动水压对开裂沥青路面基层冲刷模拟试验装置及方法

摘要

本发明涉及动水压对开裂沥青路面基层冲刷模拟试验装置及方法，该试验装置包括机械系统、数据采集系统和变频电源驱动器，数据采集系统包括放大器、数据采集器和计算机，所述机械系统包括电动机、传动皮带和偏心轮轴，光电传感器安装在偏心轮轴旁，偏心轮轴上设有偏心轮，偏心轮通过杆连接有弹簧系统、力传感器和试样筒，数据采集系统记录和显示压力大小和施加次数，施加载荷至规定次数，通过质量损失评价材料的抗冲刷能力。通过本试验装置和试验方法可测定不同动水压、作用次数与基层材料冲刷量的关系及每次产生的泵吸力，试验结果稳定可靠，不同基层材料试验结果可比性强，可用来评价半刚性路面基层材料的抗冲刷能力。

说明书

技术领域

本发明涉及道路材料性能检测技术领域，具体涉及针对开裂缝沥青路面半刚性基层材料抗冲刷能力的测定和评价的模拟试验装置及方法。

背景技术

早在二十世纪五十年代，美国等一些国家就有报道，在行车的作用下所产生的泵吸作用会造成道路基层的唧泥现象，继而由于唧泥使路面破坏。但是开展基层材料抗冲刷性能研究真正是始于80年代，并且国内外相应的报道屈指可数。目前主要有法国和澳大利亚两国对冲刷试验方法有过报道。在法国，研究人员利用旋转刷或振动台来做基层材料的室内冲刷性能试验。澳大利亚的研究人员也用振动台进行冲刷试验，试验装置与法国的基本相同，只是试件尺寸、振动频率等试验条件的规定不同。

旋转刷试验是依靠旋转着的钢丝刷对试件的表面进行磨刷作用，并通过不同试件被钢丝刷刷下的材料颗粒重量的多少来衡量它们抗冲刷能力的强弱。这种试验方法或许在一定程度上对基层的冲刷过程中类似于机械磨损现象进行了模拟，但在整个试验中没有涉及到水，故该法并不能模拟路面的冲刷机理，存在着局限性。因而，用这种试验方法来评价半刚性基层材料的抗冲刷能力与实际状况相差甚远。

与旋转刷试验相比，用振动台来做基层材料冲刷试验在原理上有了很大的改善。它在试验过程中考虑了水对试件的浸蚀作用及路面面层在行车荷载的作用下对饱水基层顶面的“泵吸作用”。但是，这种试验装置的主要缺陷在于它不能为不同的试件提供相同的试验条件。从表面上来看，在试验过程中振动台的频率是一定的，振动台上钢桶中的试件与振动台的频率应该保持一致。但是，事实上试件所受到的作用力的大小与频率均在很大范围内变化，几乎是无规律的。振动的方式也不能很好的模拟基层材料实际冲刷状况，这种情况下的“动水”与缝隙中的“动水”相差甚远。

虽然这些国家较早的开始研究无机结合粒料处治材料的抗冲刷能力，但总的说来由于试验方法和试验装置的原因，至今没有哪种室内试验方法能与现实道路的实际情况相互联系。而且他们较多的是研究水泥处治类材料，对我国常用二灰稳定类、石灰稳定类等半刚性材料的研究相对较少。

鉴于上述问题，在1985年交通部颁布的《公路路面基层施工技术规范》中对基层材料的抗冲刷能力有所考虑。但是，十分缺乏相关研究成果的支持。这其中与半刚性基层材料的抗冲刷性能试验方法和指标这一前提条件尚未建立不无关系。

2000年，长安大学沙爱民教授提出了新的能够模拟道路基层在实际中受冲刷情况的试验装置和试验方法。该试验装置依靠MTS平台采用自上而下的加载方式，为了避免试件在冲刷过程中因试件碰撞带来的质量损失对试验结果带来影响，试件被固定起来，放在一个能将试件固定同时又能与MTS底座相连的盛水的冲刷桶内。试验过程中，MTS压头向下作用对试件顶面进行加载时，压头底面与试件顶面之间的细泥浆被快速的挤出，这种情况模拟车轮荷载作用与路面上，面层底面与基层顶面间的细泥浆被挤出的情形；当MTS压头快速上升时，在压头底面与试件的顶面之间形成负压；这种负压会将水迅速地吸入压头底面与试件顶面之间；同时还会对试件顶面产生“泵吸作用”；即将试件顶面微结构中的细粒吸出并将加载时冲击下来的细颗粒带起；这种情况模拟发生冲刷时车轮经过后，路面面层回弹时的冲刷状况。但美中不足是未能考虑裂缝的影响，同时压头直接作用于试件表面，造成试件表面较大颗粒的脱落，也与实际中荷载是作用面层表面和细集料被挤出或者被吸出的情况不符。负压区理论上有存在的可能但真空吸力的作用不尽明显。

虽然冲刷性能试验装置尽量模拟路面基层的实际冲刷状态，半刚性基层材料抗冲刷性能试验方法具备自身完整性和与其它相关试验方法的协调性和配套性。但是：1、MTS属大型平台性试验仪器，用它来做冲刷试验不易推广，有必要设计出更为简便的抗冲刷试验装置。2、由于沥青路面裂缝的特点，沥青路面结构中半刚性基层冲刷有以下几种形式：(1)沥青面层的裂缝是由于面层自身低温脆裂而引起的，在面层裂缝下水泥稳定类基层没有裂缝与之对应。在这种情况下冲刷主要发生在面层底面与基层顶面之间。(2)沥青路面面层的裂缝是基层引起的反射裂缝，这种情况引起的基层冲刷较严重。因为此时水不但会侵入面层与基层交界面之间，而且还会顺着裂缝进入到基层与底基层的交界面上。当冲刷严重时，底基层也会发生冲刷，细泥浆同样也会被挤出路面面层。(3)路面面层有许多微裂缝，水分由面层微裂缝渗入后，在基层表面局部的地方积聚，在渗水初期，水分被基层吸收，伴随着基层逐渐饱和，局部基层的弹性模量也同时降低，在行车荷载作用下，此部分比其它地方更易出现面层与基层之间的脱空，当脱空和水分积累达到一定程度时，便开始了冲刷作用，因为路面面层无明显裂缝，所以在路面上看不到唧泥现象，但这种基层的冲刷作用很快就能导致路面面层局部开裂，继而路面出现低洼、坑洞，而该试验装置虽然也模拟了冲刷腔，但是和实际造成路面冲刷破坏的裂缝相去甚远。

现在还没有能够逼真模拟动水压力对带裂缝沥青路面半刚性基层冲刷作用的试验方法及装置。

发明内容

本发明的目的是为了克服背景技术的不足，而提供一种能够逼真模拟沥青路面出现裂缝后，在车辆荷载作用下产生的动水压力和车辆驶离瞬息产生的泵吸力对路面半刚性基层冲刷作用的模拟试验装置和试验方法，以测定不同动水压力、作用次数与基层材料冲刷量的关系及每次产生的泵吸力，用于分析、比较和评价半刚性路面基层材料的抗冲刷能力。

本发明的目的是这样实现的：一种动水压对开裂沥青路面基层冲刷模拟试验装置，包括机械系统、数据采集系统和变频电源驱动器，数据采集系统包括放大器、数据采集器和计算机，其特征在于：所述机械系统包括电动机1、传动皮带2和偏心轮轴3，光电传感器24安装在偏心轮轴3旁边，偏心轮轴3上设有滚动轴承5、惯性飞轮20和偏心轮4，偏心轮4通过滚动轴承19和杆6以及设在筒8内的弹簧7和杆10顺序连接，复位弹簧9套在杆10上，杆10和杆12之间连接有力传感器11，杆12的下端连接压板13，调节螺杆17的上端设有托盘23，其下端设有锁紧螺母18，托盘23上安装有试样筒15，试样筒15内装有用来模拟沥青路面的橡胶垫板14。

一种动水压对开裂沥青路面基层冲刷模拟试验方法，其特征在于：将一定龄期的半刚性路面基层试件16饱水一天后置入试样筒15中，上置橡胶垫板14并用套筒加以固定，注入水21至特定高度50mm，利用变频器设置载荷作用的频率0-20Hz；通过调节试样筒15底座的高度来调整施加荷载的大小，电动机1运转，压板13对路面基层试件16施加压力，同时，力传感器11将力信号经放大器放大后传送给数据采集器，光电传感器24将加载次数信号传送给数据采集器，数据采集系统将记录和显示压力大小和施加次数，施加载荷至规定次数，通过质量损失评价材料的抗冲刷能力。

本发明与现有技术相比具有以下优点：本发明能很好地模拟动水压力对开裂沥青路面基层冲刷作用的实际情况，通过本发明可测定不同动水压力、作用次数与基层材料冲刷量的关系；试验结果稳定可靠，不同基层材料试验结果可比性强，可用来评价半刚性路面基层材料的抗冲刷能力，本发明可测定不同动水压力下所产生的泵吸力，克服了其它试验机不能测量泵吸力的情况。本发明试验装置的优点：(1)经济实用，操作简便，体积轻巧，便于推广；(2)能模拟路面基层的实际冲刷状态，表现为荷载大小和荷载作用频率可调，用特制预切缝的橡胶垫模拟面层开裂后缝隙中的水与基层冲刷形成的空隙(冲刷腔)，同时模拟车辆荷载作用于路面基层状况，避免压头作用于试件表面造成骨料脱落，预切缝的橡胶垫能模拟引起路面冲刷破坏的三种裂缝形式：温缩裂缝、反射裂缝和微裂缝以及裂缝的长度宽度及形状；(3)与其他冲刷仪器相比，很好地模拟了“缝隙中”的动水压力和泵吸力，并能对动水压力和泵吸力进行测量。

附图说明

图1为本发明机械系统结构示意图。

图2为本发明机械系统中压块单向阀结构示意图。

图3为本发明数据采集系统结构框图。

图4为本发明载荷作用随时间变化曲线图。

具本实施方式

如图1、图2和图3所示的一种动水压对开裂沥青路面基层冲刷模拟试验装置，包括机械系统、数据采集系统和变频电源驱动器，数据采集系统包括放大器、数据采集器和计算机，其主要作用是记录显示载荷大小、载荷的作用次数和记录分析载荷作用曲线，变频电源驱动器采用1.5KW交流马达驱动器VFD015A21A机型，所述机械系统包括电动机1、传动皮带2和偏心轮轴3，光电传感器24安装在偏心轮轴3旁边，偏心轮轴3上设有滚动轴承5、惯性飞轮20和偏心轮4，偏心轮4通过滚动轴承19和杆6以及设在筒8内的弹簧7和杆10顺序连接，复位弹簧9套在杆10上，杆10和杆12之间连接有力传感器11，杆12的下端连接压板13，调节螺杆17的上端设有托盘23，其下端设有锁紧螺母18，托盘23上安装有试样筒15，试样筒15内装有路面基层试件16、用来模拟沥青路面的橡胶垫板14和位于橡胶垫板14上方的水21。此外，所述橡胶垫板14为弹性模量E＝100～150的圆形橡胶板，其直径为150mm，厚度为25～30mm，并在橡胶板中间开一个宽为2～5mm、长为50～60mm的长条形缝隙22；为了测定压板13与橡胶垫板14缝隙22产生的泵吸力，在压板13和杆12的中心安装单向阀，当单向阀工作时压板13与橡胶垫板缝隙22的泵吸力消失，当单向阀不工作时压板13与橡胶垫板缝隙22产生泵吸力。如图2所示，安装在压板13和杆12中心的单向阀包括安装在压板13底部中心内的空心螺母25、安装在压板13和杆12中心内的弹簧26和安装在弹簧26顶部的钢球27。图4测试了有泵吸力和无泵吸力的试验曲线。

弹簧系统的设计是整个机械系统设计的关键部分。弹簧7的作用一方面起到传递力的作用，另一方面起到延长杆的作用，当路面基层试件16顶面产生冲刷洼坑、坑洞，弹簧7保证杆10向下，使压板13始终能与橡胶垫板14顶面接触，保证试验力不发生变化。回复弹簧9的设计要保证偏心轮4离开最低点后，必须克服压板13、杆12、力传感器11、杆10、弹簧7、杆6和滚动轴承19的重力和压板13与橡胶垫板缝隙22产生的泵吸力，使滚动轴承19始终压在偏心轮13表面，不产生跳动。

本发明试验装置机械系统的工作原理：实验前将预先制好的半刚性路面基层试件16(φ150×200)放入试样筒15中，用弹性模量E＝100～150的圆形橡胶垫板14模拟沥青路面。橡胶垫板14直径为150mm，厚度为25～30mm，并在橡胶垫板14中间开一个宽2～5mm，长50～60mm的长条形或其它形状的缝隙22。橡胶垫板14放在路面基层试件16顶面，将试样筒15加盖密封，并在其上部加入水21。将试样筒15放在调节螺杆17的托盘23上并进行定位，旋转惯性飞轮20使偏心轮的4偏心(偏心量30MM)处于最低点并进行定位，这时旋转调整螺杆17使试样筒15向上移动与压板13接触并对路面基层试件16施加压力，压力的大小可通过力传感器11测量，压力施加到需要的试验压力，锁紧螺母18锁紧调节螺杆17，去掉惯性飞轮20上的定位销，使偏心轮4自由。通过变频驱动器启动电动机1，电动机1通过传动皮带2带动偏心轮轴3旋转，偏心轮4的压力通过下面的滚动轴承19、杆6、弹簧7、杆10、力传感器11、杆12和压板13传递给路面基层试件16。偏心轮4每旋转一圈，压板13对路面基层试件16加压一次，使橡胶垫板缝隙22的水产生动压力对路面基层试件16进行冲刷。偏心轮4离开最低点时，靠复位弹簧9使压板13、杆12、力传感器11和杆10向上复位，在复位过程中，压板13与橡胶垫板缝隙22之间产生泵吸力，在泵吸力作用下使路面基层试件16冲刷的细料吸出形成唧泥现象。

本发明模拟试验方法：将一定龄期的半刚性路面基层试件16饱水一天后置入试样筒15中，上置橡胶垫板14并用套筒加以固定，注入水21至特定高度50mm，利用变频器设置载荷作用的频率0-20Hz；通过调节试样筒15底座的高度来调整施加荷载的大小，电动机1运转，压板13对路面基层试件16施加压力，同时，力传感器11将力信号经放大器放大后传送给数据采集器，光电传感器24将加载次数信号传送给数据采集器，数据采集系统将记录和显示压力大小和施加次数，施加载荷至规定次数，通过质量损失评价材料的抗冲刷能力。