本发明涉及道路工程领域，尤其涉及一种沥青穿透型水气扩散系数检测方法。
背景技术：
高速公路沥青路面往往会存在开裂、松散、坑洞的现象，而水损害已成为导致这些现象的最主要的病害之一。现有实验表明，水损害与沥青的水气扩散系数息息相关，水气在沥青混合料中运动过程中，会不断携带水分子进入到沥青混合料内部以及沥青与集料界面，降低沥青膜自身的内聚结合能以及沥青与集料界面的粘附结合能，从而引起沥青膜的内聚破坏或沥青与集料之间的粘聚破坏，再加上重复荷载作用进而导致沥青路面产生水损害。
沥青是沥青混合料中重要组成材料之一，但由于沥青具有一定的流动性，在重力的作用下容易产生变形，导致无法直接通过试验直接测试其穿透型水气扩散系数。因此，现阶段急需一种可计算多湿度梯度条件下沥青的水气扩散系数的便捷、准确的试验方法，为研究沥青混合料水损害机理提供理论基础。综上，如何快速简便地测量沥青的水气扩散系数是亟待解决的问题。
技术实现要素：
有鉴于此，有必要提供一种沥青穿透型水气扩散系数检测方法，用以解决现有技术中如何快速简便地测量沥青的水气扩散系数的问题。
本发明提供一种沥青穿透型水气扩散系数检测方法，包括：
制备涂有沥青油膜的集料样品，其中，所述涂有沥青油膜的集料样品依次包括第一沥青油膜层、集料层以及第二沥青油膜层；
通过以下第一公式，利用检测装置测量试件薄片的水气扩散系数，其中，所述试件薄片包括未涂有沥青油膜的集料样品和所述涂有沥青油膜的集料样品：
其中，dx为所述试件薄片的水气扩散系数，a为有效扩散面积，
分别测量所述第一沥青油膜层、所述集料层以及所述第二沥青油膜层的厚度；
通过以下第二公式，确定沥青油膜层的穿透型水气扩散系数：
其中，
进一步地，所述制备涂有沥青油膜的集料样品包括：
选用所述未涂有沥青油膜的集料样品；
对所述未涂有沥青油膜的集料样品进行清洗、蒸发，并打磨成具有光滑表面的扁平颗粒；
在加热温度下，使用沥青裹附在所述具有光滑表面的扁平颗粒表面，冷却至室温后，测量不同位置处沥青油膜的厚度，以确保各个位置厚度一致。
进一步地，所述检测装置的制备包括：
采用统一规格的塑料容器，并注入控制所述塑料容器内部稳定的相对湿度的溶液；
在所述塑料容器的开口边缘涂上真空硅脂，并覆盖一层环形乳胶垫圈；
将所述试件薄片盖住垫圈并封住所述塑料容器的开口；
用熔融蜡将所述塑料容器的所有接缝处填充饱满，形成所述检测装置，并称量所述检测装置的初始质量m0。
进一步地，所述有效扩散面积为环形乳胶垫圈的内环面积。
进一步地，所述水气穿透率的检测过程包括：
将所述检测装置置于控制恒定温湿度的环境箱内，以使所述检测装置内外达到特定试验温度及不同相对湿度梯度环境；
每隔预定时间段，称量并记录所述检测装置的变化质量mt；
根据初始质量m0相对于变化质量mt随时间的变化曲线，确定所述水气穿透率
进一步地，还包括：
分别测量所述涂有沥青油膜的集料样品的水气浓度条件，其中，所述水气浓度条件包括所述第一沥青油膜层远离所述集料层一端的第一水气浓度条件、所述第一沥青油膜层和所述集料层之间的第二水气浓度条件、所述集料层和所述第二沥青油膜层之间的第三水气浓度条件，以及所述第二沥青油膜层远离所述集料层一端的第四水气浓度条件；
根据所述水气浓度条件和所述第一沥青油膜层、所述集料层以及所述第二沥青油膜层的厚度，确定所述沥青油膜层的穿透型水气扩散系数。
进一步地，还包括：
通过以下第三公式，确定所述沥青油膜层的穿透型水气扩散系数：
其中，c1为所述第一水气浓度条件，c2为所述第二水气浓度条件，c3为所述第三水气浓度条件，c4为所述第四水气浓度条件，h1为所述第一沥青油膜层的厚度，h2为所述集料层的厚度，h3为所述第二沥青油膜层的厚度，j为所述涂有沥青油膜的集料样品的扩散通。
进一步地，还包括：
通过以下第四公式，确定所述涂有沥青油膜的集料样品的扩散通：
其中，
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：首先，制备涂有沥青油膜的集料样品，以此有效构建包含第一沥青油膜层、集料层以及第二沥青油膜层的集料样品；进而，利用检测装置测量分别检测未涂有沥青油膜的集料样品(相当于集料层)的水气扩散系数和所述涂有沥青油膜的集料样品的水气扩散系数，以此有效反映沥青油膜对集料样品的水气扩散系数造成的变化；然后，测量第一沥青油膜层、集料层以及第二沥青油膜层的厚度，以便后续的公式计算；最后，根据之前测量的水气扩散系数，以及各层厚度，快速确定沥青油膜层的穿透型水气扩散系数。综上，本发明分别测量集料层和涂有沥青油膜的集料样品的水气扩散系数，并测量了各个层的厚度，通过简单的公式计算即可高效准确地确定沥青油膜层的穿透型水气扩散系数，实验材料简单易得，试验方法简便易操作，有助于防止道路上的水损害。
附图说明
图1为本发明提供的沥青穿透型水气扩散系数检测方法的流程示意图一；
图2为本发明提供的裹附沥青油膜集料的穿透型水气扩散示意图；
图3为本发明提供的制备涂有沥青油膜的集料样品的流程示意图；
图4为本发明提供的测量试件薄片的水气扩散系数的流程示意图；
图5为本发明提供的确定水气穿透率的流程示意图；
图6为本发明提供的本发明提供的沥青穿透型水气扩散系数检测方法的流程示意图二。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
本发明实施例提供了一种沥青穿透型水气扩散系数检测方法，结合图1来看，图1为本发明提供的沥青穿透型水气扩散系数检测方法的流程示意图一，上述沥青穿透型水气扩散系数检测方法包括步骤s1至步骤s4，其中：
在步骤s1中，制备涂有沥青油膜的集料样品，其中，涂有沥青油膜的集料样品依次包括第一沥青油膜层、集料层以及第二沥青油膜层；
在步骤s2中，通过以下第一公式，利用检测装置测量试件薄片的水气扩散系数，其中，试件薄片包括未涂有沥青油膜的集料样品和涂有沥青油膜的集料样品：
其中，dx为试件薄片的水气扩散系数，a为有效扩散面积，
在步骤s3中,分别测量第一沥青油膜层、集料层以及第二沥青油膜层的厚度；
在步骤s4中，通过以下第二公式，确定沥青油膜层的穿透型水气扩散系数：
其中，
在本发明实施例中，首先，制备涂有沥青油膜的集料样品，以此有效构建包含第一沥青油膜层、集料层以及第二沥青油膜层的集料样品；进而，利用检测装置测量分别检测未涂有沥青油膜的集料样品(相当于集料层)的水气扩散系数和涂有沥青油膜的集料样品的水气扩散系数，以此有效反映沥青油膜对集料样品的水气扩散系数造成的变化；然后，测量第一沥青油膜层、集料层以及第二沥青油膜层的厚度，以便后续的公式计算；最后，根据之前测量的水气扩散系数，以及各层厚度，快速确定沥青油膜层的穿透型水气扩散系数。
需要说明的是，结合图2来看，图2为本发明提供的裹附沥青油膜集料的穿透型水气扩散示意图，在相对湿度梯度的作用下，水气垂直穿过三层材料，使得复合材料中任意水平方向上的扩散通量j保持不变。同时，顶部和底部截面积与每层材料的截面积相同。根据菲克第一定律可以知，沥青和集料的有效扩散系数满足以下关系式：
上式中，j表示扩散通，单位为g/mm2·h；h1和h3表示沥青油膜厚度(第一沥青油膜层以及第二沥青油膜层)，单位为mm；h2表示集料厚度(集料层)，单位为mm；c1c2c3c4表示水气浓度条件，单位为g/mm3；
如果将样品看做一个整体，则试验测得有效扩散系数可以表示为：
通过上式可知，通过试验可以直接测试得到有效扩散系数
优选地，结合图3来看，图3为本发明提供的制备涂有沥青油膜的集料样品的流程示意图，上述步骤s1包括步骤s11至步骤s13，其中：
在步骤s11中，选用未涂有沥青油膜的集料样品；
在步骤s12中，对未涂有沥青油膜的集料样品进行清洗、蒸发，并打磨成具有光滑表面的扁平颗粒；
在步骤s13中，在加热温度下，使用沥青裹附在具有光滑表面的扁平颗粒表面，冷却至室温后，测量不同位置处沥青油膜的厚度，以确保各个位置厚度一致。
由此，本发明利用清洗、蒸发、打磨，保证集料样本的光滑，同时，测量不同位置处沥青油膜的厚度，以确保各个位置厚度一致，保证后续计算水气扩散系数的准确性。
在本发明一个具体的实施例中，制备涂膜沥青油膜的集料样品的过程具体包括：选用集料颗粒粒径大于13.2mm的颗粒10颗。首先使用蒸馏水清洗集料，然后将集料放着在170℃的烘箱内加热4小时，确保集料内部水分完全蒸发；为了减少试验变量(如表面纹理等)对试验结果的影响，接着使用锉刀将每个集料颗粒打磨为具有光滑表面的扁平颗粒；并且使用卡尺在不同位置测量每个颗粒的厚度，以确保扁平颗粒厚度基本相同；使用沥青裹附在集料颗粒表面。将这两种沥青储存在铝容器中，分别加热至160℃～170℃(参考沥青混合料拌和温度确定)，使用镊子将集料颗粒浸入熔融沥青中。冷却至室温后，测量不同位置处沥青油膜的厚度，以确保各个位置厚度一致，集料颗粒表面覆盖有厚度大致均匀的沥青油膜。
优选地，结合图4来看，图4为本发明提供的测量试件薄片的水气扩散系数的流程示意图，上述步骤s2中检测装置的制备包括步骤s21至步骤s24，其中：
在步骤s21中，采用统一规格的塑料容器，并注入控制塑料容器内部稳定的相对湿度的溶液；
在步骤s22中，在塑料容器的开口边缘涂上真空硅脂，并覆盖一层环形乳胶垫圈；
在步骤s23中，将试件薄片盖住垫圈并封住塑料容器的开口；
在步骤s24中，用熔融蜡将塑料容器的所有接缝处填充饱满，形成检测装置，并称量检测装置的初始质量m0。
由此，通过上述步骤制得密封性完好的检测装置，以便有效测出质量变化，保证水气扩散系数的快速测量。
优选地，有效扩散面积为环形乳胶垫圈的内环面积。由此，根据环形乳胶垫圈的内环面积有效测量有效扩散面积。
优选地，结合图5来看，图5为本发明提供的确定水气穿透率的流程示意图，上述步骤s2中确定水气穿透率的过程包括步骤s25至步骤s27，其中：
在步骤s25中，将检测装置置于控制恒定温湿度的环境箱内，以使检测装置内外达到特定试验温度及不同相对湿度梯度环境；
在步骤s26中，每隔预定时间段，称量并记录检测装置的变化质量mt；
在步骤s27中，根据初始质量m0相对于变化质量mt随时间的变化曲线，确定水气穿透率
由此，基于检测装置的良好的密封性，通过质量的变化，反映水气渗透的变化，以此高效确定水气穿透率。
优选地，结合图6来看，图6为本发明提供的本发明提供的沥青穿透型水气扩散系数检测方法的流程示意图二，上述本沥青穿透型水气扩散系数检测方法还包括步骤s5至步骤s6，其中：
在步骤s5中，分别测量涂有沥青油膜的集料样品的水气浓度条件，其中，水气浓度条件包括第一沥青油膜层远离集料层一端的第一水气浓度条件、第一沥青油膜层和集料层之间的第二水气浓度条件、集料层和第二沥青油膜层之间的第三水气浓度条件，以及第二沥青油膜层远离集料层一端的第四水气浓度条件；
在步骤s6中，根据水气浓度条件和第一沥青油膜层、集料层以及第二沥青油膜层的厚度，确定沥青油膜层的穿透型水气扩散系数。
由此，通过涂有沥青油膜的集料样品的水气浓度条件，结合第一沥青油膜层、集料层以及第二沥青油膜层的厚度，有效反馈水气渗透的情况。
具体地，通过以下第三公式，确定沥青油膜层的穿透型水气扩散系数：
其中，c1为第一水气浓度条件，c2为第二水气浓度条件，c3为第三水气浓度条件，c4为第四水气浓度条件，h1为第一沥青油膜层的厚度，h2为集料层的厚度，h3为第二沥青油膜层的厚度，j为涂有沥青油膜的集料样品的扩散通。
具体地，通过以下第四公式，确定涂有沥青油膜的集料样品的扩散通：
其中，
在本发明一个具体的实施例中，试验采用石灰岩这种典型道路集料来进行试验，所选集料颗粒粒径大小均大于13.2mm。首先使用蒸馏水清洗集料，然后将集料放着在170℃的烘箱内加热4小时，确保集料内部水分完全蒸发。为了减少试验变量(如表面纹理等)对试验结果的影响，接着使用锉刀将每个集料颗粒打磨为具有光滑表面的扁平颗粒；并且使用卡尺在不同位置测量每个颗粒的厚度，以确保扁平颗粒厚度基本相同。
其中，每种集料进行三个平行试验，因此，这个试验中共需要9颗扁平集料。表1列出了三种集料类型的三个试验组中集料的厚度，如下所示：
表1
进一步地，分别用于70#基质沥青和sbs改性沥青裹附在集料颗粒表面。将这两种沥青储存在铝容器中，分别加热至160℃和170℃(参考沥青混合料拌和温度确定)，使用镊子将集料颗粒浸入熔融70#基质沥青中。冷却至室温后，测量不同位置处沥青油膜的厚度，以确保各个位置厚度一致，集料颗粒表面覆盖有厚度大致均匀的沥青油膜。对于每种集料类型，第一组颗粒作为对照样品，未被任何沥青覆盖；第二组由70#沥青覆盖；第三组由sbs改性沥青覆盖。所有试样的厚度列于表2中，如下所示：
表2
进一步地，将蒸馏水储存在玻璃容器中，并将试样密封在容器顶部，此时容器内的相对湿度(设为rh1)保持在100％。然后将该试验装置置于恒温恒湿器中，设定恒温恒湿箱内部相对湿度为60％±3％(设为为rh2)、温度为20℃±0.5℃。试验样品就在相对湿度差(60％±3％～100％)的作用下进行水气扩散，步骤具体如下：
(1)首先，制备多个橡胶垫圈，所有橡胶垫圈的内径均为12mm，外径为27mm；使用高真空硅质将橡胶垫圈连接到玻璃容器的开口。
(2)其次，将试样放置在橡胶垫圈中间并完全覆盖橡胶垫圈的内部开口。
(3)接着，将另一个橡胶垫圈放在试样的顶部，使用游标卡尺确保试样上方和下方的两个橡胶垫圈完全对齐。
(4)最后，将熔化的蜡封口剂涂在试样的侧面、两个垫圈的顶部和底部、以及容器、橡胶垫圈和试样之间的所有接头。采用蜡密封以后，完成实验装置并准备进行水蒸气扩散试验。
进一步地，通过自制装置分别测量集料和涂膜沥青油膜的集料的扩散系数包括：
第一步，用统一规格的塑料容器，里面注入适量能控制容器内部稳定相对湿度的溶液，容器开口边缘涂上真空硅脂并覆盖一层环形乳胶垫圈，将试件薄片盖住垫圈并封住容器开口(方向不能偏移)，再用熔融蜡将所有接缝处填充饱满即完成，并称量初始质量mo；
第二步，将水气扩散装置置于能控制恒定温湿度的环境箱内养生以使装置内外达到某一特定；试验温度及不同相对湿度梯度环境，每天称量并记录装置质量mt，根据水气穿透量mo-mt随时间的变化曲线得到水气穿透率
第三步，通过上述第一公式即可算得对应各特定试验温度及其相对湿度梯度条件下样品的水气扩散系数。其中，需要说明的是，deff为水气扩散系数；a为有效扩散面积(本试验中为乳胶垫圈的内环面积)；
需要说明的是，将组装后的试验装置放置在恒温恒湿箱内。在rh1和rh2之间形成的δrh作用下，驱使水气通过试样从容器内扩散到恒温恒湿箱中。使用最大量程为320g、精度为0.1mg的高精度天平测量每个试验装置的初始质量m0，以及试验过程中每隔48小时的试验装置的质量mt。试验期间试验装置的质量损失δm＝m0-mt，即为通过测试样品扩散出来的水气质量。通过测得的试验装置内水的质量损失率
计算结果表明，裹附沥青油膜后，集料的扩散系数明显降低。这说明沥青油膜能够有效的阻止水气的穿透，因此在分析沥青混合料内部水气扩散运动规律时，不能够忽略沥青油膜对扩散过程的影响。同时，当沥青裹附集料后扩散系数减少10倍，说明水气在沥青混合料内部运动将更倾向于在沥青混合料内部大量孔隙中扩散，而非直接穿透沥青油膜。
试验结果表面70#基质沥青平均穿透型水气扩散系数为1.89mm2/h，sbs改性沥青的平均穿透型水气扩散系数2.40mm2/h。计算结果表明，集料的穿透型水气扩散系数约为沥青穿透型水气扩散系数的200倍，证明沥青油膜能够显著阻碍水气从外界扩散进入集料内部。
表3
表4
本发明公开了一种沥青穿透型水气扩散系数检测方法，首先，制备涂有沥青油膜的集料样品，以此有效构建包含第一沥青油膜层、集料层以及第二沥青油膜层的集料样品；进而，利用检测装置测量分别检测未涂有沥青油膜的集料样品(相当于集料层)的水气扩散系数和涂有沥青油膜的集料样品的水气扩散系数，以此有效反映沥青油膜对集料样品的水气扩散系数造成的变化；然后，测量第一沥青油膜层、集料层以及第二沥青油膜层的厚度，以便后续的公式计算；最后，根据之前测量的水气扩散系数，以及各层厚度，快速确定沥青油膜层的穿透型水气扩散系数。
本发明技术方案，分别测量集料层和涂有沥青油膜的集料样品的水气扩散系数，并测量了各个层的厚度，通过简单的公式计算即可高效准确地确定沥青油膜层的穿透型水气扩散系数，实验材料简单易得，试验方法简便易操作，有助于防止道路上的水损害。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
1.一种沥青穿透型水气扩散系数检测方法，其特征在于，包括：
制备涂有沥青油膜的集料样品，其中，所述涂有沥青油膜的集料样品依次包括第一沥青油膜层、集料层以及第二沥青油膜层；
通过以下第一公式，利用检测装置测量试件薄片的水气扩散系数，其中，所述试件薄片包括未涂有沥青油膜的集料样品和所述涂有沥青油膜的集料样品：
其中，dx为所述试件薄片的水气扩散系数，a为有效扩散面积，
分别测量所述第一沥青油膜层、所述集料层以及所述第二沥青油膜层的厚度；
通过以下第二公式，确定沥青油膜层的穿透型水气扩散系数：
其中，
2.根据权利要求1所述的沥青穿透型水气扩散系数检测方法，其特征在于，所述制备涂有沥青油膜的集料样品包括：
选用所述未涂有沥青油膜的集料样品；
对所述未涂有沥青油膜的集料样品进行清洗、蒸发，并打磨成具有光滑表面的扁平颗粒；
在加热温度下，使用沥青裹附在所述具有光滑表面的扁平颗粒表面，冷却至室温后，测量不同位置处沥青油膜的厚度，以确保各个位置厚度一致。
3.根据权利要求2所述的沥青穿透型水气扩散系数检测方法，其特征在于，所述检测装置的制备包括：
采用统一规格的塑料容器，并注入控制所述塑料容器内部稳定的相对湿度的溶液；
在所述塑料容器的开口边缘涂上真空硅脂，并覆盖一层环形乳胶垫圈；
将所述试件薄片盖住垫圈并封住所述塑料容器的开口；
用熔融蜡将所述塑料容器的所有接缝处填充饱满，形成所述检测装置，并称量所述检测装置的初始质量m0。
4.根据权利要求3所述的沥青穿透型水气扩散系数检测方法，其特征在于，所述有效扩散面积为所述环形乳胶垫圈的内环面积。
5.根据权利要求3所述的沥青穿透型水气扩散系数检测方法，其特征在于，所述水气穿透率的检测过程包括：
将所述检测装置置于控制恒定温湿度的环境箱内，以使所述检测装置内外达到特定试验温度及不同相对湿度梯度环境；
每隔预定时间段，称量并记录所述检测装置的变化质量mt；
根据初始质量m0相对于变化质量mt随时间的变化曲线，确定所述水气穿透率
6.根据权利要求1所述的沥青穿透型水气扩散系数检测方法，其特征在于，还包括：
分别测量所述涂有沥青油膜的集料样品的水气浓度条件，其中，所述水气浓度条件包括所述第一沥青油膜层远离所述集料层一端的第一水气浓度条件、所述第一沥青油膜层和所述集料层之间的第二水气浓度条件、所述集料层和所述第二沥青油膜层之间的第三水气浓度条件，以及所述第二沥青油膜层远离所述集料层一端的第四水气浓度条件；
根据所述水气浓度条件、所述第一沥青油膜层的厚度、所述集料层的厚度以及所述第二沥青油膜层的厚度，确定所述沥青油膜层的穿透型水气扩散系数。
7.根据权利要求6所述的沥青穿透型水气扩散系数检测方法，其特征在于，还包括：
通过以下第三公式，确定所述沥青油膜层的穿透型水气扩散系数：
其中，c1为所述第一水气浓度条件，c2为所述第二水气浓度条件，c3为所述第三水气浓度条件，c4为所述第四水气浓度条件，h1为所述第一沥青油膜层的厚度，h2为所述集料层的厚度，h3为所述第二沥青油膜层的厚度，j为所述涂有沥青油膜的集料样品的扩散通。
8.根据权利要求7所述的沥青穿透型水气扩散系数检测方法，其特征在于，还包括：
通过以下第四公式，确定所述涂有沥青油膜的集料样品的扩散通：
其中，
