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水泥稳定路面材料的水分流失模型
摘要：本文介绍了含有不同含量细粒土的稳定水泥路面材料在干燥过程中的水分流失建模理论和实验方法。水分流失的过程以各项同性非线性扩散理论为特征。采用一般用途的波特兰水泥和包含工业废物的两种粘合剂进行实验室测试。材料特性的测量包括水分扩散系数和温度等温线。在当地现有的玄武岩碎石和黏土分别用作主路面材料和细粒土。采用独立的实验室测试去验证所采用的理论方法，结果表明实验和预测结果之间很接近。实验室的结果表明水分流失的减少随着混合土中黏土的加入。随着干燥的进行，水分流失速率逐渐变慢，这可以用水分扩散系数随着含水量的降低而来解释。
数字对象标识符：10.1061/(ASCE)1532-3641(2005)5:4(295)
数据库主题标题：水分；失水量；脱水作用；道路；细粒土；模型。
背景
对于退化路面的修复在原位稳定的使用胶凝材料在澳大利亚和世界各地已经成为一种常见的活动。在原位稳定涉及旧路路面破碎，混合路面材料有水泥添加剂和水，和随后的压实来获得更生的地基。普遍认识到良好的路面材料不应含有过量的细粒例如在水分变化下具有高收缩/膨胀性能的粘土。然而，我们可以处理一个旧路面在当地采购含有大量细粒的原材料。一些路基土在原位稳定化过程中得到了混合也是有可能的。本文探讨了高收缩/膨胀特性的土壤的存在对水泥路面稳定性的影响。虽然研究由这个问题引起，本文内容也涉及到通常含有大量细粒土的边际路面材料的稳定。
收缩开裂，这可能发生在一个稳定路面在建设中和建设完成后失去水分到相邻的材料或大气中（即，路面干燥），已被确定为一个值得详细研究的问题（查克拉巴第等人，2002；科隆比耶，1997；）。裂纹被认为是拉伸应力由于约束收缩超过稳定材料的抗拉强度引发的。收缩裂缝可以通过减少路面系统的整体刚度来降低路面的性能，使水渗入路面基层和路基，并为硬质材料的腐蚀提供途径（布伦 1994）。因此，如果在设计阶段的路面能够被预测到收缩开裂的可能性是有益的。随之而来在干燥过程中的水分损失的建模是一个先决条件。
干燥过程中水分流失的理论模型
理论概念
多孔材料在干燥过程中的水分运动模型在岩土工程，土壤科学和混凝土技术中已经得到了相当的研究工作（科迪卡拉和查克拉巴第 2001）。在岩土工程和土壤科学中，表层土壤中的水分运动被认为是两个分开的组成部分，即散装水通量和水汽通量（例如，威尔逊等人，1994）。按照达西定律，散装水通量是由水力势（即孔隙水压力和高位势能）梯度和水力传导系数控制的，这是一个非线性函数的吸水势。水汽通量是由水汽压梯度和在非饱和孔隙中气相扩散系数支配的。然而，在混凝土技术中，在干燥过程中的水分运动被认为是单独作为一个扩散过程，一个单一的水分扩散系数（D）的参数是用来散装水和蒸汽扩散。后者的方法更方便是因为只需要一个材料属性去描述水分运动特征。然而这种方法，更适合当材料主要是不饱和的水汽通量的形式的水分运动是占主导地位（即混凝土，当孔隙相对湿度，RH为95至15% 巴赞特和纳扎 1972）。稳定的材料用于路面施工的行为也主要是在非饱和状态，除了体积允许水进入路面矩阵{如雨水渗透或毛细管上升）。在这种情况下，作者用混凝土技术采用建模的水分运动稳定材料的方法。
数学模型
水分通量可以被认为是成比例的重量的水分含量的梯度（例如，拉赫曼等，1999；托伦蒂等，1999）
(1)
D=水分扩散系数，这是一个非线性的水分含量函数，w.水分通量守恒在孔隙矩阵给出
(2)
t=干燥时间，方程（2）在等温条件下提出了水分运动的控制方程。此方程的使用的一个缺点是，它是不适合用于建模水分运动的跨层介质，因为水分含量可以是不连续的层边界。如果方程的水势方面（如岩土工程），他们可以很容易地应用到模型的水分流动跨层系统，因为水分势必须是连续的层边界。巴赞特和纳扎（1972），西等（1994），和吉姆和李（1998）使用孔隙的RH作为该领域的变量，因为RH是通过开尔文-拉普拉斯方程与水分势ᵠ（不含引力势）联系起来，可表示为
(3)
T =温度；R=通用气体常数；=水的分子量。
对RH基础配方，方程（2）可以写作（例如，西等，1994）
(4)
梯度（）是材料特性的斜率，称为湿度等温线，并给出了w和孔隙RH在水蒸气热力学平衡的关系。在岩土工程，这种特性通常表现为水分势，被称为土壤水分特征曲线。如果在一定RH范围内近似为一个常数，方程（4）可以简化为（例如，巴赞特和纳扎 1972,；吉姆和李 1998）
(5)
初始和环境流量边界条件
在稳定的材料的初始条件可以被认为是在干燥的开始的初始含水量(即在混合或固化状态),这些水分含量可以转换为当量RH使用温度等温线。
表1.粘接剂元素分析
成分/特性
（%）
GP GB AAS
材料 水泥 水泥 碱矿渣混合物
21.30 23.88 22.49
4.72 7.27 7.97
3.30 2.51 1.63
62.81 57.36 44.15
1.30 2.76 3.56
2.85 3.01 4.04
0.19 0.14 0.71
0.49 0.42 4.53
3.30 2.70 10.90
在表面的环境通量边界条件定义的水分蒸发（水分损失）的周围环境。从材料表面（）蒸发的特征可以用以下方程的：
(6)
f=表面因素，考虑到风速、表面温度和表面粗糙度；n=单位向量法线到干燥面；和分别是环境相对湿度和材料表面的孔隙相对湿度。这种建模通量边界的方法已被混凝土和土壤的研究人员采用（秋天等人.1997）。方程(2)（4）或（5）的初始和通量边界条件的解决方案需要一个数值的方法，因为水分扩散系数是一个非线性函数的水分含量。
实验室试验
水泥粘合剂
在这些实验中使用的粘合剂包括一般用途的波特兰水泥（GP），一般混合水泥（GB），和一个混合，包括碱矿渣的混合物（AAS）。由不超过5%的其他无机材料组成的波特兰水泥被归类为GP水泥，与5%以上的一个或多个合适的无机材料组成的波特兰水泥被列为GB水泥（澳大利亚道路组织 1998；内维尔 1994）。GB水泥和AAS包括工业废料，如粉煤灰和高炉矿渣在澳大利亚是常用的相对缓凝粘合剂（和帕尔多 2001）。这种粘合剂相比于传统的粘合剂有一个重要的优势如GP水泥是可能获得更大的工作时间。表1显示了粘结剂元素分析的结果。在目前的一系列测试中使用的典型的粘合剂含量为3%，对粉碎的岩石和细粒土的整体混合干重。粘结剂含量变化对稳定碎石材料性能的影响可以在其他出版物中找到（查克拉巴蒂和科迪卡拉 2003）。
图.1.碎玄武质岩石粒度分布曲线
主体材料
选定的主材料是在澳大利亚墨尔本鹿园的博罗采石场采样的博罗碎玄武质岩石。样品被分割，并储存在20公斤密封塑料袋。为了测试，岩石样品由四个袋的混合和分裂的岩石获得为了最大限度的减少包装袋之间的差异。分级曲线显示的粉碎岩石，以及碎石混合与6和15%细粒土在图1中。基本的材料特性是在表1中给出的。
细粒土是一种局部有效的残留玄武质土是从澳大利亚维多利亚州的威勒比水产中心从2到8米处出土的。碎石和细粒土的混合物是在碎石中分别加入0、6和15%（干重）细粒土制成的。这些混合物几乎在范围内（B区和C区）作为路面材料被澳大利亚公路组织推荐如图1所示（澳大利亚公路组织 2001）。细粒土的基本材料性质和混合物在表2中给出。可以看出当粘土和碎石混合后最佳含水量增加表明孔隙结构能够保持水分。
表2.碎石和碎石混合料的材料特性
混合物
材料 最佳含水量 最大干密度 线性收缩率 液限 塑性指数
碎石 9.80 2.204 2.97 0.8 22 3
细粒土 27.50 1.420 2.66 22.0 127 101
含（6%）
土的碎石 10.70 2.220 —— 8.0 33 14
含（15%）
土的碎石 11.85 2.141 —— 11.0 46 24
1289.5.1.1-1993.
1289.3.5.2-1995.
1289.3.4.1-1995.
1289.3.9-1991.
1289.3.2-1995.
混合准备
粉碎的玄武质岩石和玄武质粘土在干燥的条件下混合，然后混合饮用自来水，以达到所需的最佳的水分含量，均匀的材料和水分分布在混合。然后加入粘合剂，并混合了2分钟。该混合物被保存在一个容器中，以防止水分流失，在所有类型的试验之前，为2小时的压实。标准击实制备试件，对应的最优含水量为所有类型的试样的最大干密度成正比（澳大利亚标准1993）。
试验方法
湿度等温线的测量
湿度等温线的特点是稳定的材料的平衡水分含量和环境湿度之间的关系。测量105毫米的直径和高度的38.5毫米的试样制备与指定的粘合剂和粘合剂的含量，并使用标准的压实努力与稳定的混合。这些试样均被2层湿的塑料膜包裹，然后将他们保持在受控环境下，相对湿度为100%，温度在21到24度之间24小时。在随后的固化中，每个试样都是放置在用盐溶液控制环境干燥，保持相对湿度的干燥器中。盐溶液的浓度和化学成分决定了干燥器中的相对湿度。例如饱和硫酸钾，氯化钠溶液、碳酸钾和氯化镁分别达到97，75，43，和33%的相对湿度下。对试样进行称重，直到它们的水分含量成为几乎恒定的。实现水分平衡的时间持续时间从8到28周不等。温度等温线的建立通过相对湿度的含水量或相对含水量的绘制而建立。
水分扩散系数的测定
混凝土技术中的一种间接方法（例如，阿萨德等1997；坂田1983）用于水分扩散系数的测定。三个试样的长度为40，80，和120毫米，每个的横截面尺寸为75毫米的宽度和75毫米的高度，用密实的方法制备混合入钢模具。在最佳含水量下的最大标准干密度得到在（根据模具体积）二层压实所需的质量稳定的混合试样。钢制捣棒用于材料的压实和获得平整的表面。试样被盖上两层湿塑料膜并在接近100%的相对湿度和21至24摄氏度的环境中固化24小时。随后，四边，除标本两端（测量75和75毫米）用蜡和塑料膜覆盖的部分，试样在50%的相对湿度和22摄氏度的空气温度的受控环境中完成了干燥。图2显示了试样的形状和尺寸。
图.2. 水分损耗测量用试样
在这些测试条件下，水分仅被允许从两端的环境中蒸发到周围的环境中。因此，它被认为是水分扩散仅沿纵向方向或一维。随着干燥时间的流逝测定三个试样的重量变化（或水分损失。）水分测量被用来计算在,10,30和50毫米距离与假设长试样具有相同截面积的干燥表面的水分含量。在10毫米的距离的水分含量近似等于40毫米长的试样的平均含水量。相对含水量theta;（初始含水量归一化，）在30毫米（）和50毫米（）用以下方程计算：
（7）
分别是40,80和120毫米；=在时间t时试样长度相对应的水分
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