CN110873669A - 一种沥青混合料长期水稳定性评价试验装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及沥青混合料水稳定性测试技术领域，尤其涉及一种沥青混合料长期水稳定评价试验装置与方法，该试验装置包括加载装置、动水环境模拟装置，加载装置包括加载压杆、上压板、锚具、承载板，动水环境模拟装置包括超声波换能器、温度控制器、加热管及钢板水箱。通过该试验装置能够模拟车轮荷载情况下沥青混合料内部动水压力对集料颗粒沥青膜的剥落作用。本发明通过试验残余率及沥青膜剥落率来评价沥青混合料水稳定性能，更加符合沥青路面的实际破坏状况。本发明试验装置与评价方法，能够有效地对沥青混合料在长期使用环境下的水稳定性进行评价。

Description

一种沥青混合料长期水稳定性评价试验装置与方法

技术领域

本发明涉及沥青混合料水稳定性测试技术领域，尤其涉及一种沥青混合料长期水稳定性评价试验装置与方法。

背景技术

水稳定性是指某种物质受水的影响程度，也叫物质的防水性能或抗水性能。沥青路面水损害是指路面在水或冻融循环的作用下，由于外部荷载反复作用，使水进入路面空隙并不断产生动水压力，水分逐渐渗入沥青与集料的界面，降低沥青与集料的粘附能力，并最终使沥青从集料上剥落的道路病害。

现有技术中，沥青混合料水稳定性评价方法主要有浸水间接拉伸试验、浸水车辙试验、冻融台座试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验等。然而上述方法虽然在一定程度上模拟了作用环境，但主要是通过力学指标来间接评价沥青混合料的水稳定性，与沥青路面实际破坏情况并不完全相符，影响评价的精准性。另一方面，也有技术对沥青混合料水稳定性判断的方式采用比较试件被破坏所占用的时间，即比较疲劳寿命来判定沥青混合料的水稳定性，疲劳寿命越长，则说明沥青的水稳定性越好，这种评价方式较为单一，不利于沥青混合料水稳定性测试的发展与进步。

鉴于上述问题的存在，本设计人基于从事此类产品工程应用多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以期创设一种沥青混合料长期水稳定性评价试验装置与方法，使其更具有实用性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种沥青混合料长期水稳定性评价试验装置与方法，提高测试环境模拟的精确度以及测试结果的精准度。

为了达到上述目的，本发明一方面提供一种沥青混合料长期水稳定性评价试验装置，包括：环境箱、水箱、超声波换能器、试件加载组件和筛网；

所述环境箱为一端开口的半封闭容器，所述水箱固定于所述环境箱内，所述水箱用于模拟试件浸水环境；

所述超声波换能器固定于所述水箱上，通过超声波空化作用模拟动水压力；

所述试件加载组件设置在所述水箱内，用于固定沥青混合料试件并施加载荷；

所述筛网设置于水箱内，并设置在沥青混合料试件剥落掉落的方向，以收集沥青混合料试件的剥离集料。

优选地，所述试件加载组件包括试件承台、试件压板和加载压杆，所述沥青混合料试件固定在所述承台上，所述试件压板固定在所述沥青混合料试件顶端，所述加载压杆设置在所述试件压板上方，用于为所述试件压板施加荷载。

优选地，所述试件承台上设置有锚固件，所述锚固件用于固定沥青混合料试件。

优选地，所述水箱底部设置有减震座，通过所述减震座与所述环境箱固定。

优选地，所述水箱内还设置有加热管和温控器，所述加热管与所述温控器连接，以调节所述水箱内的水温。

本发明另一方面提供了一种沥青混合料长期水稳定性评价方法，包括以下步骤：按设计要求制备沥青混合料试件，并记载沥青混合料试件的质量m1和沥青质量m4；

将沥青混合料试件固定在水箱内，并向水箱中注水；

通过加载压杆对沥青混合料试件加载荷载，同时打开超声波换能器，进行受力条件沥青混合料试件超声波清洗试验；

试验完成后，取出沥青混合料试件和筛网上收集的剥离集料，称取烘干后试件的质量m2以及剥离集料的质量m3；

计算沥青混合料试件的残余率MR和沥青膜损失率AR，

其中MR=m2/m1，AR=（m1-m2-m3）/m4。

优选地，在制备所述沥青混合料试件之前，对沥青混合料进行长期老化。

优选地，在制备沥青混合料试件之后，将沥青混合料试件放入水槽后在真空度为97.3~98.7kPa真空箱中保持15min，然后打开真空箱阀门，恢复常压，试件在水水中放置15h；试件取出后装入塑料袋中，加入10-15ml水，扎紧袋口后放入冰箱中冷冻，温度设置为-18℃±2℃，保存16h±1h。

优选地，在进行所述受力条件沥青混合料试件超声波清洗试验之前，打开温控器，将水箱中的水温保持至设定的试验温度。

本发明的有益效果为：本发明通过试件加载组件模拟车辆行驶时的载荷作用，采用超声波换能器模拟动水压力对集料颗粒沥青膜的剥落作用，使得工作环境的模拟更加真实，通过试件残余率及沥青膜损失率来评价沥青混合料试件的水稳定性，测试结果更加符合沥青路面的实际破坏情况，更为直观。此外，本发明中设置了温度控制器，可以模拟不同的气候条件，提高测试的适用性。另外，本发明试件制备采用沥青混合料长期老化的方式，模拟沥青混合料施工及使用过程中的老化过程，测试结果具有更高的参考价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中沥青混合料长期水稳定性评价试验装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中试件加载组件的结构示意图；

图3为本发明实施例中沥青混合料长期水稳定性评价方法的流程图。

附图标记：10-环境箱、12-减震座、20-水箱、30-超声波换能器、40-试件加载组件、41-承台、42-试件压板、43-加载压杆、50-筛网、61-加热管、62-温控器、411-锚固件。

具体实施方式

超声波作用于液体时，液体的内部将不断地产生大量微小的气泡，当产生的气泡在液体中从高压区到低压区时，气泡会发生破裂，每个气泡的破裂都会产生近千个大气压的冲击波，即“空化现象”，空化作用产生的冲击波可以对物体表面上的附着物进行撞击、剥离。目前超声波清洗已广泛应用于机械、医疗等行业当中，但是在道路工程材料试验领域还未见应用。因此，发明人考虑将沥青混合料试件置于超声波水槽中，利用超声波对液体产生的“空化作用”，当气泡破裂时，使水渗入沥青混合料试件空隙中并进一步冲击沥青胶结料与集料的结合面，促使沥青从集料表面剥落，造成沥青混合料的松散、脱落从而模拟实际动水压力作用下沥青路面的破坏过程。沥青路面水损害最终表现方式为路面沥青混合料颗粒的松散、脱落，形成坑槽等病害，通过超声波清洗技术加速实现这一过程。

本发明提供了一种可以模拟行车荷载与动水作用的沥青混合料水稳定性试验装置及评价方法。该方法在模拟路面施工及使用过程中沥青混合料老化的基础上，还考虑到了车轮荷载情况下沥青混合料内部动水压力对集料颗粒沥青膜的剥落作用，试验评价方法更加贴近路面实际使用状况与破坏过程。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示的沥青混合料长期水稳定性评价试验装置，环境箱10、水箱20、超声波换能器30、试件加载组件40和筛网50；

环境箱10为一端开口的半封闭容器，水箱20固定于环境箱10内，水箱20用于模拟试件浸水环境；优选的，水箱20由钢板焊接而成，水箱20采用上部可打开的封闭容器，采用钢板焊接，可以提高水箱20的可靠性，提高水箱20的使用寿命。水箱20底部还设置有排水口，以便于对实验环境中的水进行更换，保证每次试验时的水环境一致。

超声波换能器30固定于水箱20上，通过超声波空化作用模拟动水压力；超声波换能器利用超声波作用于液体时的空化现象，使水渗入沥青混合料试件空隙中并进一步冲击沥青胶结料与集料的结合面，促使沥青从集料表面剥落，从而模拟动水压力作用下沥青混合料试件内部破坏过程。在本发明实施例中，超声波换能器30的工作频率为40~60kHz，功率为90~100W，作用范围为35~40cm，当一个超声波换能器30无法全面覆盖水箱20时，可以采用多个。

试件加载组件40设置在水箱20内，用于固定沥青混合料试件并施加载荷；这里需要指出的是，试件加载组件40的动力驱动装置为UTM试验机，在实验室可以设置载荷参数，以模拟不同的车辆载荷。

筛网50设置于水箱20内，并设置在沥青混合料试件剥落掉落的方向，以收集沥青混合料试件的剥离集料。筛网50的作用在于收集沥青混合料试件中松散、剥落的集料颗粒，便于后期的数据采集。优选的，筛网50设置为上下两层，上层的孔径大于下层的孔径，提高筛网50的收集效果，提高最终数据的精确度。

作为上述实施例的优选，如图2所示，试件加载组件40包括试件承台41、试件压板42和加载压杆43，沥青混合料试件固定在承台41上，试件压板42固定在沥青混合料试件顶端，加载压杆43设置在试件压板42上方，用于为试件压板42施加荷载。在具体安装时，加载压杆43、试件压板42、沥青混合料试件以及承台41的中心线设置在同一条直线上，而且本发明实施例中，将沥青混合料试件设置为圆柱体的形状，方便试件的安装与固定。在具体安装时，加载压杆43的另一端与UTM试验机连接，从而设置不同的载荷参数。

进一步的，请继续参照图2，试件承台41上设置有锚固件411，锚固件411与沥青混合料试件连接。通过锚固件411的固定，提高了沥青混合料试件固定的可靠性，提高了试件的测试效果。

作为上述实施例的优选，请继续参照图1，水箱20底部设置有减震座12，通过减震座12与环境箱10固定。减震座12的作用在于减轻水箱20与环境箱10之间的相互作用，提高水箱20固定的可靠性。减震座12可以由弹性材料制成，以减少UTM试验机与超声波换能器30作用时对环境箱10的影响。

作为上述实施例的优选，请继续参照图1，水箱20内还设置有加热管61和温控器62，加热管61与温控器62连接，以调节水箱20内的水温。在本发明实施例中，加热管61采用圆形设置，且沿水箱20内部环绕设置，这种设置加热更加均匀，保温效果更好。温控器62为现有技术，通过对水温的测量反馈即时控制加热管61的通断，从而保持水温不变，其具体原理及连接关系这里不再赘述。

本发明的以下部分对沥青混合料长期水稳定性评价方法进行详细描述，如图3所示，包括以下步骤：

S11：按设计要求制备沥青混合料试件，并记载沥青混合料试件的质量m1和沥青质量m4；这里需要指出的是，沥青混合料试件的质量m1称量可以在试件制作完成后进行，而对其中沥青质量m4的质量可以通过混合料配比进行计算得出。其中，沥青混合料试件的具体制作过程为：根据设计级配与沥青用量拌制沥青混合料，将拌和好的沥青混合料均匀摊铺在搪瓷盘中，松铺约21-22kg/m³，将混合料放入135℃±3℃烘箱中在强制通风条件下加热4h±5min，加入过程中每小时翻拌沥青混合料一次；将烘箱中的沥青混合料加热至160℃，采用旋转压实仪成型直径为150±0.1mm，高度为95±3mm，空隙率为7±1%的圆柱体，将试件连同试模一起放置在室温中冷却不低于16h，然后脱模；将试件放入85℃±3℃烘箱中强制通风加热5d（120h±0.5h），在恒温加热直至冷却前不得接触或移动试件；5d后关闭烘箱，打开烘箱门，经自然冷却不少于16h至室温。上述操作的目的在于对沥青混合料试件进行老化，老化的目的在于，模拟沥青混合料从施工现场拌和、铺筑到服务年限内的全部过程。

S12：将沥青混合料试件固定在水箱内，并向水箱中注水；在安装时，需保证加载压杆43与试件中心在同一条直线上，而且注水时，水面需要超过试件压板42之上。并且在试验时，在混合料试件两端各放置一片聚四氟乙烯膜，防止沥青混合料试件粘连试件压板42、承台41。

S13：通过加载压杆43对沥青混合料试件加载荷载，同时打开超声波换能器，进行受力条件沥青混合料试件超声波清洗试验；具体为，打开UTM试验机，设置荷载参数，采用偏正弦加载模式，加载频率20Hz，荷载25kPa；打开超声波换能器30，频率设置为50kHz；启动UTM试验机加载，进行受力条件沥青混合料超声波清洗试验，试验时间2.5h。

S14：试验完成后，取出沥青混合料试件和筛网上收集的剥离集料，干燥后称取试件的质量m2以及剥离集料的质量m3；具体步骤为：试验完成后，试验机卸载，关闭超声波换能器，取出试件4，用拧干的湿毛巾擦干后在室内晾干或吹风机吹至恒重，称取试件质量，记为m2；将剥离集料全部清理到筛网上，取出后同样晾干或吹风机吹至恒重，记为m3；

S15：计算沥青混合料试件的残余率MR和沥青膜损失率AR，

其中MR=m2/m1，AR=m1-m2-m3/m4。这里需要指出的是，试件残余率MR越大，沥青膜损失率AR越小，表示沥青混合料水稳定性能越好。

此外，为了提高试验结果的准确性，对于同一种试件，至少重复三次有效试验。对于一组测定值中某个数据与平均值之差大于标准差的k倍时，该测定值应舍弃，并以其余测定值的平均值作为试验结果；当试验数目n为3、4、5、6时，k值分别为1.15、1.46、1.67、1.82。

作为上述实施例的优选，在制备沥青混合料试件之后，将沥青混合料试件放入水槽后在真空度为97.3~98.7kPa真空箱中保持15min，然后打开真空箱阀门，恢复常压，试件在水水中放置15h；试件取出后装入塑料袋中，加入10-15ml水，扎紧袋口后放入冰箱中冷冻，温度设置为-18℃±2℃，保存16h。

作为上述实施例的优选，在进行受力条件沥青混合料试件超声波清洗试验之前，打开温控器，将水箱中的水温保持至60℃。通过水温的设置，与载荷、动水压力进行协同作用，能够使得模拟环境更加真实。

本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种沥青混合料长期水稳定性评价试验装置，其特征在于，包括：环境箱（10）、水箱（20）、超声波换能器（30）、试件加载组件（40）和筛网（50）；

所述环境箱（10）为一端开口的半封闭容器，所述水箱（20）固定于所述环境箱（10）内，所述水箱（20）用于模拟试件浸水环境；

所述超声波换能器（30）固定于所述水箱（20）上，通过超声波空化作用模拟动水压力；

所述试件加载组件（40）设置在所述水箱（20）内，用于固定沥青混合料试件并施加载荷；

所述筛网（50）设置于水箱（20）内，并设置在沥青混合料试件剥落掉落的方向，以收集沥青混合料试件的剥离集料。

2.根据权利要求1所述的沥青混合料长期水稳定性评价试验装置，其特征在于， 所述试件加载组件（40）包括试件承台（41）、试件压板（42）和加载压杆（43），所述沥青混合料试件固定在所述承台（41）上，所述试件压板（42）固定在所述沥青混合料试件顶端，所述加载压杆（43）设置在所述试件压板（42）上方，用于为所述试件压板（42）施加荷载。

3.根据权利要求2所述的沥青混合料长期水稳定性评价试验装置，其特征在于，所述试件承台（41）上设置有锚固件（411），所述锚固件（411）用于固定沥青混合料试件。

4.根据权利要求1所述的沥青混合料长期水稳定性评价试验装置，其特征在于，所述水箱（20）底部设置有减震座（12），通过所述减震座（12）与所述环境箱（10）固定。

5.根据权利要求1所述的沥青混合料长期水稳定性评价试验装置，其特征在于，所述水箱（20）内还设置有加热管（61）和温控器（62），所述加热管（61）与所述温控器（62）连接，以调节所述水箱（20）内的水温。

6.一种沥青混合料长期水稳定性评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

按设计要求制备沥青混合料试件，并记载沥青混合料试件的质量m1和沥青质量m4；

将沥青混合料试件固定在水箱内，并向水箱中注水；

通过加载压杆对沥青混合料试件加载荷载，同时打开超声波换能器，进行受力条件沥青混合料试件超声波清洗试验；

试验完成后，取出沥青混合料试件和筛网上收集的剥离集料，称取烘干后试件的质量m2以及剥离集料的质量m3；

计算沥青混合料试件的残余率MR和沥青膜损失率AR，

其中MR=m2/m1，AR=（m1-m2-m3）/m4。

7.根据权利要求6所述的沥青混合料长期水稳定性评价方法，其特征在于，在制备所述沥青混合料试件过程中，对沥青混合料进行长期老化，以模拟沥青混合料从施工现场拌和、铺筑到服务年限内的全部过程。

8.根据权利要求6所述的沥青混合料长期水稳定性评价方法，其特征在于，在制备沥青混合料试件之后，将沥青混合料试件放入水槽后在真空度为97.3~98.7kPa真空箱中保持15min，然后打开真空箱阀门，恢复常压，试件在水水中放置15h；试件取出后装入塑料袋中，加入10-15ml水，扎紧袋口后放入冰箱中冷冻，温度设置为-18℃±2℃，保存16h±1h，以保证试件充分冻结。

9.根据权利要求6所述的沥青混合料长期水稳定性评价方法，其特征在于，在进行所述受力条件沥青混合料试件超声波清洗试验之前，打开温控器，将水箱中的水温保持至设定的试验温度。

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