CN103645098B - 使用沥青路面荷载温度耦合作用试验装置的试验方法 - Google Patents

Abstract

一种沥青路面荷载温度耦合作用试验装置及其试验方法，采用了加热板对待测试件进行均匀加热，通过液压油缸对待测试件施加压力，通过计算机控制进风扇、排风扇和加热板使试验时温度呈正弦曲线变化，并通过埋设在待测试件内部的应力传感器记录待测试件内部各点在荷载和温度变化下的应力变化。本发明通过步骤互相关联的实验条件进行实验，将实验结果进行对比确定沥青混合路面荷载温度的耦合作用效果，实验装置结构合理、测试精度高、测试稳定性好，试验方法步骤明确、操作简单、自动化程度高。

Description

使用沥青路面荷载温度耦合作用试验装置的试验方法

技术领域

本发明属于对新建路面和已完成的路面测试应力的设备或装置技术领域，具体涉及到沥青路面荷载温度耦合作用试验装置及其试验方法。

背景技术

沥青混合料是路面铺设中最常用的面层材料，直接承受行车荷载的重复作用。同时，沥青混合料是一种温度敏感性材料，其性能严重依赖于环境温度。当外界环境的变化时，路面内产生不稳定热流，构成了路面结构的温度场。在周期性变化的温度场作用下，沥青路面内部将产生较大的温度应力，再加上行车荷载的反复作用，当基层整体强度较低时，在面层底部将出现较大的弯拉应力，如果沥青路面内部已经存在一些微观的缺陷或疲劳损伤累积，当应力超过材料的疲劳极限时，就会发生疲劳开裂破坏。因此，研究沥青路面结构的强度及疲劳特性，必须同时考虑行车荷载和环境温度变化的耦合作用。

国内外对工程中热弹耦合问题进行了广泛的研究，主要方法有Laplace变换法、摄动法、有限元法、利用热弹性位移势和Love位移函数求解耦合问题。比如利用Laplace变换求解一维沥青路面温度场和变形场的耦合问题，利用有限元法对沥青路面温度场和温度应力进行数值模拟；当涉及到多物理场时，使耦合问题更加复杂化，比如考虑循环温度荷载作用下饱和多孔介质的热-水-力耦合响应，流动-传热-变形耦合问题，高温混凝土中热-湿-气-力学耦合过程等。除此之外，随着工程实际应用的材料越来越多样化，耦合问题不仅限于线弹性材料，在广度方面，粘弹性、弹塑性和粘弹塑性等材料也存在耦合问题，比如考虑热粘弹性特性，沥青罩面层内温度应力场问题，考虑弹塑性的固结耦合问题等。

现有对于路面载荷温度耦合作用耦合效应的评价大多使用有限元法进行模拟分析，并不能较好的实测并量化路面载荷温度耦合效应。

发明内容

本发明所要解决的一个技术问题在于为沥青路面提供了一种测试精度高、测试稳定性好、操作简单、自动化程度高的沥青路面荷载温度耦合作用试验装置。

本发明的另一个目的在于提供了一种沥青路面荷载温度耦合作用试验方法。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：

在隔温箱底部的试件台两侧分别设置左支架和右支架，安装有液压油缸的悬臂梁的一端设置在左支架上、另一端设置在右支架上，液压油缸的活塞杆下表面设置有压板，压板下表面设置有加热板，试件台上设置有上表面敞口的用于盛放待测试件的试件盛装盒，待测试件中埋设有应力传感器，隔温箱左侧面设置排风扇、右侧面设置进风扇，隔温箱右侧内设置有电子温度计，隔温箱外部设置有电磁阀、可变电阻、可编程控制器和计算机。

本发明的待测试件中埋设的应力传感器有9～16个，应力传感器以上下分3层，层间隔4cm～6cm，每层横向排列3～4个、纵向排列3～4个，均匀排列在待测试件内部。

本发明的待测试件中埋设的应力传感器最佳有12个，应力传感器以上下分3层，层间隔最佳为5cm，每层横向最佳排列3个、纵向排列4个，均匀排列在待测试件内部。

采用本发明的试验装置的试验方法，包括以下步骤：

1、制作三个标准沥青混合料试件，在每一个待测试件中分3层埋设应力传感器，每层3～4排3～4列共设置9～16个应力传感器。

2、把第一个待测试件放入试件盛装盒中，将试件盛装盒放置在试件台上，可编程控制器根据计算机事先设定的程序控制进风扇、排风扇、加热板和电磁阀的电源接通或断开，开启液压油缸，液压油缸通过压板对待测试件施加荷载，根据荷载随时间变化公式：

F（t）=Kt

待测试件中的应力传感器将所接收到的力信号转换成电信号并转换成数字信号通过导线传输至计算机，计算机按照事先设定的程序进行运算绘制出应力随时间的变化曲线：

σ₁=f（t）

3、把第二个待测试件放入试件盛装盒中，将试件盛装盒放置在试件台上，可编程控制器根据计算机事先设定的程序控制进风扇、排风扇、加热板和电磁阀的电源接通或断开，使施加给待测试件的温度随时间变化呈正弦曲线，

T=sin（t）

关闭液压油缸，加热板仅与待测试件上表面接触不施加荷载，待测试件中的应力传感器将所接收到的力信号转换成电信号并转换成数字信号通过导线传输至计算机，计算机按照事先设定的程序进行运算绘制出应力随时间的变化曲线：

σ₂=f（t）

4、把第三个待测试件放入试件盛装盒中，将试件盛装盒放置在试件台上，可编程控制器根据计算机事先设定的程序控制进风扇、排风扇、加热板和电磁阀的电源接通或断开，使施加给待测试件的温度随时间变化呈正弦曲线，

T=sin（t）

开启液压油缸，液压油缸通过压板对待测试件施加荷载，根据荷载随时间变化公式：

F（t）=Kt

待测试件中的应力传感器将所接收到的力信号转换成电信号并转换成数字信号通过导线传输至计算机，计算机按照事先设定的程序进行运算绘制出应力随时间的变化曲线：

σ₃=f（t）

5、通过第2步试验和第3步试验数值求和的结果与第4步试验数值相比，设定耦合作用效果的函数为δ，则每个时间点的耦合作用效果为：

$\mathrm{\δ}=1-\frac{\mathrm{\σ}1+\mathrm{\σ}2}{\mathrm{\σ}3}$

T=t₀，t₁…t_n；

在时间T_n和T_m之间耦合作用效果为：

$\mathrm{\δ}=1-\frac{{\mathrm{\Σ}}_n^m(\mathrm{\σ}1+\mathrm{\σ}2)}{{\mathrm{\Σ}}_n^m\mathrm{\σ}3}$

6、根据δ的大小分析沥青混合料荷载-温度耦合效应对应力场的作用效果。

本发明提供的沥青路面荷载温度耦合作用试验装置及其试验方法采用了加热板对待测试件进行均匀加热，通过液压油缸对待测试件施加压力，通过计算机控制进风扇、排风扇和加热板对待测试件施加呈正弦曲线变化的温度，并通过埋设在待测试件内部的应力传感器记录待测试件内部各点在荷载和温度变化下的应力变化。本发明通过步骤中互相关联的实验条件进行实验，将实验结果进行对比分析沥青混合路面荷载温度的耦合作用效果，实验装置结构合理、测试精度高、测试稳定性好，试验方法步骤明确、操作简单、自动化程度高。

附图说明

图1是本发明一个实施例的结构示意图。

具体实施方式

现结合附图和实施例对本发明进行进一步说明，但本发明不局限于下述的实施方式。

实施例1

在图1中，本实施例的沥青路面荷载温度耦合作用试验装置由悬臂梁1、液压油缸2、压板3、进风扇4、可变电阻5、可编程控制器6、电子温度计7、右支架8、计算机9、应力传感器10、隔温箱11、左支架12、试件台13、试件承装盒14、排风扇15、加热板16、电磁阀18联接构成。

在隔温箱11内底部放置有试件台13，试件台13上左侧用螺纹紧固连接件固定连接有左支架12，试件台13上右侧用螺纹紧固连接件固定连接有右支架8，悬臂梁1的左端用螺纹紧固连接件固定连接在左支架12上，悬臂梁1的右端用螺纹紧固连接件固定连接在右支架8上，悬臂梁1中部用螺纹紧固连接件固定连接有液压油缸2，液压油缸2的活塞杆下端用螺纹紧固连接件固定连接有压板3，压板3下表面粘贴有加热板16，加热板16通过导线与可编程控制器6相连。试件台13上还放置有试件盛装盒14，试件盛装盒14为上表面敞口容器，试件盛装盒14用于放置待测试件17，待测试件17中铺设有12个应力传感器10，应力传感器10在待测试件17中分三层排布、层间距5cm、每层横向排列3个、纵向排列4个，均匀排列，应力传感器10通过导线与计算机9相连。加热板16下表面与试件盛装盒14的上边缘以及待测试件17上表面接触，实验需要加温时通过加热板16对待测试件17进行直接加热。隔温箱11上部用螺纹紧固连接件固定连接安装有电磁阀18，电磁阀18与可编程控制器6和计算机9通过导线连接，由可编程控制器6根据计算机9中事先设定的程序控制电磁阀18电源的接通、断开和开合大小。隔温箱11左侧面上用螺纹紧固连接件固定连接安装有排风扇15，隔温箱11右侧面上用螺纹紧固连接件固定连接安装有进风扇4，进风扇4和排风扇15通过导线与可变电阻5相连，可变电阻5通过导线与可编程控制器6相连，当实验需要降温时，计算机9向可编程控制器6输入控制信号，用可编程控制器6控制控制接通进风扇4和排风扇15的电源，使隔温箱11内通风降温，通过调节可变电阻5中电阻的大小可以调节进风扇4和排风扇15的转速。隔温箱11右侧面内部用螺纹紧固连接件固定连接安装有电子温度计7，电子温度计7通过导线与计算机9相连，电子温度计7测试隔温箱11内的温度并将测得的数字信号输送给计算机9，计算机9按照事先设定的程序进行计算，通过可编程控制器6控制进风扇4和排风扇15以及加热板16的电源。

试验时，计算机9中事先设定的程序通过可编程控制器6接通电磁阀18的电源启动液压油缸2，液压油缸2对压板3施加向下的压力，对放置在试件盛装盒14中的待测试件17加载力，通过可编程控制器6控制加热板16的电源，对待测试件17进行加热，电子温度计7测试隔温箱11内的温度后将数字信号输送给计算机9，计算机9按照预先设定的程序进行计算，当温度过高时，通过可编程控制器6开启进风扇4和排风扇15的电源并通过可变电阻5调节进风扇4和排风扇15的转速；当温度较低时，计算机9通过可编程控制器6开启加热板16的电源。通过应力传感器10记录待测试件17在荷载温度作用下的力信号变化，应力传感器10将所接收到的力信号转换成电信号并转换成数字信号通过导线传输至计算机9，计算机9按照事先设定的程序进行运算绘制出应力随时间的变化曲线，分析沥青混合料试件的荷载温度结构耦合作用。

采用上述的装置进行沥青路面荷载温度耦合作用试验的方法，包括以下步骤：

1）制作三个标准沥青混合料试件，在每一个待测试件17中分3层埋设应力传感器10。

2）把第一个待测试件17放入试件盛装盒14中，将试件盛装盒14放置在试件台13上，可编程控制器6根据计算机9事先设定的程序控制进风扇4、排风扇15、加热板16和电磁阀18的电源接通或断开，使隔温箱11内温度保持恒定，开启液压油缸2，液压油缸2通过压板3对待测试件17施加荷载，根据荷载随时间变化公式：

F（t）=Kt

待测试件17中的应力传感器10将所接收到的力信号转换成电信号并转换成数字信号通过导线传输至计算机9，计算机9按照事先设定的程序进行运算绘制出应力随时间的变化曲线：

σ₁=f（t）

测得

3）把第二个待测试件17放入试件盛装盒14中，将试件盛装盒14放置在试件台13上，可编程控制器6根据计算机9事先设定的程序控制进风扇4、排风扇15、加热板16和电磁阀18的电源接通或断开，使施加给待测试件17的温度随时间变化呈正弦曲线，

T=sin（t）

关闭液压油缸2，加热板16仅与待测试件17上表面接触不施加荷载，待测试件17中的应力传感器10将所接收到的力信号转换成电信号并转换成数字信号通过导线传输至计算机9，计算机9按照事先设定的程序进行运算绘制出应力随时间的变化曲线：

σ₂=f（t）

4）把第三个待测试件17放入试件盛装盒14中，将试件盛装盒14放置在试件台13上，可编程控制器6根据计算机9事先设定的程序控制进风扇4、排风扇15、加热板16和电磁阀18的电源接通或断开，使施加给待测试件17的温度随时间变化呈正弦曲线，

T=sin（t）

开启液压油缸2，液压油缸2通过压板3对待测试件17施加荷载，根据荷载随时间变化公式：

F（t）=Kt

待测试件17中的应力传感器10将所接收到的力信号转换成电信号并转换成数字信号通过导线传输至计算机9，计算机9按照事先设定的程序进行运算绘制出应力随时间的变化曲线：

σ₃=f（t）

5）通过第2）步试验和第3）步试验数值求和的结果与第4）步试验数值相比，设定耦合作用效果的函数为δ，则每个时间点的耦合作用效果为：

$\mathrm{\δ}=1-\frac{\mathrm{\σ}1+\mathrm{\σ}2}{\mathrm{\σ}3}$

T=t₀，t₁…t_n；

在时间T_n和T_m之间耦合作用效果为：

$\mathrm{\δ}=1-\frac{{\mathrm{\Σ}}_n^m(\mathrm{\σ}1+\mathrm{\σ}2)}{{\mathrm{\Σ}}_n^m\mathrm{\σ}3}$

6）根据δ的大小分析沥青混合料荷载-温度耦合效应对应力场的作用效果。

实施例2

试件台13上还放置有试件盛装盒14，试件盛装盒14为上表面敞口容器，试件盛装盒14用于放置待测试件17，待测试件17中铺设有12个应力传感器10，应力传感器10在待测试件17中分三层排布、层间距5cm、每层横向排列4个、纵向排列3个，均匀排列，应力传感器10通过导线与计算机9相连。

其他零部件以及零部件的联接关系、工作原理与实施例1相同。

利用上述的沥青路面荷载温度耦合作用试验装置进行沥青路面荷载温度耦合作用试验的方法与实施例1相同。

实施例3

试件台13上还放置有试件盛装盒14，试件盛装盒14为上表面敞口容器，试件盛装盒14用于放置待测试件17，待测试件17中铺设有9个应力传感器10，应力传感器10在待测试件17中分三层排布、层间距4cm、每层横向排列3个、纵向排列3个，均匀排列，应力传感器10通过导线与计算机9相连。

其他零部件以及零部件的联接关系、工作原理与实施例1相同。

利用上述的沥青路面荷载温度耦合作用试验装置进行沥青路面荷载温度耦合作用试验的方法与实施例1相同。

实施例4

试件台13上还放置有试件盛装盒14，试件盛装盒14为上表面敞口容器，试件盛装盒14用于放置待测试件17，待测试件17中铺设有16个应力传感器10，应力传感器10在待测试件17中分三层排布、层间距6cm、每层横向排列4个、纵向排列4个，均匀排列，应力传感器10通过导线与计算机9相连。

其他零部件以及零部件的联接关系、工作原理与实施例1相同。

利用上述的沥青路面荷载温度耦合作用试验装置进行沥青路面荷载温度耦合作用试验的方法与实施例1相同。

为了验证本发明的有益效果，发明人采用本发明实施例1的沥青路面荷载温度耦合作用试验装置及其试验方法，对沥青混合料试件进行了3次试验，试验方法如下：

1、试验方法

试验方法与实施例1的试验方法相同，第一次实验结果见表1。

表1第一次试验耦合结果

	压力0.7MPa	加温50℃	压力0.7MPa并加温50℃	耦合结果δ
					上层应变片应力平均值	0.472	0.163	0.663	0.0388
中层应变片应力平均值	0.246	0.092	0.353	0.0379
					下层应变片应力平均值	0.163	0.043	0.215	0.0371

第二次实验结果见表2。

表2第二次试验耦合结果

	压力0.7MPa	加温70℃	压力0.7MPa并加温70℃	耦合结果δ
					上层应变片应力平均值	0.472	0.185	0.682	0.0401
中层应变片应力平均值	0.246	0.127	0.388	0.0393
					下层应变片应力平均值	0.163	0.072	0.244	0.0385

第三次实验结果见表3。

表3第三次试验耦合结果

	压力0.7MPa	加温90℃	压力0.7MPa并加温90℃	耦合结果δ
					上层应变片应力平均值	0.472	0.205	0.702	0.0413
中层应变片应力平均值	0.246	0.116	0.376	0.0402
					下层应变片应力平均值	0.163	0.059	0.231	0.0394

三次测量平均值结果见表4。

表4耦合效果平均值

耦合效果平均值
	0.0401
0.0391
	0.0383

2、实验结论：实验结果显示本实验装置及其实验方法证明了耦合是存在的，1‐δ即为由于应力场和温度场相互作用的耦合效果，并且耦合效果随温度升高而有一定的增加，随深度的加深而略有降低。

Claims (1)

1.一种使用沥青路面荷载温度耦合作用试验装置的试验方法，所述的沥青路面荷载温度耦合作用试验装置如下：

在隔温箱(11)底部的试件台(13)两侧分别设置左支架(12)和右支架(8)，安装有液压油缸(2)的悬臂梁(1)的一端设置在左支架(12)上、另一端设置在右支架(8)上，液压油缸(2)的活塞杆下表面设置有压板(3)，压板(3)下表面设置有加热板(16)，试件台(13)上设置有上表面敞口的用于盛放待测试件(17)的试件盛装盒(14)，待测试件(17)中埋设有应力传感器(10)，隔温箱(11)左侧面设置排风扇(15)、右侧面设置进风扇(4)，隔温箱(11)右侧内设置有电子温度计(7)，隔温箱(11)外部设置有电磁阀(18)、可变电阻(5)、可编程控制器(6)和计算机(9)；

上述的待测试件(17)中埋设的应力传感器(10)有9～16个，应力传感器(10)以上下分3层，层间隔4cm～6cm，每层横向排列3～4个、纵向排列3～4个，均匀排列在待测试件(17)内部；

其特征在于使用上述沥青路面荷载温度耦合作用试验装置的试验方法由以下步骤：

1)制作三个标准沥青混合料试件，在每一个待测试件(17)中分3层埋设应力传感器(10)，每层3～4排3～4列共设置9～16个应力传感器(10)；

2)把第一个待测试件(17)放入试件盛装盒(14)中，将试件盛装盒(14)放置在试件台(13)上，可编程控制器(6)根据计算机(9)事先设定的程序接通电磁阀(18)的电源启动液压油缸(2)，液压油缸(2)对压板(3)施加向下的压力，对放置在试件盛装盒(14)中的待测试件(17)加载力，根据荷载随时间变化公式：

F(t)＝Kt

待测试件(17)中的应力传感器(10)将所接收到的力信号转换成电信号并转换成数字信号通过导线传输至计算机(9)，计算机(9)按照事先设定的程序进行运算绘制出应力随时间的变化曲线：

σ1＝f(t)

3)把第二个待测试件(17)放入试件盛装盒(14)中，将试件盛装盒(14)放置在试件台(13)上，通过可编程控制器(6)控制加热板(16)的电源，对待测试件(17)进行加热，电子温度计(7)测试隔温箱(11)内的温度后将数字信号输送给计算机(9)，计算机(9)按照预先设定的程序进行计算，当温度过高时，通过可编程控制器(6)开启进风扇(4)和排风扇(15)的电源并通过可变电阻(5)调节进风扇(4)和排风扇(15)的转速；当温度较低时，计算机(9)通过可编程控制器(6)开启加热板(16)的电源，使施加给待测试件(17)的温度随时间变化呈正弦曲线，

T＝sin(t)

关闭液压油缸(2)，加热板(16)仅与待测试件(17)上表面接触不施加荷载，待测试件(17)中的应力传感器(10)将所接收到的力信号转换成电信号并转换成数字信号通过导线传输至计算机(9)，计算机(9)按照事先设定的程序进行运算绘制出应力随时间的变化曲线：

σ₂＝f(t)

4)把第三个待测试件(17)放入试件盛装盒(14)中，将试件盛装盒(14)放置在试件台(13)上，通过可编程控制器(6)控制加热板(16)的电源，对待测试件(17)进行加热，电子温度计(7)测试隔温箱(11)内的温度后将数字信号输送给计算机(9)，计算机(9)按照预先设定的程序进行计算，当温度过高时，通过可编程控制器(6)开启进风扇(4)和排风扇(15)的电源并通过可变电阻(5)调节进风扇(4)和排风扇(15)的转速；当温度较低时，计算机(9)通过可编程控制器(6)开启加热板(16)的电源，使施加给待测试件(17)的温度随时间变化呈正弦曲线，

T＝sin(t)

开启液压油缸(2)，液压油缸(2)通过压板(3)对待测试件(17)施加荷载，根据荷载随时间变化公式：

F(t)＝Kt

待测试件(17)中的应力传感器(10)将所接收到的力信号转换成电信号并转换成数字信号通过导线传输至计算机(9)，计算机(9)按照事先设定的程序进行运算绘制出应力随时间的变化曲线：

σ₃＝f(t)

5)通过第2)步试验和第3)步试验数值求和的结果与第4)步试验数值相比，设定耦合作用效果的函数为δ，则每个时间点的耦合作用效果为：

$\mathrm{\δ}=1-\frac{{\mathrm{\σ}}_1+{\mathrm{\σ}}_2}{{\mathrm{\σ}}_3}$

T＝t₀，t₁…t_n；

在时间T_n和T_m之间耦合作用效果为：

$\mathrm{\δ}=1-\frac{{\mathrm{\Σ}}_n^m({\mathrm{\σ}}_1+{\mathrm{\σ}}_2)}{{\mathrm{\Σ}}_n^m{\mathrm{\σ}}_3}$

6)根据δ的大小分析沥青混合料荷载-温度耦合效应对应力场的作用效果。