CN115166015B - 一种基于稳定同位素扩散行为的沥青黏附性评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种基于稳定同位素扩散行为的沥青黏附性评价方法，属于沥青路面材料评价技术领域，解决目前沥青黏附性评价试验中不直观、误差大、试验复杂、设备昂贵、操作繁琐的问题。本发明首先将沥青均匀涂在玻璃片表面形成均匀薄膜，再将附有沥青薄膜的玻璃片置于氧‑18水中浸泡；然后在不同浸泡时间节点取出玻璃片，擦拭沥青薄膜表面水分至表干状态，放置干燥器内干燥完全后将其送至稳定同位素比例质谱仪中进行测试；最后利用质谱仪测试不同浸泡时间节点沥青膜中氧‑18浓度，基于Langmuir扩散模型对沥青膜中水分扩散进行函数拟合，评价沥青膜的黏附性及沥青混合料水稳定性能。本发明提供的沥青黏附性评价方法可揭示沥青薄膜水损害过程，准确评价沥青黏附性。
Description
技术领域
本发明是一种基于稳定同位素扩散行为的沥青黏附性评价方法，属于沥青路面材料评价技术领域。
背景技术
随着经济的不断发展，我国的公路建设总里程也在不断地增加，据交通运输部统计数据显示，2021年末全国四级及以上等级公路总里程506.19万公里，比上年增加11.74万公里。沥青路面占据公路建设中的主要地位，在长期的使用过程中会产生各种病害，其中水损害是一种较为严重的病害，在我国南方降雨量较大的地区，沥青路面水损害尤为严重。在我国中西部降雨较少的地区即使路面产生裂缝不及时修补对路面产生的损害也不会太大，相反，在沿海地区降雨较多的地区产生裂缝之后路面破坏程度会加快。
传统沥青路面随着使用时间的增加产生硬化后排水性能显著降低，路面积水不能有效地渗入到地下，因此必须设置路拱、排水沟、边沟、截水沟、暗沟、跌水和急流槽、中央分隔带等排水设施进行排水。沥青路面在不断地使用过程中会产生裂缝，水通过裂缝进入路面，在行车荷载作用下产生动水压力，沥青从集料表面剥离并被动水带离路面造成水损害。水分与沥青接触时，水分会缓慢地扩散到沥青薄膜的内部产生乳化现象，且乳化速率与沥青的性质有关；在集料尖锐的部位沥青薄膜较薄容易破裂，水分进入到内部将沥青置换出来；路表水在路面的连通空隙内在有行车荷载时流动受阻易产生较大的孔隙水压力；除此之外，水损害一般认为的原因还有冻涨、撕裂和冲刷流失等。
近年来，较多的研究人员已经对水损害进行了充分的研究和试验，为评价一种沥青混合料的水稳定性能就必须从该种沥青与集料的黏附性着手。现评价沥青与集料间黏附性能的方法有很多，如：水煮法、静态水浸法、Texas冻融台架试验、快速测试瓶法、表面能法、光电比色法等。同时，也有部分研究人员从水分进入沥青的扩散过程着手，通过水分进入沥青膜的扩散过程来表征沥青的黏附性，并进一步评价沥青混合料的水稳定性能。
国内外现行的水分在沥青膜中扩散过程研究方法主要为以下四种：重量法、红外光谱-衰减全反射法、Diffusion-Through试验和电化学阻抗法。重量法就是将涂有沥青置于蒸馏水每隔一段时间称其重量，但在不断称取重量的同时也打断了水分向沥青内部的扩散。Diffusion-Through试验利用放射性元素标记水分子，通过测量示踪剂的浓度变化表征水分进入到沥青中，涉及到放射性元素不仅价格昂贵、试验处理麻烦。红外光谱法较为精确且操作简便，容易实现，是通过水分进入沥青后造成沥青的部分官能团发生变化来表征水分是否进入沥青。电化学阻抗法是我国魏建明博士首创的方法，其原理是由于水的介电常数和比电导远大于沥青，水分进入沥青后沥青的介电常数和比电导均增大。
当前主要是通过水煮法、水浸法、表面能法、光电比色法等试验方法评价沥青与集料间的黏附性。其中已实行的试验方法中存在不直观且需要较强的试验经验、测试结果误差大、试验复杂、设备昂贵、操作繁琐等问题，无法精确、简便地评价沥青黏附性。
因此，本发明使用对人体没有危害的稳定性同位素作为示踪剂，根据氧-16的稳定性同位素氧-18对水分子进行标记，采用标记后的水对沥青进行浸水试验，通过检测沥青膜中氧-18的浓度变化来分析水分在沥青膜中的扩散过程，通过水分的扩散系数可精确评价沥青的黏附性和沥青混合料的水稳定性。
发明内容
(1)技术问题
本发明目的是提供一种基于稳定同位素扩散行为的沥青黏附性评价方法，该方法从示踪元素标记化合物后化学性质不变的角度通过氧的稳定性同位素标记水分子，通过沥青膜中同位素氧-18浓度变化评价沥青的黏附性，解决目前沥青黏附性评价试验不直观、误差大、试验复杂、设备昂贵、操作繁琐的问题。
(2)技术方案
为了解决目前沥青黏附性评价试验不直观、误差大、试验复杂、设备昂贵、操作繁琐的问题。本发明首先根据示踪元素标记化合物后化学性质不变，确定选取氧-18标记后的水作为示踪剂，再通过不同浸泡时间下沥青薄膜中氧-18的浓度来研究水分在沥青中的扩散过程。本发明技术方案如下：首先准备好氧-18水，再将沥青均匀涂在玻璃片表面，再将涂有沥青薄膜的玻璃片置于氧-18水中浸泡；然后，按照规定的浸泡时间节点取出玻璃片用吸湿纸轻轻擦拭沥青膜表面至表干状态，放置干燥器中完全干燥，将沥青薄膜放置于稳定同位素比例质谱仪中测试氧-18的浓度；最后，通过沥青薄膜不同浸水时间后测得的氧-18浓度作为沥青薄膜中水分吸收量，根据Langmuir扩散模型对沥青薄膜吸收水的含量进行函数拟合，计算沥青膜中水分扩散系数，简便精确地评价沥青的黏附性，进而评价沥青混合料的水稳定性。
(3)有益效果
随着经济的不断发展，我国的公路建设总里程也在不断地增加，沥青路面广泛应用于各等级道路，但是水损害严重威胁着沥青路面的路用性能和使用寿命。尤其是对于较湿润地区，路面水损害现象严重威胁到路面的使用性能。为提升沥青混合料的水稳定性能，较多的研究人员对沥青黏附性能进行了一定的研究，也对水分在沥青中的扩散过程进行了一定的研究。本发明提供一种基于稳定同位素扩散行为的沥青黏附性评价方法，通过示踪元素标记化合物后化学性质不变的性质采用氧-18水对沥青膜进行浸泡，通过稳定同位素比例质谱仪测量浸泡后沥青薄膜中氧-18的浓度变化量，基于Langmuir扩散模型拟合水分扩散过程函数，计算沥青膜中水分扩散系数，简便精确地评价沥青的黏附性及沥青混合料的水稳定性能。
具体实施方式
本发明提供一种基于稳定同位素扩散行为的沥青黏附性评价方法，具体实施步骤如下：
(1)选取洁净干燥的玻璃片13片，将熔融状态的沥青均匀等量涂抹在玻璃片表面，并在90℃烘箱中保温1小时，形成均匀平整的沥青薄膜，准备洁净的氧-18水浸泡沥青膜；
(2)设定水浴箱温度为25℃，将准备好的氧-18水倒入水浴箱后再分别将13片涂有沥青薄膜的玻璃片置于水浴箱中进行浸泡；
(3)分别在第0h、1h、2h、4h、6h、8h、24h、48h、72h、96h、120h、144h、168h十三个浸泡时间节点取出玻璃片，用吸湿纸轻轻擦拭沥青膜至表干状态，放置于60℃的干燥箱内干燥1小时；
(4)利用稳定同位素比例质谱仪测试沥青膜中氧-18的浓度变化量，由于水分在沥青膜中的扩散呈非稳态扩散，基于Langmuir扩散模型对沥青膜中水分扩散进行函数拟合，计算沥青膜中水分扩散系数，评价沥青膜的黏附性，进而评价沥青混合料的水稳定性。
Claims (1)
1.一种基于稳定同位素扩散行为的沥青黏附性评价方法，其特征在于该方法的具体步骤如下：
(1)选取洁净干燥的玻璃片13片，将熔融状态的沥青均匀等量涂抹在玻璃片表面，并在90℃烘箱中保温1小时，形成均匀平整的沥青薄膜，准备洁净的氧-18水浸泡沥青膜；
(2)设定水浴箱温度为25℃，将准备好的氧-18水倒入水浴箱后再分别将13片涂有沥青薄膜的玻璃片置于水浴箱中进行浸泡；
(3)分别在第0h、1h、2h、4h、6h、8h、24h、48h、72h、96h、120h、144h、168h十三个浸泡时间节点取出玻璃片，用吸湿纸轻轻擦拭沥青膜至表干状态，放置于60℃的干燥箱内干燥1小时；
(4)利用稳定同位素比例质谱仪测试沥青膜中氧-18的浓度变化量，由于水分在沥青膜中的扩散呈非稳态扩散，基于Langmuir扩散模型对沥青膜中水分扩散进行函数拟合，计算沥青膜中水分扩散系数，评价沥青膜的黏附性，进而评价沥青混合料的水稳定性。
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