CN107748134A - 一种沥青混合料动水压力环境养生系统及试验方法 - Google Patents
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Abstract
一种沥青混合料动水压力环境养生系统及试验方法，属于道路工程材料性能测试技术领域。本发明引入车轮部件作用于沥青混合料试件顶部，以电动机作为动力源并通过曲轴连杆机构向动水压力环境养生装置提供动力。通过变频器调控电动机转速和正反牙丝杆调节活塞间距来实现对动水压力环境养生装置的加载频率、行程参数进行控制，通过控制阀门开关顺序实现不同形式的动水压力环境养生模式。将控温水浴置于整套系统底层，动水压力环境养生装置采用桶身密封门形式来实现对沥青混合料试件的更换操作。本发明实现了综合考虑水、温度、荷载多因素耦合作用的动水压力环境养生过程，试验环境与实际工况接近，试验结果真实准确，具有多功能性和多适用性，整套试验流程更加方便快捷。
Description
技术领域
本发明属于道路工程材料性能测试技术领域，具体涉及一种综合考虑水、温度、荷载等多因素耦合作用的沥青混合料动水压力环境养生系统及相应试验方法。
背景技术
沥青路面在雨天受行驶车辆轮胎的反复挤压和抽吸，产生的正负交替循环动水压力作用会造成沥青膜从集料表面剥落，最终发展为松散、坑槽等典型沥青路面水损害问题。目前，我国规范要求采用浸水马歇尔和冻融劈裂等静水养生形式试验来评价沥青混合料水稳定性，学者们已逐渐意识到该试验方法与实际沥青路面受动水压力作用造成水损害过程存在较大差异，并开发出一系列试验装置来模拟实际沥青路面受轮胎所产生动水压力作用过程。
现有用于模拟动水压力对沥青混合料作用过程的试验装置主要分为活塞式和气压式两大类。对于气压式动水压力环境养生装置，是采用空压机和真空泵交替工作来实现正负压循环，但加压、泄压、抽负压等过程的持续时间较长，导致加载频率通常很小，这与快速行驶车辆作用于沥青路面的高频过程相差较大。对于活塞式动水压力环境养生装置，是通过外部加载设备带动活塞按照特定频率、行程运动来实现正负压交替作用，能够实现10Hz以上的较高频率加载。因此，活塞式动水压力环境养生装置相较于气压式能够更真实模拟实际沥青路面受车辆轮胎产生的动水压力作用过程，同时还能通过活塞加载频率、行程的改变来模拟车辆超速、超载所造成的影响。
对于活塞式动水压力环境养生装置，现有发明多是将其作为一种夹具并采用电液伺服材料试验系统(MTS或UTM)作为动力源来提供驱动力，但这些价格昂贵的进口加载设备也限制了动水压力环境养生装置的推广应用。此外，现有活塞式装置在试验过程中，需要将整体装置拆卸才能实现沥青混合料试件更换等基本操作，不仅需要多人配合操作，而且控温水浴等设备也会占用较大的试验场地。
因此，为更方便、更真实地模拟沥青路面受到车辆轮胎所引起的动水压力作用，急需开发一种综合考虑水、温度、荷载等多因素耦合作用的独立活塞式沥青混合料动水压力环境养生系统。
发明内容
本发明的目的是为了更方便、更真实地模拟沥青路面受到车辆轮胎所引起的动水压力作用，在解决现有气压式动水压力环境养生装置加载频率过小，活塞式动水压力环境养生装置无法真正引入直接荷载作用、所需动力源设备通常价格高昂以及沥青混合料试件更换操作复杂等技术问题的基础上，提供一种综合考虑水、温度、荷载等多因素耦合作用的独立活塞式沥青混合料动水压力环境养生系统和方法。
为达到上述目的，采用技术方案如下。
一种沥青混合料动水压力环境养生系统，由电动机、动水压力环境养生装置和控温水浴装置三部分组成，包括系统框架、曲轴、转动轴、连杆活塞组、正反牙丝杆、活塞、密封圈、气阀、车轮部件、上阀门、密封门、三通水阀、总阀门、下阀门、水泵、进水管、上水压表、垫高套筒、弹簧、下水压表、控温水浴装置、水浴进水口、支撑架、水浴出水口、电加热丝等。电动机固定于系统框架上层，对应转动轴固定于系统框架的侧壁上部；沥青混合料动水压力环境养生装置通过螺栓固定于系统框架中层，活塞上下移动可带动其内车轮部件在沥青混合料试件顶部来回碾压，从而实现荷载的真正引入；控温水浴装置放置于系统框架底层，控温水浴装置内部设有电热丝，通过水泵对动水压力环境养生装置提供温水，同时还可对沥青混合料试件提前浸泡养生并起到稳固整套系统框架重心的作用，节省试验场地。
进一步的，本发明的电动机运转时带动转动轴旋转，通过曲轴沿竖直方向转动来驱使连杆活塞组沿竖直方向直线运动，实现将水平方向的旋转运动转化为竖直方向的直线运动，从而为动水压力环境养生装置的活塞上下往复运动提供动力。
进一步的，本发明动水压力环境养生装置的活塞通过正反牙丝杆与连杆活塞组相连接，通过变频器对电动机进行无级变速调控来实现活塞加载频率调节，通过拧紧或放松正反牙丝杆来对活塞的加载行程进行调节，从而实现不同轴载、不同行驶速度车辆对沥青路面的动水压力作用过程模拟，并可进一步模拟车辆超速、超载现象。
进一步的，本发明的水泵固定于系统框架的侧壁中下部，可实现将底层控温水浴中的有温水由下阀门处进水口注入到中层动水压力环境养生装置内，由下至上注水的同时将装置内的空气通过活塞处的气阀排出，同时，通过控制三通水阀处的总阀门、上阀门和下阀门可实现不同模式的动水压力环境养生过程。
进一步的，本发明动水压力环境养生装置中间位置设置密封门，对其打开、关闭的操作可实现沥青混合料试件的更换，配合不同垫高套筒和弹簧可适用于不同尺寸沥青混合料试件，从而实现试验操作的简化。
一种采用如上所述试验系统进行水、温度、荷载等多因素耦合作用的沥青混合料试件动水压力环境养生试验的方法，包括以下步骤：
(1)通过密封门依次向动水压力环境养生装置放入弹簧、垫高套筒和提前在水浴中养生至试验温度且用乳胶膜包裹四周的沥青混合料试件，关闭并固定紧密封门，同时将后续试验所需沥青混合料试件放置于控温水浴装置中提前进行浸泡养生；
(2)打开水泵电源开关，将控温水浴中的试验温度水通过进水管和三通水阀经由下阀门向动水压力环境养生装置自下而上进行注水，装置内的空气会通过活塞处的气阀排出，当气阀有水溢出时说明动水压力环境养生装置已初步注满水，此时关闭气阀；
(3)保持水泵继续通电工作，打开电动机并通过变频器调控慢速转动，驱使动水压力环境养生装置的活塞上下缓慢运动，随后关闭电动机，打开气阀直至有水溢出，依次关闭气阀、三通水阀处的总阀门和水泵，完成装置的二次排气过程并准备开始试验；
(4)通过变频器对电动机进行无级调速以及正反牙丝杆对连杆活塞组和装置活塞间隔调控来分别控制装置活塞上下往复运动的加载频率和行程参数；通过控制三通水阀处的总阀门、上阀门和下阀门的开关顺序，可实现不同模式的动水压力环境养生过程；活塞的上下往复运动带动车轮部件在沥青混合料试件顶面来回进行碾压，从而实现水、温度、荷载等多因素耦合的动水压力作用环境养生。
进一步的，按上述方案，步骤(1)的沥青混合料试件尺寸为直径101.6mm、高度63.5mm的马歇尔试件，或直径100mm、高度100mm的旋转压实成型试件，或从直径150mm、高度170mm旋转压实成型试件钻芯并切割的直径100mm、高度150mm芯样试件，或从车辙试件切割的长度250mm、宽度30mm、高度35mm的棱柱体小梁试件，或从实际沥青路面钻取的芯样试件，其中垫高套筒与待测试件尺寸相匹配选用。
进一步的，按上述方案，步骤(2)的控温水浴装置为系统提供水环境和对沥青混合料试件提前浸泡养生的温度控制范围为0℃-100℃，当试验温度低于0℃时，采用1:1甲醇水或防冻液代替水作为冷媒。
进一步的，按上述方案，步骤(3)活塞缓慢上下运动的参数范围控制为频率0.1Hz—0.5Hz、行程5mm—10mm、持续时间30s—60s，目的在于将沥青混合料试件表面开口空隙内的空气用水置换并排出，使得动水压力环境养生装置内部充满水。
进一步的，按上述方案，步骤(4)的活塞上下往复运动频率为0Hz—20Hz，行程为0mm—30mm，产生的动水压力范围为-0.1MPa—1.5MPa。
进一步的，按上述方案，步骤(4)的三通水阀处阀门开关顺序调控可实现不同形式的动水压力环境养生过程：关闭总阀门，打开上阀门和下阀门，可实现装置水的内循环养生；打开总阀门和下阀门，关闭上阀门，可实现装置水的全动水压力环境养生；打开总阀门和上阀门，关闭下阀门，可实现装置水的半动水压力环境养生；关闭所有阀门，活塞向上提升并保持一定高度，可实现对沥青混合料试件的负静水压力环境养生；关闭所有阀门，活塞向下压缩并保持一定高度，可实现对沥青混合料试件的正静水压力环境养生。
进一步的，按上述方案，步骤(4)的车轮部件在沥青混合料试件顶部来回碾压的范围为0mm—30mm，加载频率为0Hz—2Hz，轮压为0MPa—1.4MPa。
相对于现有技术，本发明具有如下优点及效果：
(1)本发明采用活塞式动水压力环境养生装置对沥青混合料试件进行养生，相较于现有气压式装置，本发明能够更真实模拟实际车辆快速行驶时轮胎挤压、抽吸产生动水压力作用于沥青路面的过程；同时，本发明引入车轮部件作用于沥青混合料试件顶部，相较于现有活塞式装置，本发明真正实现了综合考虑水、温度、荷载等多因素耦合作用的动水压力环境养生过程，试验环境与实际工况接近，试验结果真实准确。
(2)本发明采用电动机作为动力源并通过曲轴连杆机构向动水压力环境养生装置提供动力，摆脱了现有试验装置依赖于价格昂贵进口加载设备(MTS或UTM)的限制，使得整套系统具有推广性；同时，本系统通过变频器调控电动机转速和正反牙丝杆调节活塞间距来实现对动水压力环境养生装置的加载频率、行程参数进行控制，可以进一步对车辆超速、超载现象进行模拟，以及通过控制阀门开关顺序实现不同形式的动水压力环境养生模式，从而使得本发明具有多功能性和多适用性。
(3)本发明将控温水浴置于整套系统底层，可将试验供水、试件养生、稳固框架等多项功能集于一身，使得沥青混合料试件养生试验不再影响其他加载设备、水浴设备等相关试验的开展进度，并进一步节省试验场地；同时，动水压力环境养生装置采用桶身密封门形式来实现对沥青混合料试件的更换操作，解决了现有装置拆卸繁琐、占用较多人机资源的问题，使得整套试验流程更加方便快捷。
附图说明
图1是本发明的综合考虑水、温度、荷载等多因素耦合作用的沥青混合料动水压力环境养生系统的整体结构剖面图。
1-系统框架；2-电动机；3-曲轴；4-转动轴；5-连杆活塞组；6-正反牙丝杆；7-活塞；8-密封圈；9-气阀；10-车轮部件；11-上阀门；12-密封门；13-三通水阀；14-总阀门；15-下阀门；16-水泵；17-进水管；18-上水压表；19-试验用沥青混合料试件；20-垫高套筒；21-弹簧；22-下水压表；23-控温水浴装置；24-水浴进水口；25-养生用沥青混合料试件；26-支撑架；27-水浴出水口；28-电加热丝。
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说明本实施方式，本实施方式的综合考虑水、温度、荷载等多因素耦合作用的沥青混合料动水压力环境养生系统由系统框架1、电动机2、曲轴3、转动轴4、连杆活塞组5、正反牙丝杆6、活塞7、密封圈8、气阀9、车轮部件10、上阀门11、密封门12、三通水阀13、总阀门14、下阀门15、水泵16、进水管17、上水压表18、垫高套筒20、弹簧21、下水压表22、控温水浴装置23、水浴进水口24、支撑架26、水浴出水口27、电加热丝28等组成。电动机2固定于系统框架1上层，对应转动轴4固定于系统框架1的侧壁上部；沥青混合料动水压力环境养生装置通过螺栓固定于系统框架1中层，活塞7上下移动可带动其内车轮部件10在沥青混合料试件19顶部来回碾压，从而实现荷载的真正引入；控温水浴23放置于系统框架1底层，并通过水泵16实现对动水压力环境养生装置提供温水。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本发明的电动机2运转时带动转动轴4旋转，通过曲轴3沿竖直方向转动来驱使连杆活塞组5沿竖直方向直线运动，实现将水平方向的旋转运动转化为竖直方向的直线运动，从而为动水压力环境养生装置的活塞7上下往复运动提供动力。
具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本发明动水压力环境养生装置的活塞7通过正反牙丝杆6与连杆活塞组5相连接，通过变频器对电动机2进行无级变速调控来实现活塞7加载频率调节，通过拧紧或放松正反牙丝杆6来对活塞7的加载行程进行调节，从而实现不同轴载、不同行驶速度车辆对沥青路面的动水压力作用过程模拟，并可进一步模拟车辆超速、超载现象。
具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本发明的水泵16固定于系统框架1的侧壁，可实现将底层控温水浴装置23中的温水由下阀门15处进水口注入到中层动水压力环境养生装置内，由下至上注水的同时将装置内的空气通过活塞7处的气阀9排出，同时，通过控制三通水阀13处的总阀门14、上阀门11和下阀门15可实现不同模式的动水压力环境养生过程。
具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本发明动水压力环境养生装置桶身处设置密封门12，对其打开、关闭的操作可实现沥青混合料试件19的更换，配合不同垫高套筒20和弹簧21可适用于不同尺寸沥青混合料试件19，从而实现试验操作的简化。
具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本发明的控温水浴23通过电加热丝28进行水温控制，可为动水压力环境养生装置提供试验用温水，同时还可对沥青混合料试件25提前浸泡养生并起到稳固整套系统框架1重心的作用，节省试验场地。
具体实施方式七：采用本发明试验装置综合水、温度、荷载等多因素耦合作用对沥青混合料试件进行动水压力环境养生试验的过程是：
(1)通过密封门12依次向动水压力环境养生装置放入弹簧21、垫高套筒20和提前在控温水浴23中养生至试验温度且用乳胶膜包裹四周的沥青混合料试件19，关闭并固定紧密封门12，同时将后续试验所需沥青混合料试件25放置于控温水浴23中提前进行浸泡养生；
(2)打开水泵16电源开关，将控温水浴23中的试验温度水通过进水管17和三通水阀13经由下阀门15向动水压力环境养生装置自下而上进行注水，装置内的空气会通过活塞7处的气阀9排出，当气阀9有水溢出时说明装置已初步注满水，此时关闭气阀9；
(3)保持水泵16继续通电工作，打开电动机2并通过变频器调控慢速转动，驱使动水压力环境养生装置的活塞7上下缓慢运动，随后关闭电动机2，打开气阀9直至有水溢出，依次关闭气阀9、三通水阀13处的总阀门14和水泵16，完成装置的二次排气过程并准备开始试验；
(4)通过变频器对电动机2进行无级调速以及正反牙丝杆6对连杆活塞组5和装置活塞7间隔调控来分别控制装置活塞7上下往复运动的加载频率和行程参数；活塞7的上下往复运动带动车轮部件10在沥青混合料试件19顶面来回进行碾压，从而实现水、温度、荷载等多因素耦合的动水压力作用环境养生。
(5)重复步骤(1)的操作，根据待检测性能指标类型来选择对应尺寸的沥青混合料试件19进行养生，选择对应尺寸的垫高套筒并安装于装置内固定密封，重复步骤(2)和步骤(3)分别进行注水和二次排气，控制三通水阀13处的总阀门14、上阀门11和下阀门15的开关顺序，可实现全动水压力养生、半动水压力养生等多种不同模式的动水压力环境养生过程。
根据上述方式可较好地实现本发明，仅采用普通电动机和曲轴连杆机构就能实现为动水压力环境养生装置提供加载频率和行程参数可调的动力源，通过便捷的操作流程即可综合水、温度、荷载等因素耦合作用对沥青混合料试件进行动水压力环境养生，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压力作用具体影响。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(例如通过加大活塞7行程范围可获得更大的动水压力)，据此，凡是依照本发明内容所作出的各部件装置安放位置改变和尺寸规模修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。
Claims (10)
1.一种沥青混合料动水压力环境养生系统，其特征在于由电动机、动水压力环境养生装置和控温水浴装置三部分组成，包括系统框架、曲轴、转动轴、连杆活塞组、正反牙丝杆、活塞、密封圈、气阀、车轮部件、上阀门、密封门、三通水阀、总阀门、下阀门、水泵、进水管、上水压表、垫高套筒、弹簧、下水压表、控温水浴装置、水浴进水口、支撑架、水浴出水口、电加热丝；电动机固定于系统框架上层，对应转动轴固定于系统框架的侧壁上部；沥青混合料动水压力环境养生装置通过螺栓固定于系统框架中层，活塞上下移动带动其内车轮部件在沥青混合料试件顶部来回碾压，从而实现荷载的真正引入；控温水浴装置放置于系统框架底层，通过水泵对动水压力环境养生装置提供温水，控温水浴装置内部设有电热丝。
2.根据权利要求1所述一种沥青混合料动水压力环境养生系统，其特征在于电动机运转时带动转动轴旋转，通过曲轴沿竖直方向转动来驱使连杆活塞组沿竖直方向直线运动，实现将水平方向的旋转运动转化为竖直方向的直线运动，从而为动水压力环境养生装置的活塞上下往复运动提供动力。
3.根据权利要求1所述一种沥青混合料动水压力环境养生系统，其特征在于所述活塞通过正反牙丝杆与连杆活塞组相连接，通过变频器对电动机进行无级变速调控来实现活塞加载频率调节，通过拧紧或放松正反牙丝杆来对活塞的加载行程进行调节，从而实现不同轴载、不同行驶速度车辆对沥青路面的动水压力作用过程模拟，并可进一步模拟车辆超速、超载现象。
4.根据权利要求1所述一种沥青混合料动水压力环境养生系统，其特征在于所述水泵固定于系统框架的侧壁中下部，能实现将底层控温水浴中的有温水由下阀门处进水口注入到中层动水压力环境养生装置内，由下至上注水的同时将装置内的空气通过活塞处的气阀排出，同时，通过控制三通水阀处的总阀门、上阀门和下阀门可实现不同模式的动水压力环境养生过程。
5.根据权利要求1所述一种沥青混合料动水压力环境养生系统，其特征在于动水压力环境养生装置中间位置设置密封门，对其打开、关闭的操作实现沥青混合料试件的更换，配合不同垫高套筒和弹簧适用于不同尺寸沥青混合料试件，从而实现试验操作的简化。
6.一种采用如权利要求1所述沥青混合料动水压力环境养生系统进行沥青混合料试件动水压力环境养生试验的方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)通过密封门依次向动水压力环境养生装置放入弹簧、垫高套筒和提前在水浴中养生至试验温度且用乳胶膜包裹四周的沥青混合料试件，关闭并固定紧密封门，同时将后续试验所需沥青混合料试件放置于控温水浴装置中提前进行浸泡养生；
(2)打开水泵电源开关，将控温水浴装置中的试验温度水通过进水管和三通水阀经由下阀门向动水压力环境养生装置自下而上进行注水，动水压力环境养生装置内的空气会通过活塞处的气阀排出，当气阀有水溢出时说明动水压力环境养生装置已初步注满水，此时关闭气阀；
(3)保持水泵继续通电工作，打开电动机并通过变频器调控慢速转动，驱使动水压力环境养生装置的活塞上下缓慢运动，随后关闭电动机，打开气阀直至有水溢出，依次关闭气阀、三通水阀处的总阀门和水泵，完成装置的二次排气过程并准备开始试验；
(4)通过变频器对电动机进行无级调速以及正反牙丝杆对连杆活塞组和动水压力环境养生装置活塞间隔调控来分别控制动水压力环境养生装置活塞上下往复运动的加载频率和行程参数；通过控制三通水阀处的总阀门、上阀门和下阀门的开关顺序，实现不同模式的动水压力环境养生过程；活塞的上下往复运动带动车轮部件在沥青混合料试件顶面来回进行碾压，从而实现水、温度、荷载多因素耦合的动水压力作用环境养生。
7.如权利要求6所述沥青混合料试件动水压力环境养生试验的方法，其特征在于步骤(1)的沥青混合料试件尺寸为直径101.6mm、高度63.5mm的马歇尔试件，或直径100mm、高度100mm的旋转压实成型试件，或从直径150mm、高度170mm旋转压实成型试件钻芯并切割的直径100mm、高度150mm芯样试件，或从车辙试件切割的长度250mm、宽度30mm、高度35mm的棱柱体小梁试件，或从实际沥青路面钻取的芯样试件，其中垫高套筒与待测试件尺寸相匹配选用。
8.如权利要求6所述沥青混合料试件动水压力环境养生试验的方法，其特征在于步骤(2)的控温水浴装置为动水压力环境养生装置提供水环境和对沥青混合料试件提前浸泡养生的温度控制范围为0℃-100℃，当试验温度低于0℃时，采用1:1甲醇水或防冻液代替水作为冷媒。
9.如权利要求6所述沥青混合料试件动水压力环境养生试验的方法，其特征在于步骤(3)活塞缓慢上下运动的参数范围控制为频率0.1Hz—0.5Hz、行程5mm—10mm、持续时间30s—60s；
步骤(4)的活塞上下往复运动频率为0Hz—20Hz，行程为0mm—30mm，产生的动水压力范围为-0.1MPa—1.5MPa。
10.如权利要求6所述沥青混合料试件动水压力环境养生试验的方法，其特征在于步骤(4)的三通水阀处阀门开关顺序调控能实现不同形式的动水压力环境养生过程：关闭总阀门，打开上阀门和下阀门，能实现装置水的内循环养生；打开总阀门和下阀门，关闭上阀门，能实现装置水的全动水压力环境养生；打开总阀门和上阀门，关闭下阀门，能实现装置水的半动水压力环境养生；关闭所有阀门，活塞向上提升并保持一定高度，能实现对沥青混合料试件的负静水压力环境养生；关闭所有阀门，活塞向下压缩并保持一定高度，能实现对沥青混合料试件的正静水压力环境养生；
步骤(4)的车轮部件在沥青混合料试件顶部来回碾压的范围为0mm—30mm，加载频率为0Hz—2Hz，轮压为0MPa—1.4MPa。
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