CN108007811A - 一种气态水在沥青砂浆中扩散模式的划分方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种气态水在沥青砂浆中扩散模式的划分方法，属于交通路面材料领域，特别涉及一种气态水在沥青砂浆中扩散模式的划分方法。本发明首先制备径高比大于10:1的薄板型沥青砂浆试件；然后开展恒定温度T、不同相对湿度φ条件下的气态水吸附试验，计算各湿度下试件的平衡吸附量；再开展恒温恒湿条件下的气态水扩散试验，温度恒定为T，测定不同时刻试件装置的整体质量，直至达到质量随时间匀速变化的稳定阶段；最后将吸附试验和扩散试验获得的数据进行计算，进而计算得到不同扩散模式扩散通量占总扩散通量的比重。本发明解决了现有技术无法区分气态水在沥青混合料中扩散模式的问题。本发明可运用于沥青砂浆损伤机理研究。

Description

一种气态水在沥青砂浆中扩散模式的划分方法
技术领域
本发明属于交通路面材料领域，特别涉及一种气态水在沥青砂浆中扩散模式的划分方法。
背景技术
水分是影响沥青路面耐久性的重要因素之一。水分在沥青路面内传输将破坏沥青和集料间的粘附性及结合料自身的粘聚性，造成路面开裂、车辙和疲劳寿命缩短等多种病害。在冻融作用下，水结冰-融化产生的体积改变则易造成路面冻胀翻浆，严重影响路面性能。
沥青路面服役的复杂自然环境中，水分以液态、固态和气态三种相态存在，与液态水和固态水的短时作用形式不同，气态水(空气湿度的来源)以其缓慢而持久的作用过程影响着沥青路面的性能。这一观点在实际工程案例中得到佐证，例如干旱、半干旱地区(如美国亚利桑那州、西德克萨斯和新墨西哥州、我国甘肃和内蒙古地区)、日本名古屋机场跑道不透水面层都曾频繁出现严重的水损害现象。
由于气态水对沥青路面的重要影响逐渐显现，关于气态水在沥青混合料中扩散特性和影响因素的研究，在试验分析和数值模拟方面均取得了一定成果，研究理论也得到了拓展。前述研究的共同点在于仅以有效扩散表征扩散行为的作用。但在多孔材料中，根据扩散粒子平均自由程和多孔材料孔隙的相对大小关系，气体的扩散模式分为体积扩散(平均自由程＜孔隙直径)、努森扩散(平均自由程＞孔隙直径)和浅表扩散(孔隙壁水膜上)三种，目前在沥青混合料中并未实现不同扩散模式的划分。依据上述条件，水分子平均自由程和沥青混合料空隙尺寸之间的大小关系将决定沥青混合料中存在何种扩散模式以及不同扩散模式对总体扩散的重要程度，有必要作出明确区分。
发明内容
本发明为解决现有技术无法区分气态水在沥青混合料中扩散模式的问题，提供了一种气态水在沥青砂浆中扩散模式的划分方法。
本发明所述一种气态水在沥青砂浆中扩散模式的划分方法，通过以下技术方案实现：
步骤一、基于一维扩散理论，制备径高比大于10:1的薄板型沥青砂浆试件，确保扩散过程沿试件轴向发生；
步骤二、开展恒定温度T、不同相对湿度φ条件下的气态水吸附试验，测定干燥试件质量W0及每一湿度条件下达到吸附平衡时的试件质量W∞，依据式计算各湿度下试件的平衡吸附量W；
步骤三、开展恒温恒湿条件下的气态水扩散试验：
温度恒定为T；将试件固定于盛有饱和盐溶液或蒸馏水的容器开口处，并密封试件与容器的接触缝隙，试件的上下表面形成恒定湿度差，测定不同时刻试件装置的整体质量M，直至达到质量随时间匀速变化的稳定阶段；
步骤四、通过数据分析软件对步骤二获得的据进行拟合，得到试验温度下的气态水等温吸附曲线对步骤三扩散试验获得的数据进行计算，得到不同扩散模式扩散通量占总扩散通量的比重。
本发明与现有技术相比较，最为突出的特点和显著的有益效果是：
本发明基于沥青混合料的三级分散体系，将沥青砂浆视为连续介质，依据Arrehenius(阿伦尼乌斯)理论对气态水在沥青砂浆中的扩散模式进行划分。考虑到空气中水蒸气分子的平均自由程为10-7m(20℃，1013.9hPa)，而沥青砂浆中的空隙尺寸大于该值，因此体积扩散和浅表扩散为主导扩散模式，努森扩散的影响可以忽略。开展恒定温度303K(30℃)的仿真实验，得出体积扩散和浅表扩散引起的扩散通量占总扩散通量的比重分别为82.7％和17.3％，可知在沥青砂浆中，浅表扩散为主导扩散模式，对扩散模式的划分将有利于明确气态水在沥青砂浆中不同扩散模式的比重，对沥青砂浆中气态水的扩散特性和水分作用下沥青砂浆损伤机理研究具有重要意义。
附图说明
图1是本发明吸附试验及扩散试验试件俯视图；
图2是本发明吸附试验及扩散试验试件侧视图；
图3是本发明实施例扩散试验试件装置示意图；
图4是本发明扩散试验稳定阶段示意图；
图5是本发明实施例的等温吸附曲线实测及拟合曲线图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式给出的一种气态水在沥青砂浆中扩散模式的划分方法，具体是按照以下步骤进行的：
步骤一、基于一维扩散理论，制备径高比大于10:1的薄板型沥青砂浆试件，如图1、图2所示，确保扩散过程沿试件轴向发生；
步骤二、开展恒定温度T(采用热力学温度，单位为K)、不同相对湿度φ条件下的气态水吸附试验，测定干燥试件质量W0及每一湿度条件下达到吸附平衡时(间隔24小时以上试件增重不超过电子天平的测量精度)的试件质量W∞，依据式计算各湿度下试件的平衡吸附量W；
步骤三、开展恒温恒湿条件下的气态水扩散试验，其中温度恒定为T，与步骤二中相同；将试件固定于盛有饱和盐溶液/蒸馏水的容器开口处，并密封试件与容器的接触缝隙，试件的上下表面形成恒定湿度差，测定不同时刻试件装置的整体质量M，直至达到质量随时间匀速变化的稳定阶段；试件装置指的是盛有饱和盐溶液或蒸馏水的容器，以及固定在容器开口处的试件整体。
步骤四、吸附试验和扩散试验结束后，通过数据分析软件对步骤二获得的吸附试验数据进行拟合，得到试验温度下的气态水等温吸附曲线对步骤三扩散试验获得的数据进行计算，得到不同扩散模式扩散通量占总扩散通量的比重；至此完成气态水在沥青砂浆中扩散模式的划分。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三中，采用恒温恒湿培养箱提供恒温恒湿条件，容器内部相对湿度由饱和盐溶液或蒸馏水维持，容器外部相对湿度由恒温恒湿培养箱维持。
其他步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤四中得到不同扩散模式扩散通量占总扩散通量的比重的计算具体步骤如下：
步骤四一、有效扩散系数D采用步骤三扩散试验稳定阶段时的数据进行计算，如式(1)所示：
其中，H为试件高度，单位为m，为容器外部相对湿度，表示容器内部相对湿度，△t为步骤三扩散试验中两次质量测定的时间间隔，单位为s，△m为给定时间间隔△t内试件装置的质量损失，单位为kg，A指的是试件的扩散面积，即，容器开口的面积，单位为m2，ps为某温度下水蒸气饱和蒸气压，单位为Pa，Rv为水蒸气气体常数，单位为J/(K·mol)，温度T的单位为K，有效扩散系数D的单位为m2/s；
步骤四二、通过公式(2)计算总扩散通量j：
其中，总扩散通量j的单位为kg/(m2·s)；
步骤四三、通过式(3)计算浅表水分的质量浓度：
其中，ρs为材料的骨架密度，ρ表示材料表观密度，单位为kg/m3；
步骤四四、材料空隙中水蒸气的质量浓度cv和相对湿度之间的关系，如式(4)所示：
其中，ε表示空隙率；
步骤四五、体积扩散系数Dv按式(5)计算：
其中，μ表示扩散阻力系数，体积扩散系数Dv单位为m2/s；
步骤四六、水分子在孔壁上引起浅表扩散通量，浅表扩散系数Ds的表达式，如式(6)所示：
其中，吸附水分子层的浅表扩散系数Ds的单位为m2/s；
步骤四七、多孔介质中，由体积扩散引起的水蒸气通量用菲克定律描述，如式(7)所示：
其中，jv表示体积扩散通量，单位为kg/(m2·s)；
步骤四八、浅表扩散通量js如式(8)所示：
其中，浅表扩散通量js的单位为kg/(m2·s)，grad是计算梯度；
步骤四九、最终得到不同扩散模式引起的扩散通量占总扩散通量的比重；
体积扩散通量和占总扩散通量的比重为：
浅表扩散通量占总扩散通量的比重为：
上述步骤四一～步骤四九的计算原理如下：
1)多孔介质中，由体积扩散引起的水蒸气通量用菲克定律描述，如式(7)所示：
2)另一方面，在材料的孔隙中存在液相和气相的局部平衡状态，因此水分子可以在孔壁上引起浅表扩散通量，扩散通量如式(8)所示：
3)体积扩散通量和浅表扩散通量两种扩散模式引起的总扩散通量如式(12)所示：
同时，总扩散通量也可以用有效扩散系数D表示，如式(13)所示：
结合式(12)及式(13)可以得到如式(14)所示有效扩散系数D的表达式：
4)通过等温吸附曲线可以通过式(3)计算浅表水分的质量浓度：
5)材料空隙中水蒸气的质量浓度和相对湿度之间的关系，如式(4)所示：
结合式(14)得到有效扩散系数D与材料、环境参数之间的关系，如式(15)所示：
6)依据Arrehenius(阿伦尼乌斯)理论，在实际计算中，有效扩散系数D采用扩散试验稳定阶段时的数据进行计算，如下式所示：
7)体积扩散系数Dv按式(5)计算：
8)结合式(15)，可以得到浅表扩散系数的表达式，如式(6)所示：
9)将式(5)和式(6)计算得到的体积扩散系数Dv与浅表扩散系数Ds代入式(7)和式(8)，可分别得到体积扩散通量与浅表扩散通量，继而利用公式(9)和公式(10)得出Bv与Bs。
其他步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是：步骤四五公式(5)中，扩散阻力系数μ的计算方式为：
其中，τ表示迂曲度。
其他步骤及参数与具体实施方式三相同。
实施例
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
本实施例所述的气态水在沥青砂浆中扩散模式的划分方法按照以下步骤进行：
步骤一、基于一维扩散理论，制备径高比大于10:1的薄板型沥青砂浆试件(简称试件)，确保扩散过程沿试件轴向发生。
沥青砂浆试件原料为安山岩、SBS改性沥青和单质矿粉，材料参数如表1：
表1沥青砂浆试件材料参数
试验级配根据《沥青路面施工及验收规范》(GBJ 50092-1996)推荐的AC-13级配中值，选取粒径范围为1.18mm～0.075mm，保持级配内部比例不变重新计算得到试验所用级配；粉胶比为1.2:1；采用旋转压实成型方法制备圆柱试件，尺寸为φ100mm×63.5mm。
根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)T0705-2011压实沥青混合料密度试验(表干法)测定试件物理参数并计算空隙率和理论最大相对密度。随后将圆柱试件切割为φ100mm×2～5mm的薄板，以实现一维水气扩散，试件如图1、图2所示。
步骤二、开展恒定温度303K(30℃)、相对湿度条件分别为0.4、0.5、0.7、0.9和1(浸水)的气态水吸附试验。测定干燥试件质量W0(kg)及每一湿度条件下达到吸附平衡时(间隔24小时以上试件增重不超过电子天平的测量精度)的试件质量W∞(kg)，依据式计算各湿度下试件的平衡吸附量，如表2所示。
表2
步骤三、开展恒温恒湿条件下的气态水扩散试验，其中温度为303K(30℃)，相对湿度为0.5。将高度为4.42mm的试件固定于盛有水的容器开口处，并用封口蜡密封试件与容器的接触缝隙，其中试件的有效扩散面积为容器开口面积，容器开口处的直径为85mm。容器内部相对湿度水维持，其值为0.95，容器外部相对湿度由恒温恒湿培养箱维持，其值为0.5，在试件上下表面形成0.45的恒定湿度差，气态水沿如图3中箭头方向扩散，测定不同时刻试件装置的整体质量M(kg)，直至达到质量随时间匀速变化的稳定阶段(如图4中箭头标识部分)，恒温恒湿培养箱主要参数如表3所示，试件装置如图3所示，质量随时间变化关系如图4所示。
表3
步骤四、试验结束后，利用Origin数据分析软件对表2中的吸附试验数据进行拟合，得到试验温度下的气态水等温吸附曲线如图5所示。
通过Excel对扩散试验数据进行计算，得到不同扩散模式扩散通量占总扩散通量的比重，实现气态水在沥青砂浆中扩散模式的划分，计算所需材料参数及环境参数如表4，计算结果如表5所示。由表5计算结果可知，体积扩散和浅表扩散引起的扩散通量占总扩散通量的比重分别为82.7％和17.3％，因此在该沥青砂浆中，浅表扩散为主导扩散模式。至此本发明完成了对气态水在沥青砂浆中扩散模式的划分。
表4
表5
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种气态水在沥青砂浆中扩散模式的划分方法，其特征在于，所述划分方法具体包括以下步骤：
步骤一、基于一维扩散理论，制备径高比大于10:1的薄板型沥青砂浆试件，确保扩散过程沿试件轴向发生；
步骤二、开展恒定温度T、不同相对湿度条件下的气态水吸附试验，测定干燥试件质量W0及每一湿度条件下达到吸附平衡时的试件质量W∞，依据式计算各湿度下试件的平衡吸附量W；
步骤三、开展恒温恒湿条件下的气态水扩散试验：
温度恒定为T；将试件固定于盛有饱和盐溶液或蒸馏水的容器开口处，并密封试件与容器的接触缝隙，试件的上下表面形成恒定湿度差，测定不同时刻试件装置的整体质量M，直至达到质量随时间匀速变化的稳定阶段；
步骤四、通过数据分析软件对步骤二获得的数据进行拟合，得到试验温度下的气态水等温吸附曲线对步骤三扩散试验获得的数据进行计算，得到不同扩散模式扩散通量占总扩散通量的比重。
2.根据权利要求1所述一种气态水在沥青砂浆中扩散模式的划分方法，其特征在于，步骤三中，采用恒温恒湿培养箱提供恒温恒湿条件。
3.根据权利要求1所述一种气态水在沥青砂浆中扩散模式的划分方法，其特征在于，步骤四中得到不同扩散模式扩散通量占总扩散通量的比重的计算具体步骤如下：
步骤四一、有效扩散系数D采用步骤三扩散试验稳定阶段时的数据进行计算，如式(1)所示：
其中，H为试件高度，为容器外部相对湿度，表示容器内部相对湿度，△t为步骤三中两次质量测定的时间间隔，△m为给定时间间隔△t内试件装置的质量损失，A指的是试件的扩散面积，即，容器开口的面积，ps为某温度下水蒸气饱和蒸气压，Rv为水蒸气气体常数；
步骤四二、计算总扩散通量j：
步骤四三、通过式(3)计算浅表水分的质量浓度：
其中，ρs为材料的骨架密度，ρ表示材料表观密度；
步骤四四、材料空隙中水蒸气的质量浓度cv和相对湿度之间的关系，如式(4)所示：
其中，ε表示空隙率；
步骤四五、体积扩散系数Dv按式(5)计算：
<mrow> <msub> <mi>D</mi> <mi>v</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>21.7</mn> <mo>&amp;times;</mo> <msup> <mn>10</mn> <mrow> <mo>-</mo> <mn>6</mn> </mrow> </msup> </mrow> <mi>&amp;mu;</mi> </mfrac> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mi>T</mi> <mn>273.16</mn> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mn>1.88</mn> </msup> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>5</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中，μ表示扩散阻力系数；
步骤四六、水分子在孔壁上引起浅表扩散通量，浅表扩散系数Ds的表达式，如式(6)所示：
步骤四七、多孔介质中，由体积扩散引起的水蒸气通量用菲克定律描述，如式(7)所示：
<mrow> <msub> <mi>j</mi> <mi>v</mi> </msub> <mo>=</mo> <mo>-</mo> <mfrac> <mi>&amp;rho;</mi> <mi>&amp;epsiv;</mi> </mfrac> <msub> <mi>D</mi> <mi>v</mi> </msub> <msub> <mi>gradc</mi> <mi>v</mi> </msub> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>7</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中，jv表示体积扩散通量；
步骤四八、浅表扩散通量js如式(8)所示：
<mrow> <msub> <mi>j</mi> <mi>s</mi> </msub> <mo>=</mo> <mo>-</mo> <mfrac> <mi>&amp;rho;</mi> <mi>&amp;epsiv;</mi> </mfrac> <msub> <mi>D</mi> <mi>s</mi> </msub> <msub> <mi>gradc</mi> <mi>s</mi> </msub> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>8</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
步骤四九、最终得到不同扩散模式引起的扩散通量占总扩散通量的比重；
体积扩散通量和占总扩散通量的比重为：
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浅表扩散通量占总扩散通量的比重为：
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4.根据权利要求3所述一种气态水在沥青砂浆中扩散模式的划分方法，其特征在于，步骤四五公式(5)中，扩散阻力系数μ的计算方式为：
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其中，τ表示迂曲度。
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