本发明属于材料物性表征，涉及基于单面毛细吸水的沥青混合料水分扩散系数测定方法。
背景技术：
1、作为一种典型的多孔材料，沥青混合料具有在毛细作用力下吸收环境中液态水的特性。被吸入混合料中的水分会在微小空隙的毛细作用力驱动下向水分浓度较低处扩散。水分扩散行为主要受到混合料内部空隙结构、水分浓度梯度以及温度的影响，扩散进入混合料中的水分，经过与混合料的长期作用会侵入沥青胶浆内部，从而对混合料造成黏附性和黏聚性损伤。沥青混合料的力学性能劣化和耐久性衰退过程与其内部长期持有的水分密切相关，液态水在沥青混合料内的扩散传输过程是水损害的重要诱因之一。因此，深入探究水分扩散进入沥青混合料内部的过程，对于揭示水分扩散条件下沥青路面的损伤演化机理具有理论价值和工程意义。
2、“水分扩散系数”是表征水分在介质中扩散行为的一种物理量，是由扩散介质的自身性质所决定，描述了介质通过毛细作用传输水分的趋势。当水分浓度梯度为单位1时，单位时间内通过单位面积的量，数值上等于水分扩散系数；其计算如下：
3、
4、上式中，qx为沿扩散方向的扩散通量；d为水分扩散系数；θ为体积含水率；x为垂直于扩散截面的空间坐标。负号表示水分扩散方向与水分浓度增长方向相反。
5、水分扩散系数是表征水分在沥青混合料中扩散传输行为的重要参数，通过获取水分扩散系数，可以深入理解并准确预测水分在沥青混合料中的扩散过程。水分扩散系数也可以作为数值模拟中的关键输入参数，来模拟沥青混合料内部的水分扩散以及由于水分扩散导致的损伤过程。在已有的研究中，缺乏直接用于测定、计算沥青混合料水分扩散系数的实用方法。多数研究采用间接试验手段来表征、分析水分在沥青混合料中的扩散行为，如：磁共振成像法、正电子发射断层扫描成像法、中子射线成像法和伽马射线吸收法等测试技术。然而，这些方法试验设备昂贵，试样制备和数据分析技术难度较大。
6、因此，亟需一种有效、实用的沥青混合料水分扩散系数测定方法。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种在不同温度条件下的基于单面毛细吸水的沥青混合料水分扩散系数测定方法。
2、本发明的技术方案：
3、基于单面毛细吸水的沥青混合料水分扩散系数测定方法，包括以下步骤：
4、步骤1.制备沥青混合料试件。将混合料通过旋转压实仪压实成型后，利用切割机切割成底面形状和面积相同、高度不同(但高差相同)的多个沥青混合料试件。将每个试件的侧壁涂上防水材料(如环氧防水地坪漆)，以此防止水分自下向上扩散时从侧壁蒸发从而对实验结果造成干扰。
5、步骤2.对步骤1制备的试件进行单面毛细吸水试验。具体为：
6、(2.1)采用高精天平测定并记录试验前不同高度试件各自的初始质量m0。
7、(2.2)将试件放入控温水浴箱中，可以对水浴箱设置不同的温度，以测定不同温度下的水分扩散系数。将试件底部与水面接触，以使水分在试件中自下而上单面扩散。试件与水面接触深度为2mm(±0.2mm)。
8、(2.3)每间隔一段时间将试件拿出，采用微湿的吸水纸或者潮湿的抹布(以不能拧出水分为标准)擦掉试件吸水面上的多余水分，然后快速放入高精天平中测量不同高度试件各自的实时重量mt，每次质量测量操作应尽快完成以防止水分在空气中蒸发。计算不同吸水时间t下不同高度的沥青混合料试件吸收水分的体积：
9、
10、上式中，mt为t时刻试件吸收水分后重量；m0为试件干燥时重量；ρ为水的密度。
11、步骤3.确定试件不同位置x处的体积含水率θx。具体为：
12、(3.1)将步骤1和步骤2得到的不同吸水时间t下不同高度的试件吸收水分体积进行处理，得到两相邻高度试件吸收水分体积之差为：
13、δv＝v高-v低
14、上式中，v高为较高试件t时刻吸收水分体积；v低为较低试件t时刻吸收水分体积。
15、(3.2)试件不同位置处的体积含水率计算如下：
16、
17、上式中，θx为距离吸水面x处的体积含水率(％)；δv为两相邻高度处试件吸收水分体积之差(m3)；v0为两相邻高度试件的体积之差(m3)。
18、步骤4.利用不同位置处的体积含水率拟合得到水分扩散系数。具体为：
19、(4.1)将处理得到的不同时间下不同位置处的体积含水率作为y轴，玻尔兹曼变量φ＝x/t1/2为x轴，绘制θ与φ的主曲线。根据这条主曲线，利用下式可以计算得到不同体积含水率下的水分扩散系数d(θ)。
20、
21、上式中，为曲线在θx处的斜率；为在这条曲线下θ＝θd到θ＝θx范围内曲线包围的面积，即与吸水面距离x处的毛细吸水速率s，毛细吸水速率反映了多孔材料的水分传导和毛细吸力特性。
22、(4.2)试件单位面积累计吸收量i，毛细吸水速率s和毛细扩散时间t满足以下关系：
23、
24、上式中，i为单位面积累计吸收水分体积(m)；δv(t)为体积随时间的增加量(m3)；a为试件与水面接触面积(m2)；s为毛细吸水速率(m/s1/2)；t为毛细扩散时间(s)。
25、为计算不同位置处的毛细吸水率s，采用最小二乘法对试件单位面积吸收水分体积i和吸收时间的平方根t1/2进行线性回归拟合，拟合直线的斜率即为测试试件的毛细吸水速率s。
26、(4.3)为计算不同位置处曲线的斜率，对φ-θ函数进行求导，将不同位置处的体积含水率带入导数中，进而可以求出
27、(4.4)进而利用二次多项式对数据进行拟合，以此求解得到水分扩散系数和体积含水率的函数。
28、本发明效果显著，具有以下优点：
29、本发明提供的方法设备简单，可以利用无损测试，通过测量不同高度试件差值的方法，得到沿水分扩散方向试件不同位置处的体积含水率，进而可直接计算出不同温度条件下水分在沥青混合料中的扩散系数。试验操作简单易行，试验过程直观可靠，为水分在沥青混合料中的扩散行为、沥青混合料水损害机理分析提供技术支撑。
1.基于单面毛细吸水的沥青混合料水分扩散系数测定方法，其特征在于，步骤如下：
2.如权利要求1所述的基于单面毛细吸水的沥青混合料水分扩散系数测定方法，其特征在于，所述的步骤1中，防水材料采用环氧防水地坪漆。
3.如权利要求1或2所述的基于单面毛细吸水的沥青混合料水分扩散系数测定方法，其特征在于，所述的步骤2.2中，试件与水面接触深度为2mm±0.2mm。
4.如权利要求1或2所述的基于单面毛细吸水的沥青混合料水分扩散系数测定方法，其特征在于，所述的步骤2.3中，采用微湿的吸水纸或者潮湿的抹布擦掉试件，吸水纸或抹布以不能拧出水分为标准。
5.如权利要求3所述的基于单面毛细吸水的沥青混合料水分扩散系数测定方法，其特征在于，所述的步骤2.3中，采用微湿的吸水纸或者潮湿的抹布擦掉试件，吸水纸或抹布以不能拧出水分为标准。
6.如权利要求1或2或5所述的基于单面毛细吸水的沥青混合料水分扩散系数测定方法，其特征在于，所述的步骤4.2中，采用最小二乘法对试件单位面积吸收水分体积i和吸收时间的平方根t1/2进行线性回归拟合，拟合直线的斜率即为测试试件的毛细吸水速率s。
7.如权利要求3所述的基于单面毛细吸水的沥青混合料水分扩散系数测定方法，其特征在于，所述的步骤4.2中，采用最小二乘法对试件单位面积吸收水分体积i和吸收时间的平方根t1/2进行线性回归拟合，拟合直线的斜率即为测试试件的毛细吸水速率s。
8.如权利要求4所述的基于单面毛细吸水的沥青混合料水分扩散系数测定方法，其特征在于，所述的步骤4.2中，采用最小二乘法对试件单位面积吸收水分体积i和吸收时间的平方根t1/2进行线性回归拟合，拟合直线的斜率即为测试试件的毛细吸水速率s。
