CN106018268A - 一种路面结冰附着强度测试装置及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明专利提供一种路面结冰附着强度测试装置及其使用方法，该装置包括固定部件和摆动部件；其中固定部件包括主机基座、固定夹座、刻度盘，固定夹座和刻度盘通过螺栓固定在基座上；摆动部件包括摆头、砝码、收缩杆以及控制手柄，其中收缩杆一端与控制柄铰接，下端与摆头通过螺纹相连，摆头上设置了凸起的竖杆，不同数量的砝码套在竖杆上可以自由调节摆动部件的自重。本发明专利可通过自由下摆的摆动部件模拟道路上行驶车辆轮胎的碾压作用，由测定落摆前后试件上附着冰的质量变化，间接表征路面上附着冰的附着力的强弱。

Description

一种路面结冰附着强度测试装置及其试验方法

技术领域

本发明专利涉及道路交通路面测试技术领域，特别地，涉及一种路面结冰附着强度测试装置及其试验方法。

背景技术

我国地域辽阔，地形地貌差别较大，各地气候不一，道路交通受自然环境影响极大，尤其是道路结冰现象。长期影响着东北地区和内蒙古北部地区以及部分南方山区的客运和货运的正常运作，给广大人民的生命财产安全构成巨大隐患。据不完全统计，我国历年来因冬季冰冻而引发的交通事故约占全年交通事故的30％，事故发生率是平时的4～5倍。在2008年发生的冰雪灾害中，全国23个省份公路交通受到影响，直接经济损失高达125亿元。因此，对道路表面和路面结冰的相互作用关系的深入研究具有广泛而深远的科研价值和工程意义。

随着经济的快速发展，人们对公路运输的要求越来越高，对道路结构的各项物理力学性能指标测试技术的要求也越来越规范。针对道路表面结冰的附着强度测试方面，当前主要有落重式的落棒试验或落锤试验等，虽然落重式的冲击破冰法具有一定的理论依据也得到了一些应用，但深入的研究后不难发现无论落棒还是落锤均存在一定的缺点，具体表现在：

1)无论是落棒或者落锤都只能提供一个竖向的冲击力作用，冲击过程中不存在横向剪切应力，因此，简单的落重式的棒和锤都不能形象的模拟出车轮碾压路表结冰的动态过程；

2)落棒或者落锤的落重不可调节，只能通过调整落高改变冲击力的大小；

3)落棒或者落锤装置都没有提供一个有效的测试试件的固定装置，这样可能导致冲击过程中发生滑移等现象；

4)落重式冲击的噪音较大，易造成噪声污染；

5)落重式冲击试验流程复杂，不方便试验操作。

因此，一种简单易行的路面结冰附着强度测试装置及其试验方法迫切地为科研试验所需要。

发明内容

本发明专利目的在于提供一种路面结冰附着强度测试装置，以解决技术问题。

为实现上述目的，本发明专利提供了一种路面结冰附着强度测试装置，包括固定部件和摆动部件；

所述固定部件包括主机基座、固定夹座、刻度盘，固定夹座和刻度盘通过螺栓固定在基座上；

所述摆动部件包括摆头、收缩杆以及控制手柄、砝码，其中收缩杆一端与控制柄铰接，下端与摆头通过螺纹相连，摆头上设置了凸起的竖杆，不同数量的砝码套在竖杆上可以自由调节摆动部件的自 重。

优选的，主机基座为铁铸，呈倒“T”字型；基座前台面积约占总面积的三分之二，上有两个预留螺孔，通过螺孔中的螺栓作用可将夹座固定在基座上；所述基座上部分的竖板上设有预留孔，通过在孔内设置插销即可将收缩杆和控制柄与基座铰接为一个整体。

优选的，所述固定夹座由基台、螺栓以及固定块构成，通过调节螺栓改变固定块的位置可以固定不同尺寸的试件，其中固定块为两个相同的长方体钢块，高30～80mm,宽50～80mm,长120～150mm，钢块上设有120°弧形凹槽以方便固定圆柱体试件。

所述固定部件的刻度盘左半盘以弧度刻标，从下至上依次在0°、45°、90°、145°以及180°处标注罗马数字Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ。

优选的，所述摆动部件的摆头为高强轻质不锈钢，呈45°半拱形，拱底设置了一层有刻纹耐磨橡胶，类似于轮胎的构造；半拱的右中部设有竖杆，杆高8～12cm，通过在竖杆上增减砝码可以增减摆头自重，最右部通过螺孔将摆头和收缩杆相连。

优选的，所述摆动部件的收缩杆和控制手柄通过插销铰接，收缩杆可根据实际需要在一定范围内自由调节长度，通过下压和上提控制柄可以用来控制摆件的起落。

优选的，所述砝码为圆饼状环形带孔不锈合金钢，其内径为10mm，外径40～50mm，厚20～30mm，重100g，共4～6个。

优选的，所述的一种路面结冰附着强度测试装置得试验方法，其步骤如下：

1)取试件(如：沥青马歇尔试件直径d×高度h为101.6mm×63.5mm或水泥混凝土试件100mm×100mm×100mm,150mm×150mm×150mm)洗净并常温浸水湿润至饱和；

2)取试件放入冷冻室，在试件表面人工喷洒一定质量(10g、15g，20g，25g...)自来水，注意喷洒过程中水必须全部留在试件表面，不能有溢出、流失等；

3)在相对湿度60％条件下，1小时内将冷冻室的温度缓慢下降到零下5℃，并在零下5℃温度下冷冻2小时，使得试件表面的水滴凝结为冰晶；

4)取出结冰的试件，在0±1℃的试验环境下，测定试件质量m₁(精确到0.1g)，记录；

5)将试件固定放置于基座台的固定夹座上，调节夹座两端的螺栓固定试件；

6)通过调节收缩杆，使竖直放置的摆头恰好和试件的表面在同一高度，之后在摆头上串加对应的砝码数量n；

7)下压控制柄，将摆头上调到Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ中的某一档，然后释放控制柄，任摆头自由下摆，将所测试件绕几何中心旋转180°，重复上述操作；

8)摆头碾压完毕后去除螺栓，将试件取出，用小刷子或者风机去除试件表面的破碎冰，之后称量试件的质量m₂；

9)清除试件表面剩余的残留冰，称重m₃，计算试件两次的质量差即可得到所有冰质量m₂-m₁、残留冰的质量m₃-m₁，这里定义冰的附着系数为残留冰和所有冰的质量比：

$\mathrm{\ρ}=\frac{m_2-m_3}{m_1-m_3}$

10)记录所得的数值，格式为所在档位下标砝码数后加ρ值，如Ⅱ₁0.83，Ⅳ₂0.62，Ⅴ₃0.21等。

本发明专利具有以下有益效果：

1、橡胶包裹的拱形摆头可模拟行驶车辆的轮胎碾压作用提供一个多方向的复合力，在摆头碾压过试件的瞬时，既存在竖直向下的重力冲击，又有水平方向的剪切力；

2、通过主动改变落摆的角度和摆头上砝码的数量可以灵活的调节落摆的冲击力强度，方便不同冰冻程度的试件提供试验可能；

3、可调节多用型固定夹座参考了常规圆柱体沥青混凝土和立方体水泥混凝土试件尺寸，为试验提供一个稳定而牢靠的固定作用；

4、拱形摆头底部为刻纹橡胶材质，在与试件及其表面的冰晶作用时不会发出刺耳的噪音，能提供一个安静的试验环境。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明专利还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明专利作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明专利的进一步理解，本发明专利的示意性实施例及其说明用于解释本发明专利，并不构成对本发明专利的不当限定。在附图中：

图1为本发明专利结构的正视示意图；

图2为基座的正视图；

图3为固定夹座的构造图；

图4为所测试件的固定示意图；

图5为摆头结构图；

图6为控制柄与收缩杆的铰接示意图。

其中，1、基座，2、固定夹座，3、刻度盘，4、摆头，5、收缩杆，6、控制柄，7、砝码

具体实施方式

以下结合附图对本发明专利的实施例进行详细说明，但是本发明专利可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1：

水泥混凝土路面冰的附着强度测试

1)取表面结冰的立方体水泥混凝土试件100mm×100mm×100mm称重m_a；

2)调节固定夹座两端的螺栓，将混凝土试件固定与夹座；

3)调整伸缩杆，使得摆头和试件表面在Ⅴ档高度,加1个砝码；

4)释放控制柄，任摆头自由下摆，将试件左右互换，重复2)3)操作1次；

5)去除试件表面破碎冰，称量残留冰和试件的质量m_b；

6)用刮刀将混凝土试件表面冰刮净，称得水泥混凝土试件的为m_c。

各组数据如下表：

质量(g)	1	2	3	4	5	6	7
								ma	2330	2331	2339	2351	2329	2339	2341
mb	2322	2321	2330	2342	2319	2331	2331
								mc	2310	2310	2320	2330	2310	2320	2320
ρ	0.60	0.62	0.58	0.57	0.58	0.58	0.58

计算并的附着系数：

$\mathrm{\ρ}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\mathrm{\ρ}=\frac{1}{7}\×({\mathrm{\ρ}}_1+{\mathrm{\ρ}}_2+{\mathrm{\ρ}}_3+{\mathrm{\ρ}}_4+{\mathrm{\ρ}}_5+{\mathrm{\ρ}}_6+{\mathrm{\ρ}}_7)=0.587$

记为：Ⅴ₁0.587。

实施例2：

水泥混凝土路面冰的附着强度测试

1)取表面结冰的立方体水泥混凝土试件100mm×100mm×100mm称重m_a；

2)调节固定夹座两端的螺栓，将混凝土试件固定与夹座；

3)调整伸缩杆，使得摆头和试件表面在Ⅴ档高度,加2个砝码；

4)释放控制柄，任摆头自由下摆，重复2)3)操作1次；

5)去除试件表面破碎冰，称量残留冰和试件的质量m_b；

6)用刮刀将混凝土试件表面冰刮净，称得水泥混凝土试件的为m_c。

各组数据如下表：

计算并的附着系数：

记为：Ⅴ₂0.492。

实施例3：

水泥混凝土路面冰的附着强度测试

1)取表面结冰的立方体水泥混凝土试件100mm×100mm×100mm称重m_a；

2)调节固定夹座两端的螺栓，将混凝土试件固定与夹座；

3)调整伸缩杆，使得摆头和试件表面在Ⅳ档高度,加1个砝码；

4)释放控制柄，任摆头自由下摆，重复2)3)操作1次；

5)去除试件表面破碎冰，称量残留冰和试件的质量m_b；

6)用刮刀将混凝土试件表面冰刮净，称得水泥混凝土试件的为m_c。

各组数据如下表：

质量(g)	1	2	3	4	5	6	7
								ma	2330	2350	2330	2340	2330	2340	2340
mb	2321	2341	2322	2330	2320	2331	2330
								mc	2310	2330	2310	2320	2310	2320	2320
ρ	0.60	0.55	0.48	0.50	0.50	0.50	0.55

计算并的附着系数：

$\mathrm{\ρ}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\mathrm{\ρ}=\frac{1}{7}\×({\mathrm{\ρ}}_1\+{\mathrm{\ρ}}_2\+{\mathrm{\ρ}}_3\+{\mathrm{\ρ}}_4\+{\mathrm{\ρ}}_5\+{\mathrm{\ρ}}_6\+{\mathrm{\ρ}}_7)=0.536$

记为：Ⅳ₁0.536。

实施例4：

水泥混凝土路面冰的附着强度测试

1)取表面结冰的立方体水泥混凝土试件100mm×100mm×100mm称重m_a；

2)调节固定夹座两端的螺栓，将混凝土试件固定与夹座；

3)调整伸缩杆，使得摆头和试件表面在Ⅲ档高度,加3个砝码；

4)释放控制柄，任摆头自由下摆，重复2)3)操作1次；

5)去除试件表面破碎冰，称量残留冰和试件的质量m_b；

6)用刮刀将混凝土试件表面冰刮净，称得水泥混凝土试件的为m_c。

各组数据如下表：

质量(g)	2	7	1	5	6	3	4
								ma	2330	2350	2330	2340	2330	2340	2340
mb	2317	2338	2317	2329	2318	2327	2326
								mc	2310	2330	2310	2320	2310	2320	2320
ρ	0.35	0.40	0.35	0.45	0.40	0.35	0.30

计算并的附着系数：

$\mathrm{\ρ}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\mathrm{\ρ}=\frac{1}{7}\×({\mathrm{\ρ}}_1+{\mathrm{\ρ}}_2+{\mathrm{\ρ}}_3+{\mathrm{\ρ}}_4+{\mathrm{\ρ}}_5+{\mathrm{\ρ}}_6+{\mathrm{\ρ}}_7)=0.371$

记为：Ⅲ₃0.536。

实施例5

水泥混凝土路面冰的附着强度测试

1)取表面结冰的立方体水泥混凝土试件100mm×100mm×100mm称重m_a；

2)调节固定夹座两端的螺栓，将混凝土试件固定与夹座；

3)调整伸缩杆，使得摆头和试件表面在Ⅲ档高度,加3个砝码；

4)释放控制柄，任摆头自由下摆，重复2)3)操作1次；

5)去除试件表面破碎冰，称量残留冰和试件的质量m_b；

6)用刮刀将混凝土试件表面冰刮净，称得水泥混凝土试件的为m_c。

各组数据如下表：

质量(g)	1	2	3	4	5	6	7
								ma	2340	2320	2330	2320	2330	2320	2320
mb	2334	2313	2325	2314	2323	2314	2324
								mc	2330	2310	2320	2310	2320	2310	2320
ρ	0.40	0.30	0.5	0.40	0.30	0.40	0.40

计算并的附着系数：

$\mathrm{\ρ}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\mathrm{\ρ}=\frac{1}{7}\×({\mathrm{\ρ}}_1+{\mathrm{\ρ}}_2+{\mathrm{\ρ}}_3+{\mathrm{\ρ}}_4+{\mathrm{\ρ}}_5+{\mathrm{\ρ}}_6+{\mathrm{\ρ}}_7)=0.386$

记为：Ⅲ₃0.386。

实施例6

水泥混凝土路面冰的附着强度测试

1)取表面结冰的立方体水泥混凝土试件150mm×150mm×150mm称重m_a；

2)调节固定夹座两端的螺栓，将混凝土试件固定与夹座；

3)调整伸缩杆，使得摆头和试件表面在Ⅳ高度，加1个砝码；

4)释放控制柄，任摆头自由下摆重复2)3)操作1次；

5)去除试件表面破碎冰，称量残留冰和试件的质量m_b；

6)用刮刀将混凝土试件表面冰刮净，称得水泥混凝土试件的为m_c。

各组数据如下表：

质量(g)	1	2	3	4	5	6	7
								ma	7530	7531	7539	7551	7529	7539	7541
mb	7522	7521	7530	7542	7519	7531	7531
								mc	7510	7510	7520	7530	7510	7520	7520
ρ	0.55	0.53	0.57	0.61	0.56	0.50	0.55

计算并的附着系数：

$\mathrm{\ρ}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\mathrm{\ρ}=\frac{1}{7}\×({\mathrm{\ρ}}_1\+{\mathrm{\ρ}}_2\+{\mathrm{\ρ}}_3\+{\mathrm{\ρ}}_4\+{\mathrm{\ρ}}_5\+{\mathrm{\ρ}}_6\+{\mathrm{\ρ}}_7)=0.552$

记为：Ⅳ₁0.552。

实施例7

沥青混泥土路面冰的附着强度测试

1)取表面结冰的立方体沥青马歇尔试件直径d×高度h为101.6mm×63.5mm称重m_a；

2)调节固定夹座两端的螺栓，将混凝土试件固定与夹座；

3)调整伸缩杆，使得摆头和试件表面在Ⅲ档高度,加2个砝码

4)释放控制柄，任摆头自由下摆重复2)3)操作1次；

5)去除试件表面破碎冰，称量残留冰和试件的质量m_b；

6)用刮刀将沥青马歇尔试件表面冰刮净，称得沥青马歇尔试件的为m_c。

各组数据如下表：

计算并的附着系数：

$\mathrm{\ρ}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\mathrm{\ρ}=\frac{1}{7}\×({\mathrm{\ρ}}_1+{\mathrm{\ρ}}_2+{\mathrm{\ρ}}_3+{\mathrm{\ρ}}_4+{\mathrm{\ρ}}_5+{\mathrm{\ρ}}_6+{\mathrm{\ρ}}_7)=0.476$

记为：Ⅲ₁0.476。

实施例8

沥青混泥土路面冰的附着强度测试

1)取表面结冰的立方体沥青马歇尔试件直径d×高度h为100mm×100mm称重m_a；

2)调节固定夹座两端的螺栓，将混凝土试件固定与夹座；

3)调整伸缩杆，使得摆头和试件表面在Ⅳ档度,加2个砝码；

4)释放控制柄，任摆头自由下摆，重复2)3)操作1次；

5)去除试件表面破碎冰，称量残留冰和试件的质量m_b；

6)用刮刀将沥青马歇尔试件表面冰刮净，称得沥青马歇尔试件的为m_c。

各组数据如下表：

质量(g)	1	2	3	4	5	6	7
								ma	1820	1830	1830	1829	1828	1820	1819
mb	1806	1817	18826	1815	1816	1806	1807
								mc	1800	1810	1820	1810	1810	1800	1800
ρ	0.30	0.35	03.2303	0.26	0.33	0.30	0.37

计算并的附着系数：

$\mathrm{\ρ}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\mathrm{\ρ}=\frac{1}{7}\×({\mathrm{\ρ}}_1+{\mathrm{\ρ}}_2+{\mathrm{\ρ}}_3+{\mathrm{\ρ}}_4+{\mathrm{\ρ}}_5+{\mathrm{\ρ}}_6+{\mathrm{\ρ}}_7)=0.321$

记为：Ⅴ₂0.321。

Claims (8)

1.一种路面结冰附着强度测试装置及其试验方法，其特征在于，所述的测试装置由固定部件和摆动部件两大部件组成；

所述固定部件包括主机基座、固定夹座、刻度盘，固定夹座和刻度盘通过螺栓固定在基座上；

所述摆动部件包括摆头、收缩杆以及控制手柄、砝码，其中收缩杆一端与控制柄铰接，下端与摆头通过螺纹相连，摆头上设置了凸起的竖杆。

2.根据权利要求1所述的一种路面结冰附着强度测试装置，其特征在于，所述固定部件的主机基座为铁铸，呈倒“T”字型；基座前台面积约占总面积的三分之二，上有两个预留螺孔，通过螺孔中的螺栓可将夹座固定在基座上；基座的竖板上设有预留孔，通过在孔内设置插销将收缩杆和控制柄与基座铰接为一个整体。

3.根据权利要求1所述的一种路面结冰附着强度测试装置，其特征在于，所述固定部件的固定夹座由基台、螺栓以及固定块构成；通过调节螺栓改变固定块的位置可以固定不同尺寸的试件，其中固定块为两个相同的长方体钢块，高30～80mm,宽50～80mm,长120～150mm，钢块上设有120°弧形凹槽以方便固定圆柱体试件。

4.根据权利要求1所述的一种路面结冰附着强度测试装置，其特征在于，所述固定部件的刻度盘左半盘以弧度刻标，从下至上依次在0°、45°、90°、145°以及180°处标注罗马数字Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ。

5.根据权利要求1所述的一种路面结冰附着强度测试装置，其特征在于，所述摆动部件的摆头为高强轻质不锈钢，呈45°半拱形，拱底设置了一层有刻纹耐磨橡胶，类似于轮胎的构造；半拱的右中部设有竖杆，杆高80～120mm，通过在竖杆上增减砝码可以增减摆头自重，最右部通过螺孔将摆头和收缩杆相连。

6.根据权利要求1所述的一种路面结冰附着强度测试装置，其特征在于，所述摆动部件的收缩杆和控制手柄通过插销铰接，收缩杆可根据实际需要在一定范围内自由调节长度，通过下压和上提控制柄可以用来控制摆件的起落。

7.根据权利要求1所述的一种路面结冰附着强度测试装置，其特征在于，所述砝码为圆饼状环形带孔不锈合金钢，其内径为10mm，外径40～50mm，厚20～30mm，重100g，共4～6个。

8.所述的一种路面结冰附着强度测试装置的试验方法，其步骤如下：

1)取试件(如：沥青马歇尔试件直径d×高度h为101.6mm×63.5mm或水泥混凝土试件100mm×100mm×100mm,150mm×150mm×150mm)洗净并常温浸水湿润至饱和；

2)取试件放入冷冻室，在试件表面人工喷洒一定质量(10g、15g，20g，25g...)自来水，注意喷洒过程中水必须全部留在试件表面，不能有溢出、流失等；

3)在相对湿度60％条件下，1小时内将冷冻室的温度缓慢下降到零下5℃，并在零下5℃温度下冷冻2小时，使得试件表面的水滴凝结为冰晶；

4)取出结冰的试件，在0±1℃的试验环境下，测定试件质量m₁(精确到0.1g)，记录；

5)将试件固定放置于基座台的固定夹座上，调节夹座两端的螺栓固定试件；

6)通过调节收缩杆，使竖直放置的摆头恰好和试件的表面在同一高度，之后在摆头上串加对应的砝码数量n；

7)下压控制柄，将摆头上调到Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ中的某一档，然后释放控制柄，任摆头自由下摆，将所测试件绕几何中心旋转180°，重复上述操作；

8)摆头碾压完毕后去除螺栓，将试件取出，用小刷子或者风机去除试件表面的破碎冰，之后称量试件的质量m₂；

9)清除试件表面剩余的残留冰，称重m₃，计算试件两次的质量差即可得到所有冰质量m₂-m₁、残留冰的质量m₃-m₁，这里定义冰的附着系数为残留冰和所有冰的质量比：

$\mathrm{\ρ}=\frac{m_2-m_3}{m_1-m_3}$

10)记录所得的数值，格式为所在档位下标砝码数后加ρ值，如Ⅱ₁0.83，Ⅳ₂0.62，Ⅴ₃0.21等。