CN106596285A - 一种用于沥青混合料水稳定性评价的实验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于沥青混合料水稳定性评价的实验装置及试验方法，该实验装置包括动载加载设备、工作箱、间接拉伸试验装置、温控装置和固定设备。本发明的实验装置可模拟沥青混合料在实际使用状况下的外界环境，采用在该实验装置中进行间接拉伸疲劳试验的方法，实现了沥青混合料在应力场、温度场、水力场多场耦合且动态变化下水稳定性能的评价，以疲劳寿命评价沥青混合料在不同使用环境中的水稳定性能。本发明实验装置和试验方法可用于研究沥青混合料在实际使用环境下的水稳定性能，具有非常好的评价效果。

Description

一种用于沥青混合料水稳定性评价的实验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及一种用于评价沥青混合料水稳定性的实验装置及试验方法，属于道路工程领域。

背景技术

截止2014年底，我国公路总里程达到446.39万公里，高速公路总里程达到11.19万公里。建设过程中，为了提升道路使用性能和减少病害，道路工作者进行了不断的探索。但是，从目前的使用状况来看，路面的病害仍然非常严重，主要以车辙病害和水损害为主，且水损害的比重越来越大。水损害的产生有许多方面的原因，主要包括沥青性质、集料性质、填料特性、添加剂、施工质量及环境因素等。道路工作者一直在寻求各种方法评价各个影响因素对沥青混合料水稳定性的影响，并尝试相应的改进措施。评价方法对于研究各个因素对水稳定性能的影响非常重要，因为有许多的试验方法并不能表征沥青混合料在实际使用状态下的水稳定性能，在室内试验时，具有非常好的性能，却在实际使用过程中表现出了较差的水稳定性能。究其原因主要是试验方法与实际使用环境相差较大，室内试验方法的试验条件与现场实际使用状况的接近程度，决定着试验方法的有效性。在目前的研究中，评价沥青混合料水稳定性的试验方法有间接拉伸试验、间接拉伸疲劳试验、浸水车辙试验、浸水汉堡车辙试验、浸水马歇尔稳定度试验、冻融劈裂试验等。浸水马歇尔稳定度试验和冻融劈裂试验是我国规范规定的水稳定性试验方法，两种试验方法均将试件置于一定的水环境下，然后测得其稳定度，以稳定度的衰减比例评价沥青混合料的水稳定性能。但许多的研究者表示这两种试验方法不能很好的表征沥青混合料在实际使用状态下的水稳定性，试验环境与实际环境具有较大的差别。浸水车辙试验及浸水汉堡车辙试验在有水的环境下进行试验，能够较好的模拟水对沥青混合料性能的影响，得到车辙深度随时间的变化过程，该参数不能直接表征沥青混合料的水稳定性能。间接拉伸试验及间接拉伸疲劳试验是目前国内外普遍采用的试验方法，该试验方法将试件放入60℃恒温水中1.5h，测其间接拉伸强度与间接拉伸疲劳寿命。间接拉伸疲劳试验可以评价沥青混合料在水影响下的疲劳寿命，但该试验方法无法在有水的环境下进行，与沥青混合料的实际使用状态仍有差别。同时，沥青路面在一个复杂的环境条件下使用，还必须考虑温度的作用。因此，有必要得到一种装置能够很好地模拟沥青混合料的现场使用环境，并用合适的方法评价沥青混合料的水稳定性能。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种用于沥青混合料水稳定性评价的实验装置及试验方法。

本发明采用的技术方案为：一种用于沥青混合料水稳定性评价的实验装置，包括加载压杆、工作箱、上压条、立柱、沥青混合料试件、温度控制装置、下压条、加热管、夹具、固定装置、工作台和万能试验机环境箱；

所述万能试验机环境箱内设置有工作台，所述工作箱通过固定装置安装在工作台上；

所述上压条、下压条、用于固定下压条的夹具、用于上压条的上下滑动的立柱组成间接拉伸试验装置，间接拉伸试验装置安装在工作箱内；工作箱内还设有加热管，加热管与温度控制装置连接；

所述上压条和下压条平行且相对设置，上压条和下压条的内侧均为曲面，所述沥青混合料试件放置在上压条和下压条的中间，上压条上设有加载压杆，沥青混合料试件为圆柱形，圆柱形的柱面与上压条、下压条的曲面线接触，该接触线与加载压杆、沥青混合料试件的中心轴线在同一平面。

作为优选，所述工作箱为上开口的半封闭容器，由钢板焊接而成，高度为40cm，长度为40cm，宽度为30cm。

作为优选，所述上压条和下压条宽度为12.7mm，内侧曲率半径为50.8mm。

作为优选，所述加热管为矩形，沿工作箱内侧布设，高度距离工作箱底部8～10cm。

作为优选，所述沥青混合料试件是直径为100±1mm，高度为63.5±1.3mm的圆柱形试件，按照符合规范要求的原材料、级配、沥青用量经拌和压实成型。

本发明用于评价沥青混合料水稳定性的实验装置，包括动载加载装置、工作箱、间接拉伸试验装置、温控装置和固定设备。本发明所述动载加载设备为万能试验机，最大量程为25kN，可按照一定速率施加荷载，也可施加动载或某种波形的动载，可自行设定加载参数。根据已有研究成果，半正弦波形动载能够很好的模拟车辆的动载，加载周期为1秒。万能试验机配有传感器及自动采集记录功能，记录整个加载过程中各项试验参数。在工作箱内安装有间接拉伸试验装置、温控装置和固定设备。所述的间接拉伸试验装置用于进行间接拉伸试验及间接拉伸疲劳试验。所述的温控装置由加热管和温度控制装置组成，加热管为矩形，布设在工作箱内侧，可控制水温在20℃～60℃间变化，温度控制装置可保持温度恒定不变。当温度低于设定温度0.5摄氏度时，温度控制装置自动启动加热管，达到设定温度并保持不变。

采用上述装置的沥青混合料水稳定性能的评价试验方法，包括如下步骤：

1)按照设计级配和沥青用量，采用旋转压实仪或马歇尔击实法成型沥青混合料试件，测得沥青混合料试件的高度与直径，直径100±1mm，高度63.5±1.3mm，计算沥青混合料试件的截面积A，室温养生20h以上后备用；

2)将工作箱安装在万能试验机的工作台上，并通过固定装置与万能试验机紧密相连；

3)将间接拉伸试验装置的夹具、下压条以及立柱固定在工作箱底部，将上压条安装在两侧立柱上。

4)工作箱内缓慢注入水，设定温度控制装置和万能试验机的温度为要求温度，使工作箱水温达到要求试验温度±0.5℃，在加热过程中可不断的进行搅拌，加速水的升温速度；

5)将沥青混合料试件横向置于上压条与下压条中间，上压条和下压条平行且相对设置，上压条和下压条的内侧均为曲面，上压条上设有加载压杆，沥青混合料试件为圆柱形，圆柱形的柱面与上压条、下压条的曲面线接触，该接触线与加载压杆、沥青混合料试件的中心轴线在同一平面；调节水面高度略高于沥青混合料试件，将沥青混合料试件浸入恒温水箱中保温不少于1.5h；

6)打开万能试验机，设定加载参数，采用50mm/min的加载速率，进行间接拉伸试验，根据万能试验机记录得到的压力，计算得到沥青混合料试件的间接拉伸强度R，根据间接拉伸强度，采用应力控制模式进行间接拉伸疲劳试验，应力水平为0.3R，荷载为正弦波形的动载，加载周期为1秒，以疲劳寿命评价沥青混合料的水稳定性；

7)对于同一种试件，至少重复三次有效试验，对于一组测定值中某个数据与平均值之差大于标准差的k倍时，该测定值应舍弃，并以其余测定值的平均值作为试验结果；当试验数目n为3、4、5、6时，k值分别为1.15、1.46、1.67、1.82。

本发明所介绍的水稳定性能评价试验方法，利用自行开发的多场耦合工作箱，考虑了动载应力场、温度场和水力场的多场耦合作用，实现了沥青混合料在实际使用环境中的真实模拟，能够真实反映沥青混合料的水稳定性。多场耦合作用下的间接拉伸疲劳试验得到的疲劳寿命可用于研究沥青混合料的水稳定性能。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

(1)与现有的沥青混合料水稳定性评价方法相比，该实验装置实现了沥青混合料在多场耦合作用下水稳定性能研究。首先，浸水马歇尔稳定度试验及冻融劈裂试验均将试件先放入一定的环境中，一定时间后取出试件进行马歇尔稳定度试验或劈裂强度试验。浸水马歇尔稳定度试验和冻融劈裂试验在一定程度上能够反映出沥青混合料的水稳定性能，但不能反映出沥青混合料在长期使用过程中的水稳定性能。其次，浸水马歇尔试验及冻融劈裂试验在室温空气中进行，显然与沥青混合料在实际负载过程中所处的环境不同，没有考虑温度场与水力场的影响。本发明开发的多场耦合工作箱，采用间接拉伸疲劳试验能够表征沥青混合料在长期使用中的水稳定性能，而且实现了试验加载过程在可控的水环境及温度环境中进行。

(2)与现有多场耦合作用的实验装置相比，该试验装置实现了应力场和水力场的动态变化。沥青路面在浸水状态下，受到车辆的动态荷载作用，产生动态的水力场。该试验装置利用万能试验机施加动态荷载模拟车辆动载，试件在浸水状态下可产生与实际情况接近的动水压力；

(3)与现有装置相比，该试验装置考虑了因水力场的变化而引起的动态温度场。常规试验中将沥青混合料试件置于一定恒温的环境中，但真实的沥青路面结构的温度场存在温度梯度，降雨产生的水会引起温度场的变化，这种变化很难准确计算或者模拟。该试验装置可以实现试验过程在饱水的水力场中进行，也可实现试件在非饱水的水力场中进行，设定一定的环境气温，可真实模拟温度场在水力场影响下的动态变化。

附图说明

图1是本发明水稳定性实验装置示意图；

图2是本发明沥青混合料试件放置示意图。

图中：1-加载压杆，2-工作箱，3-上压条，4-立柱，5-沥青混合料试件，6-温度控制装置，7-下压条，8-加热管，9-夹具，10-固定装置，11-工作台，12-万能试验机环境箱。

具体实施方法

下面结合具体实施方式和说明书附图进一步阐明本发明的内容。

如图1和图2所示：一种用于沥青混合料水稳定性评价的实验装置，包括加载压杆1、工作箱2、上压条3、立柱4、沥青混合料试件5、温度控制装置6、下压条7、加热管8、夹具9、固定装置10、工作台11和万能试验机环境箱12；

所述万能试验机环境箱12内设置有工作台11，所述工作箱2通过固定装置10安装在工作台11上；

所述上压条3、下压条7、用于固定下压条7的夹具9、用于上压条3的上下滑动的立柱4组成间接拉伸试验装置，间接拉伸试验装置安装在工作箱2内；工作箱2内还设有加热管8，加热管8与温度控制装置6连接；

所述上压条3和下压条7平行且相对设置，上压条3和下压条7的内侧均为曲面，所述沥青混合料试件5放置在上压条3和下压条7的中间，上压条3上设有加载压杆1，沥青混合料试件5为圆柱形，圆柱形的柱面与上压条3、下压条7的曲面线接触，该接触线与加载压杆1、沥青混合料试件5的中心轴线在同一平面。

所述工作箱2为上开口的半封闭容器，由钢板焊接而成，高度为40cm，长度为40cm，宽度为30cm。所述上压条3和下压条7宽度为12.7mm，内侧曲率半径为50.8mm。所述加热管8为矩形，布设在工作箱内侧，距工作箱底部8～10cm。所述沥青混合料试件5是直径为100±1mm，高度为63.5±1.3mm的圆柱形试件，按照符合规范要求的原材料、级配、沥青用量经拌和压实成型。

实施例1：间接拉伸试验评价水稳定性能

采用上述实验装置，利用间接拉伸试验评价沥青混合料在多场耦合作用下的水稳定性能，包括如下步骤：

步骤1：根据设计级配以及沥青用量，采用旋转压实仪或马歇尔击实仪成型高度为100mm，直径为63.5mm的圆柱形沥青混合料试件5，测得试件的高度h与直径d，计算试件的截面积A，室温养生24h后备用。

步骤2：工作箱2底部设有螺孔，间距与工作台11上固定螺孔间距相同，采用固定装置10使工作箱2与工作台11紧密相连。

步骤3：间接拉伸试验装置下压条7固定在夹具9之上，将夹具9及立柱4通过螺孔与工作箱2底部紧密连接，上压条3固定于两立柱4上，可自由上下滑动，上压条和下压条平行且相对设置。

步骤4：工作箱2内缓慢注入水，设定温度控制装置6和万能试验机环境箱12温度为50℃，加热管8开始加热，使工作箱水温达到50±0.5℃，在加热过程中可不断的进行搅拌，加速水的升温速度。

步骤5：将沥青混合料试件横向置于上压条与下压条中间，上压条和下压条的内侧均为曲面，上压条上设有加载压杆，沥青混合料试件为圆柱形，圆柱形的柱面与上压条、下压条的曲面线接触，该接触线与加载压杆、沥青混合料试件的中心轴线在同一平面；调节水面高度略高于试件，但低于上压条3的顶面，将试件浸入恒温水箱中保温不少于1.5h。

步骤:6：打开万能试验机，设定加载参数，采用50mm/min的加载速率，进行间接拉伸试验，直至试件破坏，根据万能试验机记录得到的压力P，计算得到试件的间接拉伸强度R，R＝0.006287P/h。

步骤7：对于同一种试件，至少重复三次有效试验，对于一组测定值中某个数据与平均值之差大于标准差的k倍时，该测定值应舍弃，并以其余测定值的平均值作为试验结果。当试验数目n为3、4、5、6时，k值分别为1.15、1.46、1.67、1.82。

步骤8：间接拉伸强度越大，沥青混合料的水稳定性能越好。

实施例2：间接拉伸疲劳试验评价水稳定性能

步骤1：成型与实施例1相同的圆柱形沥青混合料试件5，测得试件的高度h与直径d，计算试件的截面积A，室温养生24h后备用。

步骤2：工作箱2底部设有螺孔，间距与工作台11上固定螺孔间距相同，采用固定装置10使工作箱2与工作台11紧密相连。

步骤3：间接拉伸试验装置下压条7固定在夹具9之上，将夹具9及立柱4通过螺孔与工作箱2底部紧密连接，上压条3固定于两立柱4上，可自由上下滑动，上压条和下压条平行且相对设置。

步骤4：工作箱2内缓慢注入水，设定温度控制装置6和万能试验机环境箱12温度为50℃，加热管8开始加热，使工作箱2水温达到50±0.5℃，在加热过程中可不断的进行搅拌，加速水的升温速度。

步骤5：将沥青混合料试件横向置于上压条与下压条中间，上压条和下压条的内侧均为曲面，上压条上设有加载压杆，沥青混合料试件为圆柱形，圆柱形的柱面与上压条、下压条的曲面线接触，该接触线与加载压杆、沥青混合料试件的中心轴线在同一平面；调节水面高度略高于试件，但低于上压条的顶面，将试件浸入恒温水箱中保温不少于1.5h。

步骤6：打开万能试验机，设定加载参数，应力水平为0.3R，即最大加载应力为0.3R，按照半正弦波形进行加载，加载周期为1秒，直至试件破坏，所进行的实验循环次数为疲劳寿命N，采用疲劳寿命评价沥青混合料水稳定性能。

步骤7：对于同一种试件，至少重复三次有效试验，对于一组测定值中某个数据与平均值之差大于标准差的k倍时，该测定值应舍弃，并以其余测定值的平均值作为试验结果。当试验数目n为3、4、5、6时，k值分别为1.15、1.46、1.67、1.82。

步骤8：疲劳寿命N越大，沥青混合料的水稳定性能越好。

实施例3：动态温度场下的水稳定性能评价

步骤1：成型与实施例1相同的圆柱形沥青混合料试件5，测得试件的高度h与直径d，计算试件的截面积A，室温养生24h后备用。

步骤2：工作箱2底部设有螺孔，间距与工作台11上固定螺孔间距相同，采用固定装置10使工作箱2与工作台11紧密相连。

步骤3：间接拉伸试验装置下压条7固定在夹具9之上，将夹具9及立柱4通过螺孔与工作箱2底部紧密连接，上压条3固定于两立柱4上，可自由上下滑动，上压条和下压条平行且相对设置。

步骤4：工作箱2内缓慢注入水，设定温度控制装置6和万能试验机环境箱12温度为50℃，加热管8开始加热，使工作箱2水温达到要求试验温度±0.5℃，在加热过程中可不断的进行搅拌，加速水的升温速度。

步骤5：将沥青混合料试件横向置于上压条与下压条中间，上压条和下压条的内侧均为曲面，上压条上设有加载压杆，沥青混合料试件为圆柱形，圆柱形的柱面与上压条、下压条的曲面线接触，该接触线与加载压杆、沥青混合料试件的中心轴线在同一平面；调节水面高度略高于试件，但低于上压条的顶面，将试件浸入恒温水箱中保温不少于1.5h。

步骤6：打开万能试验机，设定加载参数，应力水平为0.3R，即最大加载应力为0.3R，按照半正弦波形进行加载，加载周期为1秒。

步骤7：加载开始20分钟后，将工作箱内的水用容器取出，容器置于万能试验机环境箱中，避免水温的降低。此时，试件在非饱和状态下进行间接拉伸疲劳试验。排出水20分钟后，将排出的水重新倒入工作箱内，加载20分钟，将水排出，如此重复，直至试件破坏。所进行的实验循环次数为疲劳寿命N，采用疲劳寿命评价沥青混合料水稳定性能。

步骤8：对于同一种试件，至少重复三次有效试验，对于一组测定值中某个数据与平均值之差大于标准差的k倍时，该测定值应舍弃，并以其余测定值的平均值作为试验结果。当试验数目n为3、4、5、6时，k值分别为1.15、1.46、1.67、1.82。

步骤9：疲劳寿命N越大，沥青混合料的水稳定性能越好。

应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种用于沥青混合料水稳定性评价的实验装置，其特征在于：包括加载压杆、工作箱、上压条、立柱、沥青混合料试件、温度控制装置、下压条、加热管、夹具、固定装置、工作台和万能试验机环境箱；

所述万能试验机环境箱内设置有工作台，所述工作箱通过固定装置安装在工作台上；

所述上压条、下压条、用于固定下压条的夹具、用于上压条上下滑动的立柱组成间接拉伸试验装置，间接拉伸试验装置安装在工作箱内；工作箱内还设有加热管，加热管与温度控制装置连接；

所述上压条和下压条平行且相对设置，上压条和下压条的内侧均为曲面，所述沥青混合料试件放置在上压条和下压条的中间，上压条上设有加载压杆，沥青混合料试件为圆柱形，圆柱形的柱面与上压条、下压条的曲面线接触，该接触线与加载压杆、沥青混合料试件的中心轴线在同一平面。

2.根据权利要求1所述的一种用于沥青混合料水稳定性评价的实验装置，其特征在于：所述工作箱为上开口的半封闭容器，由钢板焊接而成，高度为40cm，长度为40cm，宽度为30cm。

3.根据权利要求1所述的一种用于沥青混合料水稳定性评价的实验装置，其特征在于：所述上压条和下压条宽度为12.7mm，内侧曲率半径为50.8mm。

4.根据权利要求1所述的一种用于沥青混合料水稳定性评价的实验装置，其特征在于：所述加热管为矩形，沿工作箱内侧布设，高度距离水箱底部8～10cm。

5.根据权利要求1所述的一种用于沥青混合料水稳定性评价的实验装置，其特征在于：所述沥青混合料试件是直径为100±1mm，高度为63.5±1.3mm的圆柱形试件。

6.采用权利要求1、2、3、4或5所述的一种用于沥青混合料水稳定性评价的实验装置的试验方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)按照设计级配和沥青用量，采用旋转压实仪或马歇尔击实法成型沥青混合料试件，测得沥青混合料试件的高度与直径，直径100±1mm，高度63.5±1.3mm，计算沥青混合料试件的截面积A，室温养生20h以上后备用；

2)将工作箱安装在万能试验机的工作台上，并通过固定装置与万能试验机紧密相连；

3)将间接拉伸试验装置的夹具、下压条以及立柱固定在工作箱底部，将上压条安装在两侧立柱上。

4)工作箱内缓慢注入水，设定温度控制装置和万能试验机的温度为要求温度，使工作箱水温达到要求试验温度±0.5℃，在加热过程中可不断的进行搅拌，加速水的升温速度；

5)将沥青混合料试件横向置于上压条与下压条中间，上压条和下压条平行且相对设置，上压条和下压条的内侧均为曲面，上压条上设有加载压杆，沥青混合料试件为圆柱形，圆柱形的柱面与上压条、下压条的曲面线接触，该接触线与加载压杆、沥青混合料试件的中心轴线在同一平面；调节水面高度略高于沥青混合料试件，将沥青混合料试件浸入恒温水箱中保温不少于1.5h；

6)打开万能试验机，设定加载参数，采用50mm/min的加载速率，进行间接拉伸试验，根据万能试验机记录得到的压力，计算得到沥青混合料试件的间接拉伸强度R，根据间接拉伸强度，采用应力控制模式进行间接拉伸疲劳试验，应力水平为0.3R，荷载为正弦波形的动载，加载周期为1秒，以疲劳寿命评价沥青混合料的水稳定性；

7)对于同一种试件，至少重复三次有效试验，对于一组测定值中某个数据与平均值之差大于标准差的k倍时，该测定值应舍弃，并以其余测定值的平均值作为试验结果；当试验数目n为3、4、5、6时，k值分别为1.15、1.46、1.67、1.82。