一种级配碎石变形性能的二次近似评价试验装置及方法

摘要

一种级配碎石变形性能的二次近似评价试验装置及方法，试验装置包括固定在减振台上的发动机，发动机经传动杆带动橡胶压头对试模中的级配碎石试件施加冲击力；发动机上连接有用于调节传动杆实现波形控制的伺服阀，传动杆上设有用于调节传动杆自身长度的升降阀；试模包括外筒，外筒的内侧设置有复合套筒及复合垫层。试验方法包括：a.称取级配碎石混合料，拌匀后装入试模；b.碾压制得级配碎石试件；c.通过橡胶压头反复冲击级配碎石试件，记录塑性变形量；d.以变时间间隔的方式计算级配碎石试件塑性变形曲线的近似积分，根据橡胶压头的冲击速度加权后作为级配碎石试件塑性变形性能指标PDI。本发明能够反映级配碎石基层所处的位移边界条件。

说明书

技术领域

本发明涉及工程领域，具体涉及一种级配碎石变形性能的二次近似评价试验装置及方法。

背景技术

级配碎石材料因为其具有取材容易、造价低廉等优点，曾广泛应用于我国早期的道路建设，但受限于当时的认识水平和技术能力，以及评价指标不合适等缺陷，级配碎石基层未能满足交通发展的需求。道路工作者在原有认识的基础上对级配碎石的组成及配比进行了改善，采用骨架结构和振动成型方式大幅度提升了级配碎石的路用性能。

为了评价级配碎石的变形性能，周刚公开了一种车辙试验方法(200910103821.7)，其基本原理就是通过采用车轮在板块状级配碎石试件上反复行走，检测试件的变形量，并采用动稳定度来表征试验结果。但是很多车辙试验都发现，两份级配碎石材料的动稳定度相同时，它们的永久变形却有着明显的差别甚至相互矛盾。这主要是因为，动稳定度主要依据D45和D60(第45min和第60min的塑性变形量)进行计算，却忽略了其他时刻的塑性变形量，经常在试验中出现抗变形性能较好的假象，却在实际使用过程中产生过大的变形。此外，以往试验多数采用刚性试模，导致级配碎石处于完全侧限的状态，与实际存在较大差异。反之，若进行脱模试验，则导致级配碎石处于无侧限的状态，亦不符合实际情况。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种级配碎石变形性能的二次近似评价试验装置及方法，能够对级配碎石的塑性变形性能做出快速准确的评价。

为了实现上述目的，本发明级配碎石变形性能的二次近似评价试验装置包括：包括固定在减振台上的发动机，所述的发动机经传动杆带动橡胶压头对试模中的级配碎石试件施加冲击力；所述的发动机上连接有用于调节传动杆实现波形控制的伺服阀，所述的传动杆上设置有用于调节传动杆自身长度的升降阀；所述的试模包括外筒，外筒的内侧设置有复合套筒及复合垫层；所述的复合套筒由两层氯丁橡胶圆筒以及设置在两层氯丁橡胶圆筒之间的钢筒组成；所述的复合垫层设置在外筒内侧的底面上，复合垫层由两层氯丁橡胶圆板以及设置在两层氯丁橡胶圆板之间的钢板组成。所述的钢筒由弧形筒体拼接而成，并且接缝处预留有间隙。

所述氯丁橡胶圆筒以及氯丁橡胶圆板在面对外筒内侧空间的表面上，均覆盖有直接与级配碎石试件进行接触的有机硅防粘涂层。

所述橡胶压头对级配碎石试件所施加冲击力的大小控制在0.65MPa～0.75MPa。

所述的外筒能够容纳液体，其外侧连接有两个中空管，分别为出水管和回水管，中空管与温控装置连接；温控装置包括水泵、氟利昂压缩机以及电阻加热器，被电阻加热器进行过加热或者被氟利昂压缩机进行过冷却的液体能够在外筒、中空管、温控装置之间循环流动。

本发明级配碎石变形性能的二次近似评价试验方法，包括以下步骤：

a.称取级配碎石混合料，拌匀后装入试模；

b.碾压装有级配碎石混合料的试模，制得级配碎石试件；

c.通过级配碎石变形性能的二次近似评价试验装置反复冲击级配碎石试件，橡胶压头对级配碎石试件所施加冲击力的大小控制在0.65MPa～0.75MPa，记录塑性变形量；

d.以变时间间隔的方式计算级配碎石试件塑性变形曲线的近似积分，根据橡胶压头的冲击速度加权后作为级配碎石试件塑性变形性能指标PDI。

所述级配碎石试件塑性变形性能指标PDI的计算方法为：

d.1)构造关于时间间隔Δt_i的二次函数：

d.2)构造关于时间t_i的数列：

并将t_i时间发生的塑性变形记为y_i；

d.3)计算塑性变形曲线在各时间间隔Δt_i内的近似积分，并记为S_i：

d.4)根据橡胶压头的冲击速度对近似积分S_i进行加权，得到塑性变形性能指标PDI：

式中，塑性变形性能指标PDI的单位：次·mm；

N为橡胶压头的冲击速度，单位：次/min。

与现有技术相比，本发明二次近似评价试验装置能够真实的模拟实际交通荷载作用下级配碎石基层所处的位移边界条件，通过将发动机固定在减振台上，能够减少其自身的振动以消除试验误差，发动机连接能够进行波形控制的伺服阀，伺服阀再通过传动杆连接橡胶压头，传动杆上设置有用于调节传动杆自身长度的升降阀，橡胶压头以一定频率和波形反复冲击试件，继而模拟车辆实际行驶过程中橡胶轮胎对级配碎石基层的冲击过程。在试模外筒的内侧设置有复合套筒以及复合垫层，在橡胶压头的冲击作用下复合套筒和复合垫层能够压缩变形，单纯采用橡胶套筒和橡胶垫层难以承受冲击作用产生的压力，因此本发明采用了氯丁橡胶与钢材组成的复合层状结构，装置整体结构简单，能够较好的满足试验需要。

进一步的，本发明试模的钢筒由弧形筒体拼接而成，并且接缝处预留有间隙，保证复合套筒能够发生压缩变形。此外，氯丁橡胶圆筒与氯丁橡胶圆板表面覆盖有直接与级配碎石试件进行接触的有机硅防粘涂层，能够防止级配碎石试件与复合套筒、复合垫层的黏结。

进一步的，本发明的试模能够连接温控装置，通过温控装置能够进行加热或冷却试件，从而模拟级配碎石基层在高温炎热区或低温寒区中的应用。

与现有技术相比，本发明二次近似评价试验装置的试验方法具有如下的有益效果：采用轮碾成型机碾压装有级配碎石混合料的试模，制得的级配碎石试件，能够模拟实际施工过程中对级配碎石基层的碾压过程。采用橡胶压头以一定频率和波形反复冲击级配碎石试件，冲击压力控制在0.65MPa～0.75MPa，能够模拟车辆实际行驶过程中橡胶轮胎对级配碎石基层的冲击过程。由于以往采用的试模多数为刚性试模，试样处于完全侧限状态，不能反映实际交通荷载作用下级配碎石基层所处的位移边界条件，本发明对试模进行改进，改善试样的侧限状态，有利于更真实的模拟实际交通荷载作用下级配碎石基层所处的位移边界条件，从而更好地反映其塑性变形性能。本发明以变时间间隔的方式计算级配碎石试件塑性变形曲线的近似积分，能够在计算量相同的情况下实现更高的精度，最后釆用PDI指标能够综合反映级配碎石材料在多个时刻的塑性变形情况，较之动稳定度DS更加全面。

附图说明

图1本发明级配碎石变形性能的二次近似评价试验装置的结构示意图；

图2本发明复合套筒的结构示意图；

图3本发明复合垫层的结构示意图；

图4本发明试验装置试模外筒连接温控装置示意图；

图5基于变时间间隔的近似积分示意图；

图6基于等时间间隔的近似积分示意图；

图中：1-发动机；2-伺服阀；3-升降阀；4-减振台；5-橡胶压头；6-试模；7-传动杆；8-外筒；9-有机硅防粘涂层；10-氯丁橡胶圆筒；11-钢筒；12-氯丁橡胶圆板；13-钢板；14-间隙；15-中空管；16-水泵；17-氟利昂压缩机；18-电阻加热器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1-4，本发明级配碎石变形性能的二次近似评价试验装置，包括固定在减振台4上的发动机1，发动机1经传动杆7带动橡胶压头5对试模6中的级配碎石试件施加冲击力；发动机1上连接有用于调节传动杆7实现波形控制的伺服阀2，传动杆7上设置有用于调节传动杆7自身长度的升降阀3。试模6包括外筒8，外筒8的内侧设置有复合套筒以及复合垫层；复合套筒由两层氯丁橡胶圆筒10以及设置在两层氯丁橡胶圆筒10之间的钢筒11组成，钢筒11由弧形筒体拼接而成，至少具有两道接缝，并且接缝处预留有间隙14。复合垫层设置在外筒8内侧的底面上，复合垫层由两层氯丁橡胶圆板12以及位于两层氯丁橡胶圆板12之间的钢板13组成。氯丁橡胶圆筒10以及氯丁橡胶圆板12在面对外筒8内侧空间的表面上，均覆盖有直接与级配碎石试件进行接触的有机硅防粘涂层9。

试模6的外筒8为能够容纳循环水的空心结构，其外侧连接有两个中空管15，中空管15与温控装置连接。温控装置进一步包括水泵16、氟利昂压缩机17和电阻加热器18。

使用电阻加热器18加热或使用氟利昂压缩机17冷却后的水可在外筒8、中空管15、温控装置之间循环流动。在高温炎热区的使用环境时，需要打开电阻加热器18，关闭氟利昂压缩机17；在模拟低温寒区的使用环境时，需要打开氟利昂压缩机17，关闭电阻加热器18。橡胶压头5以一定频率和波形反复冲击级配碎石试件，对级配碎石试件所施加冲击力的大小控制在0.65MPa～0.75MPa，模拟车辆实际行驶过程中橡胶轮胎对级配碎石基层的冲击。

本发明级配碎石变形性能的二次近似评价试验方法，包括以下步骤：

1)使用BISAR软件，计算级配碎石在标准轴载作用下的位移，并将其层底位移记为l₀，侧向位移记为l₁。

2)计算级配碎石在橡胶压头冲击作用下产生的侧向压强p₁：

p₁＝p₀×k

式中，p₀为橡胶压头的冲击压力，即0.7±0.05MPa；k为侧向力系数，近似按照k＝μ/(1-μ)进行计算。μ为级配碎石材料的泊松比。

3)根据位移边界条件计算所需的弹性模量。复合垫层的弹性模量为E₀＝p₀/l₀；复合套筒的弹性模量为E₁＝p₁/l₁。故选取钢板13和弹性模量为E₀的氯丁橡胶圆板12组成复合垫层。选取钢筒11和弹性模量为E₁的氯丁橡胶圆筒10组成复合套筒。

使用此试模进行试验，有利于更真实的模拟实际交通荷载作用下级配碎石基层所处的位移边界条件，从而更好地反映其塑性变形性能。以试件处于最佳含水率条件下进行试验。

集料级配见表1：

表1集料级配

筛孔(mm)31.5199.54.752.360.60.075通过率(％)1006447362817.57.5

选用内径×高度尺寸为300mm×300mm的试模6，按试件的体积乘以最佳干密度称取级配碎石，拌匀后装入试模6。采用轮碾成型机碾压级配碎石，制得级配碎石试件，并进行橡胶压头冲击试验。在橡胶压头冲击试验中，首先需要通过升降阀3将传动杆7升起，放入试件后重新降下传动杆7，使橡胶压头5刚好与试件充分接触。再开启伺服阀2的伺服阀，并对输出波形进行设置，可以设置为正弦波、Haversine波等波形。最后开启发动机1，带动传动杆7工作，并对试件施加冲击力。发动机1自身产生的振动由减振台4减弱，从而控制试验误差。试验过程中记录级配碎石的塑性变形量，以变时间间隔的方式计算级配碎石塑性变形曲线的近似积分，根据橡胶压头的冲击速度加权后作为其塑性变形性能指标PDI。

塑性变形性能指标PDI的计算过程如下：

(1)构造关于时间间隔Δt_i(min)的二次函数：

从而得到按二次函数规律增长的时间间隔Δt_i：

Δt₁＝1；Δt₂＝1；Δt₃＝3；Δt₄＝7；Δt₅＝13；Δt₆＝21；Δt₇＝43；

(2)构造关于时间t_i(min)的数列：

从而得到变间隔的时间数列：

t₀＝0；t₁＝1；t₂＝2；t₃＝3；t₄＝6；t₅＝13；t₆＝26；t₇＝47；t₈＝90；

相应地，将t_i时间发生的塑性变形记为y_i。试验中，橡胶压头的冲击速度N被设置为42次/min。经回归计算得，级配碎石塑性变形(mm)满足式y＝4.02467-4.01982e^-t/5.60028，其PDI值(次·mm)为如图5所示。

对比图5与图6，若以变时间间隔的方式计算级配碎石塑性变形曲线的近似积分，可以在计算量相同的情况下实现较等时间间隔更高的精度。为说明这一优点，首先将变时间间隔塑性变形与常规的等时间间隔塑性变形进行对比，如表2所示。

表2级配碎石塑性变形记录表

再计算塑性变形曲线在各时间间隔Δt_i内的近似积分S_i＝(y_i+y_i+1)Δt_i/2，计算结果如表3所示。若以变时间间隔的方式计算级配碎石塑性变形曲线的近似积分，可以有效减少误差。

表3近似积分

最后根据橡胶压头的冲击速度对近似积分S_i进行加权，得到塑性变形性能指标PDI(次·mm)：

将PDI计算结果与真实的PDI值(14267.744)进行比较，结果如表4所示。由表4可知，采用变时间间隔的方法可以在相同计算量的情况下将PDI的计算误差缩小近3倍。

表4 PDI计算结果