CN114235640A - 沥青混合料内部水气扩散路径长度的计算方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种沥青混合料内部水气扩散路径长度的计算方法及装置,方法包括:计算沥青混合料中空隙的水气扩散系数;根据沥青混合料中空隙的水气扩散系数,通过磁悬浮重量平衡系统测试沥青混合料有效水气扩散系数;根据沥青混合料有效水气扩散系数计算水气扩散实际路径长度。本发明的有益效果是:明确了沥青混合料内部水气扩散路径的曲折程度;确定了水气在沥青混合料内部的分布规律;能够有效预测水气在沥青混合料内部的实际扩散路径长度,使得沥青混合料的水稳定性更加良好。
Description
技术领域
本发明涉及道路工程领域,尤其涉及一种沥青混合料内部水气扩散路径长度的计算方法及装置。
背景技术
沥青混合料内部空隙是水气运动的主要介质,直接影响了水气在沥青混合料内部的运动路径。对沥青混合料而言,采用体积法测得的连通孔隙率实际上是连通空隙和半连通空隙的总和,这种方法主要用于透水型沥青混凝土,而不适用于密实型沥青混合料。同时,水气分子的分子间距远小于液态水分子的分子间距,所以液体水无法渗透的空隙,水气却可以扩散进入。因此,通过液态水测量的连通空隙率,并不适用于研究水气的连通空隙率。而采用图像处理的方式研究空隙分布规律,非常依赖试验设备的精度,导致这种研究方法还有待进一步改进。因此,通过图像处理的方式不能满足研究沥青混合料内部水气运动路径的需求。由此可见,采用试验的方法描述沥青混合料内部水气扩散路径还有待完善。
此外,不论是积聚型水气扩散试验还是穿透型水气扩散试验,都将沥青混合料试件厚度等效为扩散路径的长度,这与沥青混合料内部水气扩散的实际路径存在较大偏差。由于沥青混合料是一种内部结构复杂的材料,水气在沥青混合料内部的运动时,极有可能不是垂直穿过沥青混合料而是曲折前进。
因此,明确沥青混合料内部水气扩散路径的曲折程度,是研究水气运动规律的重要组成部分,这有助于确定水气在沥青混合料内部的分布规律。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术不足,提供一种沥青混合料内部水气扩散路径长度的计算方法,解决现有技术预测实际扩散路径长度困难的问题。
为达到上述技术目的,本发明的技术方案提出一种沥青混合料内部水气扩散路径长度的计算方法,包括以下步骤:
S1:计算沥青混合料中空隙的水气扩散系数;
S2:根据沥青混合料中空隙的水气扩散系数,通过磁悬浮重量平衡系统测试沥青混合料有效水气扩散系数;
S3:根据沥青混合料有效水气扩散系数计算水气扩散实际路径长度。
进一步地,步骤S1具体为:
S11:根据沥青油膜厚度计算沥青混合料的孔道半径;
S12:根据孔道半径计算努森扩散系数;
S13:根据努森扩散系数计算沥青混合料中空隙的水气扩散系数。
进一步地,步骤S2具体为:
S21:沥青混合料试件干燥:使混合料试件处于恒定温度的磁悬浮重量平衡系统的试验腔中;系统不断抽取试验腔中的空气,使集料试件内部达到完全干燥;
S22:获取试验条件:系统向试验腔中通入恒温恒压的水气,根据水气压和水气浓度之间的关系得到试验的初始条件和边界条件;
S23:开始试验:根据试验初始条件和边界条件,设定试验腔温度恒定,并向试验腔内内通入蒸气压,使得混合料试件内部的相对湿度为0;
S24:获取沥青混合料水气的有效扩散系数:水气分子扩散进入混合料内部,通过测试沥青混合料质量增量与时间的关系,并根据沥青混合料三维水气运动模型及沥青混合料中空隙的水气扩散系数计算沥青混合料水气的有效扩散系数。
进一步地,步骤S3具体为:
S31:根据沥青混合料积聚型实际水气扩散系数与试件质量增量的关系,建立实际扩散路径与有效扩散路径的关系;
S32:根据沥青混合料有效水气扩散系数、沥青混合料积聚型实际水气扩散系数获取曲折因子;
S33:根据曲折因子、实际扩散路径与有效扩散路径的关系得到水气扩散实际路径长度。
本发明提供一种沥青混合料内部水气扩散路径长度的计算装置,包括:
沥青混合料中空隙的水气扩散系数计算模块:计算沥青混合料中空隙的水气扩散系数;
沥青混合料有效水气扩散系数计算模块:根据沥青混合料中空隙的水气扩散系数,通过磁悬浮重量平衡系统测试沥青混合料有效水气扩散系数;
水气扩散实际路径长度计算模块:根据沥青混合料有效水气扩散系数计算水气扩散实际路径长度。
本发明还提供了一种计算机设备,其包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序时实现上述沥青混合料内部水气扩散路径长度的计算方法的步骤。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现上述沥青混合料内部水气扩散路径长度的计算方法的步骤。
与现有技术相比,本发明的有益效果包括:明确了沥青混合料内部水气扩散路径的曲折程度;确定了水气在沥青混合料内部的分布规律;能够有效预测水气在沥青混合料内部的实际扩散路径长度,使得沥青混合料的水稳定性更加良好。
附图说明
图1是本发明提供的沥青混合料内部水气扩散路径长度的计算方法的流程示意图;
图2是沥青混合料内部水气扩散路径示意图;
图3是沥青混合料级配曲线示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
本发明提供了一种沥青混合料内部水气扩散路径长度的计算方法。
请参考图1,该方法包括以下步骤:
S1:计算沥青混合料中空隙的水气扩散系数;
作为一种实施例,步骤S1具体为:
其中,t表示沥青油膜厚度,μm;α1、α2、α3表示沥青混合料中集料颗粒的几何特征,用下列公式进行计算:
而q是关于集料颗粒体积的函数式:
m1是集料颗粒直径的平均值;
m2是集料颗粒直径平方的平均值;
m3是集料颗粒直径立方的平均值。
平均标准是按照集料颗粒数目比,而不是按集料质量比。
对于沥青混合料而言,其φ表示为大于沥青油膜厚度的集料体积函数式:
φ=(1-VMA)(1-Pd)。
其中VMA是沥青混合料试件的矿料间隙率;Pd是直径小于沥青膜厚度的集料体积百分比。
作为一种实施例,DK表示努森扩散系数,采用下式计算:
S13:根据努森扩散系数计算沥青混合料中空隙的水气扩散系数。
作为一种实施例,水气在沥青混合料内部孔隙扩散系数如下式:
其中,Dt表示水气在沥青混合料内部孔隙扩散系数;Dm表示水气在空气中的扩散系数,在常温常压下扩散系数约为0.26cm2/s;
S2:通过磁悬浮重量平衡系统计算沥青混合料有效水气扩散系数;
作为一种实施例,试验采用磁悬浮重量平衡系统,天平精度为0.0001g。
步骤S2具体为:
S21:沥青混合料试件干燥:使混合料试件处于恒定温度的磁悬浮重量平衡系统的试验腔中;系统不断抽取试验腔中的空气,使集料试件内部达到完全干燥;
S22:获取试验条件:系统向试验腔中通入恒温恒压的水气,根据水气压和水气浓度之间的关系得到试验的初始条件和边界条件,初始条件和边界条件列于表1;
表1水气扩散系数试验条件
S23:开始试验:根据试验初始条件和边界条件,设定试验腔温度恒定,并向试验腔内内通入蒸气压,用于形成试件外部恒定的相对湿度条件,通过干燥养生的方式使得混合料试件内部的相对湿度为0;
S24:获取沥青混合料水气的有效扩散系数:水气分子扩散进入混合料内部,通过测试沥青混合料质量增量与时间的关系,并根据沥青混合料三维水气运动模型及沥青混合料中空隙的水气扩散系数计算沥青混合料水气的有效扩散系数。
作为一种实施例,沥青混合料三维水气运动模型如下式:
其中:M(t)为沥青混合料试件在t时刻吸收的水气质量,g;M(∞)为沥青混合料试件能够吸收的最大水气质量,g;a为沥青混合料试件半径,mm;H为沥青混合料试件高度,mm;为零阶贝塞尔方程的根;D表示步骤S1中获得的沥青混合料中空隙的水气扩散系数。
作为一种实施例,在保证模型拟合优度的前提下,确定该离散型模型的最佳项数为36项,即式中m=k=6。
S3:根据沥青混合料有效水气扩散系数计算水气扩散实际路径长度。
请参考图2,图2是沥青混合料内部水气扩散路径示意图;空隙是沥青混合料内部水气的主要扩散介质。但是空隙在沥青混合料中随机分布,导致水气在沥青混合料中的扩散路径是曲折的。扩散路径的曲折度直接影响沥青混合料内部的水气浓度分布。通常,水气扩散试验方法测得的水气扩散系数不是实际扩散系数,而是一个“有效扩散系数”。因为该方法将沥青混合料的厚度视为扩散路径的长度。
作为一种实施例,步骤S3具体为:
S31:根据沥青混合料积聚型实际水气扩散系数与试件质量增量的关系,建立实际扩散路径与有效扩散路径的关系;
作为一种实施例,对同种沥青混合料而言,在外界条件相同时,单位时间内质量的增量总是保持不变。所以根据沥青混合料积聚型水气扩散系数与试件质量增量的关系,可以建立实际扩散路径与有效扩散路径的关系,如下式:
S32:根据沥青混合料有效水气扩散系数、沥青混合料积聚型实际水气扩散系数获取曲折因子;
作为一种实施例,曲折因子τ由下式推到得到:
S33:根据曲折因子、实际扩散路径与有效扩散路径的关系得到水气扩散实际路径长度。
作为一种实施例,水气扩散实际路径长度如下式:
La=τLe
其中La为水气扩散实际路径长度;Le为水气扩散有效路径长度。
本发明提供一种实施例如下:
为计算沥青混合料的曲折因子,需要通过试验测试沥青混合料积聚型水气有效扩散系数。
试验共选择五种沥青混合料,均由SBS改性沥青和石灰岩制成。五种混合料油石比分别为3.5%、4.0%、4.3%、4.5%和5.0%。
混合料的级配如图3所示。每档集料的表观密度和毛体积密度列于表2中。
表2各档集料表观相对密度和毛体积相对密度
根据步骤S1计算不同类型沥青混合料内部的平均油膜厚度和孔道半径,将每种沥青混合料三个平行式样的平均值汇总于表3中。
表3不同类型沥青混合料性质
根据表3中沥青混合料特性计算不同油石比沥青混合料空隙中的水气扩
散系数,计算结果如表4所示。
表4不同油石比沥青混合料空隙水气扩散系数
制备沥青混合料标准试件:采用旋转压实仪、钻芯机和切割锯制备高度150mm、直径100mm的沥青混合料标准试件,对标准试件切割和钻芯,获得水气运动试验所用试件,试件尺寸为高度12mm,直径10mm。
通过测试沥青混合料质量增量与时间的关系,并根据步骤S2的运动模型计算沥青混合料水气的有效扩散系数,计算结果如表5所示:
表5沥青混合料水气扩散系数
根据步骤S32中曲折因子计算方法,可以计算五种不同油石比下沥青混合料的曲折因子,计算结果列入表6中。通过计算结果发现:五种类型的沥青混合料的曲折因子数量级均大于2000,说明实际扩散路径长度是有效扩散路径长度的2 000多倍。
表6沥青混合料内部扩散结构特性
本实施例还提供一种沥青混合料内部水气扩散路径长度的计算装置,该沥青混合料内部水气扩散路径长度的计算装置与上述实施例中沥青混合料内部水气扩散路径长度的计算方法一一对应。该沥青混合料内部水气扩散路径长度的计算装置包括:
沥青混合料中空隙的水气扩散系数计算模块:计算沥青混合料中空隙的水气扩散系数;
沥青混合料有效水气扩散系数计算模块:根据沥青混合料中空隙的水气扩散系数,通过磁悬浮重量平衡系统测试沥青混合料有效水气扩散系数;
水气扩散实际路径长度计算模块:根据沥青混合料有效水气扩散系数计算水气扩散实际路径长度。
本发明还提供了一种计算机设备,其包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序时实现上述沥青混合料内部水气扩散路径长度的计算的步骤,在此不再赘述。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现上述沥青混合料内部水气扩散路径长度的计算的步骤,在此不再赘述。
本发明的有益效果是:明确了沥青混合料内部水气扩散路径的曲折程度;确定了水气在沥青混合料内部的分布规律;能够有效预测水气在沥青混合料内部的实际扩散路径长度,使沥青混合料水稳定性更良好。
以上所述本发明的具体实施方式,并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形,均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (7)
1.一种沥青混合料内部水气扩散路径长度的计算方法,其特征在于:包括以下步骤:
S1:计算沥青混合料中空隙的水气扩散系数;
S2:根据沥青混合料中空隙的水气扩散系数,通过磁悬浮重量平衡系统测试沥青混合料有效水气扩散系数;
S3:根据沥青混合料有效水气扩散系数计算水气扩散实际路径长度。
2.如权利要求1所述的一种沥青混合料内部水气扩散路径长度的计算方法,其特征在于:步骤S1具体为:
S11:根据沥青油膜厚度计算沥青混合料的孔道半径;
S12:根据孔道半径计算努森扩散系数;
S13:根据努森扩散系数计算沥青混合料中空隙的水气扩散系数。
3.如权利要求1所述的一种沥青混合料内部水气扩散路径长度的计算方法,其特征在于:步骤S2具体为:
S21:沥青混合料试件干燥:使混合料试件处于恒定温度的磁悬浮重量平衡系统的试验腔中;系统不断抽取试验腔中的空气,使集料试件内部达到完全干燥;
S22:获取试验条件:系统向试验腔中通入恒温恒压的水气,根据水气压和水气浓度之间的关系得到试验的初始条件和边界条件;
S23:开始试验:根据试验初始条件和边界条件,设定试验腔温度恒定,并向试验腔内内通入蒸气压,使得混合料试件内部的相对湿度为0;
S24:获取沥青混合料水气的有效扩散系数:水气分子扩散进入混合料内部,通过测试沥青混合料质量增量与时间的关系,并根据沥青混合料三维水气运动模型及沥青混合料中空隙的水气扩散系数计算沥青混合料水气的有效扩散系数。
4.如权利要求1所述的一种沥青混合料内部水气扩散路径长度的计算方法,其特征在于:步骤S3具体为:
S31:根据沥青混合料积聚型实际水气扩散系数与试件质量增量的关系,建立实际扩散路径与有效扩散路径的关系;
S32:根据沥青混合料有效水气扩散系数、沥青混合料积聚型实际水气扩散系数获取曲折因子;
S33:根据曲折因子、实际扩散路径与有效扩散路径的关系得到水气扩散实际路径长度。
5.一种沥青混合料内部水气扩散路径长度的计算装置,其特征在于,所述装置包括:
沥青混合料中空隙的水气扩散系数计算模块:计算沥青混合料中空隙的水气扩散系数;
沥青混合料有效水气扩散系数计算模块:根据沥青混合料中空隙的水气扩散系数,通过磁悬浮重量平衡系统测试沥青混合料有效水气扩散系数;
水气扩散实际路径长度计算模块:根据沥青混合料有效水气扩散系数计算水气扩散实际路径长度。
6.一种计算机设备,其特征在于,包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至5任一项所述沥青混合料内部水气扩散路径长度的计算步骤。
7.一种计算机可读存储介质,其特征在于,所述计算机可读存储介质存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至5任一项所述沥青混合料内部水气扩散路径长度的计算步骤。
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