一种基于沥青混合料内部水气浓度的评价方法技术

本发明专利技术公开了一种基于沥青混合料内部水气浓度的评价方法，通过对沥青混合料的截面图像进行介质分类，初步获得各种介质的水气扩散系数；再建立三维水气运动模型并设置水气扩散的初始条件和边界条件，利用有限元软件对初步获得的各种介质的水气扩散系数进行反复计算，输出得到关于沥青混合料的有效扩散系数，利用有效扩散系数能够对沥青混合料内部水气的扩散程度进行精确评价，显著提高了评价精度。显著提高了评价精度。显著提高了评价精度。

An evaluation method based on moisture concentration in asphalt mixture

【技术实现步骤摘要】
一种基于沥青混合料内部水气浓度的评价方法


[0001]本专利技术涉及道路工程领域，特别是一种基于沥青混合料内部水气浓度的评价方法。

技术介绍

[0002]水气在沥青路面内部扩散，是造成路面水损害的重要因素之一，其原因在于水气相比液态水更容易在沥青混合料内部运动。随着水分的迁移，当水分子到达沥青与集料界面以及沥青内部时，会降低了沥青与集料间的黏附结合能以及沥青自身的内聚结合能，而这两种结合能是沥青混合料宏观抗开裂性质的直接决定因素。水气在沥青混合料内部扩散规律包括运动规律和分布规律两个方面。其中，水气浓度反映了沥青混合料内部水气分子的聚集情况，并直接影响沥青与集料的黏附性。因此，确定水气在沥青混合料内部的浓度分布规律，有助于揭示水气运动造成路面水损害的机理。
[0003]由于沥青混合料内部结构复杂，难以采用试验的方式直接得到沥青混合料内部水气分布规律。所以，现阶段主要采用有限元软件进行数值模拟研究沥青混合料内部水气分布规律。因为三维有限元模型计算时间长，运算量大，且采用CT扫描计算研究沥青混合料时，成像质量影响因素众多，不同设备扫描结果存在差异，所以二维有限元模型仍然是常用的数值模型形式之一。目前，对于沥青混合料水气扩散二维有限元模型主要有以下两种方式：
[0004](1)将沥青混合料当作均质材料。这种方式计算量小，通常用于研究复杂工况条件下沥青混合料内部水气分布规律；但由于沥青混合料是多孔多相材料，各项材料的扩散性能相差巨大，忽略沥青混合料内部结构，将使得模拟结果与实际偏差较大。
[0005](2)将沥青混合料当作细集料沥青混合料与粗集料的组合，其中细集料沥青混合料由粒径≤1.18mm的集料和沥青组成，粗集料为粒径＞1.18mm的集料。在数值计算时，设定细集料沥青混合料的扩散系数等于沥青混合料的有效扩散系数；由于沥青混合料是非均质材料，细集料沥青混合料内部结构复杂，其扩散路径往往是沿着水气容易通过的地方蜿蜒前进，而有效扩散系数表示水气在沿沥青混合料厚度方向笔直前进时的速率。因此，该方式将细集料沥青混合料的扩散系数直接设为有效扩散系数，将导致数值计算的结果与试验结果相差巨大。
[0006]可见现有技术中缺少精确评价沥青混合料内部的水气浓度分布规律的方法，故需要提出一种新的评价方法用于解决现有技术所存在的不足。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于，提供了一种基于沥青混合料内部水气浓度的评价方法，用于解决现有技术中缺少精确评价沥青混合料内部的水气浓度分布规律方法的问题。
[0008]为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种基于沥青混合料内部水气浓度的评价方法，包括如下步骤：S1，扫描获得沥青混合料的截面图像，将截面图像中的沥青混合料分为
四种介质组成部分，得到四种介质的数值图像，并确定四种介质的初始扩散系数输入值；S2，根据相对湿度和水气浓度的转换关系，确定水气扩散的初始条件和边界条件；S3，建立三维水气运动模型，并结合水气扩散的初始条件和边界条件，计算得到任意时刻沥青混合料内部水气浓度与达到平衡状态时沥青混合料内部水气浓度之间的关系，记为水气浓度
‑
时间关系式；S4，将四种介质的初始扩散系数输入值导入有限元软件COMSOL中，基于水气浓度
‑
时间关系式进行反复计算，直至符合输出条件后输出得到关于沥青混合料的有效扩散系数，利用有效扩散系数对沥青混合料内部水气的扩散程度进行评价。
[0009]优选的，步骤S1，中，四种介质分别包括粗集料、细集料沥青混合料、空隙和沥青膜，粗集料的平均粒径＞1.18mm，细集料的平均粒径≤1.18mm。
[0010]优选的，步骤S1中，利用图像处理软件对截面图像的四种介质进行区域划分和统计，得到四种介质的数值图像；通过对原材料进行钻芯和切割处理，获得仅有粗集料和细集料沥青混合料的试样进行实验测试，获得粗集料、细集料沥青混合料的初始扩散系数输入值。
[0011]其中，步骤S2中，相对湿度和水气浓度的转换关系的表达式为：
[0012]式中，为水的摩尔质量，单位为g/mol；R为气体常数，单位为J/mol
·
K；p
v,sat
为饱和蒸气压，单位为Pa；RH为相对湿度，以百分数形式表示。
[0013]其中，步骤S2中，以干燥养生方式将沥青混合料试样内部的相对湿度调节至0，得到干燥试样，并作为水气扩散的初始条件；对干燥试样的表面施加恒温恒压的水气，分别记录上边界水气浓度和下边界水气浓度，作为水气扩散的边界条件。
[0014]其中，步骤S2中，采用磁悬浮重量平衡系统对干燥试样的表面施加恒温恒压的水气，并对沥青混合料试样在不同时刻吸收的水气质量进行测定。
[0015]其中，步骤S2中，水气扩散的边界条件的三角函数形式通解表达式为：
[0016][0017]式中，h为沥青混合料的试样厚度，单位为mm；C1为沥青混合料下边界水气浓度，单位为g/m3；C2为沥青混合料上边界水气浓度，单位为g/m3；C为在t时刻深度y处水气浓度，0≤y≤h，单位为g/m3；D为扩散系数。
[0018]其中，步骤S3中，基于有限元软件COMSOL中四种介质的数值图像，三维水气运动模型的表达式为：
[0019][0020]式中，M(t)为试样在t时刻吸收的水气质量，单位为g；M(∞)为试样能够吸收的最大水气质量，单位为g；a为试样半径，单位为mm；H为试样高度，单位为mm；为零阶贝塞尔方程的根。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。
[0021]其中，步骤S3中，对水气扩散的边界条件的三角函数形式通解表达式积分，并结合三维水气运动模型的表达式，计算得到水气浓度
‑
时间关系式；水气浓度
‑
时间关系式为：
[0022][0023]式中，M
t
表示t时刻沥青混合料内部的水气浓度，M
∞
表示水气扩散达到平衡状态时沥青混合料内部的水气浓度。
[0024]其中，步骤S4中，输出条件为水气浓度变化率恒定，或者水气浓度变化率不恒定但达到设定的计算总时长。
[0025]本专利技术的有益效果是：区别于现有技术的情况，本专利技术提供了一种基于沥青混合料内部水气浓度的评价方法，通过对沥青混合料的截面图像进行介质分类，初步获得各种介质的水气扩散系数；再建立三维水气运动模型并设置水气扩散的初始条件和边界条件，利用有限元软件对初步获得的各种介质的水气扩散系数进行反复计算，输出得到关于沥青混合料的有效扩散系数，利用有效扩散系数能够对沥青混合料内部水气的扩散程度进行精确评价，显著提高了评价精度。
附图说明
[0026]图1是本专利技术中基于沥青混合料内部水气浓度的评价方法一实施方式的流程图；
[0027]图2是本专利技术中基于沥青混合料内部水气浓度的评价方法一实施方式在有限元软件中的执行流程图；
[0028]图3是本专利技术实施例1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于沥青混合料内部水气浓度的评价方法，其特征在于，包括如下步骤：S1，扫描获得沥青混合料的截面图像，将所述截面图像中的沥青混合料分为四种介质组成部分，得到四种介质的数值图像，并确定四种介质的初始扩散系数输入值；S2，根据相对湿度和水气浓度的转换关系，确定水气扩散的初始条件和边界条件；S3，建立三维水气运动模型，并结合所述水气扩散的初始条件和边界条件，计算得到任意时刻沥青混合料内部水气浓度与达到平衡状态时沥青混合料内部水气浓度之间的关系，记为水气浓度
‑
时间关系式；S4，将所述四种介质的初始扩散系数输入值导入有限元软件COMSOL中，基于所述水气浓度
‑
时间关系式进行反复计算，直至符合输出条件后输出得到关于沥青混合料的有效扩散系数，利用所述有效扩散系数对沥青混合料内部水气的扩散程度进行评价。2.根据权利要求1中所述基于沥青混合料内部水气浓度的评价方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述四种介质分别包括粗集料、细集料沥青混合料、空隙和沥青膜，所述粗集料的平均粒径＞1.18mm，所述细集料的平均粒径≤1.18mm。3.根据权利要求2中所述基于沥青混合料内部水气浓度的评价方法，其特征在于，所述步骤S1中，利用图像处理软件对所述截面图像的四种介质进行区域划分和统计，得到四种介质的数值图像；通过对原材料进行钻芯和切割处理，获得仅有粗集料和细集料沥青混合料的试样进行实验测试，获得所述粗集料、细集料沥青混合料的初始扩散系数输入值；沥青膜初始扩散系数输入值为5.00
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10
‑4mm2/h。4.根据权利要求3中所述基于沥青混合料内部水气浓度的评价方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述相对湿度和水气浓度的转换关系的表达式为：式中，为水的摩尔质量，单位为g/mol；R为气体常数，单位为J/mol
·
K；p
v,sat
为饱和蒸气压，单位为Pa；RH为相对湿度。5.根据权利要求4中所述基于沥青混合料内部水气...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗蓉，梁宇，黄婷婷，涂崇志，汪翔，牛茏昌，苗强，贺浩祥，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：