CN106610363B - 一种多功能沥青混合料动水冲刷试验装置及试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于道路工程材料性能测试技术领域，涉及一种水、温度、荷载耦合作用的多功能沥青混合料动水冲刷试验装置及相应试验方法。试验装置包括上冲刷桶、下冲刷桶、法兰盘、上水压表、下水压表、上水管、下水管、上阀门、下阀门、恒温水槽、活塞、气阀、车轮、加载弹簧、导向棒、连接构件、转接配件等。本发明可实现对沥青混合料试件上表面进行半动水冲刷，更真实地模拟实际沥青路面表面受到车辆轮胎所引起的动水冲刷作用，试验环境与实际工况接近，试验结果真实准确。通过垫高套筒可实现对不同高度的沥青混合料试件进行动水冲刷试验，突破了传统马歇尔试件的尺寸限制，使得冲刷前后沥青混合料性能变化的试验测试方法和评价指标更为丰富，试验结果更加合理可靠。

Description

一种多功能沥青混合料动水冲刷试验装置及试验方法
技术领域
本发明属于道路工程材料性能测试技术领域，具体涉及一种水、温度、荷载耦合作用的多功能沥青混合料动水冲刷试验装置及相应试验方法。
背景技术
雨天降水会使得沥青路面表层被水膜所覆盖，当车辆驶过时，轮胎会将前方的水挤压至道路表面空隙中，产生动水压力；当轮胎通过后，会在后方产生真空负压，将空隙中的水抽吸出来。这种循环反复的挤压和抽吸过程所形成的动水压力会对沥青路面表层不断进行冲刷，逐渐将沥青膜从集料表面剥离，导致沥青混合料出现松散、坑槽，最终造成沥青路面的水损害，该问题在降雨丰富、交通量大的地区尤为严重。因此，采用合适的试验装置和方法来有效模拟水对沥青路面的作用并定量进行评价分析是具有重要意义。
我国现行规范要求采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验来评价沥青混合料的水稳定性，是将沥青混合料试件采用浸水或冻融循环等方式进行水作用养生后再测试性能指标的变化，属于静水作用，这与沥青路面实际受到的动水冲刷作用相差较大。
目前，已有学者针对沥青混合料动水冲刷问题展开试验研究，主要是采用外力驱使水对沥青混合料反复挤压和抽吸以形成动水冲刷，却未真正将荷载引入并与水、温度进行耦合作用分析。此外，现有研究均是将沥青混合料试件的多面或整体浸没水中来受到动水冲刷作用，即全动水冲刷，但实际的动水冲刷现象却是发生在沥青路面表层，属于半动水冲刷。同时，由于沥青混合料马歇尔试件尺寸的限制，现有研究针对动水冲刷前后沥青混合料性能变化的试验测试方法和评价指标并不丰富。
因此，为更真实模拟沥青路面受到车辆轮胎所引起的动水冲刷作用，急需开发一种能真正综合考虑水、温度、荷载等因素耦合作用的多适用性、多功能沥青混合料动水冲刷试验装置。
发明内容
本发明的目的是为了更真实模拟汽车轮胎驶过对沥青路面所产生的动水冲刷作用，在解决现有沥青混合料动水冲刷试验装置无法真正引入直接荷载作用，且并未区分半动水冲刷和全动水冲刷，以及受限于沥青混合料试件尺寸所导致的评价方法不丰富等技术问题的基础上，提供一种水、温度、荷载耦合作用的多功能沥青混合料动水冲刷试验装置和方法。
为达到上述目的，采用技术方案如下。
一种多功能沥青混合料动水冲刷试验装置，包括上冲刷桶、下冲刷桶、法兰盘、上水压表、下水压表、上水管、下水管、上阀门、下阀门、恒温水槽、活塞、气阀、车轮、加载弹簧、导向棒、连接构件、转接配件等。上冲刷桶和下冲刷桶通过法兰盘的螺栓密封连接，内设台阶，配合垫高套筒可用于固定不同高度的沥青混合料试件，且方便安装和拆卸。沥青混合料试件上表面与活塞之间形成上密闭区域，在该区域冲刷桶壁设置上水压表和上水管；沥青混合料试件下表面与下冲刷桶之间形成下密闭区域，在该区域冲刷桶壁设置下水压表和下水管，通过上水管和下水管连接恒温水槽并将水引入冲刷桶内，采用上阀门和下阀门进行水流控制。
本发明的下密闭区域使用圆柱垫块填满，配合上水管将恒温水槽中的水引入上密闭区域，可实现在上密闭区域内对沥青混合料试件上表面进行半动水冲刷。
本发明的活塞上下往复运动，通过连接构件带动导向棒上的车轮在沥青混合料试件上表面水平往复碾压，通过加载弹簧实现车轮对试件上表面施加荷载作用。
本发明的活塞通过竖直方向密封装置与上冲刷桶活动连接，连接车轮的导向棒通过水平方向密封装置与上冲刷桶活动连接，法兰盘连接处也设置密封装置，确保整个装置密封不漏水。
本发明的活塞杆和下冲刷桶可通过不同螺孔大小的转接配件与不同加载设备相连接，使得本发明试验装置可作为具有多适用性的夹具使用。
一种采用如上所述试验装置进行多功能沥青混合料动水冲刷试验的方法，包括以下步骤：
(1)将提前养生至试验温度的沥青混合料试件侧面用乳胶膜包裹后放入冲刷桶内固定，用螺母连接法兰盘，确保整个冲刷桶密封不漏水；
(2)打开活塞上的气阀，打开控制水管的上阀门和下阀门，分别向冲刷桶的上、下密闭区域注满水；
(3)关闭上阀门和活塞上的气阀，保持下阀门打开，驱使活塞上下往复运动，动水压力-0.1MPa—0.9MPa，频率为1Hz—20Hz，恒温水槽中的水不断通过下水管进入冲刷桶内，直至排尽沥青混合料空隙中的空气，关闭下阀门；
(4)按照事先拟定试验参数开展动水冲刷，当活塞向下运动时，会对沥青混合料试件施加正压力；当活塞向上运动时，会对沥青混合料试件施加负压力；活塞的上下往复运动会带动连接构件使得车轮在沥青混合料试件上表面水平方向来回碾压，从而实现水、温度、荷载耦合作用的沥青混合料试件动水冲刷模拟过程。
按上述方案，步骤(1)的沥青混合料试件为直径101.6mm、高度63.5mm马歇尔试件，或者直径100mm、高度150mm旋转压实成型的芯样试件。
按上述方案，步骤(2)注入水的温度为0℃-100℃。
按上述方案，步骤(3)通过下水管在恒温水槽中有气泡冒出来判断冲刷桶内的空气是否排尽。
按上述方案，步骤(4)的试验参数包括冲刷频率、冲刷级别、冲刷温度、冲刷时间，活塞上下往复运动的振幅为1cm-3cm，动水压力为-0.1MPa—0.9MPa，频率为1Hz-20Hz。
按上述方案，步骤(4)中车轮在水平方向来回行走的振幅为3cm，施加轮压为0.7MPa—1.4MPa。
按上述方案，步骤(4)打开下阀门，关闭上阀门，活塞的上下往复运动会产生稳定的动水压力对沥青混合料上、下表面进行冲刷，实现全冲刷模拟过程；使用圆柱垫块填满下密闭区域，打开上阀门，关闭下阀门，活塞的上下往复运动会产生稳定的动水压力对沥青混合料上表面进行冲刷，实现半冲刷模拟过程。
相对于现有技术，本发明具有如下优点及效果：
(1)本发明引入车轮对沥青混合料试件上表面进行水平方向往复碾压，真正将水、温度、荷载等因素耦合进行研究分析；同时，本发明可实现对沥青混合料试件上表面进行半动水冲刷，更真实地模拟实际沥青路面表面受到车辆轮胎所引起的动水冲刷作用，试验环境与实际工况接近，试验结果真实准确。
(2)本发明通过垫高套筒可实现对不同高度的沥青混合料试件进行动水冲刷试验，突破了传统马歇尔试件的尺寸限制，使得冲刷前后沥青混合料性能变化的试验测试方法和评价指标更为丰富，试验结果更加合理可靠。
(3)本发明通过不同螺孔尺寸的转接配件，可实现与不同加载设备匹配连接，使得本发明的试验装置可作为一种具有多适用性的夹具来使用，具有良好的可推广性。
附图说明
图1是本发明的水、温度、荷载耦合作用的多功能沥青混合料动水冲刷试验装置的整体结构剖面图。
图2是本发明的水、温度、荷载耦合作用的多功能沥青混合料动水冲刷试验装置的整体结构侧视图。
1-上冲刷桶；2-下冲刷桶；3-法兰盘；4-上水压表；5-下水压表；6-上水管；7-下水管；8-上阀门；9-下阀门；10-恒温水槽；11-活塞；12-气阀；13-车轮；14-加载弹簧；15-导向棒；16-连接构件；17-转接配件；18-沥青混合料试件；19-垫高套筒；20-竖直方向密封装置；21-水平方向密封装置；22-螺栓；23-上密闭区域；24-下密闭区域。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施方式。
具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的水、温度、荷载耦合作用的多功能沥青混合料动水冲刷试验装置由上冲刷桶1、下冲刷桶2、法兰盘3、上水压表4、下水压表5、上水管6、下水管7、上阀门8、下阀门9、恒温水槽10、活塞11、气阀12、车轮13、加载弹簧14、导向棒15、连接构件16、转接配件17等组成。上冲刷桶1和下冲刷桶2通过法兰盘3的螺栓22密封连接，内设台阶，配合垫高套筒19可用于固定不同高度的沥青混合料试件18，且方便安装和拆卸。沥青混合料试件18上表面与活塞11之间形成上密闭区域23，在该区域23冲刷桶壁设置上水压表4和上水管6；沥青混合料试件18下表面与下冲刷桶2之间形成下密闭区域24，在该区域24冲刷桶壁设置下水压表5和下水管7，通过上水管6和下水管7连接恒温水槽10并将水引入冲刷桶1、2内，采用上阀门8和下阀门9进行水流控制。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本发明试验装置采用实心圆柱垫块填充下密闭区域24，关闭下阀门9，打开上阀门8，配合上水管6将恒温水槽10中的水引入上密闭区域23，可实现在上密闭区域23内对沥青混合料试件18上表面进行半动水冲刷。
具体实施方式三：结合图2说明本实施方式，本发明试验装置的活塞11上下往复运动，通过连接构件16带动导向棒15上的车轮13在沥青混合料试件18上表面水平往复碾压，通过加载弹簧14实现车轮对试件上表面施加荷载作用，荷载大小可通过调节弹簧粗细来控制。其中，车轮13为可更换配件，可采用胶轮和钢轮分别作用于沥青混合料试件19上表面进行对比。
具体实施方式四：结合图2说明本实施方式，本发明试验装置的活塞11通过竖直方向密封装置20与上冲刷桶1活动连接，连接车轮13的导向棒15通过水平方向密封装置21与上冲刷桶1活动连接，法兰盘连接处也设置密封装置，确保整个装置密封不漏水。
具体实施方式五：结合图2说明本实施方式，本发明试验装置的活塞杆11和下冲刷桶2可通过不同螺孔大小的转接配件17与不同加载设备相连接，因此可通过定制不同螺孔大小转接配件使得本发明试验装置可作为具有多适用性的夹具在不同规格型号加载设备MTS、UTM等上连接使用。
具体实施方式六：采用本发明试验装置在水、温度、荷载耦合作用下进行沥青混合料动水冲刷试验的过程是：
(1)将提前养生至试验温度的沥青混合料试件19侧面用乳胶膜包裹后放入上冲刷桶1内并通过垫高套筒19固定，用螺母22连接法兰盘3，确保整个冲刷桶密封不漏水；
(2)打开活塞11上的气阀12，打开控制水管的上阀门8和下阀门9，分别向上冲刷桶1和下冲刷桶2的上密闭区域23、下密闭区域24注满水；
(3)关闭上阀门8和活塞11上的气阀12，保持下阀门9打开，驱使活塞11上下往复运动，动水压力-0.1MPa—0.9MPa，频率为1Hz—20Hz，恒温水槽10中的水不断通过下水管7进入下冲刷桶2内，直至排尽沥青混合料试件18空隙中的空气，关闭下阀门9；
(4)按照事先拟定试验参数开展动水冲刷，当活塞11向下运动时，会对沥青混合料试件18施加正压力；当活塞11向上运动时，会对沥青混合料试件18施加负压力；活塞11的上下往复运动会带动连接构件16使得车轮13在沥青混合料试件18上表面水平方向来回碾压，从而实现水、温度、荷载耦合作用的沥青混合料动水冲刷模拟过程。
(5)重复步骤(1)的操作，并采用实心圆柱垫块填充下密闭区域24，关闭下阀门9，并保持上阀门8打开，配合上水管6将恒温水槽10中的水注满密闭区域23，重复步骤(3)进行排气，重复步骤(4)可实现在上密闭区域23内对沥青混合料试件18上表面进行半动水冲刷。
根据上述方式可较好地实现本发明，能真正综合考虑水、温度、荷载等因素耦合作用的沥青混合料动水冲刷作用，并将半动水冲刷和全动水冲刷区分开来，从而更真实模拟和定量评价沥青路面受车辆轮胎所引起的动水冲刷具体影响。上述具体实施方式仅为本发明的较好实施方式，并非用来限定本发明的实施范围(例如通过加大连接构件16的接触尺寸可使得车轮获得更大行走距离)，据此，凡是依照本发明内容所作出的半动水冲刷试验装置改造和车辆荷载施加模式修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。

Claims (8)

1.一种多功能沥青混合料动水冲刷试验装置，其特征在于包括上冲刷桶、下冲刷桶、法兰盘、上水压表、下水压表、上水管、下水管、上阀门、下阀门、恒温水槽、活塞、气阀、车轮、加载弹簧、导向棒、连接构件、转接配件；上冲刷桶和下冲刷桶通过法兰盘的螺栓密封连接，内设台阶，配合垫高套筒用于固定不同高度的沥青混合料试件，且方便安装和拆卸；沥青混合料试件上表面与活塞之间形成上密闭区域，在该区域冲刷桶壁设置上水压表和上水管；沥青混合料试件下表面与下冲刷桶之间形成下密闭区域，在该区域冲刷桶壁设置下水压表和下水管，通过上水管和下水管连接恒温水槽并将水引入冲刷桶内，采用上阀门和下阀门进行水流控制；
所述活塞上设置气阀，所述活塞通过竖直方向密封装置与上冲刷桶活动连接，连接车轮的导向棒通过水平方向密封装置与上冲刷桶活动连接，活塞上下往复运动，通过连接构件带动导向棒上的车轮在沥青混合料试件上表面水平往复碾压，通过加载弹簧实现车轮对试件上表面施加荷载作用；
活塞杆和下冲刷桶通过不同螺孔大小的转接配件与不同加载设备相连接。
2.如权利要求1所述一种多功能沥青混合料动水冲刷试验装置，其特征在于下密闭区域使用圆柱垫块填满，配合上水管将恒温水槽中的水引入上密闭区域，能实现在上密闭区域内对沥青混合料试件上表面进行半动水冲刷。
3.如权利要求1所述一种多功能沥青混合料动水冲刷试验装置，其特征在于，法兰盘连接处也设置密封装置，确保整个装置密封不漏水。
4.一种采用权利要求1所述试验装置进行多功能沥青混合料动水冲刷试验的方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)将提前养生至试验温度的沥青混合料试件侧面用乳胶膜包裹后放入冲刷桶内固定，用螺母连接法兰盘，确保整个冲刷桶密封不漏水；
(2)打开活塞上的气阀，打开控制水管的上阀门和下阀门，分别向冲刷桶的上、下密闭区域注满水；
(3)关闭上阀门和活塞上的气阀，保持下阀门打开，驱使活塞上下往复运动，动水压力－0.1MPa—0.9MPa，频率为1Hz—20Hz，恒温水槽中的水不断通过下水管进入冲刷桶内，直至排尽沥青混合料空隙中的空气，关闭下阀门；
(4)按照事先拟定试验参数开展动水冲刷，当活塞向下运动时，会对沥青混合料试件施加正压力；当活塞向上运动时，会对沥青混合料试件施加负压力；活塞的上下往复运动会带动连接构件使得车轮在沥青混合料试件上表面水平方向来回碾压，从而实现水、温度、荷载耦合作用的沥青混合料试件动水冲刷模拟过程。
5.如权利要求4所述多功能沥青混合料动水冲刷试验的方法，其特征在于步骤(1)的沥青混合料试件为直径101.6mm、高度63.5mm马歇尔试件，或者直径100mm、高度150mm旋转压实成型的芯样试件。
6.如权利要求4所述多功能沥青混合料动水冲刷试验的方法，其特征在于步骤(2)注入水的温度为0℃－100℃；
步骤(3)通过下水管在恒温水槽中有气泡冒出来判断冲刷桶内的空气是否排尽。
7.如权利要求4所述多功能沥青混合料动水冲刷试验的方法，其特征在于步骤(4)的试验参数包括冲刷频率、冲刷级别、冲刷温度、冲刷时间，活塞上下往复运动的振幅为1cm－3cm，动水压力为－0.1MPa—0.9MPa，频率为1Hz－20Hz；
步骤(4)中车轮在水平方向来回行走的振幅为3cm，施加轮压为0.7MPa—1.4MPa。
8.如权利要求4所述多功能沥青混合料动水冲刷试验的方法，其特征在于步骤(4)中，打开下阀门，关闭上阀门，活塞的上下往复运动会产生稳定的动水压力对沥青混合料上、下表面进行冲刷，实现全冲刷模拟过程；使用圆柱垫块填满下密闭区域，打开上阀门，关闭下阀门，活塞的上下往复运动会产生稳定的动水压力对沥青混合料上表面进行冲刷，实现半冲刷模拟过程。
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