作为试件厚度，并测试试件的空隙率VV，按Vk＝Vb·VV计算试件的空隙体积Vk，其中大空隙沥青混合料板式试件的体积Vb＝S·h，板式试件底面面积S＝300×300＝9×104mm2；选取大空隙沥青混合料板式试件的上表面为排水径流面，选取板式试件的一个侧面为渗透面，其余4个面用石蜡进行密封，称取大空隙沥青混合料板式试件的干质量为mg；
步骤二：调整渗水仪上底板坡度至预定值，并把板式试件放入渗水仪中，并使排水径流面朝上，未被石蜡密封的侧面位于渗流的下游、作为试件渗水侧面，分别采用9cm、14cm、19cm、24cm和29cm的水头高度进行渗流试验，以试件上表面出现径流的最小水头高度，作为大空隙沥青混合料板式试件渗流饱和状态下的水头hw；
步骤三：在水头高度hw下，将大空隙沥青混合料板式试件置于渗水仪上进行渗流，渗流开始10min后，迅速移开蓄水槽，同时收集并称量该时刻后由试件渗透侧面渗出水的质量为m1，等大空隙沥青混合料板式试件的渗透侧面不再排出水后，取出大空隙沥青混合料板式试件，称量试件的湿质量为ms；
步骤四：计算渗流状态下大空隙沥青混合料板式试件中水的体积为其中ρw为水的密度，以此得到渗流状态下大空隙沥青混合料空隙饱和度为
所述大空隙沥青混合料板式试件为矩形体形状，其尺寸为300mm×300mm×60mm，所述大空隙沥青混合料板式试件中一个规格为300mm×300mm的侧面为排水面，一个规格为300mm×60mm的侧面为渗透面。
调整的上底板的坡度分别为1％、1.5％、2％，依次循环步骤三和步骤四，绘制不同水头下大空隙沥青混合料板式试件空隙饱和度与试件坡度之间的关系直方图，分析该大空隙沥青混合料板式试件在相应条件下试件空隙饱和度情况。
实施例：OGFC-13混合料板式试件空隙饱和度的确定方法，包括如下步骤：
步骤一：成型试件和计算体积指标。
按表1所示的级配，在油石比为4.9％时，轮碾法成型OGFC-13板式试件，尺寸为300mm×300mm×60mm。集料采用玄武岩，沥青为高粘改性沥青，填料为石灰岩矿粉。
表1 OGFC-13级配
| 筛孔(mm) | 16.0 | 13.2 | 9.5 | 4.75 | 2.36 | 1.18 | 0.6 | 0.3 | 0.15 | 0.075 |
| 通过率(％) | 100 | 92.0 | 66.4 | 28.1 | 16.7 | 13.1 | 10.3 | 7.4 | 6.3 | 4.9 |
对成型板式试件的四条边中间位置，分别采用游标卡尺测试的厚度为58mm、63mm、59mm和60mm，取它们的均值60mm作为试件的厚度，计算得到试件体积Vb＝300×300×60＝5400×103mm3。测试板式试件的空隙率为23.3％，进而试件空隙体积为Vk＝1258.2×103mm3。
步骤二：确定渗流状态下试件表面出现径流的最小水头高度。
采用石蜡密封尺寸为300mm×60mm的三个侧面和尺寸为300mm×300mm的一个底面。待石蜡干燥后，称取试件的干质量mg＝11209g。
选取蓄水槽中距离底部9cm、14cm的泄水孔，路面横坡分别拟定为1％、1.5％、2％进行渗流试验。试验数据表2所示。
表2不同条件下板式试件表面渗流情况
| 9cm泄水孔 | 14cm泄水孔 | |
| 坡度(％) | 试件表面径流情况(有/无) | 试件表面径流情况(有/无) |
| 1 | 有 | 有 |
| 1.5 | 有 | 有 |
| 2 | 有 | 有 |
根据试验结果，选取9cm泄水孔高度作为大空隙沥青混合料板式试件渗流饱和状态下的水头hw。
步骤三：称量大空隙沥青混合料板式试件空隙含水量。
在水头高度hw下，将大空隙沥青混合料板式试件置于渗水仪上进行渗流，渗流开始10min后，迅速移开渗水仪的蓄水槽，同时收集从此刻开始到大空隙沥青混合料板式试件的渗透面不再渗出水时间段内的渗透水，并称量渗透水的质量为m1，取出大空隙沥青混合料板式试件，称量大空隙沥青混合料板式试件的湿质量为ms。
步骤四：计算渗流状态下大空隙沥青混合料空隙饱和度。
计算渗流状态下大空隙沥青混合料板式试件中水的体积为其中ρw为水的密度，以此得到渗流状态下大空隙沥青混合料空隙饱和度为
表3不同条件时渗流状态下板式试件的空隙饱和度
绘制不同水头下大空隙沥青混合料板式试件空隙饱和度与上底板坡度之间的关系直方图，图3是本发明中泄水孔高度为9cm时大空隙沥青混合料板式试件空隙饱和度与上底板坡度之间的关系直方图，从图中可以看出，同一水头下，上底板坡度越大，大空隙沥青混合料板式试件空隙的饱和度越小。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (5)
1.渗流状态下大空隙沥青混合料空隙饱和度的确定方法，其特征是包括以下步骤：
步骤一：制备大空隙沥青混合料板式试件，测量大空隙沥青混合料板式试件四条边中点处的厚度hi，取其平均值作为试件厚度；测试试件的空隙率VV，按Vk＝Vb·VV计算试件的空隙体积Vk，其中大空隙沥青混合料板式试件的体积Vb＝S·h，大空隙沥青混合料板式试件底面面积S＝300×300＝9×104mm2；选取大空隙沥青混合料板式试件的上表面为径流面，选取板式试件一个侧面为渗透面，试件剩余4个面用石蜡进行密封，并称取蜡封后大空隙沥青混合料板式试件的干质量为mg；
步骤二：调整渗水仪上底板坡度至预定值，分别采用9cm、14cm的水头高度进行渗流试验，以试件径流面出现径流的最小水头高度，作为大空隙沥青混合料板式试件渗流状态下的水头hw；
步骤三：在水头高度hw下，将大空隙沥青混合料板式试件置于渗水仪上进行渗流，渗流开始10min后，迅速移开渗水仪的蓄水槽，同时收集从此刻开始到大空隙沥青混合料板式试件的渗透面不再渗出水时间段内的渗透水，并称量渗透水的质量为m1，取出大空隙沥青混合料板式试件，称量大空隙沥青混合料板式试件的湿质量为ms；
步骤四：计算渗流状态下大空隙沥青混合料板式试件中水的体积为其中ρw为水的密度，以此得到渗流状态下大空隙沥青混合料空隙饱和度为
2.根据权利要求1所述的渗流状态下大空隙沥青混合料空隙饱和度的确定方法，其特征是所述大空隙沥青混合料板式试件为矩形体形状，其尺寸为300mm×300mm×60mm，所述大空隙沥青混合料板式试件中一个规格为300mm×300mm的侧面作为径流面，一个规格为300mm×60mm的侧面作为渗透面。
3.根据权利要求1所述的渗流状态下大空隙沥青混合料空隙饱和度的确定方法，其特征是步骤二中使用的渗水仪包括蓄水槽和底座，所述大空隙沥青混合料板式试件平铺在底座内。
所述蓄水槽包括矩形板形状的底板和四个矩形板形状的侧板，所述底板的四周边缘与侧板的底部边缘密封固定，所述底板设置若干个通孔，其中一个侧板纵向设置有若干个泄水孔。
所述底座设置有上底板和下底板，所述上底板和下底板一端铰接连接，另一端设置有高度调节装置，高度调节装置能够改变上底板的坡度，所述上底板的四周设置有围挡，所述上底板的一组相对边内侧设有卡槽，所述蓄水槽插入卡槽内固定。
4.根据权利要求3所述的渗流状态下大空隙沥青混合料空隙饱和度的确定方法，其特征是所述上底板和下底板靠近隔板的一端通过铰接连接，另一端设置有高度调节装置，所述高度调节装置包括螺丝和螺母，螺丝穿过上底板，螺丝的底端设置于下底板的上表面，通过旋转螺丝和螺母可调节两层之间的距离，改变上底板的坡度。
5.根据权利要求3所述的渗流状态下大空隙沥青混合料空隙饱和度的确定方法，其特征是所述蓄水槽的侧板纵向设置有5个泄水孔，所述泄水孔距底板距离分别为9cm、14cm、19cm、24cm和29cm，5个泄水孔的高度由低到高对应的降雨强度分别为12.5ml/s·m2、15.7ml/s·m2、21.2ml/s·m2、24.7ml/s·m2和27.1ml/s·m2。
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