一种智能路面混合料饱水状态动水破坏试验仪及其方法

摘要

本发明涉及一种智能路面混合料饱水状态动水破坏试验仪及其方法，属于交通运输工程中公路工程技术领域。该试验仪包括整体试验舱；通过隔板将整体试验舱分隔成储水舱和氮气舱；氮气舱为密闭结构，且内部填充有氮气；储水舱的底板中心处固定安装有镂空固定支座；镂空固定支座用于固定测试试件；储水舱的顶部盖有密封盖；在储水舱的上安装有加载传动装置；还包括动力控制器、动力输出装置、荷载调控装置、动力传送装置、模拟加载车轮和支撑架。本发明可真实模拟车辆动荷载从上至下对排水沥青路面饱水状态条件，开展动水加速破坏试验，并且可以模拟不同大小车辆动荷载，能够真实反映实际服役过程中，排水沥青路面受动水破坏的情况。

说明书

技术领域

本发明属于交通运输工程中公路工程技术领域，具体涉及一种智能路面混合料饱水状态动水破坏试验仪及其方法。

背景技术

排水沥青路面具有较大空隙，可以在雨天迅速将路面积水通过内部空隙排出路面表面，有效减少路面表面的积水，增加行车安全性能。与此同时，排水沥青路面在雨天内部饱水属常有状态，加之车辆荷载的作用，造成水在排水沥青路面内部具有一定水压力和水冲刷作用，对排水沥青路面产生动水破坏效应。准确测试动水破坏对排水沥青路面混合料的影响指标，对了解排水沥青路面破坏规律，预测排水沥青路面使用寿命，提高排水沥青路面养护设计，提升排水沥青路面设计水平均具有重要的实际意义和价值。

然而，现阶段针对动水对沥青路面混合料开展破坏试验，采用的方法是将试件放入加注满水的密闭容器内，通过底部气囊鼓起和收缩反复施加作用力于水，使得水产生一定的流动性，从而起到动水冲刷破坏沥青路面混合料的效果。该方法称为沥青混合料水敏感性测试，如图7所示，其主要缺点是无法真实模拟车辆动荷载对饱水沥青路面混合料的作用效果，无法实现不同车辆荷载作用下动水对沥青混合料的破坏试验，而实际工程中沥青路面混合料在饱水状态下，主要是受到车辆荷载后才产生了动水破坏效应，并且实际工程中由大小不同的客车、货车、非机动车等车辆对路面混合料产生动载作用，这就需要研发一种可以真实模拟车辆动载，在沥青路面混合料饱水状态条件下，对其产生动水破坏效应的试验仪，用于评价排水沥青路面混合料受动水影响下的破坏规律，为排水沥青路面养护、设计提供可靠数据支撑。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种智能路面混合料饱水状态动水破坏试验仪及其方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种智能路面混合料饱水状态动水破坏试验仪，包括整体试验舱；

通过隔板将整体试验舱分隔成储水舱和氮气舱；

氮气舱为密闭结构，且内部填充有氮气；

储水舱的底板中心处固定安装有镂空固定支座；镂空固定支座用于固定测试试件；储水舱的顶部盖有密封盖；

在储水舱的上安装有加载传动装置；

还包括动力控制器、动力输出装置、荷载调控装置、动力传送装置、模拟加载车轮和支撑架；

动力控制器的输出端与动力输出装置的受控端相连，用于控制动力输出装置的运行；

动力输出装置的动力输出端通过动力传送装置与模拟加载车轮相连，用于将动力通过动力传送装置传输至模拟加载车轮；

荷载调控装置的荷载输出端也与动力传送装置相连，用于将通过荷载通过动力传送装置加载至模拟加载车轮上；

模拟加载车轮置于加载传动装置上；

动力传送装置安装在支撑架上。

进一步，优选的是，氮气舱设于整体试验舱内上部，且为环形结构。

进一步，优选的是，在整体试验舱上表面设有限位器，限位器用于限定加载传动装置在前后左右平面空间的相对位置。

进一步，优选的是，测试试件为直径101.6mm，高63.5mm的圆柱体。

本发明同时提供一种智能路面混合料饱水状态动水破坏试验方法，采用上述智能路面混合料饱水状态动水破坏试验仪，包括如下步骤：

打开密封盖，将测试试件通过储水舱口放置于镂空固定支座上，并将其固定位置；

然后往储水舱内加注试验用水，待加满水后，将密封盖盖于储水舱上，并密封储水舱的注水口；在液氮舱内充满氮气并进行密封；

将加载传动装置通过限位器固定于储水舱上，将模拟加载车轮调整位置与加载传动装置接触；通过荷载调控装置调节试验所需的荷载大小，并加载至设定试验荷载；

通过动力控制器调节试验所需的动力输出频率、连续运行时间参数，并开启试验，通过动力输出装置和动力传送装置，将动力输送至模拟加载车轮，进行试验；

试验时模拟加载车轮通过加载传动装置，将动荷载传递给试验用水，试验用水压缩氮气舱，使得氮气被压缩形成水流空间，当模拟加载车轮卸载时，氮气回弹时对试验用水再次形成压力，形成反复动水压力冲刷测试试件的效果；

待试验完成后，动力输出装置自动停止运行，将模拟加载车轮移动至脱离加载传动装置，移走加载传动装置，打开密封盖，松开镂空固定支座，将测试试件从储水舱中取出。

本发明真实模拟车辆动荷载从上至下对排水沥青路面饱水状态条件，开展动水加速破坏试验，并且可以模拟不同大小车辆动荷载，从而评价排水沥青路面饱水状态动水破坏规律，为排水沥青路面养护、设计提供可靠数据支撑。

本发明与现有技术相比，其有益效果为：

本发明提供一种智能路面混合料饱水状态动水破坏试验仪及其方法，可真实模拟车辆动荷载从上至下对排水沥青路面饱水状态条件，开展动水加速破坏试验，并且可以模拟不同大小车辆动荷载，真实反映实际服役过程中，排水沥青路面受动水破坏的机理和规律。

本发明真实模拟从上至下车辆动荷载，并且车辆动荷载大小可调节，其调节范围一般为0-10吨，并可以根据实际情况进行增加，摒弃了以往开展排水沥青混合料动水破坏试验时，无法模拟实际车辆动荷载作用和无法调节车辆荷载大小的弊端，突破了现有测试手段仅靠气囊鼓动提供动水压力的局限性，填补了国内外在开展排水沥青路面混合料动水压力破坏试验时无车辆动荷载施加的空白技术。

同时，本发明可以实现连续疲劳损伤破坏试验，观测长时间动水作用对排水沥青路面混合料的影响规律，从而评价其耐久性能，预测其使用寿命，为排水沥青路面养护、设计提供数据支撑。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的智能路面混合料饱水状态动水破坏试验仪结构示意图；

图2为本发明储水舱的结构示意图；

图3为本发明加载传动装置的主视结构示意图；

图4为本发明加载传动装置的立体结构示意图；

图5为本发明限位器的俯视结构示意图；

图6为本发明测试试件示意图；

图7为现有动水对沥青路面混合料开展破坏试验装置示意图；

其中，1为整体试验舱，2为测试试件，3为镂空固定支座，4为储水舱，5为氮气舱，6为密封盖，7为底板，8为试验用水，9为氮气，10为限位器，11为加载传动装置，12为模拟加载车轮，13为动力传送装置，14为荷载调控装置，15为动力输出装置，16为动力控制器，17为支撑架。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。

本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用材料或设备未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”到另一元件时，它可以直接连接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”可以包括无线连接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。术语“内”、“上”、“下”等指示的方位或状态关系为基于附图所示的方位或状态关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”、“设有”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

如图1~7所示，一种智能路面混合料饱水状态动水破坏试验仪，包括整体试验舱1；

通过隔板将整体试验舱1分隔成储水舱4和氮气舱5；

氮气舱5为密闭结构，且内部填充有氮气9；

储水舱4的底板7中心处固定安装有镂空固定支座3；镂空固定支座3用于固定测试试件2；储水舱4的顶部盖有密封盖6；

在储水舱4的上安装有加载传动装置11；

还包括动力控制器16、动力输出装置15、荷载调控装置14、动力传送装置13、模拟加载车轮12和支撑架17；

动力控制器16的输出端与动力输出装置15的受控端相连，用于控制动力输出装置15的运行；

动力输出装置15的动力输出端通过动力传送装置13与模拟加载车轮12相连，用于将动力通过动力传送装置13传输至模拟加载车轮12；

荷载调控装置14的荷载输出端也与动力传送装置13相连，用于将通过荷载通过动力传送装置13加载至模拟加载车轮12上；

模拟加载车轮12置于加载传动装置11上；

动力传送装置13安装在支撑架17上。

优选方案，氮气舱5设于整体试验舱1内上部，且为环形结构。

优选方案，在整体试验舱1上表面设有限位器10，限位器10用于限定加载传动装置11在前后左右平面空间的相对位置。

优选方案，测试试件2为直径101.6mm，高63.5mm的圆柱体。

本发明同时提供一种智能路面混合料饱水状态动水破坏试验方法，采用上述的智能路面混合料饱水状态动水破坏试验仪，包括如下步骤：

打开密封盖，将测试试件通过储水舱口放置于镂空固定支座上，并将其固定位置；

然后往储水舱内加注试验用水，待加满水后，将密封盖盖于储水舱上，并密封储水舱的注水口；在液氮舱内充满氮气并进行密封；

将加载传动装置通过限位器固定于储水舱上，将模拟加载车轮调整位置与加载传动装置接触；通过荷载调控装置调节试验所需的荷载大小，并加载至设定试验荷载；

通过动力控制器调节试验所需的动力输出频率、连续运行时间参数，并开启试验，通过动力输出装置和动力传送装置，将动力输送至模拟加载车轮，进行试验；

试验时模拟加载车轮通过加载传动装置，将动荷载传递给试验用水，试验用水压缩氮气舱，使得氮气被压缩形成水流空间，当模拟加载车轮卸载时，氮气回弹时对试验用水再次形成压力，形成反复动水压力冲刷测试试件的效果；

待试验完成后，动力输出装置自动停止运行，将模拟加载车轮移动至脱离加载传动装置，移走加载传动装置，打开密封盖，松开镂空固定支座3，将测试试件从储水舱中取出。

本发明中：

整体试验舱1，为测试试件2、储水舱4、氮气舱5提供支撑作用，并能承受动载作用，具有足够的强度、刚度及空间尺寸。

测试试件2，为被测路面混合料试件，一般为沥青标准马歇尔试件，其尺寸为直径101.6mm*63.5mm的圆柱体，也可以根据试验要求，采用其他尺寸试件。

镂空固定支座3，用于固定测试试件2，底部为镂空结构，可以实现被测试件在三维空间结构中进行动水试验，并能承受动水冲刷压力，具有足够的强度和刚度。

储水舱4，可以储存试验用水8，具有足够的密封性能，足够的压缩和回弹能力，及足够的韧性，可以反复使用，用于动水试验，其底部为具有一定强度和刚度的底板，底部可以固定镂空固定支座3；其顶部开口，可以从顶部开口处加注试验用水8，待试验用水8注满后，可以采用密封盖6将储水舱4进行密封。储水舱4的底部底板7不可在动载作用下发生变形，氮气舱5可以在动载作用下发生形变，以确保储水舱4内的试验用水8在动载作用下形成动水冲刷效应。储水舱4优选尼龙材质，内部涂有密封橡胶材料，防止水泄漏。

氮气舱5，用于储存氮气，由于氮气分子结构间隙较大，在常温常压条件下易于被压缩变形，利用氮气这一特点，为储水舱4内的试验用水8在动载作用下压缩和回弹提供流动空间，形成有效的动水冲刷作用。氮气舱5具有足够的压缩和回弹能力，且具有足够的韧性，可以反复试验使用。氮气舱5优选尼龙材质，内部涂有密封橡胶材料，防止氮气外泄。

密封盖6，用于密封储水舱4，防止注满水的储水舱4内试验用水8外溢，可以承受加载传动装置11的作用力，具有足够的强度。密封盖6尺寸应大于测试试件2的尺寸，以便试验打开密封盖6，将测试试件2固定在被测位置。

底板7，可以固定镂空固定支座3，具有足够强度和刚度，且具有足够的密封效果，在动载作用下不产生试验用水8泄漏。

试验用水8，用于动水冲刷试验，其品质应达到生活饮用水标准，不含有与测试试件2发生化学反应的物质，并对储水舱4没有腐蚀作用。

氮气9，可为试验用水8在动载作用条件下的压缩和回弹提供空间，其纯度不低于99%。

本发明选择氮气是因为：首先，氮气是一种化学性质稳定、无毒、不具备腐蚀性质的惰性气体，而且氮气不属于可燃易燃气体，不宜爆炸，不宜燃烧，在高低温下变化小，在安全性上是理想的压缩气源选择。其次，氮气分子结构之间间距较大，易于压缩，具有弹簧效应的压缩机制，可以产生类似于弹簧的压缩-回弹效果，可以达到动水冲刷效果。再者，氮气作为一种空气中含量高达75%的气体，易得且成本较低廉，是很好的选择。而若是使用空气的话，空气具有可燃性，且压缩性能比单纯氮气要差，从安全和功能角度考虑，氮气是较好的压缩气源。

限位器10，用于限定加载传动装置11的位置，使得加载传动装置11在前后左右平面空间内不发生移动，而在上下空间内可以发生垂直位移，以便施加荷载于储水舱4，形成动水冲刷压力，限位器10具有足够的强度和刚度，能承受加载传动装置11的动荷载摩擦作用。

加载传动装置11，具有足够的强度和刚度，能承受模拟加载车轮12的动荷载作用，用于传递动荷载于储水舱4，形成动水冲刷压力。加载传动装置11正好盖在密封盖6的上面，与密封盖6套在一起。加载传动装置11为圆柱体，其底部为空心，空心形状与密封盖6一致，四周与密封盖6形成1mm间距，正好覆盖在密封盖6上面，并且形成套筒的固定模式，在前后、左右的方向上不发生移动。加载传动装置11的具体结构如图3和图4所示。

模拟加载车轮12，为偏心加载轮，可以实现连续的加载和卸载效果，用于模拟车轮加载作用，将不同动荷载施加于加载传动装置11上，并承受足够的动荷载作用。模拟加载车轮12可以三维空间内前后、左右移动，调节其位置与加载传动装置11接触和脱离，以便于试验操作，

动力传送装置13，具有足够的强度和刚度，在不同大小动荷载作用下，不发生形变，用于将动力装置15的动力传送至模拟加载车轮12上。动力传送装置13可以在模拟加载车轮12上产生向下的作用力，模拟加载轮12为圆形偏心加载轮，偏心轮的作用原理就是指这个轮的旋转点（动力传送装置13和模拟加载轮12的连接点）不在圆中心上，当圆形没有绕着自己的中心旋转时，就产生了作用力，即由动力传送装置13带动模拟加载车轮12转动而产生向下传递的作用力。动力传送装置13为圆柱形杆件，一端与模拟加载车轮12相连，一端与动力输出装置15相连，中间与荷载调控装置14连接。

荷载调控装置14，用于调节施加于动力传送装置13上的荷载大小，实现模拟不同车辆荷载的目的，荷载调控装置14一般调节荷载大小范围为0-10吨，也可根据实际要求增加最大极限荷载。

荷载调控装置14的具体结构为中间一个圆柱体带螺纹杆件，其一端与动力传送装置13相连，一端为自由端，另外有不同重量的中间空心的圆形配重块，圆形配重块中间空心带有丝扣，与荷载调控装置14的螺纹形成固定形式，圆形配重块可以通过荷载调控装置14的螺纹杆件自由端旋转加载配重在其上，调节不同的加载荷载。

动力输出装置15，用于提供试验仪运行动力，可以在试验要求荷载条件下实现连续的旋转动力源输出，可以在动力控制器16的设定下，改变动力输出的频率、时间这些运行参数。动力输出装置15为可以改变转动频率的电动机，即通常说的变频电机，与动力传送装置13的一端相连，可以带动动力传送装置13旋转，形成动力源。

动力控制器16，用于控制动力输出装置15，调节动力输出装置15的运行频率、运行时间这些参数，并控制开启和停止动力输出装置15，运行和停止试验。

支撑架17，用于支撑动力传送装置13，具有足够的强度和刚度，在试验要求的动荷载运行条件下不发生形变。

本发明一种智能路面混合料饱水状态动水破坏试验方法，具体实施方案为：首先打开密封盖6，将测试试件2通过储水舱5口放置于镂空固定支座3上，并将其固定位置。然后往储水舱4内加注试验用水8，待加满水后，将储水密封盖6盖于储水舱4上，并密封储水舱4的注水口，防止试验用水8外溢。在液氮舱5内充满氮气9，并进行长期密封供试验用。将加载传动装置11通过限位器10放置于固定位置，将模拟加载车轮12调整位置与加载传动装置11接触。通过荷载调控装置14调节试验所需的荷载大小，并加载至设定试验荷载。通过动力控制器16调节试验所需的动力输出频率、连续运行时间参数，并开启试验，通过动力输出装置15和动力传送装置13，将动力输送至模拟加载车轮12，进行试验。试验时模拟加载车轮12通过加载传动装置11，将动荷载传递给试验用水8，试验用水8压缩氮气舱5，使得氮气9被压缩形成水流空间，当模拟加载车轮12卸载时，氮气9回弹时对试验用水8再次形成压力，形成反复动水压力冲刷测试试件2的效果。此时支撑架17支撑试验运行，待试验完成后，试验仪器自动停止运行，如遇紧急情况或中断试验，也可以通过动力控制器16停止试验仪器运行。

试验完成后，将模拟加载车轮12移动至脱离加载传动装置11，移走加载传动装置11，打开密封盖6，松开镂空固定支座3，将测试试件2从储水舱4中拿出待用，可以对测试试件2进行相应的检测。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。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。