CN112255127A - 考虑服役环境的低冰点路面长效性评价装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于道路工程技术领域，具体涉及一种考虑服役环境的低冰点路面长效性评价装置及方法。解决了现有技术中测试结果不准确，并且设备成本高的问题。本发明包括用于与车辙试验机配合使用的水槽和试件槽，所述试件槽位于水槽的下方并与水槽连通，所述试件槽的尺寸与沥青混合料试件的尺寸相匹配，使融雪抑冰成分只能从表面析出，无法从侧面与底面析出，与实际道路运营状态接近。本发明提出了基于降水、温度和碾压次数长效性预测模型，与项目所在地的降水、气候及交通荷载相对应，预测精度更准备，并且充分利用现有设备，成本更低。适用于对低冰点沥青混合料的长效性进行测试和评价。

Description

考虑服役环境的低冰点路面长效性评价装置及方法
技术领域
本发明属于道路工程技术领域，具体涉及一种考虑服役环境的低冰点路面长效性评价装置及方法。
背景技术
占我国面积75％的冻土地区和南方高原山区冬季道路易积雪结冰现象，导致沥青路面附着系数大大降低，严重影响车辆行驶安全。研究表明，干燥路面附着系数为0.6，凝冰沥青路面附着系数约为0.15，积雪沥青路面附着系数约为0.2，分别为干燥沥青路面的1/4和1/3，导致车辆出现跑偏、打滑，交通事故发生率大大增加。低冰点沥青路面通过在沥青混合料中掺入低冰点材料替代矿粉，运营过程中，低冰点材料中的融雪抑冰成分在渗透压、成分累积和车辆泵吸作用下不断向路表析出，从而降低路面冰点，实现小雪可融化、大雪易清除、抑制冻结的功能。
国内对于融雪抑冰路面的长效性进行了探索性的研究，开发了一些测试装置：
《一种盐化物自融雪路面融雪寿命预测装置》(CN201120536715.0)、《盐化物自融雪路面长期融雪性能评价装置》(CN201110024113.1)等专利中开发了多种长期性测试装置，这些装置考虑了温度升高会加速融雪抑冰成分析出，并基于各地区的降水量对试件进行冲刷，测试溶液中的成分，同时考虑了试件不同层位的析出差异，试件采用马歇尔试件或者车辙板试件，根据试验结果建立了长效性预测模型。这些装置均较为复杂，且无法利用现有设备，同时未考虑车辆荷载的泵吸作用以及车轮碾压会加速路表盐分累积，同时试件侧面和底面未进行密封处理，与实际路面只有表面析出有较大的差异。
《一种考虑荷载作用的自融雪路面盐化物析出规律评价装置》(CN201210227450.5)提供了一种考虑荷载作用融雪抑冰成分析出规律的评价装置，考虑了温度、水和荷载三者的耦合作用，但存在以下问题：该装置较为复杂，需要开发新的大型设备，成本高；采用环形加载片对圆柱形试件进行加载，不会产生实际路面橡胶轮胎的泵吸作用；静压试件与动载成型试件有较大的差异，试件厚度高10cm与实际路面的4cm出入大；由于沥青混合料本身空隙率小，内部的有效成分析出困难，这会导致预测结果显著偏大，同时环形加载片没有全部覆盖试件表面，空隙处试件没有承载荷载作用而出现不同的析出速率，进而影响整个试件的测试结果。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种考虑服役环境的低冰点路面长效性评价装置及方法，其目的在于：考虑项目所在地降水量、不同季节气温及车辆的泵吸作用对测试结果的影响，使测试结果与实际情况更加接近，并且充分利用现有设备，降低成本。
本发明采用的技术方案如下：
一种考虑服役环境的低冰点路面长效性评价装置，包括用于与车辙试验机配合使用的水槽和试件槽，所述试件槽位于水槽的下方并与水槽连通，所述试件槽的尺寸与沥青混合料试件的尺寸相匹配。
将沥青混合料试件装入试件槽中，然后本装置和试件一起放入车辙试验机中，根据项目所在地降雨量计算试验加水量，调节试验温度，进行保温处理，同时可调节加载轮上的荷载，模拟道路在不同降水量、温度和交通量的作用下析出规律，建立根据实际温度、降雨天数、交通荷载大小的评价方法。本发明试件槽的尺寸与沥青混合料试件的尺寸相匹配，仅试件表面承受水冲刷及车轮反复碾压，融雪抑冰成分只能从表面析出，无法从侧面与底面析出，与实际道路运营状态接近，试件宽度与车轮宽度一致，全部承受车轮荷载作用，测试结果与车轮作用完全对应，同时将车辆的泵吸作用考虑进去，试验结果更加准确，而且本发明结构简单，可利用现有的车辙试验机进行模拟加载，便于操作，节约成本。
作为优选，所述试件槽的宽度与车辙试验机的橡胶加载轮的宽度相同。
采用该优选方案后，试件槽与车辙试验机的橡胶加载轮同宽，沥青混合料试件全部承受车轮荷载作用，测试结果与车轮作用完全对应，避免未承受车轮荷载作用部分对测试结果的影响。
作为优选，还包括固定板，所述固定板沿试件槽长度方向设置并与试件槽固定连接，所述固定板与车辙试验机相匹配，并与车辙试验机螺栓连接。
采用该优选方案后，可以通过两侧的固定板与车辙试验机进行连接，装置更加稳定，防止试验过程中装置发生移动。
作为优选，所述水槽的内部尺寸为长400mm×宽154mm×高30mm。
作为优选，所述试件槽的内部尺寸为长300mm×宽54mm×高50mm。
作为优选，所述水槽和试件槽的所有接缝处进行密封处理。
采用该优选方案后，可以防止试验过程中漏水，影响试验结果。
作为优选，所述沥青混合料试件侧侧面与试件槽之间设置有密封材料。
采用该优选方案后，密封材料可以进一步的防止融雪抑冰成分从试件侧面和底面析出，保证融雪抑冰成分只能从沥青混合料的表面析出，与实际道路运营状态更加接近，测试结果更加准确。
一种考虑服役环境的低冰点路面长效性评价方法，采用所述考虑服役环境的低冰点路面长效性评价装置按以下步骤进行操作：
S1：将轮碾成型的5cm厚车辙板试件切割成与试件槽相匹配的尺寸并装入试件槽中；
S2：按照项目所在地的年平均降雨量计算每天的降雨量，然后根据每天的降雨量向水槽中加入蒸馏水，根据试件的上表面面积计算加蒸馏水体积v，计算式为：
v＝S*P/365
P为预定地点的年平均降雨量，S试件上表面面积；
S3：将装入试件的低冰点沥青混合料长效性评价装置放入车辙试验机中，调整加载荷载大小，标记好蒸馏水位，分别在温度t1和t2条件下保温3h后，开启车辙试验机通过橡胶加载轮对试件进行碾压，t1为项目所在春、秋、冬三个季节的平均气温，t2为项目所在地夏季平均气温；
S4：每碾压间隔2000次，暂停测试，用电导率仪测试试件表面溶液的电导率，共碾压40000次；
S5：分别绘制t1和t2温度下电导率与溶液浓度的关系曲线，并按照关系曲线对应的拟合公式，计算不同碾压次数对应的溶液浓度，并根据以下公式计算不同碾压次数下析出的融雪抑冰成分质量，计算式为：
m1＝c×v
m1为不同碾压次数下析出的融雪抑冰成分的质量，c为不同碾压次数对应的溶液浓度；
S6：计算不同碾压次数下融雪抑冰成分释放比例y，计算式为：
y＝m1/(m×l×ε)
m为沥青混合料试块质量，l为沥青混合料低冰点材料比例，ε为低冰点材料中融雪抑冰成分含量；
S7：分别绘制t1和t2温度下融雪抑冰材料释放比例y与加载次数x的关系曲线，并根据项目所在地不同季节温度对路面温度的影响，将t1和t2温度下各碾压次数下的释放比例进行加权处理，然后对处理后的曲线进行拟合，得到拟合曲线；
拟合公式为：
y＝alnx+b
式中y为融雪抑冰材料释放比例，x为加载次数，a和b为拟合参数；
S8：回归公式修正,引入降雪影响因素C1和降雨影响因素C2对S7中的拟合公式进行修正，得到修正后的融雪路面长效性回归模型：
y＝aln(x/(C1+C2))+b
式中降雪影响因素C1＝城市降雪天数/365，降雨影响因素C2＝城市降雨天数/365；
S9：计算融雪抑冰材料的使用年限，取y＝100％，计算融雪抑冰全部析出时对应的碾压次数x100％，根据项目所在地的年平均日交通量AADT，计算低冰点沥青混合料长效性使用年限n，计算公式为：
n＝x100％/(365*AADT)。
本发明的评价方法考虑了温度、车轮的泵吸作用、车轮的碾压作用、降水量等因素，使测试模型与实际道路运营状态更加接近，能够使测试结果更加准确，并且利用了现有的车辙试验机进行试验，节约成本。
作为优选，步骤S4中测试电导率时，补充蒸馏水至起始水位。
采用该优选方案后，可以确保每次测试溶液的体积不变，防止水分蒸发影响测试结果的准确性。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.本发明试件槽的尺寸与沥青混合料试件的尺寸相匹配，仅试件表面承受水冲刷及车轮反复碾压，融雪抑冰成分只能从表面析出，无法从侧面与底面析出，与实际道路运营状态接近，将车辆的泵吸作用考虑进去，试验结果更加准确，而且本发明结构简单，可利用现有的车辙试验机进行模拟加载，便于操作，节约成本。
2.试件槽与车辙试验机的橡胶加载轮同宽，沥青混合料试件全部承受车轮荷载作用，避免未承受车轮荷载作用部分对测试结果的影响。
3.通过两侧的固定板与车辙试验机进行连接，装置更加稳定，防止试验过程中装置发生移动。
4.水槽和试件槽的所有接缝处进行密封处理，可以防止试验过程中漏水，影响试验结果。
5.沥青混合料试件侧侧面与试件槽之间设置有密封材料，密封材料可以进一步的防止融雪抑冰成分从试件侧面和底面析出，保证融雪抑冰成分只能从沥青混合料的表面析出，与实际道路运营状态更加接近，测试结果更加准确。
6.本发明的评价方法考虑了温度、车轮的泵吸作用、车轮的碾压作用、降水量等因素，使测试模型与实际道路运营状态更加接近，能够使测试结果更加准确，并且利用了现有的车辙试验机进行试验，节约成本。
7.测试电导率时，补充蒸馏水至起始水位，可以确保每次测试溶液的体积不变，防止水分蒸发影响测试结果的准确性。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明的主视图；
图2是本发明的侧视图；
图3是本发明的俯视图；
图4是电导率与溶液浓度的关系曲线；
图5是25℃条件下，A、B、C三种融雪抑冰材料释放比例与加载次数的关系曲线；
图6是60℃条件下，A、B、C三种融雪抑冰材料释放比例与加载次数的关系曲线；
图7是两个温度条件下的组合曲线。
其中，1-水槽，2-试件槽，3-固定板。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请实施例的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
下面结合图1～图7对本发明作详细说明。
一种考虑服役环境的低冰点路面长效性评价装置，包括用于与车辙试验机配合使用的水槽1和试件槽2，所述试件槽2位于水槽1的下方并与水槽1连通，所述试件槽2的尺寸与沥青混合料试件的尺寸相匹配。
本实施例中，所述试件槽2的宽度与车辙试验机的橡胶加载轮的宽度相同。
本装置还包括固定板3，所述固定板3沿试件槽2长度方向设置并与试件槽2螺栓连接，所述固定板3与车辙试验机螺栓连接。
本实施例中，所述水槽1的内部尺寸为长400mm×宽154mm×高30mm。
本实施例中，所述试件槽2的内部尺寸为长300mm×宽54mm×高50mm。
本实施例中，所述水槽1和试件槽2均由不锈钢板焊接而成，所有焊接的接缝处均进行了密封处理，防止试验过程中漏水。
所述沥青混合料试件侧侧面与试件槽2之间设置有密封材料，使融雪抑冰成分只能从沥青混合料试件表面析出，更接近路面实际运营状况。
一种考虑服役环境的低冰点路面长效性评价方法，采用所述考虑服役环境的低冰点路面长效性评价装置按以下步骤进行操作：
S1：将轮碾成型的5cm厚车辙板试件切割成与试件槽2相匹配的尺寸并装入试件槽2中；
S2：按照项目所在地的年平均降雨量计算每天的降雨量，然后根据每天的降雨量向水槽1中加入蒸馏水，根据试件的上表面面积计算加蒸馏水体积v，计算式为：
v＝S*P/365
P为预定地点的年平均降雨量，S试件上表面面积；
S3：将装入试件的低冰点沥青混合料长效性评价装置放入车辙试验机中，调整加载荷载大小，标记好蒸馏水位，分别在温度t1和t2条件下保温3h后，开启车辙试验机通过橡胶加载轮对试件进行碾压，t1为项目所在春、秋、冬三个季节的平均气温，t2为项目所在地夏季平均气温；
S4：每碾压间隔2000次，暂停测试，用电导率仪测试试件表面溶液的电导率，共碾压40000次；
S5：分别绘制t1和t2温度下电导率与溶液浓度的关系曲线，并按照关系曲线对应的拟合公式，计算不同碾压次数对应的溶液浓度，并根据以下公式计算不同碾压次数下析出的融雪抑冰成分质量，计算式为：
m1＝c×v
m1为不同碾压次数下析出的融雪抑冰成分的质量，c为不同碾压次数对应的溶液浓度；
S6：计算不同碾压次数下融雪抑冰成分释放比例y，计算式为：
y＝m1/(m×l×ε)
m为沥青混合料试块质量，l为沥青混合料低冰点材料比例，ε为低冰点材料中融雪抑冰成分含量；
S7：分别绘制t1和t2温度下融雪抑冰材料释放比例y与加载次数x的关系曲线，并根据项目所在地不同季节温度对路面温度的影响，将t1和t2温度下各碾压次数下的释放比例按照y＝0.75y25℃+0.25y60℃进行加权处理，然后对处理后的曲线进行拟合，得到拟合曲线；
拟合公式为：
y＝alnx+b
式中y为融雪抑冰材料释放比例，x为加载次数，a和b为拟合参数；
S8：回归公式修正,引入降雪影响因素C1和降雨影响因素C2对S7中的拟合公式进行修正，得到修正后的融雪路面长效性回归模型：
y＝aln(x/(C1+C2))+b
式中降雪影响因素C1＝城市降雪天数/365，降雨影响因素C2＝城市降雨天数/365；
S9：计算融雪抑冰材料的使用年限，取y＝100％，计算得到融雪抑冰全部析出时的碾压次数x100％，根据项目所在地的年平均日交通量AADT，计算低冰点沥青混合料长效性使用年限n，计算公式为：
n＝x100％/(365*AADT)。
应当注意的是，步骤S4中测试电导率时，补充蒸馏水至起始水位。
实施例1
S1：按照《公路沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)轮碾成型5cm厚的车辙板试件，切割成300mm×54mm×50mm大小，装入试件槽2中。
S2：按照项目所在地的年平均降雨量p(mm)计算每天的降雨量，根据每天的降雨量向水槽1中加入蒸馏水，根据试件的上表面面积计算加蒸馏水体积为v＝54*300*P/365。
S3：将试件连同本装置放入车辙试验机中，放下橡胶加载轮，调整加载荷载大小，标记好蒸馏水位，分别在25℃和60℃条件下保温3h后，开启车辙试验机使橡胶加载轮对试件进行碾压。
S4：每碾压间隔2000次，暂停测试，用电导率仪测试试件表面溶液的电导率。60℃测试电导率时，应补充蒸馏水至起始水位，确保每次测试溶液的体积不变，共碾压40000次。
S5：图4是电导率与溶液浓度的关系曲线。按照图4拟合公式，计算不同碾压次数对应的溶液浓度c，按照式m1＝c*v，计算不同碾压次数下析出的融雪抑冰成分的质量。
S6：按照下式计算不同碾压次数下融雪抑冰成分释放比例y。
y＝m1/(m×l×ε)
m1——融雪抑冰成分析质量，g；
m——沥青混合料试块质量，g；
l——沥青混合料低冰点材料比例，％；
ε——低冰点材料中融雪抑冰成分含量，％。
S7：绘制融雪抑冰材料释放比例与加载次数的关系曲线。图5和图6分别是25℃和60℃条件下，A、B、C三种融雪抑冰材料释放比例与加载次数的关系曲线。考虑高海拔地区路面温度达到60℃以上主要出现在夏季，因此按照y＝0.75y25℃+0.25y60℃将两个温度的关系曲线进行组合，考虑不同季节温度的影响，图7是两个温度条件下的组合曲线。
拟合公式为：
材料A：y＝11.847lnx-90.652
材料B：y＝12.688lnx-97.504
材料C：y＝15.344lnx-118.979
S8：回归公式修正。考虑实际路面在运营过程中，融雪抑冰成分不是时刻都在析出，引入降雪影响因素C1＝城市降雪天数/365和降雨影响因素C2＝城市降雨天数/365，按照y＝aln(x/(C1+C2))+b，可得到修正后的融雪路面长效性回归模型。
S9：计算融雪抑冰材料的使用年限n。取y＝100％，可计算得到融雪抑冰全部析出时的碾压次数x100％，根据项目所在地的年平均日交通量AADT，可按照公式，n＝x100％/(365*AADT)计算低冰点沥青混合料长效性使用年限n。本实施例中以冕宁县某条二级公路为例，平均日交通量为3000，平均降雨天数为184天，降雪天数为6天，该地区的降雪影响因素C1＝0.016，降雨影响因素C2＝0.504，修正后的拟合公式为：
材料A：y＝11.847ln1.923x-90.652
材料B：y＝12.688ln1.923x-97.504
材料C：y＝15.344ln1.923x-118.979
取y＝100％，通过上述三个公式计算得到材料A、B、C对应的x100％，然后将x100％带入公式n＝x100％/(365*AADT)中计算得到材料的使用年限：材料A为4.63年，材料B为2.74年，材料C为0.75年。
以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (9)

1.一种考虑服役环境的低冰点路面长效性评价装置，其特征在于，包括用于与车辙试验机配合使用的水槽(1)和试件槽(2)，所述试件槽(2)位于水槽(1)的下方并与水槽(1)连通，所述试件槽(2)的尺寸与沥青混合料试件的尺寸相匹配。
2.根据权利要求1所述的一种考虑服役环境的低冰点路面长效性评价装置，其特征在于，所述试件槽(2)宽度与车辙试验机橡胶加载轮宽度相同。
3.根据权利要求1所述的一种考虑服役环境的低冰点路面长效性评价装置，其特征在于，还包括固定板(3)，所述固定板(3)沿试件槽(2)长度方向设置并与试件槽(2)固定连接，所述固定板(3)与车辙试验机相匹配，并与车辙试验机螺栓连接。
4.根据权利要求1所述的一种考虑服役环境的低冰点路面长效性评价装置，其特征在于，所述水槽(1)内部尺寸为长400mm×宽154mm×高30mm。
5.根据权利要求1所述的一种考虑服役环境的低冰点路面长效性评价装置，其特征在于，所述试件槽(2)内部尺寸为长300mm×宽54mm×高50mm。
6.根据权利要求1所述的一种考虑服役环境的低冰点路面长效性评价装置，其特征在于，所述水槽(1)和试件槽(2)所有接缝处进行密封处理。
7.根据权利要求1所述的一种考虑服役环境的低冰点路面长效性评价装置，其特征在于，所述沥青混合料试件侧侧面与试件槽(2)之间设置有密封材料。
8.一种考虑服役环境的低冰点路面长效性评价方法，其特征在于，采用权利要求1～7任一项所述的考虑服役环境的低冰点路面长效性评价装置按以下步骤进行操作：
S1：将轮碾成型的5cm厚车辙板试件切割成与试件槽(2)相匹配的尺寸并装入试件槽(2)中；
S2：按照项目所在地的年平均降雨量计算每天的降雨量，然后根据每天的降雨量向水槽(1)中加入蒸馏水，根据试件的上表面面积计算加蒸馏水体积v，计算式为：
v＝S*P/365
P为预定地点的年平均降雨量，S试件上表面面积；
S3：将装入试件的低冰点沥青混合料长效性评价装置放入车辙试验机中，调整加载荷载大小，标记好蒸馏水位，分别在温度t1和t2条件下保温3h后，开启车辙试验机通过橡胶加载轮对试件进行碾压，t1为项目所在春、秋、冬三个季节的平均气温，t2为项目所在地夏季平均气温；
S4：每碾压间隔2000次，暂停测试，用电导率仪测试试件表面溶液的电导率，共碾压40000次；
S5：分别绘制t1和t2温度下电导率与溶液浓度的关系曲线，按照关系曲线对应的拟合公式，计算不同碾压次数对应的溶液浓度，并根据以下公式计算不同碾压次数下析出的融雪抑冰成分质量，计算式为：
m1＝c×v
m1为不同碾压次数下析出的融雪抑冰成分的质量，c为不同碾压次数对应的溶液浓度；
S6：计算不同碾压次数下融雪抑冰成分释放比例y，计算式为：
y＝m1/(m×l×ε)
m为沥青混合料试块质量，l为沥青混合料低冰点材料比例，ε为低冰点材料中融雪抑冰成分含量；
S7：分别绘制t1和t2温度下融雪抑冰材料释放比例y与加载次数x的关系曲线，并根据项目所在地不同季节温度对路面温度的影响，将t1和t2温度下各碾压次数下的释放比例进行加权处理，然后对处理后的曲线进行拟合，得到拟合曲线；
拟合公式为：
y＝alnx+b
式中y为融雪抑冰材料释放比例，x为加载次数，a和b为拟合参数；
S8：回归公式修正,引入降雪影响因素C1和降雨影响因素C2对S7中的拟合公式进行修正，得到修正后的融雪路面长效性回归模型：
y＝aln(x/(C1+C2))+b
式中降雪影响因素C1＝城市降雪天数/365，降雨影响因素C2＝城市降雨天数/365；
S9：计算融雪抑冰材料的使用年限，取y＝100％，计算融雪抑冰全部析出时对应的碾压次数x100％，根据项目所在地的年平均日交通量AADT，计算低冰点沥青混合料长效性使用年限n，计算公式为：
n＝x100％/(365*AADT)。
9.根据权利要求8所述的一种考虑服役环境的低冰点路面长效性评价方法，其特征在于，步骤S4中测试电导率时，补充蒸馏水至起始水位。
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