CN105973717B - 一种综合型的沥青混合料低温性能检测设备 - Google Patents

一种综合型的沥青混合料低温性能检测设备 Download PDF

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Abstract

一种综合型的沥青混合料低温性能检测设备，它涉及一种综合型检测设备。低温收缩试验、低温应力松弛试验和冻断试验需要依靠不同设备进行，存在因设备的通用性差导致试验耗费高，同时存在对沥青混合料试件的检测结果准确性低的问题。本发明包括环境箱、反力架、位移测定系统、数据采集控制系统、微观数据采集系统和加热系统；环境箱设在反力架内，数字散斑摄像头朝向环境箱的可视窗口设置，沥青混合料试件设在环境箱内，沥青混合料试件的一端依次通过一根所述传力杆和传动装置与电机连接，沥青混合料试件的另一端通过另一根所述传力杆与应力传感器相连接，位移测定系统设在环境箱外并与反力架相连接。本发明用于检测沥青的低温性能。

Description

一种综合型的沥青混合料低温性能检测设备
技术领域
本发明具体涉及一种综合型的沥青混合料低温性能检测设备。
背景技术
对于沥青路面低温开裂问题，国内外学者近30年在沥青混合料技术标准与技术规范方面的研究中，始终坚持采用粘弹力学的理论与方法作为应用研究基础，而且粘弹力学本身又是一门以实验为基础的学科，正确地实施科学的有价值的定量测量无疑对理论发展和科学试验均具有重要意义。在以往的低温性能测试的试验设备发明中往往忽略了温度对设备构件和传感器本身的影响，降低了测试结果的精准度；其次是未能实现对降温过程中试件细观实时变化的观测，此过程也是验证理论模型极其重要的手段之一。此外，现今在测试沥青混合料低温性能中依靠不同设备，不仅提高了试验成本同时也降低了试验的重复性和精准度。
目前仍然存在很多因素影响低温性能试验过程中的测量精度，存在问题具体如下：
一、环境箱中含有水分：水分影响微观数据采集系统中的三维数字散斑动态应变测量准确性，水分的结冰影响对试件表面的观测，水分在凝结过程中放热，造成试件降温不均匀温度测量元件不准确。
二、环境温度对荷载框架、荷载单元及测量系统的影响：在降温过程中，荷载框架、荷载单元和测量单元，由于材质的因素都会产生不同程度的收缩，导致测量的准确精度下降，传统的方法是使用联轴器将环境箱内的部件与环境箱外的部件隔开以此达到热屏蔽的效果，但热屏蔽效果不佳。
三、时间效率低：在评估沥青混合料低温开裂特性时，当以10℃/h降温冻断试验需要5个小时，而且一次只能做一个沥青混合料试件，既平行沥青混合料试件的时间成倍增加，试验耗能成本也成倍增加，况且平行沥青混合料试件不能在完全相同时间和环境中进行，增加了实验的偶然因素。
发明内容
本发明的目的是提供一种综合型的沥青混合料低温性能检测设备，以解决低温收缩试验、低温应力松弛试验和冻断试验需要依靠不同设备进行，存在因设备的通用性差导致试验耗费高，同时存在对沥青混合料试件的检测结果准确性低的问题。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
一种综合型的沥青混合料低温性能检测设备，它包括环境箱、反力架、位移测定系统、数据采集控制系统、微观数据采集系统和加热系统；
所述数据采集控制系统包括PC机、控制器采集卡、电机用驱动器、电机、传动装置和应力传感器，PC机通过控制器采集卡与电机用驱动器电连接，电机用驱动器与电机之间电连接，电机通过传动装置与沥青混合料试件相连接，控制器采集卡通过应力传感器与沥青混合料试件相连接；
所述微观数据采集系统包括数字散斑摄像头；
所述加热系统包括两根传力杆；
所述环境箱设置在反力架内，环境箱上设置有可视窗口，数字散斑摄像头朝向环境箱的可视窗口设置，沥青混合料试件设置在环境箱内，所述沥青混合料试件的一端依次通过一根所述传力杆和传动装置与电机相连接，所述沥青混合料试件的另一端通过另一根所述传力杆与应力传感器相连接，所述位移测定系统设置在环境箱外并与反力架相连接。
所述位移测定系统包括底座、总横向支架、两个竖向支架、两个分横向支架、两个转向节和两个LVDT回弹式位置传感器，所述两个竖向支架竖直并列设置在底座上，每个竖向支架通过底座与反力架固定连接，总横向支架水平设置在两个竖向支架上且其分别与每个竖向支架滑动配合，总横向支架的两端各通过一个转向节与一个分横向支架相连接，每个分横向支架上设置有一个LVDT回弹式位置传感器，每个LVDT回弹式位置传感器的探头靠近反力架的外壁设置。
所述电机为步进电机，所述应力传感器为拉压应力传感器。
所述加热系统还包括两个恒温套，恒温套与传力杆一一对应设置，每个恒温套套装在其对应的传力杆上。
所述传动装置包括减速机和滚珠丝杠，所述电机输出轴与减速机的输入轴相连接，所述减速机的输出轴依次通过滚珠丝杠和一根所述传力杆与沥青混合料试件相连接。
它还包括干燥系统，所述干燥系统设置在环境箱内。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明通过设置微观数据采集系统有效实现了高清晰成像环境作为数字成像系统的基础，排除水分对沥青混合料试件降温的影响。通过借助数字散斑摄像头成功的加入到冻断试验中，有效解决冻断过程中沥青混合料试件表面应力应变分布及变化过程，为后期的精确的理论推导提供试验支撑。
2、位移测定系统为外置式设置，排除了荷载框架、传动装置和位移测定系统对试验精度的影响，解决现有沥青混合料试验装置的荷载框架、荷载单元及测量系统受温度变形影响精度不高的问题。
3、本发明能够实现设备高精度测量。传力杆采用机械荷载与温度荷载下极小变形的材料，降低其变形对长期使用过程中的测量数据的稳定性；通过在传力杆与恒温套的配合设置实现对传动装置智能恒温的调节效果。
4、本发明能够实现功能多元化，具有通用性，将低温收缩试验、低温松弛试验和冻断试验和直接拉伸四个功能在一个设备上实现。
5、本发明为提高工作效率将测试装置扩展成三个测试体系，即能够降低平行检测误差，同时提高试验的时间效率，通过改进扩展装置，实现一次试验平行测试2-3个沥青混合料试件。
附图说明
图1为本发明的主视结构示意图；
图2为本发明的俯视结构示意图；
图3为反力架2的立体结构示意图；
图4为数据采集控制系统的工作流程图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1、图2、图3和图4说明本实施方式，本实施方式包括环境箱1、反力架2、位移测定系统3、数据采集控制系统、微观数据采集系统和加热系统；
所述数据采集控制系统包括PC机4-1、控制器采集卡4-2、电机用驱动器4-3、电机4-4、传动装置4-5和应力传感器4-6，PC机4-1通过控制器采集卡4-2与电机用驱动器4-3电连接，电机用驱动器4-3与电机4-4之间电连接，电机4-4通过传动装置4-5与沥青混合料试件9相连接，控制器采集卡4-2通过应力传感器4-6与沥青混合料试件9相连接；
所述微观数据采集系统包括数字散斑摄像头；
所述加热系统包括两根传力杆6-1；
所述环境箱1设置在反力架2内，环境箱1上设置有可视窗口，数字散斑摄像头朝向环境箱1的可视窗口设置，沥青混合料试件9设置在环境箱1内，所述沥青混合料试件9的一端依次通过一根所述传力杆6-1和传动装置4-5与反力架2相连接，所述沥青混合料试件9的另一端通过另一根所述传力杆6-1与应力传感器4-6相连接，所述位移测定系统3设置在环境箱1外并与电机4-4相连接。
本实施方式中微观数据采集系统为三维数字散斑动态应变测量系统，其为现有产品。
本实施方式中传力杆6-1为镍钢制成的杆体，热膨胀系数为13～15×10-6/℃，试验温度范围为20℃～-30℃，经计算环境箱1内的构件由于温度引起的每米的变形量ε＝β·ΔT，计算得到从20℃降到-30℃的每米的变形量为780～900×10-6，沥青混合料试件9的平均热膨胀系数为20.83×10-6/℃，每米的变形量为1137×10-6左右。在沥青混合料试件9的热膨胀系数约是镍钢材料的1.6倍，在每米的变形量上的相差237～357×10-6，由此可知杆架结构的低温收缩量与沥青混合料试件9的收缩量相接近，不容忽视，在之前的处理方式中多通过采用收缩系数较小的材料进行补偿消差，其热膨胀系数多数在5×10-6/℃左右，是沥青混合料试件9的25％，当温度作为荷载方式时，仍不可忽视。通过对杆架结构的温度进行智能恒温控制，将不受温度影响这将大幅度提高准确度。
本发明中涉及的程序软件均为现有程序软件。
具体实施方式二：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式中所述位移测定系统3包括底座3-1、总横向支架3-2、两个竖向支架3-3、两个分横向支架3-4、两个转向节3-5和两个LVDT回弹式位置传感器3-6，所述两个竖向支架3-3竖直并列设置在底座3-1上，每个竖向支架3-3通过底座3-1与反力架2固定连接，总横向支架3-2水平设置在两个竖向支架3-3上且其分别与每个竖向支架3-3滑动配合，总横向支架3-2的两端各通过一个转向节3-5与一个分横向支架3-4相连接，每个分横向支架3-4上设置有一个LVDT回弹式位置传感器3-6，每个LVDT回弹式位置传感器3-6的探头贴紧在反力架2的外壁上。
本实施方式中通过采用变形小的碳纤维材质构件将位移测定系统3引出环境箱，有效解决温度测量单元受的温度影响而发生测量精度不准的问题。
本实施方式中总横向支架3-2上套装有两个滑块3-7，每个滑块3-7对应有一个竖向支架3-3，每个滑块3-7上加工有用于穿设竖向支架3-3的通孔，总横向支架3-2通过两个滑块3-7实现沿两个竖向支架3-3的长度方向的滑动效果，从而起到调节LVDT回弹式位置传感器3-6的上下位置的效果。同时转向节3-5能够实现沿总横向支架3-2的圆周方向旋转的效果，从而带动LVDT回弹式位置传感器3-6实现360度微动调节的效果。
本实施方式中应力传感器4-6是测试力的大小，其来自于测试材料本身弹性模量与应变的计算。两个LVDT回弹式位置传感器3-6是测试沥青混合料试件9整体的左右移动或者变形量值。其他未提及的结构及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1、图2和图4说明本实施方式，本实施方式中所述电机4-4为步进电机，所述应力传感器4-6为拉压应力传感器。本实施方式中通过步进电机的设置使试验过程中无振动产生，最大限度减少因电机振动而产生对试验精度的影响。应力传感器4-6为拉压应力传感器有效提高试验精度。其他未提及的结构及连接关系与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式中所述加热系统还包括两个恒温套6-2，恒温套6-2与传力杆6-1一一对应设置，每个恒温套6-2套装在其对应的传力杆6-1上。
本实施方式中恒温套6-2与传力杆6-1相互配合有效提高本发明的试验精度。其他未提及的结构及连接关系与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式中所述传动装置4-5包括减速机和滚珠丝杠，所述电机4-4输出轴与减速机的输入轴相连接，所述减速机的输出轴依次通过滚珠丝杠和一根所述传力杆6-1与沥青混合料试件9相连接。其他未提及的结构及连接关系与具体实施方式一、二或四相同。
具体实施方式六：本实施方式为具体实施方式五的进一步限定，本实施方式还包括干燥系统，所述干燥系统设置在环境箱1内。
本实施方式中通过干燥系统的设置能够将环境箱1内的水分降至最低，实现降温过程中，使沥青混合料试件9表层和环境箱1的可视窗口不结霜，借助微观数据采集系统，获取沥青混合料试件9在降温过程中每个部位的应变变化，为后期理论计算与验证提供基础。
本发明进行低温收缩试验的工作过程：
首先，标定LVDT回弹式位置传感器3-6：采用德国生产的精度为1μm的标定设备进行标定，LVDT是将位移转化为电压大小再通过调节电路转化成数据，标定设备推动回弹LVDT产生位移，同时记录标定设备和回弹LVDT的数据，往复测试n次后进行回归处理，获取标定设备和LVDT的转化系数。
其次，收缩系数测定：
第一步：打开PC机4-1、电机用驱动器4-3、位移测定系统3和环境箱1的电源；
第二步：打开PC机中的测定软件，将沥青混合料试件9放置在无摩阻的滚珠表面，沥青混合料试件9的两端无约束，碳纤维棒一端粘结在沥青混合料试件9上，另一端与LVDT回弹式位置传感器3-6的探头相接触，设定环境箱1的降温速率，在达到初始温度T0保温2h后读取位移测定系统3的初始读数A0、B0；
第三步：开始测试，随着环境箱1中温度的下降沥青混合料试件9产生收缩，收缩带动碳纤维棒发生水平位移，于此同时，回弹LVDT记录位移变化，假设某温度T1,LVDT读数为A1、B1，则收缩系数为
本发明进行低温应力松弛试验的工作过程：
第一步：打开PC机4-1、电机用驱动器4-3、位移测定系统3、环境箱1和加热系统中恒温套6-2的电源；
第二步：打开PC机4-1中的测定软件，设定环境箱1的降温速率，在达到初始温度T0保温2h后，并将沥青混合料试件9的两端固定在传力杆6-1的内端；
第三步：初始应力的设定，打开控制电机驱动器软件并设定初始应力，电机用驱动器4-3控制步进电机4-4工作，步进电机4-4由于反力架2的作用保持静止并仅带动传动装置4-5拉伸沥青混合料试件9，沥青混合料试件9由于本身具有一定强度产生抵抗力，并将此应力反馈到应力传感器4-6，应力传感器4-6通过将电信号传输到PC机4-1的软件测试模块，当应力传感器4-6的数值达到设定值时，测试软件向电机用驱动器4-3发出停止步进电机4-4停止命令；
第四步：测试软件记录应力传感器4-6随时间变化的数据。
低温应力松弛试验就是在试验开始时快速给沥青混合料试件9一个初始应力，并记录应力与时间，应力会随着时间缓慢减小并趋于定值。
本发明进行冻断试验的工作过程：
第一步：打开PC机4-1、电机用驱动器4-3、位移测定系统3、加热系统中恒温套6-2和环境箱1的电源；
第二步：打开PC机中的测定软件，将沥青混合料试件9放置在滚珠丝杠中无摩阻的滚珠表面并将沥青混合料试件9两端固定在传力杆6-1的内端，设定环境箱1的降温速率，在达到初始温度T0保温2h后读取位移测定系统3的初始读数A0、B0；
第三步：开始测试，随着环境箱1中温度的下降沥青混合料试件9产生收缩，收缩带动传力杆6-1发生水平位移，于此同时，LVDT回弹式位置传感器3-6发生位移变化，通过PC机4-1中软件向电机用驱动器4-3发出启动电机4-4拉伸的指令，使位移恢复至初始读数，直至沥青混合料试件9断裂，在测试过程中记录温度、时间、应力。假设某温度T1，LVDT回弹式位置传感器3-6的读数为A1、B1，则需要恢复位移值为β＝A1-A0+B1-B0，而且，沥青混合料试件9在收缩时会对传力杆6-1产生拉应力并通过应力传感器4-6测定反馈到软件中的记录过程中。
本发明进行直接拉伸试验的工作过程：
第一步：打开PC机4-1、电机用驱动器4-3、位移测定系统3、加热系统中恒温套6-2和环境箱1的电源；
第二步：打开PC机中的测定软件，设定环境箱1的降温速率，在达到初始温度T0保温2h后，并将沥青混合料试件9两端固定在传力杆6-1的内端，读取位移测定系统3的初始读数A0、B0；
第三步：开始测试，通过加载速率通过PC机4-1向电机用驱动器4-3发出指令控制步进电机4-4进行拉伸完成加载指令，应力传感器4-6通过沥青混合料试件9对传力杆6-1的反力作用进行测定，沥青混合料试件9拉伸过程中带动碳纤维棒发生水平位移，于此同时，回弹LVDT记录位移变化，假设最终回弹LVDT读数为A1、B1，直至沥青混合料试件9断裂，PC机4-1实时记录应力传感器4-6和回弹LVDT的数值，最后绘制沥青混合料试件9的应力-应变曲线变化图。

Claims (5)

1.一种综合型的沥青混合料低温性能检测设备，其特征在于：它包括环境箱(1)、反力架(2)、位移测定系统(3)、数据采集控制系统、微观数据采集系统和加热系统；
所述数据采集控制系统包括PC机(4-1)、控制器采集卡(4-2)、电机用驱动器(4-3)、电机(4-4)、传动装置(4-5)和应力传感器(4-6)，PC机(4-1)通过控制器采集卡(4-2)与电机用驱动器(4-3)电连接，电机用驱动器(4-3)与电机(4-4)之间电连接，电机(4-4)通过传动装置(4-5)与沥青混合料试件(9)相连接，控制器采集卡(4-2)通过应力传感器(4-6)与沥青混合料试件(9)相连接；
所述微观数据采集系统包括数字散斑摄像头；
所述加热系统包括两根传力杆(6-1)；
所述环境箱(1)设置在反力架(2)内，环境箱(1)上设置有可视窗口，数字散斑摄像头朝向环境箱(1)的可视窗口设置，沥青混合料试件(9)设置在环境箱(1)内，所述沥青混合料试件(9)的一端依次通过一根所述传力杆(6-1)和传动装置(4-5)与电机(4-4)相连接，所述沥青混合料试件(9)的另一端通过另一根所述传力杆(6-1)与应力传感器(4-6)相连接，所述位移测定系统(3)设置在环境箱(1)外并与反力架(2)相连接；位移测定系统(3)包括底座(3-1)、总横向支架(3-2)、两个竖向支架(3-3)、两个分横向支架(3-4)、两个转向节(3-5)和两个LVDT回弹式位置传感器(3-6)，所述两个竖向支架(3-3)竖直并列设置在底座(3-1)上，每个竖向支架(3-3)通过底座(3-1)与反力架(2)固定连接，总横向支架(3-2)水平设置在两个竖向支架(3-3)上且其分别与每个竖向支架(3-3)滑动配合，总横向支架(3-2)的两端各通过一个转向节(3-5)与一个分横向支架(3-4)相连接，每个分横向支架(3-4)上设置有一个LVDT回弹式位置传感器(3-6)，每个LVDT回弹式位置传感器(3-6)的探头靠近反力架(2)的外壁设置。
2.根据权利要求1所述的一种综合型的沥青混合料低温性能检测设备，其特征在于：所述电机(4-4)为步进电机，所述应力传感器(4-6)为拉压应力传感器。
3.根据权利要求2所述的一种综合型的沥青混合料低温性能检测设备，其特征在于：所述加热系统还包括两个恒温套(6-2)，恒温套(6-2)与传力杆(6-1)一一对应设置，每个恒温套(6-2)套装在其对应的传力杆(6-1)上。
4.根据权利要求1或3所述的一种综合型的沥青混合料低温性能检测设备，其特征在于：所述传动装置(4-5)包括减速机和滚珠丝杠，所述电机(4-4)输出轴与减速机的输入轴相连接，所述减速机的输出轴依次通过滚珠丝杠和一根所述传力杆(6-1)与沥青混合料试件(9)相连接。
5.根据权利要求4所述的一种综合型的沥青混合料低温性能检测设备，其特征在于：它还包括干燥系统，所述干燥系统设置在环境箱(1)内。
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