CN109085103B - 一种大空隙沥青混凝土渗透系数的测试装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大空隙沥青混凝土路面横向和竖向渗透系数的测试装置及方法，成型试件及测试装置一体化，克服了以往研究大空隙沥青混凝土不同渗透系数关系时采用不同试件所带来的变异性。竖向渗透系数测试装置包括成型模具、中隔钢板、测压玻璃管、导水管、进水箱、集水箱、上下盖、橡胶垫片，其中成型料斗与模具形成150mm×150mm×150mm的立方体，导水管与测压玻璃管相连，通过改变左侧进水箱的位置来调节水头差。横向渗透系数测试装置通过拆除竖向渗透系数实验中的上下盖及中隔钢板，装上上密封钢板及底板组合而成。相比现有技术，本发明能够全面、系统地评价大空隙沥青混凝土渗透系数，该装置功能齐全，操作方便，测试精度高。
Description
技术领域
本发明涉及一种土木工程渗透系数测试装置和方法，具体是一种基于现有渗透装置进行改进的一种测试大空隙沥青混凝土渗透系数的装置，属于土木工程材料测试技术领域。
背景技术
随着我国公路的发展，呈现出越来越多的路面病害，其中水损害就是非常严重的病害之一，它不仅会对路面结构的强度和耐久性造成影响，缩短路面的使用寿命，还会由于引起的水雾等对行车安全造成影响。普通的密级配沥青混凝土难以满足路面排水的要求，所以排水式沥青路面开始大规模地被采用。路表的雨水通过面层的空隙渗入不透水的基层表面，同时通过路拱横坡向两侧汇集，最终流入边沟。排水性沥青混合料是典型的多孔介质，排水表层的功能发挥与混合料的透水能力有关，其排水能力与渗透系数密切相关，为了评价排水性沥青混合料的排水能力，需要专用的试验装置测试其渗透系数。
目前国内外并无统一的大空隙沥青混凝土渗透系数测试方法，研究所采用的试验测试手段各有不同，试验测定结果也互有差异，尤其是横向与竖向渗透系数的关系如何难以形成共识，国内外大部分试验都只测量横向渗透系数或者竖向渗透系数，未见能够测试同一试件横向渗透系数和竖向渗透系数的装置。国内外对大空隙沥青混凝土竖向渗透系数的测定研究较多，但所用测试方法及测定结果存在许多不一致之处，需要加以辨析以利于工程实际应用。对于竖向渗水系数测试仪，目前较认可的测试方法为采用不脱模小马歇尔试件的常水头排水性沥青混合料竖向渗透系数测定装置。对于横向渗透系数测试仪，大空隙沥青混凝土的横向渗透系数有采用车辙板进行水槽方法测定的，也有采用特制槽式静压试件单边蓄水渗流试验的，但都是单边蓄水自然渗透方法，过水断面是渐变的，与达西原理的方法相比测定不够准确。车辙板试件测试无压渗流时大空隙沥青混凝土的横向渗透系数时，其装置过于简单，且操作难度大，很难准确测量横向渗透系数。
现有装置中，未见能对同一大空隙沥青混凝土试件进行竖向渗透系数及横向系数测试的装置，为研究大空隙沥青混凝土横、竖向渗透系数之间关系，应通过试验测试装置及方法的开发加以确定，从而促进其测试技术的完善及结构设计应用。本发明基于此现状，研发了能对同一试件进行横向和竖向渗透系数测试的试验装置。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种准确、简便、能对同一大空隙沥青混凝土试件测试横向渗透系数和竖向渗透系数的装置的测试方法，这是本发明的最大优势，同时解决现有装置密封性不好、过于简单、操作复杂以及精确性不高等问题。技术方案：鉴于采用现有装置难以简便、精确地测定大空隙沥青混凝土的渗透系数，而且无法对同一试件测试横向和竖向渗透系数的问题，本发明充分考虑了整个测试过程的严密性以及实验的连贯性。先使用成型料斗及成型压头成型试件，试件成型后无需脱模，通过拆装成型模具，进行试验时，要注意先后顺序，即先进行竖向渗水试验，再进行横向渗水试验。所述竖向渗透系数测试装置包括成型模具、中隔钢板、上下盖、橡胶垫片、通气阀门、测压玻璃管、橡胶套、导水管、进水管、进水箱、出水咀、集水箱；所述中隔板插入模具中，通过螺栓相连；上下钢盖和中隔钢板之间垫有橡胶垫，上下密封盖和中隔钢板之间经过螺栓来做密封处理；所述通气阀门用来控制密封器具中的气压；所述导水管一端与成型装置通过橡胶套相连通，另一端与测压玻璃管通过橡胶套相连；所述进水管与进水箱相连，出水咀与集水箱相连；所述进水箱用来进水，集水箱用来接收最终的排水量。横向渗透系数测试装置包括成型模具、密封钢板、橡胶垫片、通气阀门、测压玻璃管、橡胶套、导水管、进水管、进水箱、出水咀、集水箱。所述密封钢板与成型模具之间垫有橡胶垫，密封钢板与成型模具之间通过螺栓进行密封处理；所述通气阀门用来排出测试装置中的空气；所述导水管一端与成型装置通过橡胶套相连，另一端与测压玻璃管通过橡胶套相连；所述进水管与进水相连，出水咀与集水箱相连；进水箱用来进水，集水箱用来储存流经试件的水。
所述在试件与试件顶面铺设的橡胶垫片，增加了试件与器壁之间的贴合，确保密封。此外，为了防止密封性不够，在橡胶垫片上下两侧可以涂上704硅胶，双重保障其密封性能，在装置的下方处设有排水口，最终使得水流至集水容器内，用来测量流速。
所述竖向渗透系数测试装置中的螺栓，其特征在于：上下密封盖均为钢性材质；上部密封盖与模具、中隔板通过16个直径
的配套螺栓按照一定距离连接；下部密封盖与模具、中隔板通过16个直径
的配套螺栓按照一定间距连接。
所述横向渗透系数测试仪中的螺栓，其特征在于：上部密封钢板与模具通过14个直径
18个直径
的配套螺栓按照一定间距连接；底板与模具通过21个直径
的配套螺栓按照一定间距连接。
一种大空隙沥青混凝土渗透系数的测试方法，包括如下步骤：
步骤一，渗透系数测试准备步骤：首先将拌合好的大空隙沥青混合料称量后倒入成型料斗中，再将成型压头放入料斗中后用压力机进行静压压实，使试件成型制成15cm×15cm×15cm的试件(1)。
步骤二，竖向渗透系数测试步骤：待试件冷却一段时间后，拆卸底板(13)及相应的配套螺栓，不脱模，装上橡胶垫片(6)及上下盖(4)、(5)，拧紧螺丝，进行密封处理，导水管(10)插在仪器上相应位置处，通过改变左侧进水箱(12)的位置来改变水头差，来测量相应的竖向渗透系数。刚开始时通气阀门(11)打开以便排出测试装置中的空气，待有水流出时立即关闭通气阀门(11)；待水头差稳定时，记录一定时间t内流经试件的水的质量Q；
步骤三，竖向渗透系数计算步骤：对记录的水流量数据和时间数据按照公式
进行计算，算得竖向渗透系数，其中Q为t时间内渗透经过试件的水的质量(g)；
为水的密度(g/cm3)；L为试件的有效长度(cm)，本仪器取15cm；A为试件的横截面积(cm2)本仪器取15×15＝225cm2；h1、h2分别为两测压玻璃管的水位高度读数(cm)。
步骤四，横向渗透系数测试步骤：在测量完竖向渗透系数后，拆下上下盖(4)、(5)及中隔钢板(14)，装上上密封钢板(4)及底板(13)，导水管(7)插在仪器上相应位置处，通过改变左侧进水箱(9)的位置来改变水头差。刚开始时通气阀门(11)打开以便排出测试装置中的空气，待有水流出时立即关闭通气阀门(11)；待水头差稳定时，记录一定时间t内流经试件的水的质量Q；
步骤五，横向渗透系数计算步骤：对记录的水流量数据和试件数据按照公式
进行计算，算得横向渗透系数，其中Q为t时间内渗透经过试件的水的质量(g)；
为水的密度(g/cm3)；L为试件的有效长度(cm)，本仪器取15cm；A为试件的横截面积(cm2)本仪器取15×15＝225cm2；h1、h2分别为两测压玻璃管的水位高度读数(cm)。
与现有技术相比，本发明具有如下突出的实质性特点和显著的优点：
本发明依据常水头试验原理在现有测试装置的基础上进行了完善和改进，使试件直接在仪器中成型，不需单独模具来成型，不仅提高了试验操作的简便性，而且通过控制一些影响因素，极大地提高了测试结果的精确性，能够比较准确地反映排水性沥青混合料的横竖向渗透系数与渗透系数的关系。通过对不同空隙率、不同级配以及不同沥青种类所构成的排水性沥青混合料的渗透系数的测试分析，能够确定良好渗透性能下最佳的材料组成，为大空隙沥青混凝土路面的结构与材料设计提供一定的试验依据。
附图说明：
图1为竖向渗透系数测试仪示意图；
图中有试件1、进水管2、测压玻璃管3、上盖4、下盖5、橡胶垫片6、出水咀7、橡胶套8、成型模具9、导水管10、通气阀门11、进水管12、集水箱13、中隔钢板14
图2为横向渗透系数测试仪示意图；
图中有试件1、进水口2、测压玻璃管3、密封钢板4、橡胶垫板5、集水箱6、导水管7、橡胶套8、进水箱9、成型模具10、通气阀门11、出水咀12、底板13
图3为竖向渗水系数测试仪底板图；
图中有底板1、出水口2、中隔板3、端板4
图4为竖向渗水系数测试仪俯视图；
图中有底板1、进水口2、中隔板3、端板4
图5为竖向渗水系数测试仪主视图；
图中有下盖1、下测压口2、溢水槽3、通气阀门4、上盖5、上测压口6图6为竖向渗水系数测试仪剖面图；
图中有下盖1、下测压口2、溢水槽3、中隔板4、通气阀门5、上盖6、上测压口7
图7为横向渗水系数测试仪底板图；
图8为横向渗水系数测试仪俯视图；
图中有端板1、通气阀门2、下密封板3、溢水槽4、上密封板5
图9为横向渗水系数测试仪主视图；
图中有进水口1、测压口2、底板3、溢水槽4、通气阀门5、上密封板6图10为横向渗水系数测试仪剖面图；
图中有进水口1、测压口2、底板3、溢水槽4、出水口5、通气阀门6、上密封板7
图11为成型料斗；
图中有翼板1、内框2
图12为成型压头
图中有底板1、上框2
具体操作方法
下面结合附图所示，本发明具体实施方式做以下说明。
如图1至图12所示，一种大空隙沥青混凝土二向渗透系数的测试装置，渗透装置主要由不锈钢板制成，试验过程中试件密封于模具中，在中间铺设一层橡胶垫片，防止水沿仪器壁渗流，采用密封钢板密封试件，防止水从上下侧渗流；所述成型料斗放入钢模具中，沥青混合料按相关配合比放入混合料搅拌机，再用成型压头及压实机进行静压压实，使试件成型。在室内放置一段时间，待其冷却后，拆除上下侧板，装上试件上下盖，在中间铺设一层橡胶垫片，先进行竖向渗透系数测试；竖向渗透系数测试结束后，拆除上下盖及中隔板，装上上下密封钢板，再进行横向渗透系数测试；水仅通过排水性沥青混合料断面渗流，通过改变左边进水容器的高度调整试件两端的水头差，水头差可以通过与两端水位相连的测压管读出。
所述竖向渗透系数测试装置包括成型模具9、中隔钢板14、上下钢盖4、5、橡胶垫片6、通气阀门11、测压玻璃管3、橡胶套8、导水管10、进水管2、进水箱12、出水咀7、集水箱13。所述中隔板14插入模具9中，通过螺栓相连；上下钢盖4、5和中隔钢板14之间垫有橡胶垫6，上下密封盖4、5和中隔钢板14之间经过螺栓来做密封处理；所述通气阀门11用来控制密封器具中的气压；所述导水管10一端与成型装置通过橡胶套8相连通，另一端与测压玻璃管3通过橡胶套8相连；所述进水管2与进水箱12相连，出水咀7与集水箱13相连；所述进水箱12用来进水，集水箱13用来储存流经试件的水。
所述横向渗透系数测试装置包括成型模具10、密封钢板4、橡胶垫片5、通气阀门11、测压玻璃管3、橡胶套8、导水管7、进水管2、进水箱9、出水咀12、集水箱6。所述密封钢板4与成型模具10之间垫有橡胶垫5，密封钢板4与成型模具10之间通过螺栓进行密封处理；所述通气阀门11用来控制密封器具中的气压；所述导水管7一端与成型装置通过橡胶套8相连，另一端与测压玻璃管3通过橡胶套8相连；所述进水管2与进水箱9相连，出水咀12与集水箱6相连；进水箱9用来进水，集水箱13用来储存流经试件的水。
所述竖向渗透系数测试装置中的螺栓，上部密封盖4与模具9、中隔板14通过16个直径
的配套螺栓按照一定距离连接；下部密封盖5与模具9、中隔板14通过16个直径
的配套螺栓按照一定间距连接。
所述横向渗透系数测试装置中的螺栓，上部密封钢板4与模具10通过14个直径
18个直径
的配套螺栓按照一定间距连接；底板13与模具通过21个直径
的配套螺栓按照一定间距连接。
本例中模具尺寸长×宽×高为：520mm×210mm×180mm，成型料斗为150mm×150mm×150mm，，成型压头为150mm×150mm，上下钢盖为190mm×190mm×190mm的立方体，上下密封钢板厚度为10mm，中隔钢板的厚度为20mm。竖向渗透系数测试装置中的进水口直径为16mm，横向渗透系数测试装置中的进水口的直径为20mm，两个测压口的直径均为12mm。
一种大空隙沥青混凝土渗透系数的测试方法，包括如下步骤：
步骤一，渗透系数测试准备步骤：首先将拌合好的大空隙沥青混合料称量后倒入成型料斗中，再将成型压头放入料斗中后用压力机进行静压压实，使试件成型制成15cm×15cm×15cm的试件(1)。
步骤二，竖向渗透系数测试步骤：待试件冷却一段时间后，拆卸底板(13)及相应的配套螺栓，不脱模，装上橡胶垫片(6)及上下盖(4)、(5)，拧紧螺丝，进行密封处理，导水管(10)插在仪器上相应位置处，通过改变左侧进水箱(12)的位置来改变水头差，来测量相应的竖向渗透系数。刚开始时通气阀门(11)打开以便排出测试装置中的空气，待有水流出时立即关闭通气阀门(11)；待水头差稳定时，记录一定时间t内流经试件的水的质量Q；
步骤三，竖向渗透系数计算步骤：对记录的水流量数据和时间数据按照公式
进行计算，算得竖向渗透系数，其中Q为t时间内渗透经过试件的水的质量(g)；
为水的密度(g/cm3)；L为试件的有效长度(cm)，本仪器取15cm；A为试件的横截面积(cm2)本仪器取15×15＝225cm2；h1、h2分别为两测压玻璃管的水位高度读数(cm)。
步骤四，横向渗透系数测试步骤：在测量完竖向渗透系数后，拆下上下盖(4)、(5)及中隔钢板(14)，装上上密封钢板(4)及底板(13)，导水管(7)插在仪器上相应位置处，通过改变左侧进水箱(9)的位置来改变水头差。刚开始时通气阀门(11)打开以便排出测试装置中的空气，待有水流出时立即关闭通气阀门(11)；待水头差稳定时，记录一定时间t内流经试件的水的质量Q；
步骤五，横向渗透系数计算步骤：对记录的水流量数据和试件数据按照公式
进行计算，算得横向渗透系数，其中Q为t时间内渗透经过试件的水的质量(g)；
为水的密度(g/cm3)；L为试件的有效长度(cm)，本仪器取15cm；A为试件的横截面积(cm2)本仪器取15×15＝225cm2；h1、h2分别为两测压玻璃管的水位高度读数(cm)。
Claims (1)
1.一种大空隙沥青混凝土渗透系数的测试方法，其特征在于：
所述测试方法采用的测试装置由成型模具、底板、中隔钢板、上钢盖、下钢盖、橡胶垫片、通气阀门、测压玻璃管、橡胶套、导水管、进水管、进水箱、出水咀、集水箱、上密封钢板、底板组成；成型模具为上下开口的框架结构；通过对成型模具进行拆装可以实现试件成型后无需脱模进行竖向渗透系数测试和横向渗透系数测试；
具体测试步骤包括：
步骤一，渗透系数测试准备步骤：成型模具的底端安装底板，成型模具的中间安装两个中隔钢板，以在成型模具的两个中隔钢板之间形成用于成型试件的空腔；首先将拌合好的大空隙沥青混合料称量后倒入成型料斗中，大空隙沥青混合料通过成型料斗装入成型模具的两个中隔钢板之间，再将成型压头放入成型料斗中后用压力机进行静压压实，使试件成型制成15cm×15cm×15cm的试件；
步骤二，竖向渗透系数测试步骤：待试件冷却一段时间后，拆卸成型模具的底板及相应的配套螺栓，试件不脱模，在成型模具中的两个中隔钢板之间的成型模具的上方和下方分别安装上钢盖和下钢盖，上钢盖和下钢盖与中隔钢板之间垫有橡胶垫片，上钢盖和下钢盖与成型模具之间经过螺栓拧紧，进行密封处理；通气阀门安装在上钢盖上；上钢盖通过进水管与进水箱连接；
导水管一的一端连接在进水管上，另一端通过橡胶套与测压玻璃管一连接；导水管二的一端与下钢盖连接，另一端通过橡胶套与测压玻璃管二连接；测压玻璃管一和测压玻璃管二并排设置在成型模具上方的同一高度处；下钢盖的下方设置出水咀，出水咀的下方放置集水箱，用来储存流经试件的水；通过改变进水箱的位置来改变水头差，测试过程中水流由上至下在试件中竖向渗流，从而实现测量相应的竖向渗透系数；刚开始时通气阀门打开以便排出测试装置中的空气，待有水流出时立即关闭通气阀门；待水头差稳定时，记录一定时间t内流经试件的水的质量Q；
步骤三，竖向渗透系数计算步骤：对记录的水流量数据和时间数据按照公式
进行计算，算得竖向渗透系数，其中Q为t时间内渗透经过试件的水的质量，g；ρw为水的密度，g/cm3；L为试件的有效长度，cm，；A为试件的横截面积，cm2；；h1、h2分别为两测压玻璃管的水位高度读数，cm；
步骤四，横向渗透系数测试步骤：在测量完竖向渗透系数后，拆下上钢盖、下钢盖及中隔钢板，装上上密封钢板及底板；通气阀门安装在上密封钢板上；与进水箱连接的进水管的一端连接在成型模具的左侧，导水管一的一端连接在进水管上，另一端通过橡胶套与测压玻璃管一连接；导水管二的一端与成型模具的右侧连接，另一端通过橡胶套与测压玻璃管二连接；测压玻璃管一和测压玻璃管二并排设置在成型模具上方的同一高度处；出水咀设置在成型模具的右侧，出水咀的右侧放置集水箱，用来储存流经试件的水；通过改变进水箱的位置来改变水头差；测试过程中水流由左至右在试件中横向渗流，从而实现测量相应的横向渗透系数，刚开始时通气阀门打开以便排出测试装置中的空气，待有水流出时立即关闭通气阀门；待水头差稳定时，记录一定时间t内流经试件的水的质量Q；
步骤五，横向渗透系数计算步骤：对记录的水流量数据和试件数据按照公式
进行计算，算得横向渗透系数，其中Q为t时间内渗透经过试件的水的质量，g；ρw为水的密度，g/cm3；L为试件的有效长度，cm，；A为试件的横截面积，cm2；h1、h2分别为两测压玻璃管的水位高度读数，cm。
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