CN107063884A - 一种多场耦合作用下评价排水沥青路面高温性能的实验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多场耦合作用下评价排水沥青路面高温性能的实验装置及试验方法，该实验装置包括动载加载设备、工作箱、测压装置、水压消散装置、温控装置、出水口和固定设备。本发明的实验装置可实现排水沥青路面在动应力场、温度场、水力场共同动态变化下高温性能的评价，测得排水沥青路面在动载作用下的动水压力，并模拟降雨过程变化排水沥青路面高温性能的差异。本发明的实验装置和试验方法可用于研究排水沥青路面在实际使用环境中的破坏，具有非常好的模拟效果。

Description

一种多场耦合作用下评价排水沥青路面高温性能的实验装置 及试验方法

技术领域

本发明涉及一种用于研究排水沥青路面受实际多场耦合作用高温性能评价的实验装置及试验方法，并可用于测定路面动水压力，属于道路工程领域。

背景技术

随着我国公路建设经验的不断积累，人们对路面的使用品质提出了更高的要求，包括提升路面的安全性、舒适性、环境协调性等。国内外的研究数据表明，高速公路雨天事故率是晴天的6～10倍，主要是由雨天导致的路面抗滑性能降低、路表水引起的水漂与水雾造成恶性事故。日本、欧洲、美国等广泛采用排水路面，旨在提高路面安全性以及降低行车噪音。研究发现，采用排水沥青路面可使雨天交通事故降低90％。近两年，国家号召大力发展“海绵城市”，再次将基础设施建设与自然环境相协调放在了重要位置，排水路面对于消除路表径流、降低雨水洪峰具有重要的作用。因此，排水性沥青路面将成为今后道路工作者的研究热点。南方多雨地区，非常适合使用排水沥青路面，但由于排水沥青路面大空隙的特性，受水分侵蚀和光线照射等因素的影响更大，并且长期处在含水的环境中，导致剥落病害严重。同时，我国道路交通中重载交通的比例很高，许多道路的车辆荷载远超设计荷载，造成路面的早期病害。

由此可见，沥青路面在一个复杂的环境条件下使用，车辆荷载使沥青路面产生永久变形，温度变化使沥青在粘性-弹性-塑性间来回变化，阳光使沥青发生老化，雨水冲刷使路面产生剥落与坑槽，雨水还可影响路面结构的温度，几种因素相互作用，相互影响，最终导致路面在上述几种影响因素的耦合作用下出现不同程度的病害，即多场耦合作用下的路面破坏。多场耦合包括多个应力场，因素间作用非常复杂，采用数值模拟或有限元软件模拟无法准确的研究路面在实际多场耦合作用下的破坏机理。目前已有的试验方法采用的是按照一定顺序逐一考虑各个应力场，显然与路面同时受到耦合作用的实际状态不符。潘宝峰在论文《动水压力作用下路面材料损伤的评价方法研究》中开发了一套动水压力发生器，可产生一定压力的动水压力，模拟车辆荷载对路面的泵吸作用。但其施加的荷载为静荷载，且施加的动水压力是一个定值，显然与路面结构内的不断变化的动水压力不符。郭芳在论文《基于沥青路面早期水损害的水-荷载耦合CT扫描试验和力学响应分析》中改进了荷载-水耦合作用下的试验方法，制作了一个铁质圆筒使圆柱试件在加载过程中一直处于饱水状态。该试验方法采用的是恒定的温度场，且只考虑了单一的饱和水力场，但路面并不是一直处于饱和状态。其次，水力场的变化将导致温度场的动态变化，并不是恒定的温度场，这是之前研究所没有考虑的。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种可实现评价排水沥青路面在多场耦合作用下高温性能和测定动水压力的实验装置和试验方法。

本发明采用的技术方案为：一种多场耦合作用下评价排水沥青路面高温性能的实验装置，包括加载压杆、万能试验机立柱、工作箱、压头、测压管、水压消散装置、扩口引流口、加热器、排水沥青混合料试件、温度控制装置、出水口、水泥稳定碎石垫块、固定装置、工作台和万能试验机环境箱；

所述万能试验机环境箱内设置有工作台，所述工作箱通过固定装置安装在工作台上，水泥稳定碎石垫块放置在工作箱内，水泥稳定碎石垫块上放置有排水沥青混合料试件，所述加载压杆通过压头对排水沥青混合料试件施加荷载，所述加载压杆、压头、排水沥青混合料试件和水泥稳定碎石垫块的中心线重合；

所述工作箱的侧面设有水压消散装置和出水口，工作箱内设有加热器，加热器与温度控制装置连接，并由温度控制装置控制；所述排水沥青混合料试件侧面的上半部分通过胶水粘结有扩口引流口，扩口引流口与测压管相连。

作为优选，所述工作箱为上开口的半封闭容器，由钢板焊接而成，高度为30cm，长度为30cm，宽度为30cm。

作为优选，所述测压管为带刻度的玻璃管，扩口引流口为由尼龙制成的球面接口，通过粘结强度高的胶水与排水沥青混合料试件密封连接。

作为优选，所述排水沥青混合料试件为由旋转压实仪成型的直径为150±1mm mm，高度为170±2mm的圆柱形试件，按照符合规范要求的原材料、级配、沥青用量经拌和压实成型，空隙率为20％±2％。试件放置于水泥稳定碎石垫块上，可减缓工作箱底部钢板与试件间的传热。

作为优选，所述固定装置为固定螺丝。

本发明用于实现多场耦合作用的实验装置，包括动载加载设备、工作箱、测压装置、水压消散装置、温控装置、出水口和固定设备。本发明所述动载加载设备为万能试验机，最大量程为25kN，可自行设定加载参数，施加不同的荷载。本发明所施加荷载半正弦波形动载，荷载最大值为实际轮胎荷载0.7MPa，加载周期为1秒，可很好模拟实际路面上的车辆动载。所述的水压消散装置为设置在工作箱前后两个侧面上的水压消散口，可缓冲试件在加载过程中产生的动水压力。所述的温控装置由加热器和温度控制装置组成，可控制水温在20℃～60℃间变化，并保持恒定不变。当温度低于设定温度0.5摄氏度时，温度控制装置自动启动加热器，达到设定温度并保持不变。所述的出水口为设置在工作箱侧面底部的出水口。所述的固定设备为设置在工作箱底部的与万能试验机相固定的装置。

采用上述装置的多场耦合作用下评价排水沥青路面高温性能的试验方法，包括如下步骤：

1)按照排水沥青路面的设计级配和沥青用量，在175～185℃下拌和，采用旋转压实仪成型排水沥青混合料试件，旋转压实次数为50次。试件直径为150±1mm，高度为170±2mm，室温养生20h以上后备用，空隙为20％±2％；

2)将工作箱安装在万能试验机的工作台上，并通过固定装置与万能试验机相连；

3)工作箱内加水至工作箱的一半高度处，打开温度控制装置，设定温度为要求温度，加热器加热水温至要求温度，误差不超过0.5℃。加热过程中可进行搅拌，加速水的升温速度。打开万能试验机，设定环境箱温度为要求温度，起到保温的作用。

4)将强力胶水涂抹在扩口引流口边缘，粘结在排水沥青混合料试件的上半部，固化30分钟以上。

5)将水泥稳定碎石垫块放置于工作箱内底部，中心与加载压杆中心线重合，并将排水沥青混合料试件放置于水泥稳定碎石垫块上，通过出水口调节工作箱内的水面高度，使水面高度与试件高度持平。试件在浸入水中20～30分钟后，连接测压管与扩口引流口，记录测压管内的水头高度；

6)将压头放置在排水沥青混合料试件顶部，设定加载参数，荷载最大值为0.7MPa，按照半正弦荷载波形进行加载，加载周期为1秒；万能试验机在加载过程中可记录应变、位移和时间的变化过程，用于评价排水沥青混合料的高温性能；

7)加载过程中观察侧水管中水头高度的变化情况，水头高度的最大震荡幅度为车辆荷载作用下排水沥青路面产生的动水压力；

8)通过改变工作箱内的水面高度，可模拟不同的水力场。加载过程中，工作箱内水面高度始终与试件高度持平，模拟中、高强度降雨下的饱和水力场与温度场；加载开始后，每20分钟在工作箱内加一次水，水面高度与试件高度持平后将水排出，依次循环，模拟低强度降雨下的非饱和水力场与温度场；加载开始后，将工作箱内的水通过排水口排出，模拟雨水消退的水力场和温度场。

本发明的多场耦合作用包括动载应力场、动态温度场和动态水力场，在三个应力场的共同作用下，采用合适的实验方法评价排水沥青路面在多场耦合作用下的高温性能。该实验装置可模拟降雨饱和、降雨非饱和、雨水消退的不同降雨特征，以及相应的动态温度场，同时还可测得排水沥青路面在动载作用下产生的动水压力。在动态水力场和温度场下，施加动态荷载，可真实评价排水沥青路面在多场耦合作用下的高温性能。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

(1)首先，从研究对象来看，以往研究均针对密级配混合料，空隙率小于4％，具有不透水性。排水沥青混合料的空隙率在20％左右，空隙之间相互连通，与密级配沥青混合料完全不同。相比于密集配混合料，排水沥青混合料在加载过程中可产生明显的动水压力，而密集配需要额外的动水压力发生装置产生动水压力。此外，排水沥青混合料空隙率大，具有非常好的保水能力，降雨过后仍有较多的水滞留在空隙中，长期经受车辆荷载、动水压力、温度场的多场耦合作用。因此，研究排水沥青路面的多场耦合作用更加的具有意义。

(2)与现有多场耦合作用的实验装置相比，该试验装置可模拟多种降雨特征及相应的温度场，包括中、高强度降雨下的饱和水力场、低强度降雨下的非饱和水力场、降雨过后的雨水消退水力场，同时也模拟了上述不同水力场下的动态温度场。温度场受雨水蒸发作用的影响，随水力场的变化而动态变化，上述的动态水力场与动态温度场是用有限元软件无法模拟的。

3)实现了应力场、温度场和水力场的同时动态变化。在上述动态水力场和动态温度场的试验环境下，施加能够模拟车辆动载的动态荷载，实现了应力场、温度场和水力场的同步动态多场耦合作用，可真实评价排水沥青路面在实际使用过程中的高温性能。

4)该实验装置可直接测得多场耦合试验过程中的动水压力。排水沥青路面在浸水状态下，空隙通道内的水其实是互相连通的，对试件施加动载，可产生与实际路面相一致的动态动水压力，并可用测压管直接测得，与以往研究计算动水压力和采用真空泵提供的定值动水压力大大不同；

附图说明

图1是本发明多场耦合实验装置示意图。

图中：1-加载压杆，2-万能试验机立柱，3-工作箱，4-压头，5-测压管，6-水压消散装置，7-扩口引流口，8-加热器，9-排水沥青混合料试件，10-温度控制装置，11-出水口，12-水泥稳定碎石垫块，13-固定装置，14-工作台，15-万能试验机环境箱。

具体实施方法

下面结合具体实施方式和说明书附图进一步阐明本发明的内容。

实施例1：降雨饱和下多场耦合作用高温性能评价

如图1所示：一种多场耦合作用下评价排水沥青路面高温性能的实验装置，包括加载压杆1、万能试验机立柱2、工作箱3、压头4、测压管5、水压消散装置6、扩口引流口7、加热器8、排水沥青混合料试件9、温度控制装置10、出水口11、水泥稳定碎石垫块12、固定装置13、工作台14和万能试验机环境箱15；

所述万能试验机环境箱15内设置有工作台14，所述工作箱3通过固定装置13安装在工作台14上，工作箱3内的底部放置有水泥稳定碎石垫块12，水泥稳定碎石垫块12上放置有排水沥青混合料试件9，排水沥青混合料试件9顶部放置有压头4，加载压杆1通过压头施加荷载，所述加载压杆1、压头4、排水沥青混合料试件9和水泥稳定碎石垫块12的中心线重合；

所述工作箱3的侧面设有水压消散装置6和出水口11，工作箱3内设有加热器8，加热器8与温度控制装置10连接，并由温度控制装置10控制；所述排水沥青混合料试件9侧面的上半部分通过胶水粘结有扩口引流口7，扩口引流口7与测压管5相连。

所述工作箱3为上开口的半封闭容器，由钢板焊接而成，高度为30cm，长度为30cm，宽度为30cm。所述测压管5为带刻度的玻璃管，扩口引流口7为由尼龙制成的球面接口，通过粘结强度高的胶水与排水沥青混合料试件9密封连接。

采用上述装置的多场耦合作用下评价排水沥青路面高温性能的试验方法，包括如下步骤：

步骤1：根据设计级配以及沥青用量，设计级配为各档粒径集料的通过率依次为：16mm:9.5mm:4.75mm:2.36mm:1.18mm:0.6mm:0.3mm:0.15mm:0.075mm＝100:95.3:61.6:23.3:16.3:13.2:10.7:8.8:7.4:5.4，设计沥青用量为4.58％。将沥青及集料在180℃下拌和，采用旋转压实仪成型直径为150mm，高度为170mm的试件9，旋转压实仪旋转压实50次。试件成型后，在20℃环境下保温24小时后备用，空隙率为20.5％。

步骤2：工作箱3底部螺孔与工作台14上螺孔间距相同，采用固定装置13使工作箱3与工作台14紧密相连。

步骤3：工作箱3内加水至工作箱3的一半高度处，打开温度控制装置10，设定温度为60℃，加热器开始工作加热水温至60℃，并恒温保持在60±0.5℃。加热过程中可进行搅拌，加速水的升温速度。打开万能试验机，设定环境箱15温度为60℃，起到保温的作用。

步骤4：将强力胶水涂抹在扩口引流口7边缘，粘结在排水沥青混合料试件9侧面，高度低于排水沥青混合料试件9顶面30mm，固化30分钟以上。

步骤5：将水泥稳定碎石垫块12放置于工作箱内底部，中心与加载压杆1中心线重合，并将排水沥青混合料试件9放置于水泥稳定碎石垫块12上，通过出水口11调节工作箱内的水面高度，使水面高度与试件9高度持平。试件在浸入水中30分钟后，连接测压管5与扩口引流口7，记录测压管5内的水头高度；

步骤6：将压头4放置在排水沥青混合料试件9顶部，压头位于排水沥青混合料试件9的中心，设定加载参数，荷载最大值为0.7MPa，按照半正弦荷载波形进行加载，加载周期为1秒；万能试验机在加载过程中可记录应变、位移和时间的变化过程，用于评价排水沥青混合料的高温性能；

步骤7：加载过程中观察侧水管5中水头高度的变化情况，水头高度的最大震荡幅度为车辆荷载作用下排水沥青路面产生的动水压力；

实施例2：降雨非饱和多场耦合作用高温性能评价

步骤1～6：同实施例1中的步骤1～6。

步骤7：万能试验机加载开始后，打开出水口11，直至水面高度低于试件底部即可，将水保存在容器中，容器置于万能试验机环境箱15中，保持温度为要求温度。待水面高度低于试件底部时，关闭出水口11，并开始计时。20分钟后，将之前保存的水一次性倒入工作箱3内，同时打开出水口11，重复以上工作，依次循环至试验结束。

步骤8：观察测压管内水头高度的变化情况，以最大变化幅度为动水压力的测定值。

步骤9：根据万能试验机所记录的数据，进行高温性能评价。

实施例3：雨水消退多场耦合作用高温性能评价

步骤1～6：同实施例1中的步骤1～6。

步骤7：万能试验机加载开始后，打开出水口11，直至水面高度低于试件9底部，关闭出水口11。观察此过程中测压管内水头高度的变化情况，以最大变化幅度为动水压力的测定值。直至试验结束，根据万能试验机所记录的数据，进行高温性能评价。

应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种多场耦合作用下评价排水沥青路面高温性能的实验装置，其特征在于：包括加载压杆、万能试验机立柱、工作箱、压头、测压管、水压消散装置、扩口引流口、加热器、排水沥青混合料试件、温度控制装置、出水口、水泥稳定碎石垫块、固定装置、工作台和万能试验机环境箱；

所述万能试验机环境箱内设置有工作台，所述工作箱通过固定装置安装在工作台上，所述水泥稳定碎石垫块放置在工作箱内，水泥稳定碎石垫块上放置有排水沥青混合料试件，所述加载压杆通过压头对排水沥青混合料试件施加荷载，所述加载压杆、压头、排水沥青混合料试件和水泥稳定碎石垫块的中心线重合；

所述工作箱的侧面设有水压消散装置和出水口，工作箱内设有加热器，加热器与温度控制装置连接，并由温度控制装置控制；所述排水沥青混合料试件侧面的上半部分通过胶水粘结有扩口引流口，扩口引流口与测压管相连。

2.根据权利要求1所述的多场耦合作用下评价排水沥青路面高温性能的实验装置，其特征在于：所述工作箱为上开口的半封闭容器，由钢板焊接而成，高度为30cm，长度为30cm，宽度为30cm。

3.根据权利要求1所述的多场耦合作用下评价排水沥青路面高温性能的实验装置，其特征在于：所述测压管为带刻度的玻璃管，扩口引流口为由尼龙制成的球面接口，通过粘结强度高的胶水与排水沥青混合料试件密封连接。

4.根据权利要求1所述的多场耦合作用下评价排水沥青路面高温性能的实验装置，其特征在于：所述排水沥青混合料试件为由旋转压实仪成型的直径为150±1mm，高度为170±2mm的圆柱形试件。

5.根据权利要求1所述的多场耦合作用下评价排水沥青路面高温性能的实验装置，其特征在于：所述固定装置为固定螺丝。

6.采用根据权利要求1、2、3、4或5所述的多场耦合作用下评价排水沥青路面高温性能的实验装置的试验方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)按照排水沥青路面的设计级配和沥青用量，在175～185℃下拌和，采用旋转压实仪成型排水沥青混合料试件，旋转压实次数为50次；试件直径为150±1mm，高度为170±2mm，室温养生20h以上后备用，空隙为20％±2％；

2)将工作箱安装在万能试验机的工作台上，并通过固定装置与万能试验机相连；

3)工作箱内加水至工作箱的一半高度处，打开温度控制装置，设定温度为要求温度，加热器加热水温至要求温度，误差不超过0.5℃；加热过程中进行搅拌，加速水的升温速度；打开万能试验机，设定环境箱温度为要求温度，起到保温的作用；

4)将强力胶水涂抹在扩口引流口边缘，粘结在排水沥青混合料试件的上半部，固化30分钟以上；

5)将水泥稳定碎石垫块放置于工作箱内底部，中心与加载压杆中心线重合，并将排水沥青混合料试件放置于水泥稳定碎石垫块上，通过出水口调节工作箱内的水面高度，使水面高度与试件高度持平；试件在浸入水中20～30分钟后，连接测压管与扩口引流口，记录测压管内的水头高度；

6)将压头放置在排水沥青混合料试件顶部，设定加载参数，荷载最大值为0.7MPa，按照半正弦荷载波形进行加载，加载周期为1秒；万能试验机在加载过程中可记录应变、位移和时间的变化过程，用于评价排水沥青混合料的高温性能；

7)加载过程中观察侧水管中水头高度的变化情况，水头高度的最大震荡幅度为车辆荷载作用下排水沥青路面产生的动水压力；

8)通过改变工作箱内的水面高度，可模拟不同的水力场；加载过程中，工作箱内水面高度始终与试件高度持平，模拟中、高强度降雨下的饱和水力场与温度场；加载开始后，每20分钟在工作箱内加一次水，水面高度与试件高度持平后将水排出，依次循环，模拟低强度降雨下的非饱和水力场与温度场；加载开始后，将工作箱内的水通过排水口排出，模拟雨水消退的水力场和温度场。