CN114965972A - 适用于超重力离心条件下的道路材料干湿及冻融循环试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于超重力离心条件下的道路材料干湿及冻融循环试验装置及方法，包括试验套筒，进/排水口开关阀，流量计，位移传感器，控温模块，过滤与收集装置。进水口开关阀组处安装有流量计用于记录流量上。盖板的中间安装有位移传感器，记录套筒内的试样在整个干湿或冻融循环过程中的变形量。控温模块包裹在试验套筒周围，外侧带有保温层，同时与试验套筒之间有夹层，通过流入液体来给试验套筒内部提供均匀的温度控制。本发明的装置可实现对道路材料进行连续干湿或者冻融循环试验，无需停止机器作业，实现连续高低温控制和冻融循环控制，并记录试样在试验过程中的变形，有效模拟和记录道路材料在实际服役过程中的变化特性。
Description
技术领域
本发明涉及道路工程材料领域，具体涉及一种适用于超重力离心条件下的道路材料干湿及冻融循环试验装置及方法。
背景技术
目前我国的公路建设取得了世界瞩目的成就，公路通车里程已达五百多万公里，居全球首位。道路需要进行维修养护，耗费了大量的人力和物力。道路在长期的服役过程中，会承受光照、水和热等自然环境作用，使得道路结构出现病害，降低使用性能，影响行车舒适度甚至是行车安全。其中最为典型就是水损害，由于地表降雨自上而下侵入、或地下水位上升侵入路基，改变道路结构内部的湿度状态，使路基发生软化，导致材料发生破坏。水损坏中危害最大的便是对路基的损坏，会自下而上导致路表出现大面积的开裂，甚至是塌陷，危害行车安全。
地表和地下水进入道路结构内部，一般表现为周期性的干湿循环；而在常年冻土或季节性冻土地区，表现为周期性的冻融循环。这两种作用对路基结构会产生破坏作用，因此需要进行相应环境条件下的路基材料试验，研究干湿循环和冻融循环对土体的影响及破坏机理。常规的干湿循环及冻融循环试验需要将试验材料在特定的环境(如饱水、控温)中进行长时间的湿热调节，以保证材料能够充分饱和/冰冻或排水/融化，一个调节周期所耗费时间就达7天左右。常规的试验所模拟的状态与实际服役状态不符，路面结构冰冻或浸水状态下时材料并非处于完全饱和状态，而是部分材料饱和与部分材料非饱和的混合状态，且在干燥或融化过程的最终状态是稳定在平衡湿度状态，并非是目前所采用的完全烘干状态，因此常规的实验无法有效地反映材料在结构中的状态。超重力离心方法的出现可以使缩尺模型反映原型结构的应力状态与变性特征，同时超重力可以加速材料中的渗流及热量传递过程，可以大幅缩短干湿及冻融循环试验时间，提高效率。因此需要设计出适用于超重力离心条件，同时可以反映道路结构在实际服役条件外部环境周期性变化下的湿热规律的试验装置，反映道路材料的长期性能变化，为分析道路路基长期服役性能分析提供有效信息。
发明内容
本发明的目的在于开发一种适用于超重力离心条件下的道路材料干湿及冻融循环的试验装置，通过进/排水控制、控温模块及收集与过滤装置，使试验材料在超重力离心条件下实现全自动的干湿及冻融循环控制，模拟材料在实际服役条件下的周期性变化，利用超重力环境，快速获得道路材料在周期性的饱水-排水、冻胀-融化条件下的变形及质量损失，大大提高试验效率，减少试验所需时间。通过计算机控制，实现多次全自动循环试验，减少人工操作的影响。为道路材料在环境因素长期循环下的行为分析及预测提供测试设备和方法。
本发明的技术方案：一种适用于超重力离心条件下的道路材料干湿及冻融循环试验装置，包括：
安装在所述离心机上的试验套筒；
包裹在所述试验套筒上的控温模块；
设置在所述试验套筒顶部的顶部盖板；
设置在所述试验套筒底部的底板；
设置在所述试验套筒顶部并与所述试验套筒内部连通的进水口；
设置在所述试验套筒底部并与所述试验套筒内部连通的收集与过滤装置；
以及与所述收集与过滤装置连通的排水口。
本发明中，试验套筒为金属圆柱体，可直接安装在离心机的模型箱内，上部为可拆卸盖板，连接水管与位移传感器，底部为多孔可拆卸底板，用于安装试样和排水。进水开关阀组位于试验套筒的顶部盖板上，通过导管连接外部水路，排水开关阀组位于底部。二者均可通过软件控制开合。进水口开关阀组处安装有流量计用于记录流量，通过导管连接到试验套筒的盖板上。盖板的中间安装有位移传感器(LVDT)，通过防水处理后，可以记录套筒内的试样在整个干湿或冻融循环过程中的变形量。控温模块包裹在试验套筒周围，外侧带有保温层，同时保温层与试验套筒之间有夹层，通过流入液体来给试验套筒内部提供均匀的温度控制。且根据试验需求的不同，可以更换成不同直径的试验套筒。过滤及收集装置位于试验套筒底部，在排水口出放有透水石与滤网，用于收集循环试验过程中流失的土颗粒。本发明的装置适用于超重力离心环境中，通过软件直接控制进排水，实现连续循环试验，无需停止机器作业即可完成，同时实现连续高低温控制，实现冻融循环，还可以记录试样在试验过程中的变形，有效模拟和记录材料在实际服役过程中的变化特性。
所述的试验套筒为不锈钢材质圆柱体，可以通过螺栓固定在离心机的模型箱上，顶部有盖板，盖板与试验套筒顶部设有O型密封圈，实现密封套筒。套筒内径略大于试样直径，例如直径100mm的试样所用套筒内径为105mm。套筒内部附带一弹性橡胶膜，套在试样上，目的是在冻融循环过程中土样会发生径向膨胀变形，通过橡胶膜既能保证周围的密封性又能允许径向变形量。套筒底部(即底板)为多孔金属板，用于向底部排水。
所述的进水口通过进水电磁阀与所述试验套筒内部连通，所述的进水电磁阀设置于所述试验套筒顶部。所述的排水口连接有排水电磁阀，所述排水电磁阀设置于所述试验套筒底部。进/排水口开关电磁阀组分别位于试验装置的顶部与底部，通过滑环与外部控制器连接，用于控制干湿与冻融循环时材料的增湿过程中的进水，与(融化)干燥过程中的排水。其中进水口处水管可通过旋转接头直接连接外部水龙头，无需连接储水罐，实现多次循环。
所述的进水口设置有流量计，流量计位于进水口处，通过滑环与外部控制器连接，可以测量进水量。根据试验要求的不同加入不同的水量，当流量达到目标进水量时，关闭进水口电磁阀。
所述试验套筒内设置有位移传感器(LVDT)，位移传感器(LVDT)的一端固定在所述试验套筒的顶部盖板上，位移传感器(LVDT)的另一端伸入所述试验套筒内，位移传感器(LVDT)通过旋转接头与外部控制器连接，用于记录干湿及冻融循环过程中试样的轴向变形。
控温模块位于试验套筒周围，直径略大于试验套筒，包裹住试验套筒。控温模块的外侧带有保温层，同时保温层与试验套筒之间有夹层，所述的夹层内通入液体介质进行温度循环控制，同时可以减小热量交换。通过滑环与外部控制器连接，可以实现温控范围为-10℃-60℃。使用时液体从左侧底部进入夹层，从右侧上部流出，保证对整个套筒内部进行有效的热量传递。
收集与过滤装置位于试验套筒的底部，配有一O型密封圈通过在装置底部有向下有排水口用于排水，排水口上方有一原型凹槽，凹槽内放有一透水石，用于过滤在干湿及冻融循环过程中水体中的土颗粒，可以在试验结束后通过称重获得相应干湿及冻融循环条件下土体的颗粒损失量。排水口与排水电磁阀连接。
一种道路材料干湿及冻融循环试验方法，包括以下步骤：
a.按照目标含水率成型试样，记录试样的干质量m0；
b.给试样套上橡皮膜，同时表面涂上硅油减少摩擦，放入试样筒中；
c.根据试验目标水位，向筒中加入水，设定目标离心加速度Ng，打开离心机，转动，使试样内部水分均匀分布；
d.设定目标冰冻温度，若进行干湿循环试验则不设定此温度，使机器继续运行，运行时间与模拟的材料原型结构冰冻时间成1/N2关系，若进行干湿循环试验，冰冻时间则为浸水时间；
e.设定融化温度，打开排水开关，使试样筒排水，排水时间与模拟的材料原型结构融化和排水时间成1/N2关系，
f.根据试验对干湿或冻融循环次数的需要，重复上述步骤c-e；
g.记录上述过程中流量计的流量变化，并通过收集装置收集融化排水过程中流失的颗粒量，对收集的颗粒进行烘干，获得质量m1，计算材料流失率为
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明适用于超重力离心条件，与常规试验方法相比，可以通过控制Ng的离心速度实现N2倍的渗流与热量交换加速，即只需要1/N2的时间就能达到常规试验条件下相同的冰冻或湿度状态，大大节省了试验时间。
常规的干湿循环及冻融试验中，试样会处于完全饱和浸水状态，而实际服役状态为不同水位条件下的浸泡状态，处于部分材料饱和与部分材料非饱和的混合状态。本发明中进水量通过流量控制，达到目标浸没水位，并通过调整离心机转速来保证模型在排水过程中最终的湿度状态，而不是常规的烘干处理；因此本技术设计的实验方法与路面结构实际服役状况较为符合。
本发明采用液体介质循环流动的方式对内部模型进行控温，不同于半导体与加热片控温方式，可以在有限的空间内提供连续均匀且稳定的温度控制，且可以通过外部计算机控制，实现连续控温。
本发明可通过位移传感器记录试样在干湿或冻融循环过程中的轴向变形，获得材料的干湿或冻融条件下得到变形规律。同时通过柔性橡皮膜减小材料径向变形的约束，使得土颗粒的冻胀变形行为更符合实际道路结构中的行为。
本发明通过高精度的流量计可以实现渗流过程中的流量记录，从而获得材料渗透系数的变化，分析材料在不同干湿循环、冻融循环、湿度条件下的渗透特性。
此外，该装置通过电磁开关利用软件控制试验的进水与排水，无需停止离心机器进行操作。即可以对模型在不停止试验的条件下，进行连续多次干湿或冻融循环，可以有效模拟模型在该条件下的长期特性。
附图说明
图1为本发明的试验装置的剖面图；
图2为本发明的试验装置的俯视图；
图3为本发明的试验装置的整体图。
附图标记：1-进水口；2-进水电磁阀；3-流量计；4-位移传感器(LVDT)；5-控温模块；6-收集与过滤装置；7-排水口；8-排水电磁阀；9-顶部盖板。
具体实施方式
如图1、图2和图3所示，一种适用于超重力离心条件下的道路材料干湿及冻融循环试验装置，主要包括有试验套筒，进/排水口开关阀组，流量计3，适应高低温的位移传感器(LVDT)4，控温模块5，收集与过滤装置6。
试验套筒为防锈钢材质圆柱体，可以通过螺栓固定在离心机的模型箱上，顶部有盖板9，盖板9与套筒顶部设有O型密封圈，可以密封套筒。套筒内径略大于试样直径，例如直径100mm的试样所用套筒内径为105mm，同时在套筒内部附带一弹性橡胶膜，套在试样上，目的是在冻融循环过程中土样会发生一定的径向膨胀变形，通过橡胶膜既能保证周围的密封性又能允许径向变形量。套筒底部为多孔金属板，用于向底部排水。
进/排水口开关电磁阀组(进水电磁阀2、排水电磁阀8)分别位于试验装置的顶部与底部，通过滑环与外部控制器连接，用于控制干湿与冻融循环时材料的增湿过程中的进水，与(融化)干燥过程中的排水。其中进水口1处水管可通过旋转接头直接连接外部水龙头，无需连接储水罐，实现多次循环。
流量计3位于进水口1处，通过滑环与外部控制器连接，可以测量进水量。根据试验要求加入不同的水量，当流量达到目标进水量时，关闭进水口电磁阀。
位移传感器(LVDT)4固定在试验套筒的顶部盖板9中，端部放在试样顶部，通过旋转接头与外部控制器连接，用于记录干湿及冻融循环过程中试样的轴向变形。
控温模块5位于试验套筒周围，直径略大于试验套筒，包裹住试验套筒。同时内部带有保温层，可以减小热量流失。夹层内通入液体介质进行温度循环控制，通过滑环与外部控制器连接，可以实现温控范围为-10℃-60℃。使用时液体从左侧底部进入夹层，从右侧上部流出，保证对整个套筒内部进行有效的热量传递。
收集与过滤装置6位于试验套筒的底部，配有一O型密封圈通过在装置底部有向下有排水口7用于排水，排水口7上方有一原型凹槽，凹槽内放有一透水石，用于过滤在干湿及冻融循环过程中水体中的土颗粒，可以在试验结束后通过称重获得相应干湿及冻融循环条件下土体的颗粒损失量。排水口7与排水电磁阀8连接。
为了更详细地说明本发明装置的具体操作方法，下面以一个路基土的冻融循环试验案例对发明装置的工作原理进行说明，具体步骤如下：
(1)制作与安装试样。根据试验需求，称取一定质量土，按目标含水率与孔隙比成型试样。在试验套筒内壁涂上硅油润滑，减小试样发生纵向变形的约束。给试样套上橡胶膜，同时保证橡胶膜长度不超过试样长度。顶部放置一块透水石，用于稳定水流，减小对试样顶部的冲击。之后再放入试验套筒中，安装多孔底座，保证与试样底部紧密接触
(2)安装过滤装置。在过滤装置底部凹槽装上透水石，表面放一个O型密封圈，通过螺栓与上部试验套筒进行连接，底部排水口7连接导管，导管上安装排水电磁阀8开关，控制排水。
(3)安装位移传感器。从套筒顶部盖板9中央放入LVDT位移传感器4，调整至合适位置，将位移传感器读数清零，作为试样的变形初始值。
(4)增湿过程。打开顶部进水电磁阀2，观察流量计读数，根据所需要达到的水位计算需要加入的水量，之后关闭进水电磁阀2。
(5)冰冻过程。根据试验需求设定目标离心加速度，在设备达到稳定的离心加速度后，设置目标温度值，如-10℃。待温度达到目标值后，根据离心条件下的冻融时间相似比例，控制冰冻过程所持续的时间，例如1h。
(6)融化过程。在达到目标冰冻时间后，进入融化阶段，打开排水口电磁阀8(排水电磁阀8)开关，进入排水阶段，设置目标温度，如50℃，同理，根据相似比例设置融化排水过程所持续的时间，例如1h。之后关闭排水电磁阀8。其中融化后排水过程中，可以通过记录出口处流量的变化，计算材料的渗透系数。
(7)增加循环次数。根据试验的需要，重复步骤(4)-(6)，进行多次循环，通过电脑记录位移传感器(LVDT)4在整个过程中的变化量。
(8)结束试验并记录颗粒损失量。完成试验后，停止离心机的运行，待机器完全停止后，拆下过滤及收集装置，取出试样，并冲洗该装置，并用细孔径滤网过滤清洗水，将收集到的颗粒放入60℃的烘箱中进行烘干，待完全烘干后，获得流失颗粒的干质量。循环结束后的试验可根据试验需求进行强度或模量等其他试验等操作。
(9)需要注意的是，控制排水的最终状态是通过控制离心机的离心加速度来实现，不同的离心加速度对应不同的离心力，一定的离心力可以使得土样中一定量的水排出，直至土体内部的基质吸力与该离心力相等；通过土样的土水特征曲线可以获得该基质吸力条件下对应的体积含水率，由此可以实现通过调节离心加速度按目标体积含水率进行排水的目的，实现土样在实际服役条件下的平衡体积含水率。
Claims (9)
1.一种适用于超重力离心条件下的道路材料干湿及冻融循环试验装置，其特征在于，包括：
安装在所述离心机上的试验套筒；
包裹在所述试验套筒上的控温模块；
设置在所述试验套筒顶部的顶部盖板；
设置在所述试验套筒底部的底板；
设置在所述试验套筒顶部并与所述试验套筒内部连通的进水口；
设置在所述试验套筒底部并与所述试验套筒内部连通的收集与过滤装置；
以及与所述收集与过滤装置连通的排水口。
2.根据权利要求1所述的适用于超重力离心条件下的道路材料干湿及冻融循环试验装置，其特征在于，所述的试验套筒为不锈钢材质圆柱体。
3.根据权利要求1所述的适用于超重力离心条件下的道路材料干湿及冻融循环试验装置，其特征在于，所述的底板为多孔金属板。
4.根据权利要求1所述的适用于超重力离心条件下的道路材料干湿及冻融循环试验装置，其特征在于，所述的进水口通过进水电磁阀与所述试验套筒内部连通，所述的进水电磁阀设置所述试验套筒顶部。
5.根据权利要求1所述的适用于超重力离心条件下的道路材料干湿及冻融循环试验装置，其特征在于，所述的排水口连接有排水电磁阀，所述排水电磁阀设置所述试验套筒底部。
6.根据权利要求1所述的适用于超重力离心条件下的道路材料干湿及冻融循环试验装置，其特征在于，所述的进水口和排水口设置有流量计。
7.根据权利要求1所述的适用于超重力离心条件下的道路材料干湿及冻融循环试验装置，其特征在于，所述试验套筒内设置有位移传感器，所述位移传感器的一端固定在所述试验套筒的顶部盖板上，所述位移传感器的另一端伸入所述试验套筒内。
8.根据权利要求1所述的适用于超重力离心条件下的道路材料干湿及冻融循环试验装置，其特征在于，所述的控温模块的外侧带有保温层，所述的保温层与试验套筒之间有夹层，所述的夹层通入液体介质进行控温。
9.一种道路材料干湿及冻融循环试验方法，其特征在于，采用权利要求1～8任一项所述的适用于超重力离心条件下的道路材料干湿及冻融循环试验装置，所述的方法包括以下步骤：
a.按照目标含水率成型试样，记录试样的干质量m0；
b.给试样套上橡皮膜，同时表面涂上硅油减少摩擦，放入试样筒中；
c.根据试验目标水位，向筒中加入水，设定目标离心加速度Ng，打开离心机，转动，使试样内部水分均匀分布；
d.设定目标冰冻温度，若进行干湿循环试验则不设定此温度，使机器继续运行，运行时间与模拟的材料原型结构冰冻时间成1/N2关系，若进行干湿循环试验，冰冻时间则为浸水时间；
e.设定融化温度，打开排水开关，使试样筒排水，排水时间与模拟的材料原型结构融化和排水时间成1/N2关系，
f.根据试验对干湿或冻融循环次数的需要，重复上述步骤c-e；
g.记录上述过程中流量计的流量变化，并通过收集装置收集融化排水过程中流失的颗粒量，对收集的颗粒进行烘干，获得质量m1，计算材料流失率为
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