CN111678842A - 一种水分在沥青膜中扩散系数的测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水分在沥青膜中扩散系数的测定方法，涉及沥青试样制备步骤、水分扩散试验步骤、数据拟合分析步骤。本发明可直接测定、计算不同温度条件下水分在沥青膜中的扩散系数，试验操作简单易行，试验过程直观可靠，为水分在沥青膜中的扩散行为、沥青混合料水损害机理分析提供试验研究基础。

Description

一种水分在沥青膜中扩散系数的测定方法

技术领域

本发明属于材料检测技术领域，特别涉及一种水分在沥青膜中扩散系数的测定方法。

背景技术

沥青路面水损害已经成为公路沥青路面早期损坏的一种主要模式。沥青路面在车辆荷载重复作用下，进入路面空隙中的水分不断产生动水压力或真空负压抽吸作用，水分逐渐渗入沥青与集料界面，造成沥青黏附性降低并逐渐丧失黏结力，从而使沥青膜从集料表面剥离，继而形成沥青路面坑槽、松散等病害。沥青路面水损害过程十分复杂，涉及热力学、化学、物理及机械作用，其损害过程主要包括两种模式：沥青粘聚性破坏和沥青-集料黏附性破坏。水损害的两种破坏模式其最基本条件为水分的作用；沥青混合料在拌和过程中熔融态沥青通过浸润作用裹附于干燥集料表面，完整裹覆沥青膜的集料颗粒，水分必须“穿透”沥青膜并扩散至沥青-集料界面处，将沥青膜从集料表面进行置换，进而发生沥青-集料界面黏附破坏；另外，水分在沥青中的扩散可导致沥青软化、强度降低，使其发生粘聚性破坏。因此，研究水分在沥青膜中的扩散特征，对深入认识沥青路面水损害形成机理具有重要的理论价值及工程意义。

目前，“扩散系数”用于量化表征物质在扩散介质中扩散程度的一种物理量。当浓度梯度为一个单位时，单位时间内通过单位面积的量，数值上等于扩散系数；其计算如下：

上式中：F-扩散通量；D-扩散系数；C-扩散物质浓度；x-垂直于扩散截面的空间坐标。“-”表示扩散方向与浓度梯度增长方向相反。

现有相关研究领域中，目前尚无直接用于测定、计算水分在沥青膜中扩散系数的方法。多数研究采用间接试验手段来表征、分析水分在沥青膜中的扩散行为；如：质量法、红外光谱-衰减全反射法、Diffusion-Through法、电化学阻抗法。1)质量法通过测定浸泡于水中的沥青膜的质量变化曲线，来表征水分在沥青膜中的扩散行为。该方法测试过程需中断吸水、取出试样进行测量，试验结果精度较差。2)红外光谱-衰减全反射法通过测定沥青膜3000cm^-1～3650cm^-1处羟基伸缩振动峰强度，间接表征、推算沥青膜中水分子含量；试验设备昂贵，试样制备技术难度较大。3)Diffusion-Through法通过测定析出的放射性示踪剂的含量，间接表征沥青中水溶性组分析出量，进而表征水在沥青中的扩散行为；该方法操作不便且存在成本高、对环境有污染等问题。4)电化学阻抗法为专利《一种表征水在沥青中扩散行为的方法》(CN 103900934 A)公开的一种测定水分在沥青膜中扩散行为的方法，该方法依据水和沥青介电常数差异较大的特性，对不同浸水时间沥青介电常数进行测定，以此间接表征、分析水分在沥青中的扩散行为；该方法试验过程复杂且实测数据量大、数据分析难度大。上述方法均基于不同测试原理，对水分在沥青膜中的扩散行为进行间接性表征，均无法直接给出水分在沥青膜中的扩散系数这一重要性指标的计算方法。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种水分在沥青膜中扩散系数的测定方法，以准确、直观获取不同温度条件下水分在沥青膜中扩散系数。

技术方案如下：

一种水分在沥青膜中扩散系数的测定方法，包括以下步骤：

1)沥青试样制备：将沥青加热至150～160℃后浇筑于铝片载体上，采用刮刀刮拭沥青试样表面使其厚度保持均匀一致；待沥青试样冷却至室温后，去除铝片侧壁多余沥青；

2)水分扩散试验：采用精度为0.1mg的高精度电子天平测定并记录浸水前沥青膜的初始质量m₀；将涂覆沥青膜的铝片载体悬挂于蒸馏水的烧杯中，读取浸水后沥青膜载体的初始水中质量m′₀；并将烧杯置于25℃的恒温水浴箱中，每间隔一定时间读取出沥青膜载体在水中的质量m′_w，计算不同浸泡时间t下沥青膜的吸水率m(t)：

式中：m(t)—浸水时间t时沥青的吸水率，％；m’_w—浸水时间t时沥青膜载体的水中质量；m’₀—浸水初期沥青膜载体的水中质量；m₀—浸水前沥青膜初始质量；

3)数据拟合分析：依据下式扩散模型，同时基于Matlab最小二乘法原理对试验数据进行拟合，以此求解水分扩散系数D_γ、水分吸附系数γ、水分解吸附系数β:

上式中：

本发明提供的方法可直接测定、计算不同温度条件下水分在沥青膜中的扩散系数，试验操作简单易行，试验过程直观可靠，为水分在沥青膜中的扩散行为、沥青混合料水损害机理分析提供试验研究基础。

附图说明

图1是本发明涉及到的实验装置。

图2是沥青膜吸水率与时间的关系曲线。

附图标记说明：

1-电子天平，2-沥青膜铝片载体，3-升温加热器。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例对本发明提供的一种水分在沥青膜中扩散系数的测定方法进行详细描述。以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围。

实施例1

(1)将水浴温度设置为25℃或其他试验要求温度，开启加热、制冷循环模式，确保试验过程中水浴温度恒定。

(2)采用精度为0.1mg电子天平测定并记录铝片载体质量；铝片载体侧壁涂覆凡士林隔离剂；将沥青加热至150～160℃并浇筑于50mm×50mm×5mm的铝片上，采用刮刀刮拭沥青试样表面，使其厚度保持均匀一致；待沥青试样冷却至室温后，去除铝片载体侧壁多余沥青，以备待用。

(3)采用精度为0.1mg电子天平测定并记录沥青膜铝片载体质量，进一步计算浸水前沥青膜的初始质量m₀，并计算铝片上沥青膜的初始厚度。

(4)将涂覆沥青膜的铝片载体悬挂于蒸馏水的烧杯中，读取浸水后沥青膜载体的初始水中质量m′₀；并将烧杯置于25℃或既定的其他温度水浴箱中，保证试验温度均匀、稳定。每间隔一定时间读取出沥青膜载体在水中的质量m′_w，进一步计算不同浸泡时间t下沥青膜的吸水率m(t)：

式中：m(t)-浸水时间t时沥青的吸水率，％；m’_w-浸水时间t时沥青膜载体的水中质量，g；m’₀-浸水初期沥青膜载体的水中质量，g；m₀-浸水前沥青膜初始质量，g。

(5)分别测试并计算浸泡0h、0.5h、1h、1.5h、2h、18h、(18+24k)h(其中，k＝1，2，…，10)时间下沥青膜的质量变化；每种沥青平行试验5次；水浴温度为25℃。

(6)绘制沥青膜在不同浸水时间t的吸水率m(t)，图2为沥青膜吸水率与时间的关系曲线；选取浸水2h～258h时间段内沥青膜吸水率曲线进行拟合。

(7)依据下式扩散模型，同时基于Matlab最小二乘法原理对试验数据进行拟合，以此求解水分扩散系数D_γ、水分吸附系数γ、水分解吸附系数β。

上式中：

4种沥青膜水分扩散系数及相关拟合参数计算结果如表1。

表1扩散系数及拟合参数

Material	水分吸附系数γ/(s<sup>-1</sup>)	水分解吸附系数β/(s<sup>-1</sup>)	扩散系数D<sub>γ</sub>/(cm<sup>2</sup>s<sup>-1</sup>)
				Asphalt-1	2.571×10<sup>-5</sup>	3.535×10<sup>-6</sup>	2.612×10<sup>-11</sup>
Asphalt-2	4.616×10<sup>-6</sup>	3.782×10<sup>-6</sup>	6.480×10<sup>-11</sup>
				Asphalt-3	2.507×10<sup>-5</sup>	3.046×10<sup>-6</sup>	5.393×10<sup>-11</sup>
Asphalt-4	5.771×10<sup>-6</sup>	2.890×10<sup>-6</sup>	3.793×10<sup>-11</sup>

上面结合实施例对本发明的实例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出的各种变化，也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种水分在沥青膜中扩散系数的测定方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)沥青试样制备：将沥青加热至150～160℃后浇筑于铝片载体上，采用刮刀刮拭沥青试样表面使其厚度保持均匀一致；待沥青试样冷却至室温后，去除铝片侧壁多余沥青；

2)水分扩散试验：采用精度为0.1mg的高精度电子天平测定并记录浸水前沥青膜的初始质量m₀；将涂覆沥青膜的铝片载体悬挂于蒸馏水的烧杯中，读取浸水后沥青膜载体的初始水中质量m’₀；并将烧杯置于25℃的恒温水浴箱中，每间隔一定时间读取出沥青膜载体在水中的质量m’_w，计算不同浸泡时间t下沥青膜的吸水率m(t)：

式中：m(t)-浸水时间t时沥青的吸水率，％；m’_w-浸水时间t时沥青膜载体的水中质量；m’₀-浸水初期沥青膜载体的水中质量；m₀-浸水前沥青膜初始质量；

3)数据拟合分析：依据下式扩散模型，同时基于Matlab最小二乘法原理对试验数据进行拟合，以此求解水分扩散系数D_γ、水分吸附系数γ、水分解吸附系数β:

上式中：

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