CN106092733B - 沥青路面面层材料动水冲刷试验仪及动水冲刷试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种沥青路面面层材料动水冲刷试验仪及动水冲刷试验方法，试验仪包括水箱，水箱的中部设有竖向的转动轴，转动轴上设有与转动轴同轴固定的圆盘，圆盘的上表面固定有马歇尔试件固定环；水箱右侧面固定有与转动轴通过皮带连接的电机；水箱上端还固定有枪头向下并与马歇尔试件固定环相对的水枪；水箱内部的下方位置还设有温度传感器、加热体以及与水箱外部相连通的排水管；该试验仪还包括用于控制电机、水枪、水泵、温度传感器以及加热体的控制箱。本发明可以模拟高速行车引起的瞬时冲刷，试验效率高；以马歇尔试件在动水冲刷后形成的坑槽深度、劈裂强度、质量损失为指标，可以分析冲刷次数、水流温度、冲刷力等因素对试验指标的影响。

Description

沥青路面面层材料动水冲刷试验仪及动水冲刷试验方法

技术领域

本发明属于交通土建领域，具体涉及一种沥青路面面层材料动水冲刷试验仪及动水冲刷试验方法。

背景技术

从1988年建成并通车的沪嘉高速公路以来，我国的高等级公路发展迅猛，到2015年底，全国已通车的高速公路总里程达到了12.3万公里，占据世界第一位，而沥青路面又以其具有无接缝、低噪声、行车舒适、易于维修等优点，占到了其中的95％以上。但是近些年来随着交通量的增加和车辆行驶速度的提高以及大轴载车辆和超载的增多，很多仅通车1～2年，有些甚至不足一年的沥青路面就出现了较大面积的破坏，这些破坏极大地提高了养护成本，同时降低了道路的使用性能和使用年限。频繁发生的沥青路面早期破坏引起了广大道路工作者的高度重视，众多研究者进行了深入的调查研究，发现这些破坏多发生在雨季，水损坏是造成沥青路面早期破坏的重要原因，从南方到北方普遍发生。

从水的作用形态来看，水损坏主要从三个方面进行的：第一，静态水对沥青混合料的浸泡作用。第二，冬季的冻融、冻胀作用。第三，饱水沥青路面上，车辆等荷载作用下的动态水作用。目前，国内外的研究主要集中在前两个方面即静态水对沥青路面的破坏作用，而在对动态水作用下沥青路面水损坏方面的研究则较为薄弱，缺乏系统性，成果主要集中在对动水压力的数值模拟方面，对动水压力的实地测量的成果少且具有很大的缺陷；对动水压力的室内模拟仅适用于车辆在极低的速度下，无法模拟车辆正常行驶速度下的动水压力对沥青混合料的作用。并且没有形成行业认可的评价动水压力作用下沥青路面性能变化的实验方法和评价标准。

根据美国研究机构1964年对AASHTO试验路的研究成果显示，路面结构内部孔隙中存在自由水时，每一次重复轴载作用高速经过的过程中，轮胎与路面之间的水膜会形成很强的动水冲刷作用，内部孔隙中的自由水则会形成强烈的冲刷泵吸作用，这种情况下所产生的结构损坏比路面干燥状态下要高出40倍以上，由此可见动态水作用对沥青路面造成的损害之严重。

由于缺乏实验设备和试验方法，导致对动水压力作用下沥青面层水损坏的研究无法深入进行。为了研究不同车速下冲刷次数、冲刷温度对面层材料水稳定性的影响，有必要开发一种能够模拟实际沥青路面在高速行车速度下所承受的动水冲刷作用的仪器，并在仪器的基础上设计切实可行的动水冲刷作用下沥青面层材料水稳定性试验方法。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术中存在的问题，提供一种沥青路面面层材料动水冲刷试验仪及动水冲刷试验方法。

本发明的技术方案是：沥青路面面层材料动水冲刷试验仪，包括水箱，所述水箱的上端为其开口端，水箱的上端设有支撑板，水箱的中部设有位于水箱内部的支撑体，所述支撑板与支撑体之间设有竖向的转动轴，转动轴的中部设有与转动轴同轴固定的圆盘，圆盘的上表面固定有马歇尔试件固定环；所述水箱右侧面的上端固定有电机，电机的转轴与转动轴的上端之间连接有用于带动所述转动轴转动的皮带；所述支撑板的左端固定有水枪，水枪的枪头向下并与马歇尔试件固定环相对；所述水箱内部位于支撑体下方的位置设有温度传感器、加热体以及与水箱外部相连通的排水管；所述排水管连接有用于排水的水泵；该沥青路面面层材料动水冲刷试验仪还包括控制箱，所述电机、水枪、水泵、温度传感器以及加热体分别与控制箱电连接。

较佳地，所述支撑板和支撑体上均设有轴承，所述转动轴通过轴承设于支撑板与支撑体之间。

较佳地，所述转动轴的上端以及电机的转轴上均轴连接有皮带轮，所述皮带通过所述皮带轮连接电机与转动轴。

较佳地，所述控制箱上设有水温控制表盘、冲刷力控制表盘、圆盘转速控制表盘以及水泵控制表盘。

较佳地，所述加热体为U形加热管。

较佳地，所述马歇尔试件固定环的数量为2个或4个；当其数量为2个时，则该2个马歇尔试件固定环以圆盘的圆心为对称中心固定于圆盘上；当其数量为4个时，则以2个马歇尔试件固定环为一组分为两组，且该两组马歇尔试件固定环以圆盘的圆心为对称中心固定于圆盘上。

沥青路面面层材料动水冲刷试验方法，包括如下步骤：

1)注水：向水箱中注水，注水高度高于温度传感器5～6cm，且低于转动轴最低点4cm以上；

2)控温：注水完毕后，调节水温控制表盘将水温设定到实验所需的温度范围；

3)固定试件：水温到达实验所需温度后将马歇尔试件固定在圆盘上的马歇尔试件固定环中；

4)调整试验参数：通过冲刷力控制表盘设定实验所需的动水压力值，然后调节圆盘转速控制表盘将圆盘转速调到与动水冲刷力相对应的速度；

5)启动设备，冲刷试验开始：对皮带、圆盘、电机以及高压水泵进行检查，使用透明板体放置于支撑板上对水箱进行封闭，启动水枪、圆盘，使它们同时开始运转，通过透明板体观察马歇尔试件的冲刷情况、设备运行状况；

6)试验指标测定：到达规定的冲刷次数后，关闭冲刷力控制表盘、圆盘转速控制表盘，取出经过冲刷处理后的马歇尔试件，分别测试马歇尔试件的质量损失、冲刷后形成的的坑槽深度、劈裂强度指标，记录试验数据。

较佳地，如模拟饱水沥青路面夏季的自由水温度，则将所述实验温度设为45℃作为高温特征值；如模拟饱水沥青路面冬季的自由水温度，则将所述实验温度设为5℃作为低温特征值；如模拟饱水沥青路面春季、秋季的自由水温度，则将所述实验温度设为5℃与45℃的中间值25℃作为温度特征值。

较佳地，模拟沥青路面一年的冲刷次数时选取50000次作为最终的冲刷次数，同时在冲刷过程中记录下分别冲刷10000次、30000次、50000次时，马歇尔试件的坑槽深度、劈裂强度、质量损失。

较佳地，试验中的冲刷力的确定方法为：选取道路实测的孔隙水压力值，使用高压水枪冲刷模拟实际道路的孔隙水压力测量模型，不断调整水枪压力值，直到孔隙水压力传感器的压力值达到车速为40km/h、60km/h、80km/h时路面上的实测孔隙水压力值，记录此时对应于各车速的动水压力值，最终得到40km/h、60km/h、80km/h车速对应的水枪压力值；对于试验中圆盘转速的选取，通过调节圆盘的转速来控制水枪与马歇尔试件的相对速度，使之与模拟车速经过马歇尔试件的时间相等；

对圆盘转速的确定方法：实际路面上，设轮胎接地长度为s，马歇尔试件直径为d，则轮胎完全经过马歇尔试件所走的距离为s+2d；

设车速为v时，则经过马歇尔试件的时间t₁，单位为秒，

对于圆盘来说，设转速为nr/s，则其相应的角速度为2πn rad/s，有效半径为r；马歇尔试件的线速度v1＝2πn r；

则水枪经过的距离为马歇尔试件的直径d加上水枪喷嘴的直径；由于水枪喷嘴的直径比较小，则对其忽略不计，因此，水枪经过的马歇尔试件的距离为d，所需的时间为t₂，

令t1＝t2，则得到要模拟的车速所对应的圆盘转速n，

解得

模拟40km/h，60km/h,80km/h的车速，经计算，相应的圆盘转速依次为，n₄₀＝210r/min，n₆₀＝300r/min，n₈₀＝420r/min。

本发明的有益效果：本发明水箱中圆盘通过转动轴带动进行高速旋转，这样就避免了传统试验设备中的水平往返运动速度过低的缺点，使得本试验仪能够模拟汽车的高速运动。水枪固定在水箱上方，高压水流从水枪喷射出去冲刷固定在高速旋转圆盘上的马歇尔试件。水泵通过水泵进水管从水箱中抽水，水枪冲刷位于圆盘上的马歇尔试件，水流回到水箱中，形成水流的循环，并通过控制水温、圆盘转速和水枪压力来模拟实际温度环境下不同车速时路面的动水压力。

本发明的技术优点具体如下：

1、得益于圆盘的高速运转，可以模拟高速行车引起的瞬时冲刷；

2、冲刷机每小时可以进行数万次的冲刷，试验效率高；

3、以马歇尔试件在动水冲刷后形成的坑槽深度、劈裂强度、质量损失为指标，可以分析冲刷次数、水流温度、冲刷力等因素对试验指标的影响；

4、同时还可以研究不同类型改性沥青、石料、级配对混合料抗动水冲刷性能的影响。

附图说明

图1是本发明的沥青路面面层材料动水冲刷试验仪结构示意图；

图2是轮胎与地面作用示意图；

图3是沥青路面面层材料动水冲刷试验仪的圆盘结构示意图。

附图标记说明：1、水枪；2、支撑板；3、轴承；4、皮带轮；5、转动轴；6、皮带；7、电机；8、马歇尔试件固定环；9、圆盘；10、支撑体；11、温度传感器；12、加热体；13、排水管；14、水箱。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

本发明提供了一种沥青路面面层材料动水冲刷试验仪及动水冲刷试验方法，如图1所示，本沥青路面面层材料动水冲刷试验仪包括水箱14，所述水箱14的上端为其开口端，水箱14的上端设有支撑板2，水箱14的中部设有位于水箱14内部的支撑体10，所述支撑板2与支撑体10之间设有竖向的转动轴5，转动轴5的中部设有与转动轴5同轴固定的圆盘9，圆盘9的上表面固定有马歇尔试件固定环8；所述水箱14右侧面的上端固定有电机7，电机7的转轴与转动轴5的上端之间连接有用于带动所述转动轴5转动的皮带6；所述支撑板2的左端固定有水枪1，水枪1的枪头向下并与马歇尔试件固定环8相对；所述水箱14内部位于支撑体10下方的位置设有温度传感器11、加热体12以及与水箱14外部相连通的排水管13；所述排水管13连接有用于排水的水泵；该沥青路面面层材料动水冲刷试验仪还包括控制箱，所述电机7、水枪1、水泵、温度传感器11以及加热体12分别与控制箱电连接。本实施例的水箱中圆盘通过转动轴带动进行高速旋转，这样就避免了传统试验设备中的水平往返运动速度过低的缺点，使得本设备能够模拟汽车的高速运动。水枪固定在水箱上方，高压水流从水枪喷射出去冲刷固定在高速旋转圆盘上的马歇尔试件。水泵通过水泵进水管从水箱中抽水，水枪冲刷位于圆盘上的马歇尔试件，水流回到水箱中，形成水流的循环，并通过控制水温、圆盘转速和水枪压力来模拟实际温度环境下不同车速时路面的动水压力。

进一步地，所述支撑板2和支撑体10上均设有轴承3，所述转动轴5通过轴承3设于支撑板2与支撑体10之间。

进一步地，所述转动轴5的上端以及电机7的转轴上均轴连接有皮带轮4，所述皮带6通过所述皮带轮4连接电机7与转动轴5。

进一步地，所述控制箱上设有水温控制表盘、冲刷力控制表盘、圆盘转速控制表盘以及水泵控制表盘。本发明的控制箱内设有相应的微处理器，通过微处理器来协调并控制各个工作部件(包括水枪、电机、温度传感器、水泵，各控制表盘等)的运行，控制箱的内部电路控制结构为现有技术，在此不再赘述。

进一步地，所述加热体12为U形加热管。

进一步地，所述马歇尔试件固定环8的数量为2个或4个；当其数量为2个时，则该2个马歇尔试件固定环8以圆盘9的圆心为对称中心固定于圆盘9上；当其数量为4个时，则以2个马歇尔试件固定环8为一组分为两组，且该两组马歇尔试件固定环8以圆盘9的圆心为对称中心固定于圆盘9上。

本发明的沥青路面面层材料动水冲刷试验方法，包括如下步骤：

1)注水：向水箱中注水，注水高度高于温度传感器5～6cm，且低于转动轴最低点4cm以上；

2)控温：注水完毕后，调节水温控制表盘将水温设定到实验所需的温度范围；如实验所需温度为25℃时，可将温控表下限设为24℃，上限设定为26℃，这样水温将会控制在24～26℃范围内；

3)固定试件：水温到达实验所需温度后将马歇尔试件固定在圆盘上的马歇尔试件固定环中；圆盘上共有有4个固定环，因此最多可以放置4个马歇尔试件，为了防止圆盘转动时受力不均匀产生的附加力，要求马歇尔试件对称放置，因此只能同时放置2个或4个；

4)调整试验参数：通过冲刷力控制表盘设定实验所需的动水压力值，然后调节圆盘转速控制表盘将圆盘转速调到与动水冲刷力相对应的速度；

5)启动设备，冲刷试验开始：对皮带、圆盘、电机以及高压水泵进行检查，使用透明板体放置于支撑板上对水箱进行封闭，启动水枪、圆盘，使它们同时开始运转，通过透明板体观察马歇尔试件的冲刷情况、设备运行状况；

6)试验指标测定：到达规定的冲刷次数后，关闭冲刷力控制表盘、圆盘转速控制表盘，取出经过冲刷处理后的马歇尔试件，分别测试马歇尔试件的质量损失、冲刷后形成的的坑槽深度、劈裂强度指标，记录试验数据。

本发明的沥青面层材料动水冲刷试验仪的工作过程如下：实验前向水箱中注水，注水高度高于温度传感器5～6cm，且低于圆盘固定轴最低点4cm以上，注水完毕后，调节水温控制表盘将水温设定到实验温度范围，如实验温度为25℃时，可将温控表下限设为24℃，上限设定为26℃，这样水温将会控制在24～26℃范围内；水温到达实验温度后将马歇尔试件放在圆盘上的马歇尔试件固定环中(圆盘上共有4个固定环，因此最多可以放置4个马歇尔试件，为了防止圆盘转动时受力不均匀产生的附加力，要求马歇尔试件对称放置，因此只能同时放置2个或4个)；之后通过冲刷力控制表盘设定实验所需的动水压力值，然后调节圆盘转速控制表盘将圆盘转速调到与动水冲刷力相对应的速度；检查皮带、圆盘、电机、高压水泵等，将两块钢化玻璃对齐放置在支撑板左右两侧将水箱封闭。启动冲刷力控制表、圆盘转速控制表，可通过钢化玻璃观察马歇尔试件的冲刷情况、设备运行状况。

本发明试验参数的选取具体如下：

温度：饱水沥青路面夏季的自由水温度与45℃比较接近，取45℃作为高温特征值；冬季温度降低到0℃以下后，自由水即凝结成冰，取5℃作为低温特征值；取5℃与45℃的中间值25℃作为春季、秋季水流的平均温度。

冲刷次数：以长春地区为例，根据统计数据显示，在1961～1990年间，长春地区平均降雨天数为61.9天，能够产生冲刷作用的天数在50天左右；一般情况下，普通沥青路面单车道年平均日交通量为2000辆左右，饱水沥青路面路况受到严重影响，平均日交通量降为1000辆左右，也就是说每年一般沥青路面单车道受到的动水冲刷次数为1000×50＝50000次。因此，选取50000次作为最终的冲刷次数，也就是研究一年沥青路面受到的动水冲刷情况，记录冲刷10000次、30000次、50000次时，马歇尔试件的坑槽深度、劈裂强度、质量损失。

冲刷力：冲刷力的选取道路实测的孔隙水压力值，使用高压水枪冲刷孔隙水压力测量模型，不断调整水枪压力值，直到孔隙水压力传感器的压力值达到车速为40km/h、60km/h、80km/h时路面上实测值，记录此时各车速所对应的动水压力值。由第二章进行的孔隙水压力的实测数据可知，当车速为40km/h、60km/h、80km/h时，饱水沥青路面上面层与中面层交界处产生的最大孔隙水压力分别为161.351kpa，209.692kpa，324.245kpa，高压水泵所对应的读数分别为1201.3kpa，1863.4kpa，2561.6kpa。(试验中的冲刷力的具体确定方法即在实际道路内埋设了动水压力测试的传感器，埋深为路面下两厘米，然后测试了不同车速下动水压力的大小。在室内制作试件，传感器埋置在同样深度，通过水枪喷射测试，取得使传感器达到相应车速下动水压力值的对应水枪压力值大小。这样对于不同转速模拟的不同车速情况，我们就有了对应的水枪冲刷力值。)要产生相应车速下与轮胎荷载相同的最大孔隙水压力值，高压水泵的压强要增大为相应孔隙水压力的7～9倍。之所以需要如此大的水泵压强，主要是路面结构层内部，尤其是上面层与中面层之间缝隙发达，孔隙水受压下迅速流动，无法积聚，因此不能产生很高的压强。

圆盘转速的选取：仅仅通过冲刷力，还不足以模拟不同车速下，动水压力对沥青路面的冲刷作用。不同车速下，轮胎经过某一截面所用的时间不同，也就是说，不同车速下，动水压力对沥青路面的冲刷时间不同。因此要完整的模拟动水压力对沥青路面面层材料的冲刷作用，既要控制相应的冲刷力，也要控制冲刷力作用的时间，使之与相应车速下的作用时间相等。动水冲刷试验使用马歇尔试件作为标准试件，要求实际沥青路面上不同车速下轮胎经过马歇尔试件所需的时间与室内模拟相应车速的高压水流冲刷马歇尔试件的时间相等。由于水枪与马歇尔试件的运动方式是水枪固定，马歇尔试件随圆盘绕固定轴转动。因此，可通过调节圆盘的转速来控制水枪与马歇尔试件的相对速度，使之与模拟车速经过马歇尔试件的时间相等。

如图2所示：实际路面上，轮胎接地长度s马歇尔试件直径d。则轮胎完全经过马歇尔试件所走的距离为s+2d

设车速为v时，则经过马歇尔试件的时间t₁(单位：s)，

对于圆盘来说，设转速为nr/s，则其相应的角速度为2πn rad/s，有效半径为r。马歇尔试件的线速度v1＝2πn r。

水枪经过的距离为马歇尔试件的直径d加上水枪喷嘴的直径。水枪喷嘴的直径2mm，可忽略不计，因此，水枪经过的马歇尔试件的距离为d。所需的时间为t₂，

令t1＝t2，可得到要模拟的车速所对应的圆盘转速n，

解得

模拟40km/h，60km/h,80km/h的车速，则相应的圆盘转速应为，n₄₀＝210r/min，n₆₀＝300r/min，n₈₀＝420r/min。

综上所述，不同车速所对应的水枪压力、圆盘转速，如表2所示

试验数据的取得和结果的处理

按照最佳沥青含量以及标准方法成型的马歇尔试件，在冲刷试验前放入与冲刷水温相同的恒温水箱中饱水12h，以四块马歇尔试件为一组，一定冲刷条件和冲刷次数下，测定坑槽深度、劈裂强度、质量损失，具体测量方法如下所述：

坑槽深度：使用游标卡尺测定马歇尔试件冲刷槽左、中、右3个不同区域的冲刷深度。并将3处冲刷深度取平均值作为相应实验条件下该试件的冲刷深度，四块马歇尔试件为一组，游标卡尺的精度为0.02mm。

劈裂强度：劈裂强度可通过MTS试验机等设备间接测定，计算公式如下：R_T＝0.006287P_T/h

式中：R_T——劈裂强度，MPa

P_T——荷载最大值，N

h——试件高度，mm

质量损失：进行试验前，在水箱底部铺一层细网，网孔直径0.075cm，并将细网四周折起5cm，用小磁铁块儿将其固定在水箱壁上。这样，在进行动水冲刷的过程中，从马歇尔试件上掉落的颗粒就会在细网上聚集。在相应的冲刷次数后，小心提起细网并收集细网上的颗粒，将颗粒在105℃的烘箱中烘至恒温，用电子称称量质量损失，电子称的精度为0.01g。

通过所取得的试验数据可以研究动水冲刷作用对混合料性能的影响规律，可以考虑的相关影响因素有车速、冲刷次数、改性材料、空隙率等。

本发明的沥青面层动水冲刷试验仪，其圆盘转速的控制以及水枪压力的选取如下：

水枪压力的选取：冲刷力的选取依据实际沥青路面上不同车速下的孔隙水压力：使用高压水枪冲刷沥青路面，不断调整水枪压力值，测量并记录不同水枪冲刷力作用下沥青路面内部的孔隙水压力，得出孔隙水压力与水枪冲刷力的关系，然后根据实际沥青路面上车速与孔隙水压力之间关系的实测数据，建立车速与水枪冲刷力的关系。当车速为40km/h、60km/h、80km/h时，车速、孔隙水压力、水枪压力的对应关系为：

表1不同车速下对应的孔隙水压力和水枪压强

圆盘转速的控制：不同车速下，轮胎经过某一截面所用的时间不同，也就是说，不同车速下，动水压力对沥青路面的冲刷时间不同。因此要完整的模拟动水压力对沥青路面面层材料的冲刷作用，既要控制相应的冲刷力，也要控制冲刷力作用的时间，使之与相应车速下的作用时间相等。动水冲刷试验使用马歇尔试件作为标准试件，要求实际沥青路面上不同车速下轮胎经过马歇尔试件所需的时间与室内模拟相应车速的高压水流冲刷马歇尔试件的时间相等。由于水枪与马歇尔试件的运动方式是水枪固定，马歇尔试件随圆盘绕固定轴转动。因此，可通过调节圆盘的转速来控制水枪与马歇尔试件的相对速度，使之与模拟车速经过马歇尔试件的时间相等。

如图2所示：实际路面上，轮胎接地长度s，马歇尔试件直径d。则轮胎完全经过马歇尔试件所走的距离为s+2d。

设车速为v时，则经过马歇尔试件的时间t₁(单位：s)，则

圆盘的示意图如图3所示，对于圆盘来说，设转速为n r/s，则其相应的角速度为2πn rad/s，有效半径为r。马歇尔试件的线速度v1＝2πn r。

水枪经过的距离为马歇尔试件的直径d加上水枪喷嘴的直径。水枪喷嘴的直径2mm，可忽略不计，因此，水枪经过的马歇尔试件的距离为d。所需的时间为t₂，

令t₁＝t₂，可得到要模拟的车速所对应的圆盘转速n，

解得

模拟车速为40km/h，60km/h，80km/h的车速，则相应的圆盘转速应为，n₄₀＝210r/min，n₆₀＝300r/min，n₈₀＝420r/min。

综上所述，每个车速所对应的水枪压力、圆盘转速，如表2所示：

表2车速与水枪压力、圆盘转速的对应关系

根据本发明的试验方法进行试验采集试验数据，处理数据并对试验结果进行分析。

1)坑槽深度的影响因素分析

不同温度、冲刷次数、冲刷力条件下马歇尔试件坑槽深度试验结果如下表3所示。

表3坑槽深度与各影响因素关系试验结果

温度不变的情况下，每种冲刷力作用下，坑槽的深度随冲刷次数的增加而增加，两者呈现出明显的幂函数关系，以h表示坑槽深度，N表示冲刷次数，则有：

h＝cN^a

其中c，a为回归系数，两者受冲刷温度、冲刷力的影响，高压水流温度越高，冲刷力越大，c，a越大。

所选的三种冲刷力对应三种行车速度，车速越大，孔隙水压力越大，沥青路面承受的水流冲刷作用越大，但汽车经过某一截面的时间越短，水流的冲刷作用也越短，对沥青路面的损害时间也就越短。车速越低，孔隙水压力越小，水流对路面的冲刷作用越弱，但冲刷时间越长。试验结果显示，其他条件一样的情况下，冲刷力越大，形成的坑槽深度越大，材料剥落量越大，对沥青路面的损坏越严重。也就是说，车速越大，饱水沥青路面受到的水流冲刷作用也严重。

2)劈裂强度的影响因素分析

不同温度、冲刷次数、冲刷力条件下马歇尔试件劈裂强度试验结果如下表4所示。

表4劈裂强度与各影响因素关系试验结果

由试验结果可知，水流温度增加，马歇尔试件的劈裂强度降低；通过不同水流冲刷力下马歇尔试件的劈裂强度对比可知，冲刷力越大，马歇尔试件的劈裂强度越低；综合分析以上不同温度、不同冲刷力作用下，坑槽深度与高压水流的冲刷次数呈现出幂函数的关系，以K表示劈裂强度，以n表示冲刷次数，则两者的关系可以表示为，

K＝rN^p

P，r为回归系数，其中p<0。

3)质量损失的影响因素分析

不同温度、冲刷次数、冲刷力条件下马歇尔试件质量损失试验结果如下表5所示。

表5质量损失与各影响因素关系试验结果

质量损失反映实际沥青路面在动水冲刷作用下产生的掉粒，形成坑槽的过程，同一温度下，质量损失随冲刷力的增加而增加，也就是说实际路面受到的动水冲刷破坏与车速成正相关。饱水沥青路面，行车速度越大，动水压力对沥青路面面层材料的冲刷作用越严重。

由表中试验数据可知，水流的温度越大，马歇尔试件的质量损失越严重，实际沥青路面受到动水冲刷作用的破坏越严重。也就是说，饱水沥青路面面层材料夏天受到的动水破坏远比其他季节受到的破坏作用严重。

综上所述，本发明水箱中圆盘通过转动轴带动进行高速旋转，这样就避免了传统试验设备中的水平往返运动速度过低的缺点，使得本试验仪能够模拟汽车的高速运动。水枪固定在水箱上方，高压水流从水枪喷射出去冲刷固定在高速旋转圆盘上的马歇尔试件。水泵通过水泵进水管从水箱中抽水，水枪冲刷位于圆盘上的马歇尔试件，水流回到水箱中，形成水流的循环，并通过控制水温、圆盘转速和水枪压力来模拟实际温度环境下不同车速时路面的动水压力。

本发明的技术优点具体如下：

1、得益于圆盘的高速运转，可以模拟高速行车引起的瞬时冲刷；

2、冲刷机每小时可以进行数万次的冲刷，试验效率高；

3、以马歇尔试件在动水冲刷后形成的坑槽深度、劈裂强度、质量损失为指标，可以分析冲刷次数、水流温度、冲刷力等因素对试验指标的影响；

4、同时还可以研究不同类型改性沥青、石料、级配对混合料抗动水冲刷性能的影响。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.沥青路面面层材料动水冲刷试验仪，包括水箱(14)，其特征在于，所述水箱(14)的上端为其开口端，水箱(14)的上端设有支撑板(2)，水箱(14)的中部设有位于水箱(14)内部的支撑体(10)，所述支撑板(2)与支撑体(10)之间设有竖向的转动轴(5)，转动轴(5)的中部设有与转动轴(5)同轴固定的圆盘(9)，圆盘(9)的上表面固定有马歇尔试件固定环(8)；所述水箱(14)右侧面的上端固定有电机(7)，电机(7)的转轴与转动轴(5)的上端之间连接有用于带动所述转动轴(5)转动的皮带(6)；所述支撑板(2)的左端固定有高压水枪(1)，高压水枪(1)的枪头向下并与马歇尔试件固定环(8)相对；所述水箱(14)内部位于支撑体(10)下方的位置设有温度传感器(11)、加热体(12)以及与水箱(14)外部相连通的排水管(13)；所述排水管(13)连接有用于排水的高压水泵；

该沥青路面面层材料动水冲刷试验仪还包括控制箱，所述电机(7)、高压水枪(1)、高压水泵、温度传感器(11)以及加热体(12)分别与控制箱电连接；

其中，基于该沥青路面面层材料动水冲刷试验仪的沥青路面面层材料动水冲刷试验方法包括如下步骤：

1)注水：向水箱中注水，注水高度高于温度传感器5～6cm，且低于转动轴最低点4cm以上；

2)控温：注水完毕后，调节水温控制表盘将水温设定到实验所需的温度范围；

3)固定试件：水温到达实验所需温度后将马歇尔试件固定在圆盘上的马歇尔试件固定环中；

4)调整试验参数：通过动水冲刷力控制表盘设定实验所需的动水压力值，然后调节圆盘转速控制表盘将圆盘转速调到与动水冲刷力相对应的速度；

5)启动设备，冲刷试验开始：对皮带、圆盘、电机以及高压水泵进行检查，使用透明板体放置于支撑板(2)上对水箱进行封闭，启动高压水枪(1)、圆盘(9)，使它们同时开始运转，通过透明板体观察马歇尔试件的冲刷情况、设备运行状况；

6)试验指标测定：到达规定的冲刷次数后，关闭动水冲刷力控制表盘、圆盘转速控制表盘，取出经过冲刷处理后的马歇尔试件，分别测试马歇尔试件的质量损失、冲刷后形成的坑槽深度、劈裂强度指标，记录试验数据；

试验中的动水冲刷力的确定方法为：选取道路实测的孔隙水压力值，使用高压水枪冲刷模拟实际道路的孔隙水压力测量模型，不断调整高压水枪压力值，直到孔隙水压力传感器的压力值达到车速为40km/h、60km/h、80km/h时路面上的实测孔隙水压力值，记录此时对应于各车速的动水压力值，即孔隙水压力值，最终得到40km/h、60km/h、80km/h车速对应的高压水枪压力值；对于试验中圆盘转速的选取，通过调节圆盘的转速来控制高压水枪与马歇尔试件的相对速度，使之与模拟车速经过马歇尔试件的时间相等；

对圆盘转速的确定方法：实际路面上，设轮胎接地长度为s，马歇尔试件直径为d，则轮胎完全经过马歇尔试件所走的距离为s+2d；

设车速为v时，则经过马歇尔试件的时间t₁，单位为秒，

对于圆盘来说，设转速为nr/s，则其相应的角速度为2πn rad/s，有效半径为r；马歇尔试件的线速度v1＝2πn r；

则高压水枪经过的距离为马歇尔试件的直径d加上高压水枪喷嘴的直径；由于高压水枪喷嘴的直径比较小，则对其忽略不计，因此，高压水枪经过的马歇尔试件的距离为d，所需的时间为t₂，

令t1＝t2，则得到要模拟的车速所对应的圆盘转速n，

解得

模拟40km/h，60km/h,80km/h的车速，经计算，相应的圆盘转速依次为，

n₄₀＝210r/min，n₆₀＝300r/min，n₈₀＝420r/min。

2.如权利要求1所述的沥青路面面层材料动水冲刷试验仪，其特征在于，所述支撑板(2)和支撑体(10)上均设有轴承(3)，所述转动轴(5)通过轴承(3)设于支撑板(2)与支撑体(10)之间。

3.如权利要求1所述的沥青路面面层材料动水冲刷试验仪，其特征在于，所述转动轴(5)的上端以及电机(7)的转轴上均轴连接有皮带轮(4)，所述皮带(6)通过所述皮带轮(4)连接电机(7)与转动轴(5)。

4.如权利要求1所述的沥青路面面层材料动水冲刷试验仪，其特征在于，所述控制箱上设有水温控制表盘、动水冲刷力控制表盘、圆盘转速控制表盘以及高压水泵控制表盘。

5.如权利要求1所述的沥青路面面层材料动水冲刷试验仪，其特征在于，所述加热体(12)为U形加热管。

6.如权利要求1所述的沥青路面面层材料动水冲刷试验仪，其特征在于，所述马歇尔试件固定环(8)的数量为2个或4个；当其数量为2个时，则该2个马歇尔试件固定环(8)以圆盘(9)的圆心为对称中心固定于圆盘(9)上；当其数量为4个时，则以2个马歇尔试件固定环(8)为一组分为两组，且该两组马歇尔试件固定环(8)以圆盘(9)的圆心为对称中心固定于圆盘(9)上。

7.沥青路面面层材料动水冲刷试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)注水：向水箱中注水，注水高度高于温度传感器5～6cm，且低于转动轴最低点4cm以上；

2)控温：注水完毕后，调节水温控制表盘将水温设定到实验所需的温度范围；

3)固定试件：水温到达实验所需温度后将马歇尔试件固定在圆盘上的马歇尔试件固定环中；

4)调整试验参数：通过动水冲刷力控制表盘设定实验所需的动水压力值，然后调节圆盘转速控制表盘将圆盘转速调到与动水冲刷力相对应的速度；

5)启动设备，冲刷试验开始：对皮带、圆盘、电机以及高压水泵进行检查，使用透明板体放置于支撑板(2)上对水箱进行封闭，启动高压水枪(1)、圆盘(9)，使它们同时开始运转，通过透明板体观察马歇尔试件的冲刷情况、设备运行状况；

6)试验指标测定：到达规定的冲刷次数后，关闭动水冲刷力控制表盘、圆盘转速控制表盘，取出经过冲刷处理后的马歇尔试件，分别测试马歇尔试件的质量损失、冲刷后形成的坑槽深度、劈裂强度指标，记录试验数据；

试验中的动水冲刷力的确定方法为：选取道路实测的孔隙水压力值，使用高压水枪冲刷模拟实际道路的孔隙水压力测量模型，不断调整高压水枪压力值，直到孔隙水压力传感器的压力值达到车速为40km/h、60km/h、80km/h时路面上的实测孔隙水压力值，记录此时对应于各车速的动水压力值，即孔隙水压力值，最终得到40km/h、60km/h、80km/h车速对应的高压水枪压力值；对于试验中圆盘转速的选取，通过调节圆盘的转速来控制高压水枪与马歇尔试件的相对速度，使之与模拟车速经过马歇尔试件的时间相等；

对圆盘转速的确定方法：实际路面上，设轮胎接地长度为s，马歇尔试件直径为d，则轮胎完全经过马歇尔试件所走的距离为s+2d；

设车速为v时，则经过马歇尔试件的时间t₁，单位为秒，

对于圆盘来说，设转速为n r/s，则其相应的角速度为2πn rad/s，有效半径为r；马歇尔试件的线速度v1＝2πn_r；

则高压水枪经过的距离为马歇尔试件的直径d加上高压水枪喷嘴的直径；由于高压水枪喷嘴的直径比较小，则对其忽略不计，因此，高压水枪经过的马歇尔试件的距离为d，所需的时间为t₂，

令t1＝t2，则得到要模拟的车速所对应的圆盘转速n，

解得

模拟40km/h，60km/h,80km/h的车速，经计算，相应的圆盘转速依次为，

n₄₀＝210r/min，n₆₀＝300r/min，n₈₀＝420r/min；

其中，该沥青路面面层材料动水冲刷试验方法所采用的沥青路面面层材料动水冲刷试验仪包括水箱(14)，所述水箱(14)的上端为其开口端，水箱(14)的上端设有支撑板(2)，水箱(14)的中部设有位于水箱(14)内部的支撑体(10)，所述支撑板(2)与支撑体(10)之间设有竖向的转动轴(5)，转动轴(5)的中部设有与转动轴(5)同轴固定的圆盘(9)，圆盘(9)的上表面固定有马歇尔试件固定环(8)；所述水箱(14)右侧面的上端固定有电机(7)，电机(7)的转轴与转动轴(5)的上端之间连接有用于带动所述转动轴(5)转动的皮带(6)；所述支撑板(2)的左端固定有高压水枪(1)，高压水枪(1)的枪头向下并与马歇尔试件固定环(8)相对；所述水箱(14)内部位于支撑体(10)下方的位置设有温度传感器(11)、加热体(12)以及与水箱(14)外部相连通的排水管(13)；所述排水管(13)连接有用于排水的高压水泵；该沥青路面面层材料动水冲刷试验仪还包括控制箱，所述电机(7)、高压水枪(1)、高压水泵、温度传感器(11)以及加热体(12)分别与控制箱电连接。

8.如权利要求7所述的沥青路面面层材料动水冲刷试验方法，其特征在于，如模拟饱水沥青路面夏季的自由水温度，则将实验温度设为45℃作为高温特征值；如模拟饱水沥青路面冬季的自由水温度，则将实验温度设为5℃作为低温特征值；如模拟饱水沥青路面春季、秋季的自由水温度，则将实验温度设为5℃与45℃的中间值25℃作为温度特征值。

9.如权利要求7所述的沥青路面面层材料动水冲刷试验方法，其特征在于，模拟沥青路面一年的冲刷次数时选取50000次作为最终的冲刷次数，同时在冲刷过程中记录下分别冲刷10000次、30000次、50000次时，马歇尔试件的坑槽深度、劈裂强度和质量损失。