CN105784518B - 一种评价沥青路面结构层抗车辙性能的试验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种评价沥青路面结构层抗车辙性能的试验装置及方法，该装置包括工作平台和安装在工作平台上的环境箱，在工作平台上还设置有动力组件和与动力组件电连接的控制器，在环境箱的底部并列设置有至少2组车辙实验平台，动力组件与车辙实验平台连接并为车辙实验平台提供动力，在环境箱的顶部设置有与车辙实验平台正对的热源，本发明考虑了温度、道路纵坡的对车辙贡献率的影响，完善了车辙贡献率指标，提出了短期车辙贡献率和长期车辙贡献率以及包括车辙温度影响因子在内的新的评价指标，可以真实反映沥青路面结构组合、道路纵坡、温度梯度等实际状况，进而确定服役期各结构层对沥青路面总体车辙的贡献率。

Description

一种评价沥青路面结构层抗车辙性能的试验装置及方法
技术领域
本发明属于沥青路面结构性能研究技术领域，特别涉及一种评价沥青路面结构层抗车辙性能的试验装置及方法。
背景技术
高速公路沥青路面多为三层式组合结构，结构组合对沥青路面总体抗车辙性能的影响显著，各结构层对沥青路面总体车辙的贡献率差异很大。车辙试验方法最初由英国TRRL开发的，由于试验方法本身比较简单，试验结果直观且与实际沥青路面的车辙相关性甚好，因此得到了广泛的应用。车辙试验是一种模拟实际滚轮荷载在路面上行走而形成车辙的工程试验方法：从广义上讲包括了室内往复车辙试验，旋转车辙试验，大型环道试验、直道试验、野外现场加速加载试验等都可认为是属于车辙试验的范畴，这些试验最基本的和共同的原理就是通过采用滚轮在板块状试件或路面结构上反复行走，观察和检测试块或路面结构的响应，用动稳定度或车辙深度来表征试验结果。车辙试验是评价沥青混合料在规定温度条件下反抗塑性流动变形能力的方法，通过板块状试件与滚轮之间的往复相对运动，使试块在滚轮的重复荷载作用下产生压密、剪切、推移和流动，从而产生车辙。车辙试验是一种工程试验方法，试验结果可用于建立经验公式来猜测沥青路面车辙深度，或用于检测沥青混合料的抗车辙能力。车辙试验的最大的特点是能够充分模拟沥青路面上滚轮行驶的实际情况，在用于试验研究时，还可以改变温度、荷载、试件厚度、尺寸、成型条件等等，以模拟路面的实际情况，搞清楚各种因素变化对车辙变形的影响。目前，世界上广泛采用的是室内小型往复式车辙试验机进行沥青混合料抗车辙性能试验，在进行车辙试验时，可观察到轮辙形成的全过程。
对于沥青路面的抗车辙性能检测的技术主要存在以下问题：
(1)采用30cm*30cm*5cm的单层板式试件进行车辙试验，以动稳定度或者车辙深度为指标评价沥青混合料的抗车辙性能，也有采用双层板式试件评价复合结构的抗车辙性能。但是，仅以单层或者双层板式试件只能评价路面结构的总体车辙深度。
(2)现有技术在试验过程中，不能实现道路纵坡的模拟；不能反映沥青路面随厚度变化而表现出的温度梯度；受试模的影响，不能实现多层路面结构的试件制作与试验。因此，无法精细确定服役期沥青路面各结构层的短期车辙贡献率以及长期车辙贡献率。
针对现有技术存在的不足，本发明提出了更为合理的技术方案，可以真实反映沥青路面结构组合、道路纵坡、温度梯度等实际状况，进而确定服役期各结构层对沥青路面总体车辙的贡献率。
发明内容
为了解决现有技术所存在的不足，本发明提供了一种能够真实模拟沥青路面的坡度以及温度由表向内纵向传递的实况，使所得车辙实验的结果更准确的评价沥青路面结构层抗车辙性能的试验装置。
本发明还提供了一种用上述评价沥青路面结构层抗车辙性能的试验装置实现的沥青路面结构层抗车辙性能评价方法。
本发明所采用的技术方案如下：
该试验装置包括工作平台和安装在工作平台上的环境箱，在工作平台上还设置有动力组件和与动力组件电连接的控制器，在环境箱的底部并列设置有至少2组车辙实验平台，动力组件与车辙实验平台连接并为车辙实验平台提供动力，在环境箱的顶部设置有与车辙实验平台正对的热源；
所述车辙实验平台包括升降支架、轮载固定杆、滚轮、试模、隔热层、定位板、平板小车以及导轨，其中，升降支架与动力组件连接并由动力组件提供动力带动升降支架的横梁升降，在升降支架的横梁中部通过轮载固定杆设置有滚轮，导轨固定在环境箱的底部，平板小车设置在导轨上并可沿着导轨行走，平板小车通过连接轴与动力组件连接并由动力组件提供动力带动其在导轨上作往复运动，在平板小车的上方设置有定位板，定位板的一侧与平板小车铰接，另一侧通过球铰与平板小车连接并且可通过球铰升降调整定位板的坡度，在定位板上设置有试模，使试模中的试件与滚轮正对，在试模的外壁上设置有隔热层；
在升降支架的横梁上设置有通过导线与计算机连接的压力传感器和位移传感器；计算机还通过导线与布设在试件中的温度传感器连接。
上述定位板的坡度是0～10％。
上述温度传感器包括第一温度传感器和第四温度传感器以及第二温度传感器和第三温度传感器，第一温度传感器设置在试件的上面层，第二温度传感器和第三温度传感器设置在试件中面层的上、下表面，第四温度传感器设置在试件的下面层层底。
上述热源是碘钨灯或自然光灯光。
一种用上述的评价沥青路面结构层抗车辙性能的试验装置的沥青路面结构层抗车辙性能评价方法包括以下步骤组成：
(1)按照常规路面结构成型方法成型试件，沿着试件的厚度方向在试件的上面层、中面层以及下面层分别布设温度传感器，将试模侧壁包裹隔热层，使其只能从试件的上表面吸收热量并向内层进行热传递，并设定环境箱的温度、滚轮作用在试件上的荷载、定位板的坡度以及平板小车的运动速度，通过调整升降支架控制滚轮与试件的接触面上的作用力大小；
(2)待环境箱的温度上升至设定温度，并且温度传感器测得的试件表面温度达到设定温度时，控制器控制动力组件启动，动力组件通过传动组件带动平板小车在导轨上作往复运动，进而带动试模上的试件运动，使固定在升降支架上的滚轮在试件上表面碾压，随着定位板的垂直高度增加，滚轮作用在试件上的荷载增大，由压力传感器和位移传感器实时采集信息并将其传送至计算机进一步处理，直至车辙实验结束；
(3)对试件进行切割处理，测量其各结构层的车辙量，按照下式计算出沥青路面结构层的抗车辙性能，即车辙贡献率Ui和车辙温度影响因子Pi，
车辙贡献率Ui＝各结构层车辙深度di/结构层总车辙深度d总
车辙温度影响因子Pi＝各结构层车辙深度di/结构层平均温度Ti
Ti为设置在试件上面层、中面层以及下面层的各温度传感器(8)所监测温度的平均值，i＝1,2,3。
在步骤(1)之间还可以包括步骤(a)，具体是：将轮碾固定在轮载固定杆上，在试模中按照常规方法成型试件，将轮碾拆卸后换装滚轮。
在步骤(2)与步骤(3)之间还可以包括还包括步骤(b)，具体是将车辙实验结束后的试件在常温环境中放置一天，进行老化处理；对应步骤(3)即为：对老化后的试件进行切割处理，测量其各结构层的车辙量，按照下式计算出沥青路面结构层的长期车辙贡献率Uli和长期车辙温度影响因子Pli，
长期车辙贡献率Uli＝老化后各结构层车辙深度dli/结构层总车辙深度d总
长期车辙温度影响因子Pli＝老化后各结构层车辙深度dli/结构层平均温度Ti。
本发明的评价沥青路面结构层抗车辙性能的试验装置及方法，考虑了温度、道路纵坡的对车辙贡献率的影响，提出了短期车辙贡献率、长期车辙贡献率的确定方法以及包括车辙温度影响因子在内的新的评价指标，可以真实反映沥青路面结构组合、道路纵坡、温度梯度等实际状况，进而确定服役期各结构层对沥青路面总体车辙的贡献率，并且可以用于评价不同沥青路面中各结构层的车辙贡献率，对沥青路面的性能研究提供了可靠依据。
附图说明
图1为实施例1的装置结构示意图。
图2为图1中车辙实验平台4的结构示意图。
图3为图2中隔热层4-8的安装示意图。
图4为图2中定位板4-5的安装示意图。
图5为图1中温度传感器8的布设示意图。
具体实施方式
现结合附图和实施例对本发明的技术方案进行进一步说明，但是本发明不仅限于下述的实施情形。
实施例1
如图1所示，本实施例的评价沥青路面结构层抗车辙性能的试验装置是由工作平台1、环境箱3、动力组件2、控制器9、车辙实验平台4、热源5、位移传感器6、压力传感器7、温度传感器8以及计算机10组合构成。
具体是：本实施例的工作平台1是为整个装置提供安装环境，在工作平台1内部安装有动力组件2为车辙实验平台4提供动力支持，并且在工作平台1上安装有控制各传感器进行数据采集以及动力组件2工作的控制器9，动力组件2包括升降电机和移动电机以及安装在升降电机动力输出端的链条传动机构、安装在移动电机的动力输出端的曲柄传动机构，本实施例所涉及的升降电机和移动电机分别通过导线与控制器9连接，由控制器9控制其各自工作，可以采用市售减速电机，所用链条传动机构也属于常用传动机构，将升降电机的动力输出。本实施例的控制器9是市售的可编程控制器9，并且在工作平台1上还可以安装显示屏，实时显示各传感器采集的数据以及各部件工作情况。在工作平台1上方安装有环境箱3，本实施例的环境箱3属于常用恒温箱，其核心部件是温控系统以及热源5、热风机和制冷系统，本实施例的热源5是采用碘钨灯，提供热量来源，热风机起辅助作用，碘钨灯是2个，并列安装在环境箱3的顶部，并且分别与环境箱3内固定在工作平台1上的2组车辙实验平台4正对。
上述车辙实验平台4是2组，并列安装在工作平台1的顶部并且与碘钨灯一一对应，车辙实验平台4可以由控制器9分别控制进行试验，也可以独立试验，参见图2和3，本实施例的车辙实验平台4包括升降支架4-1、轮载固定杆4-3、滚轮4-2、试模4-4、隔热层4-8、定位板4-5、平板小车4-6、导轨4-7、，导轨4-7用螺纹固定在工作平台1上，在导轨4-7上安装有可沿着导轨4-7运动的平板小车4-6，在平板小车4-6的平板上表面左侧安装有卡槽，另一侧上加工有螺孔并且在螺孔内通过定位环4-11固定有升降螺母4-10，利用定位环4-11限制，使升降螺母4-10只能在水平面内旋转而不能上下移动，在平板小车4-6上安装有定位板4-5，参见图4，具体是：在定位板4-5的底部左端两侧加工有向外突出的销钉4-12，通过销钉4-12嵌装在卡槽中实现定位板4-5与平板小车4-6铰接，使定位板4-5可绕销钉4-12旋转，在定位板4-5的底部与销钉4-12相对的右侧并列安装有2个球铰4-9，球铰4-9的球轴承向下延伸至平板小车4-6的升降螺母4-10中，通过调节升降螺母4-10可实现定位板4-5的升降，使定位板4-5与平板小车4-6之间形成一定的夹角，即定位板4-5具有一定的坡度，本实施例的定位板4-5的升降坡度范围是0～10％，根据需要灵活调整，能够模拟坡面行车的真实路况。在定位板4-5上安装有试模4-4，可以在试模4-4内成型试件，在试模4-4的外壁上用粘结胶粘结有隔热层4-8，以保证试件只能从上表面受热向下传递。本实施例在导轨4-7的上方还安装有升降支架4-1，该升降支架4-1通过链条传动机构与升降电机连接，升降电机通过链条传动机构传递将动力传递给升降支架4-1，带动升降支架4-1的横梁上下移动。在升降支架4-1的横梁中部用螺纹连接方式固定有轮载固定杆4-3，将滚轮4-2安装在该轮载固定杆4-3上，使滚轮4-2正对试件并通过调整横梁高度控制滚轮4-2作用在试件上表面的荷载大小。
本实施例在升降支架4-1的横梁上还安装有压力传感器7和位移传感器6，压力传感器7和位移传感器6分别通过导线与计算机10连接，将所采集的数据实时传递给计算机10进一步处理，进而实现滚轮4-2作用在试件上的应力与应变监测。
参见图5，为了使温度监控更接近真实情况，本实施例在试件的上面层、中面层以及下面层分别加工有温度传感器8安装孔，并且将第一温度传感器8-1布设在试件的上面层，检测试件上面层的温度，第二温度传感器8-2和第三温度传感器8-3布设在试件的中面层的上下表面，检测试件中面层的温度，第四温度传感器8-4布设在试件的下面层层底，检测试件下面层层底的真实温度，第一温度传感器8-1、第四温度传感器8-4以及第二温度传感器8-2、第三温度传感器8-3分别通过导线与计算机10连接，并且将采集的温度信号输送给计算机10由计算机10进行进一步计算。
用上述的评价沥青路面结构层抗车辙性能的试验装置对沥青路面结构层车辙贡献率进行评价的方法由以下步骤实现：
(a)将轮碾固定在轮载固定杆4-3上，在试模4-4中按照常规方法成型试件，将轮碾拆卸后换装滚轮4-2。其中对于单层试件，可通过轮碾成型得到；对于多层混合料试件，可分别成型一定厚度的单层试件，再将层间涂抹粘层沥青的单层试件组合成为一个整体结构并压实。根据研究需要，也可成型基层试件，再与面层结合为一整体进行研究。
(1)沿着成型好的沥青路面试件的厚度方向在试件的上面层、中面层以及下面层分别布设温度传感器8，将试模4-4侧壁包裹隔热层4-8，使其只能从试件的上表面吸收热量并向内层进行热传递，并形成温度递减模式，并设定环境箱3的温度、滚轮4-2作用在试件上的荷载、定位板4-5的坡度以及平板小车4-6的运动速度，通过调整升降支架4-1控制滚轮4-2与试件的接触面上的作用力大小。
(2)待环境箱3的温度上升至设定温度，并且温度传感器8测得的试件上面层层面温度达到设定温度时，控制器9控制动力组件2启动，动力组件2通过曲柄连杆带动平板小车4-6在导轨4-7上作往复运动，带动试模4-4上的试件运动，使固定在升降支架4-1上的滚轮4-2在试件上表面碾压，随着定位板4-5的垂直高度增加，滚轮4-2作用在试件上的荷载增大，由压力传感器7和位移传感器6实时采集信息并将其传送至计算机10进一步处理，直至车辙实验结束。
(b)将车辙实验结束后的试件在自然环境中进行自然环境老化或放到老化试验箱中老化，完成老化处理。
(3)对试件进行切割处理，测量其各结构层的车辙量，按照下式分别计算出沥青路面结构层的抗车辙性能，即车辙贡献率Ui和车辙温度影响因子Pi，
车辙贡献率Ui＝各结构层车辙深度di/结构层总车辙深度d总
车辙温度影响因子Pi＝各结构层车辙深度di/结构层平均温度Ti
Ti为设置在试件上面层、中面层以及下面层的温度传感器8所监测温度的平均值，i＝1,2,3，即：
T1＝(第一温度传感器检测温度+第二温度传感器检测温度)/2
T2＝(第二温度传感器检测温度+第三温度传感器检测温度)/2
T3＝(第三温度传感器检测温度+第四温度传感器检测温度)/2；
本实施例中在步骤(b)老化之前对试件直接进行切割，测量车辙量即可得到短期车辙贡献率Usi和长期车辙温度影响因子Psi，
短期车辙贡献率Usi＝未老化各结构层车辙深度dsi/结构层总车辙深度d总
短期车辙温度影响因子Psi＝未老化各结构层车辙深度dsi/结构层平均温度Ti。
本实施例在步骤(b)老化处理之后对试件进行切割，测量车辙量，即可得到长期车辙贡献率Uli和长期车辙温度影响因子Pli，即
长期车辙贡献率Uli＝老化后各结构层车辙深度dli/结构层总车辙深度d总
长期车辙温度影响因子Pli＝老化后各结构层车辙深度dli/结构层平均温度Ti。
本发明将车辙贡献率分为长期车辙贡献率和短期车辙贡献率，完善了车辙贡献率的深化评估，同时，进一步提出了车辙温度影响因子，可作为评价车辙贡献率的另一个温度影响指标，对路面结构的研究提供更可靠的依据。
实施例2
本实施例中在工作平台1上还平行安装有3组车辙实验平台4，并且每组车辙实验平台4的升降支架4-1与升降电机之间通过齿轮齿条传动，从而将升降电机的动力通过齿轮齿条传递给升降支架4-1，带动升降支架4-1的横梁上下移动。
其他的部件及其连接方式与实施例1相同。
上述实施例中升降电机与升降支架4-1、移动电机与平板小车4-6之间的动力传动属于常规技术，还可以用锥形齿轮组或者皮带传动或者滚轴丝杠等方式来替换。环境箱3中的热源5还可以用其他的自然光灯光来替换，不仅限于碘钨灯。
在评价方法中可以采用本发明的试验装置来成型试件，也可以按照本发明的试模4-4成型后将试件安装在试模4-4上然后开始车辙实验。如果将车辙实验结束后的试件进行老化处理，即可得到的是沥青路面结构层的长期车辙贡献率U和车辙温度影响因子P；否则，得到的是沥青路面结构层在试验期间内的车辙贡献率U和车辙温度影响因子P，根据测试需求进行实验。

Claims (7)

1.一种评价沥青路面结构层抗车辙性能的试验装置，包括工作平台（1）和安装在工作平台（1）上的环境箱（3），在工作平台（1）上还设置有动力组件（2）和与动力组件（2）电连接的控制器（9），其特征在于：在环境箱（3）的底部并列设置有至少2组车辙实验平台（4），动力组件（2）与车辙实验平台（4）连接并为车辙实验平台（4）提供动力，在环境箱（3）的顶部设置有与车辙实验平台（4）正对的热源（5）；
所述车辙实验平台（4）包括升降支架（4-1）、轮载固定杆（4-3）、滚轮（4-2）、试模（4-4）、隔热层（4-8）、定位板（4-5）、平板小车（4-6）以及导轨（4-7），其中，升降支架（4-1）与动力组件（2）连接并由动力组件（2）提供动力带动升降支架（4-1）的横梁升降，在升降支架（4-1）的横梁中部通过轮载固定杆（4-3）设置有滚轮（4-2），导轨（4-7）固定在环境箱（3）的底部，平板小车（4-6）设置在导轨（4-7）上并可沿着导轨（4-7）行走，平板小车（4-6）通过连接轴与动力组件（2）连接并由动力组件（2）提供动力带动其在导轨（4-7）上作往复运动，在平板小车（4-6）的上方设置有定位板（4-5），定位板（4-5）的一侧与平板小车（4-6）铰接，另一侧通过球铰（4-9）与平板小车（4-6）连接并且通过球铰（4-9）升降调整定位板（4-5）的坡度，在定位板（4-5）上设置有试模（4-4），使试模（4-4）中的试件与滚轮（4-2）正对，在试模（4-4）的外壁上设置有隔热层（4-8）；
在升降支架（4-1）的横梁上设置有通过导线与计算机（10）连接的压力传感器（7）和位移传感器（6）；计算机（10）还通过导线与布设在试件中的温度传感器（8）连接。
2.根据权利要求1所述的评价沥青路面结构层抗车辙性能的试验装置，其特征在于：所述定位板（4-5）的坡度是0~10%。
3.根据权利要求1所述的评价沥青路面结构层抗车辙性能的试验装置，其特征在于：所述温度传感器（8）包括第一温度传感器（8-1）和第四温度传感器（8-4）以及第二温度传感器（8-2）和第三温度传感器（8-3），第一温度传感器（8-1）设置在试件的上面层层表，第二温度传感器（8-2）和第三温度传感器（8-3）设置在试件中面层的上、下表面，第四温度传感器（8-4）设置在试件的下面层层底。
4.根据权利要求1所述的评价沥青路面结构层抗车辙性能的试验装置，其特征在于：所述热源（5）是碘钨灯或自然光灯光。
5.一种用权利要求1所述的评价沥青路面结构层抗车辙性能的试验装置的沥青路面结构层抗车辙性能评价方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）按照常规路面结构成型方法成型试件，沿着试件的厚度方向在试件的上面层、中面层以及下面层分别布设温度传感器（8），将试模（4-4）侧壁包裹隔热层（4-8），使其只能从试件的上表面吸收热量并向内层进行热传递，并设定环境箱（3）的温度、滚轮（4-2）作用在试件上的荷载、定位板（4-5）的坡度以及平板小车（4-6）的运动速度，通过调整升降支架（4-1）控制滚轮（4-2）与试件的接触面上的作用力大小；
（2）待环境箱（3）的温度上升至设定温度，并且温度传感器（8）测得的试件上面层层表温度达到设定温度时，控制器（9）控制动力组件（2）启动，动力组件（2）通过传动组件带动平板小车（4-6）在导轨（4-7）上作往复运动，进而带动试模（4-4）上的试件运动，使固定在升降支架（4-1）上的滚轮（4-2）在试件上表面碾压，随着定位板（4-5）的垂直高度增加，滚轮（4-2）作用在试件上的荷载增大，由压力传感器（7）和位移传感器（6）实时采集信息并将其传送至计算机（10）进一步处理，直至车辙实验结束；
（3）对试件进行切割处理，测量其各结构层的车辙量，按照下式计算出沥青路面结构层的抗车辙性能，即车辙贡献率Ui和车辙温度影响因子Pi，
车辙贡献率Ui=各结构层车辙深度di/结构层总车辙深度d总，
车辙温度影响因子Pi=各结构层车辙深度di/结构层平均温度Ti，
Ti为设置在试件上面层、中面层以及下面层的各温度传感器（8）所监测温度的平均值，i=1,2,3。
6.根据权利要求5所述的沥青路面结构层抗车辙性能评价方法，其特征在于在步骤（1）之前还包括步骤（a），具体是：将轮碾固定在轮载固定杆（4-3）上，在试模（4-4）中按照常规方法成型试件，将轮碾拆卸后换装滚轮（4-2）。
7.根据权利要求5所述的沥青路面结构层抗车辙性能评价方法，其特征在于在步骤（2）与步骤（3）之间还包括步骤（b），具体是将车辙实验结束后的试件在常温环境中放置一天，进行老化处理；
步骤（3）即为：对老化后的试件进行切割处理，测量其各结构层的车辙量，按照下式计算出沥青路面结构层的长期车辙贡献率Uli和长期车辙温度影响因子Pli，
长期车辙贡献率Uli=老化后各结构层车辙深度dli/结构层总车辙深度d总，
长期车辙温度影响因子Pli=老化后各结构层车辙深度dli/结构层平均温度Ti。
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