CN114088535A - 一种模拟降雨的沥青混凝土重复蠕变试验装置及方法 - Google Patents

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CN114088535A CN202111224057.6A CN202111224057A CN114088535A CN 114088535 A CN114088535 A CN 114088535A CN 202111224057 A CN202111224057 A CN 202111224057A CN 114088535 A CN114088535 A CN 114088535A
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Abstract

本发明公开了一种模拟降雨的沥青混凝土重复蠕变试验装置及方法，该试验装置包括集成控制柜、喷水压盘、工作箱、恒温水箱和动载加载设备。本发明的试验装置可模拟路面真实降雨状况，从而模拟不同的水力场，用于评价在多场耦合作用下(应力场、温度场、水力场)沥青路面的高温性能，并研究降雨过程沥青路面高温性能的差异。本发明的试验装置和试验方法可以很好的模拟沥青路面在夏季高温降雨环境中的破坏，从而可以更合理的评价沥青路面的高温性能。

Description

一种模拟降雨的沥青混凝土重复蠕变试验装置及方法
技术领域
本发明涉及一种模拟降雨的沥青混凝土重复蠕变试验装置及方法，属于道路工程领域。
背景技术
随着我国国民经济的不断提高和发展，我国的道路事业也随之发展，取得了举世瞩目的成绩。截止到2017年末，中国的公路总里程已经达到477.35万公里，在总里程中，高速公路的里程占了将近2.8％，里程规模位居世界第一。由于沥青路面具有行车舒适、养护方便、噪音低等优点，因此我国的公路尤其是高速公路普遍采用沥青类材料建造。根据资料可知，美国高速公路中将近93％为沥青路面，而在我国已建立的高速公路中有95％以上的路面采用了沥青类材料。
我国南方的大多数省份在夏天都是多雨的高温地区。在夏季，车辙和水损害是沥青路面的主要病害。水损害是其他类型损害的前奏，并会加速其他类型的损害，如车辙和开裂。车辙不仅会降低沥青混凝土的使用寿命，还会产生道路安全问题，永久变形会在车轮载荷、高温和水损坏的影响下累积。因此，在夏季高温和降雨的耦合条件下，评价沥青混凝土的抗车辙能力是十分必要的。
重复蠕变试验方法简单、控制方便、力学模式明确，能较好地反映黏弹性材料的特性，而且能近似地模拟产生车辙时路面材料的变形机理，是研究沥青混凝土高温变形特性的有效手段。在以往的研究中，很多学者在进行重复加载蠕变的高温性能时仅仅考虑温度和荷载的影响，忽略了降雨对沥青混凝土的影响。较少数的人考虑了水的作用，主要分为两种，一种是先将沥青混凝土放在水里养生，然后再进行力学试验，这是两个独立的步骤，无法实现水力耦合。另外一种是将沥青混凝土浸泡在水中，同时进行力学性能试验，与路面实际情况不符，显然只是模拟了有水的状况，不能够模拟降雨的实际状况，比如降雨强度小时，路面可以及时排水，在进行试验时混凝土应该处于喷淋状态，降雨强度大排水路面在饱和状态下排水，混凝土中的水应该是流动的，不断排掉然后被雨水补充，对混凝土内部也有一个冲刷的作用，而不应该是被固定在一个容器中，这对其在动载下产生的水压也有所影响，因此有必要开发一套装置及方法，用来模拟降雨工况下的沥青混凝土重复蠕变试验。
发明内容
本发明为了解决现有技术中存在的上述缺陷和不足，提供了一种模拟降雨的沥青混凝土重复蠕变试验装置及方法。
本发明具体采用的技术方案如下：
一种模拟降雨的沥青混凝土重复蠕变试验装置及方法，其特征在于：所述模拟降雨工况下的沥青混凝土重复蠕变试验装置包括集成控制柜、水管，喷水压盘、工作箱、工作台、恒温水箱、加载压杆、沥青混凝土试件和万能试验机环境箱；
所述集成控制柜通过水管与喷水压盘、恒温水箱和工作箱相连；
所述万能试验机环境箱内设置有工作台，工作台上有凸起；所述工作箱通过底部的凹槽固定在工作台上，工作箱底部设有试件台；所述沥青混凝土试件放置在工作箱的试件台上，所述喷水压盘放置在沥青混凝土试件上，所述加载压杆通过喷水压盘对沥青混凝土试件施加荷载，所述加载压杆、喷水压盘、沥青混凝土试件和试件台的中心线重合；
作为优选，所述集成控制柜包括供水系统、回水系统、控制面板、智控盒和工作箱储存室；所述供水系统包括抽水口、供水泵、四通水阀和压盘供水口；所述抽水口通过水管与恒温水箱连接；所述抽水口、供水泵、四通水阀和压盘供水口用水管依次连接；所述回水系统包括回水口、回水泵、和自流入水口；所述回水口通过水管与工作箱出水口连接；所述回水口、回水泵、和自流入水口通过水管依次连接；所述自流入水口通过水管与恒温水箱连接；所述控制面板包括总电源开关、供水开关、回水开关、抽水调速旋钮、回水调速旋钮、供水泵电压显示屏和回水泵电压显示屏；所述智控盒通过线路与供水泵、回水泵和控制面板连接；所述工作箱储存室用于放置工作箱；
作为优选，所述水管为PVC水管
作为优选，所述喷水压盘包括压头，翼缘盘；所述压头是直径为80.6mm的圆形压头，位于压盘中心，翼缘盘下侧；所述翼缘盘为圆形，尺寸大于压头，根据需求选择适当尺寸，翼缘盘侧边设有进水口；所述进水口设置有三个，三个进水口相互夹角为120度；压盘上表面均匀开设贯通的小孔，所述小孔均匀分布，贯穿压盘，所述小孔在压盘上表面处和压盘下表面处都设置成壶形有助于水的流出。
作为优选，所述工作箱为上开口的圆筒形半封闭容器，包括底盘、试件台、不锈钢螺杆，有机透明玻璃、环形盘和泄水阀；所述底盘是直径为400mm的实心硬质铝合金圆盘，在底盘底部中心设有圆形凹槽，从而可以将工作箱固定在工作台上；所述底盘与环形盘的间距为270mm；所述底盘上表面和环形盘的下表面靠近边缘侧设有5mm深的环形凹槽，用于安装有机玻璃；所诉有机透明玻璃嵌在底盘与环形盘之间，并用高强胶水粘结，保证密封性，并且标有刻度线，以便观察工作箱内的水位；所述试件台为立方体，高度为20mm，长度为150mm，宽度为150mm，且中心线与底盘中心线重合；所述不锈钢螺杆用于固定底盘和环形盘；
作为优选，所述沥青混凝土试件为由旋转压实成型的直径为150±1mm，高度为100mm±1mm的圆柱体试件；
本发明的另外一种目的还在于提供一种利用如上所述的模拟降雨工况下的沥青混凝土重复蠕变试验方法，包括以下步骤：
(1)按照沥青路面的设计级配和沥青用量，采用旋转压实仪成型沥青混凝土试件，室温养生20h后备用；
(2)将工作箱固定在万能试验机的工作台上；
(3)用水管将集成控制柜的吸水口和自流入水口与恒温水箱连接，并且将恒温水箱上的压盘供水口与压盘进水口连接，最后将工作箱上的泄水阀与集成控制柜上的回水口连接，从而水从恒温水箱经集成控制柜喷洒在沥青混凝土试件上，再从工作箱经集成控制柜流回恒温水箱，组成降雨循环系统；
(4)将成型好的沥青混凝土试件放置在工作箱内的试件台上，然后将压盘放在沥青混凝土上，最后将加载压杆调到压盘中心，使得加载压杆、喷水压盘、沥青混凝土试件和试件台的中心线重合；
(5)恒温水箱内加水，设定为所需温度，将水加热至要求温度；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；通过改变恒温水箱和万能试验机环境箱的温度可以模拟不同的温度场；
(6)启动集成控制柜总电源、供水开关和回水开关，通过调节控制面板上的抽水调速旋钮和回水调速旋钮可调节供水速度与回水速度，从而模拟降雨的不同强度；
(7)通过万能试验机的控制计算机设定加载参数，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(加载0.1s，间歇0.9s)；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，用于评料价沥青混合的高温性能；
有益效果：(1)本模拟降雨工况下的沥青混凝土重复蠕变试验方法，可以在室内进行沥青混凝土重复蠕变试验时模拟不同降雨工况下路面实际排水情况，使试验与降雨工况下的路面真实情况相符，试验结果更可靠。(2)本装置模拟降雨的水通过集成控制柜从恒温水箱抽出，供给喷水压盘，然后喷洒在沥青混凝土上，洒落在工作箱内，最后由回水泵从工作箱抽回恒温水箱，从而使得水循环利用，节约资源。(3)与现有多场耦合作用的试验装置相比，该试验装置通过改变供水速度与回水速度可以模拟不同的降雨强度，改变恒温水箱温度可模拟不同的温度，从而模拟不同降雨工况及相应的温度场，特别的对于排水沥青路面，通过改变降雨强度可以模拟不同的水力场，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。在上述水力场和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、温度场和水力场的多场耦合作用，可真实评价沥青路面在实际使用过程中的高温性能。(4)沥青路面所采用的传统密级配沥青混凝土的空隙率一般为3％左右，雨水很难进入混凝土内部，仅在破坏部位有雨水进入混凝土内部，最终引起路面破坏。多孔沥青混凝土具有更大的空隙，雨水通过混凝土内部流出，全部混凝土均与水完全接触，并长时间处于含水的环境下，长期经受车辆荷载、动水压力、温度场的多场耦合作用。因此，本装置尤其适用于研究排水沥青路面的多场耦合作用下的高温性能。
附图说明
图1为本发明实施例中降雨循环示意图；
图2为本发明实施例中集成控制柜主视图；
图3为本发明实施例中模拟降雨的重复蠕变试验装置示意图；
图4为本发明实施例中工作箱俯视图；
图5、图6为本发明实施例中喷水压盘构造图；
图7为图5中喷水压盘的小孔主视图；
图中：1-集成控制柜；2-水管；3-恒温水箱；4-控制面板；5-总电源；6-供水开关；7-供水泵电压显示屏；8-抽水调速旋钮；9-回水泵电压显示屏；10-回水开关；11-回水调速旋钮；12-供水泵；13-抽水口；14-回水泵；15-回水口；16-四通水阀；17-压盘供水口；18-自流入水口；19-工作箱储存室；20-智控盒；21-万能试验机环境箱；22-万能试验机立柱；23-工作台；24-工作箱；25-不锈钢螺杆；26-有机透明玻璃；27-试件台；28-凹槽；29-环形盘；30-加载压杆；31-喷水压盘；32-刻度线；33-沥青混凝土试件；34-泄水阀；35-底盘；36-环形凹槽；37-压头；38-进水口；39-翼缘盘；40-小孔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
如图1、图2所示：一种模拟降雨的沥青混凝土重复蠕变试验装置及方法，包括集成控制柜1、水管2，喷水压盘31、工作箱24、工作台23、恒温水箱3、加载压杆30、万能试验机立柱22、沥青混凝土试件33和万能试验机环境箱21；所述集成控制柜1通过水管2与喷水压盘31、恒温水箱3和工作箱24相连；所述水管2为PVC水管；所述万能试验机环境箱21内设置有工作台23，工作台23上有凸起，工作箱24通过底部的凹槽28固定在工作台23上，所述沥青混凝土试件33放置在试件台上27，所述喷水压盘31放置在沥青混凝土试件33上，所述加载压杆30通过喷水压盘31对沥青混凝土试件33施加荷载，所述加载压杆30、喷水压盘31、沥青混凝土试件33和试件台27的中心线重合。
所述集成控制柜1包括供水系统、回水系统、控制面板4、智控盒20和工作箱储存室19；所述供水系统包括抽水口13、供水泵12、四通水阀16和压盘供水口17；所述抽水口13通过水管2与恒温水箱3连接；所述抽水口13、供水泵12、四通水阀16和压盘供水口17用水管2依次连接；所述回水系统包括回水口15、回水泵14、和自流入水口18；所述回水口15通过水管2与工作箱3泄水阀34连接；所述回水口15、回水泵14、和自流入水口18通过水管2依次连接；所述自流入水口18通过水管2与恒温水箱3连接；所述控制面板4包括总电源开关5、供水开关6、回水开关10、抽水调速旋钮8、回水调速旋钮11、供水泵电压显示屏7和回水泵电压显示屏9；所述智控盒20通过线路与供水泵12、回水泵14和控制面板4连接；所述工作箱储存室19用于放置工作箱24。
所述喷水压盘31包括压头37，翼缘盘39；所述压头是直径为80.6mm的圆形压头37，位于压盘中心，翼缘盘39下侧；所述翼缘盘39为圆形，尺寸大于压头，根据需求选择适当尺寸，翼缘盘39侧边设有进水口38；所述进水口38设置有三个，三个进水口38相互夹角为120度；压盘31上表面均匀开设贯通的小孔40，所述小孔40均匀分布，贯穿压盘31，所述小孔40在压盘31上表面处和压盘31下表面处都设置成壶形有助于水的流出。
所述工作箱24为上开口的圆筒形半封闭容器，包括底盘35、试件台27、不锈钢螺杆25，有机透明玻璃26、环形盘29和泄水阀34；所述底盘35是直径为400mm的实心硬质铝合金圆盘，在底盘35底部中心设有圆形凹槽28，从而可以将工作箱24固定在工作台23上；所述底盘35与环形盘29的间距为270mm；所述底盘35上表面和环形盘29的下表面靠近边缘侧设有5mm深的环形凹槽36，用于安装有机玻璃26；所诉有机透明玻璃26嵌在底盘35与环形盘29之间，并用高强胶水粘结，保证密封性，并且标有刻度线32，以便观察工作箱24内的水位；所述试件台27为立方体，高度为20mm，长度为150mm，宽度为150mm，且中心线与底盘35中心线重合；所述不锈钢螺杆25用于固定底盘35和环形盘29。
实施例
S1、准备沥青混凝土试件33：按照沥青路面的设计级配和沥青用量，通过旋转压实仪成型直径为150mm±1mm，高度为100mm±1mm的PAC-13沥青混凝土圆柱体试件33，在室温下养生20h后备用；
S2、设置模拟真实降雨循环系统：用PVC水管2将集成控制柜1的抽水口13和自流入水口18与恒温水箱3连接，并且将恒温水箱3上的压盘供水口17与压盘进水口38连接，最后将工作箱24上的泄水阀34与集成控制柜上1的回水口15连接，组成降雨循环系统。然后将工作箱24固定在万能试验机的工作台23上，把成型好的沥青混凝土试件33放置在试件台27上，然后将压盘31放在沥青混凝土试件33上，最后将加载压杆30调到压盘31中心，使得加载压杆30、喷水压盘31、沥青混凝土试件33和试件台27的中心线重合，为下面的试验做好准备。
S3、设置模拟温度系统：将恒温水箱温度设置为要求温度，本实施例温度设为55℃，并恒温保持在55±0.5℃。开启万能试验机，将环境箱21温度也设置为55±0.5℃。
S4、设置工况：待恒温水箱和万能试验机环境箱21都达到要求温度，启动集成控制柜总电源5、供水开关6和回水开关10，通过调节抽水调速旋钮8和回水调速旋钮11可调节供水速度与回水速度，观察工作箱24，根据水位情况可模拟降雨的不同强度。特别的对于PAC-13沥青混凝土可模拟的工况有三种：工况1.降雨强度小，水能够及时排出，此时工作箱24水位在沥青混凝土试件33下表面；工况2.降雨强度中等或较大，路面在饱和状态下排水，此时工作箱24水位在沥青混凝土试件33上表面；工况3.降雨结束，空隙内有水残留。本实施例采用工况1，在工况设置好后，将沥青混凝土在相应的工况下养生4h。
S5、进行动态蠕变试验：通过万能试验机的控制计算机设定加载参数，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(加载0.1s，间歇0.9s)；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，用于评料价沥青混合的高温性能。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种模拟降雨的沥青混凝土重复蠕变试验装置及方法，其特征在于：所述模拟降雨的沥青混凝土重复蠕变试验装置包括集成控制柜、水管，喷水压盘、工作箱、工作台、恒温水箱、加载压杆、沥青混凝土试件和万能试验机环境箱；
所述集成控制柜通过水管与喷水压盘、恒温水箱和工作箱相连；
所述万能试验机环境箱内设置有工作台，工作台上有凸起；所述工作箱通过底部的凹槽固定在工作台上，工作箱底部设有试件台；所述沥青混凝土试件放置在工作箱的试件台上，所述喷水压盘放置在沥青混凝土试件上，所述加载压杆通过喷水压盘对沥青混凝土试件施加荷载，所述加载压杆、喷水压盘、沥青混凝土试件和试件台的中心线重合。
2.根据权利要求1所述的模拟降雨的沥青混凝土重复蠕变试验装置及方法，其特征在于：所述集成控制柜包括供水系统、回水系统、控制面板、智控盒和工作箱储存室；所述供水系统包括抽水口、供水泵、四通水阀和压盘供水口；所述抽水口通过水管与恒温水箱连接；所述抽水口、供水泵、四通水阀和压盘供水口用水管依次连接；所述回水系统包括回水口、回水泵、和自流入水口；所述回水口通过水管与工作箱出水口连接；所述回水口、回水泵、和自流入水口通过水管依次连接；所述自流入水口通过水管与恒温水箱连接；所述控制面板包括总电源开关、供水开关、回水开关、抽水调速旋钮、回水调速旋钮、供水泵电压显示屏和回水泵电压显示屏；所述智控盒通过线路与供水泵、回水泵和控制面板连接；所述工作箱储存室用于放置工作箱。
3.根据权利要求1所述的模拟降雨的沥青混凝土重复蠕变试验装置及方法，其特征在于：所述水管为PVC水管。
4.根据权利要求1所述的模拟降雨的沥青混凝土重复蠕变试验装置及方法，其特征在于：所述喷水压盘包括压头，翼缘盘；所述压头是直径为80.6mm的圆形压头，位于压盘中心，翼缘盘下侧；所述翼缘盘为圆形，尺寸大于压头，根据需求选择适当尺寸，翼缘盘侧边设有3个进水口；所述进水口设置有三个，三个进水口相互夹角为120度；压盘上表面均匀开设贯通的小孔，所述小孔均匀分布，贯穿压盘，所述小孔在压盘上表面处和压盘下表面处都设置成壶形有助于水的流出。
5.根据权利要求1所述的模拟降雨的沥青混凝土重复蠕变试验装置及方法，其特征在于：所述工作箱为上开口的圆筒形半封闭容器，包括底盘、试件台、不锈钢螺杆，有机透明玻璃、环形盘和泄水阀；所述底盘是直径为400mm的实心硬质铝合金圆盘，在底盘底部中心设有圆形凹槽，从而可以将工作箱固定在工作台上；所述底盘与环形盘的间距为270mm；所述底盘上表面和环形盘的下表面靠近边缘侧设有5mm深的环形凹槽，用于安装有机玻璃；所诉有机透明玻璃嵌在底盘与环形盘之间，并用高强胶水粘结，保证密封性，并且标有刻度线，以便观察工作箱内的水位；所述试件台为立方体，高度为20mm，长度为150mm，宽度为150mm，且中心线与底盘中心线重合；所述不锈钢螺杆用于固定底盘和环形盘。
6.根据权利要求1所述的模拟降雨的沥青混凝土重复蠕变试验装置及方法，其特征在于：所述沥青混凝土试件为由旋转压实成型的直径为150±1mm，高度为100mm±1mm的圆柱形试件。
7.一种利用如权利要求1～6所述的模拟降雨的沥青混凝土重复蠕变试验装置进行沥青混凝土重复蠕变试验的方法，包括以下几个步骤：
(1)按照沥青路面的设计级配和沥青用量，采用旋转压实仪成型沥青混凝土试件，室温养生20h后备用；
(2)将工作箱固定在万能试验机的工作台上；
(3)用水管将集成控制柜的吸水口和自流入水口与恒温水箱连接，并且将恒温水箱上的压盘供水口与压盘进水口连接，最后将工作箱上的泄水阀与集成控制柜上的回水口连接，从而水从恒温水箱经集成控制柜喷洒在沥青混凝土试件上，再从工作箱经集成控制柜流回恒温水箱，组成降雨循环系统；
(4)将成型好的沥青混凝土试件放置在工作箱内的试件台上，然后将压盘放在沥青混凝土上，最后将加载压杆调到压盘中心，使得加载压杆、喷水压盘、沥青混凝土试件和试件台的中心线重合；
(5)恒温水箱内加水，设定为所需温度，将水加热至要求温度，误差不超过0.5℃；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；通过改变恒温水箱和万能试验机环境箱的温度可以模拟不同的温度场；
(6)启动集成控制柜总电源、供水开关和回水开关，通过调节控制面板上的抽水调速旋钮和回水调速旋钮可调节供水速度与回水速度，从而模拟降雨的不同强度；
(7)通过万能试验机的控制计算机设定加载参数，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(加载0.1s，间歇0.9s)；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，用于评料价沥青混合的高温性能。
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