专利名称：沥青面层结构室内环境模拟与高温变形试验方法
技术领域：
本发明涉及交通工程技术领域，具体浙青路面面层温度场和应力场环境室内模拟与高温变形试验方法。
背景技术：
随着国民经济的快速发展，我国高速公路的建设取得了令人瞩目的成就，半刚性基层浙青路面是其中主要的路面结构形式，高速公路大交通量和重载交通的特点使得浙青路面出现了不同程度的车辙破坏。车辙是浙青路面所特有的损坏现象，不但削弱了路面结构的整体强度，而且还会导致浙青路面的平整度下降，造成雨天积水，影响车辆的行驶安全，因此合理评价浙青混凝土的高温性能并对实际浙青路面的高温永久变形能力提出具体要求是浙青路面设计的重要手段。但是现有的评价方法各自存在着不同的问题，以下综述之:(I)经验型试验方法。经验型试验方法主要指马歇尔稳定度试验，马歇尔试验采用标准马歇尔试件(直径101.6mm，高63.5mm)，试验条件为60°C水浴，测量试件的马歇尔稳定度和流值。马歇尔试验对现场的模拟极差，马歇尔稳定度较高并不能保证浙青路面有较好的抗车辙性能，我国规范中已经不再使用马歇尔试验作为评价高温性能的方法。(2)性能相关试验方法。性能相关试验方法主要包括车辙试验和大型环道、直道试验，主要测量荷载作用次数与试件的变形之间的关系曲线。小型车辙试验的动稳定度目前是我国浙青混凝土高温性能的评价指标，但特定温度条件下5cm厚度浙青混凝土的变形不能完全反映多层浙青路面结构的变形；环道、直道试验的成本很大、周期较长，一般很少用于工程实践浙青路面高温性能评价。同时，该类方法虽然能够一定程度上模拟现场实际状态，但是性能相关试验不能得到材料的基本力学参数，不能用于路面设计和路面结构力学计算。(3)基于力学原理的试验方法。基于力学原理的试验方法主要包括单轴静载、单轴动载、单轴重复蠕变试验，三轴静载、三轴动载、三轴重复蠕变试验，扭转剪切试验，弯曲蠕变试验和局部三轴试验等，这些试验方法都能在一定程度上模拟路面的实际状态，但是除了局部三轴试验，其他蠕变试验对于混合料侧向约束的模拟都和实际路面不同，而局部三轴试验只是用于评价单层浙青混合料的蠕变性能，不能用于面层结构的性能评价。根据上述分析可知，现有的试验方法一方面对全厚度浙青路面面层结构的模拟程度不够，不能反映实际路面在荷载作用下的受力特点；另一方面，现有试验方法只能对恒定温度作用下浙青混合料的性能进行评价，不能真实反映路面厚度范围内温度场的影响，不能模拟实际路面结构路表吸收太阳能辐射、内部通过混合料之间的热传递升温的实际状态。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种浙青面层结构室内环境模拟与高温变形试验方法，该方法能够准确地模拟面层浙青混凝土在实际路面中的受力状态和环境温度，从而可对不同结构组合的浙青面层高温性能进行比较，并且可方便地得到实际环境下浙青混凝土高温性能的评价参数，为浙青路面浙青混凝土类型选取与设计参数的选择提供依据。该方法对试验设备要求不高，容易在现有试验条件下实现。本发明采用的技术方案为:一种浙青面层结构室内环境模拟与高温变形试验方法，包括以下步骤:步骤1:分别成型上中下面层浙青混凝土试件，每层材料之间通过乳化浙青粘结，在形成的全厚度浙青混凝土试件表面钻孔；步骤2:在试件的底部和侧面分两层涂刷隔热涂料，两层隔热涂料分别在烘箱鼓风环境下固化；在试件外部紧覆一层岩棉管，在与浙青混凝土试件对应的位置开孔；步骤3:将温度传感器装埋入钻好的孔中，孔内的空隙采用细集料或棉花填充，在孔口处使用软橡胶塞将孔口封闭；步骤4:根据实测路面温度场或者有限元模拟温度场确定不同深度处的控制温度，以浙青路表面的实测或计算温度为空气浴恒温温度。将准备好的试件置于恒温的空气浴中，记录各深度控制温度达到的时间和结束时间，统计出不同深度温度到达时间和结束时间的最小公共区间，作为后续永久变形试验的控制时间，控制温度的波动范围为±l°c。步骤5:当保温时间达到最小公共区间的起始时间时，迅速将试件取出并进行永久变形试验。最小公共区间的起始时间为永久变形试验的开始时间，最小公共区间的结束时间为试验结束时间或者试验数据分析所取结束时间。将全厚度浙青混凝土试件放置在试验底座上，试验过程中施加一轴向荷载，荷载波形可根据研究需要设置，上压头直径为80.6mm，在压头顶部安放两个位移传感器测试轴向变形。作为优选，所述步骤I中试件直径为150±2mm，各面层试件高度可根据路面实际厚度或者设计资料确定，所述乳化浙青用量为350g/m2。所述全厚度浙青混凝土试件表面每隔2cm钻孔,孔直径为5mm,深度为75mm。作为优选，所述步骤2中隔热涂料第一层厚度为0.3mm，在烘箱25°C鼓风环境下固化36h,第二层厚度为0.5mm,在烘箱25°C鼓风环境下固化48h。所述岩棉管内径为150mm,外径155mm,高度比浙青混凝土试件的总高度增加5_。作为优选,所述步骤5中施加的轴向荷载中上压头直径为80.6_。本发明的有益效果:首先本发明涉及的永久变形试验方法所用的试件能体现浙青路面面层总体厚度，试验结果能够直观地反映出不同路面结构组合的高温性能差异；其次本发明涉及的永久变形试验方法实现了混凝土不同深度处温度场的模拟，试验过程中浙青混凝土的温度环境与路面实际状态更为接近；再次，压头之外的混凝土能够提供随材料和温度不同而变化的侧向约束，能够模拟路面中浙青混凝土的实际受力状态；最后，本发明所需试验设备较为简单，只需要能施加轴向力的动力设备和位移传感器，设备的要求低利于本试验方法的推广使用。
图1为本发明浙青混凝土试件温度场室内模拟方法的示意图；图2为本发明永久变形试验方法的示意图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明做进一步说明。如图1和2所示:一种浙青面层结构室内环境模拟与高温变形试验方法，包括以下步骤:步骤1:分别成型上中下面层浙青混凝土试件，要求试件直径为150±2mm，各面层试件高度可根据路面实际厚度或者设计资料确定，每层材料之间通过乳化浙青粘结，乳化浙青用量为350g/m2。在形成的全厚度浙青混凝土试件I表面每隔2cm钻孔，孔直径为5mm，深度为75_。步骤2:在试件的底部和侧面分两层涂刷隔热涂料，第一层厚度为0.3mm，在烘箱25°C鼓风环境下固化36h,第二层厚度为0.5mm,在烘箱25°C鼓风环境下固化48h。在试件外部紧覆一层岩棉管2，要求岩棉管2内径为150mm，外径155mm，高度比浙青混凝土试件的总高度增加5mm,在与浙青混凝土试件对应的位置开孔。步骤3:将温度传感器3装埋入钻好的孔中，孔内的空隙可以采用细集料或棉花等材料填充，在孔口处使用软橡胶塞将孔口封闭。步骤4:根据实测路面温度场或者有限元模拟温度场确定不同深度处的控制温度，以浙青路表面的实测或计算温度为空气浴恒温温度。将准备好的试件置于恒温的空气浴中，记录各深度控制温度达到的时间和结束时间，统计出不同深度温度到达时间和结束时间的最小公共区间，作为后续永久变形试验的控制时间，控制温度的波动范围为±l°c。步骤5:当保温时间达到最小公共区间的起始时间时，迅速将试件取出并进行永久变形试验。最小公共区间的起始时间为永久变形试验的开始时间，最小公共区间的结束时间为试验结束时间或者试验数据分析所取结束时间。将全厚度浙青混凝土试件I放置在试验底座6上，试验过程中施加一轴向荷载，荷载波形可根据研究需要设置，上压头5直径为80.6_，在压头顶部安放两个位移传感器4测试轴向变形。本发明所提出的浙青混凝土路面室内环境模拟与高温变形试验方法的设计思路是:通过隔热涂料和岩棉管等材料，实现试件与外部环境热量的单向传递，即试件只是表面受热，并向试件内部传导热量；同时通过小压头的局部加载使得压头以外的浙青混凝土能够提供随材料和温度不同而变化的侧向约束。通过这样的设计可以达到以下目的:(I)通过温度梯度的模拟和局部加载实现对路面中浙青混凝土的实际温度环境和受力状态进行较准确地模拟。一方面，面层全厚度浙青混凝土的试验结果可以直观地反映出不同结构组合的高温性能差异；另一方面，通过对试验数据的简单处理可以得到浙青混凝土力学模型的相关参数。(2)通过有限元计算确定了合理的试件和压头尺寸，不但可提供合理的侧向约束，而且可以减小由于尺寸效应造成的试验误差。试件制备合理的试件尺寸能够消除尺寸效应，根据已有的研究结果，能够消除浙青混凝土尺寸效应的最小试件直径应不小于公称最大粒径的3倍以上。目前室内成型浙青混凝土圆柱体试件最大直径为150mm，通过有限元建模计算得到最佳的压头直径为80.6mm，此时试件内部的应力分布与浙青路面的应力分布相同。为了保证试验精度，每种试件需至少两个。实际成型时，可根据路面中各层实际厚度的两倍作为单层材料成型试件的高度，这样可将一次成型的圆柱体试件中分切割得到两个平行试件，减少成型误差。具体室内试验工作步骤为:(I)各层材料试件直径为150mm，试件的高度根据路面实际厚度确定，推荐采用旋转压实仪成型试件，利用切割机将一次成型的试件切割得到两个平行试件，试件高度控制误差为2%，若切割后的试件高度不符合要求，应打磨光滑至要求范围内，否则废弃。将各层材料通过乳化浙青粘结形成全厚度试件，乳化浙青用量为350g/m2。(2)在全厚度试件侧面和底部分两层涂刷隔热涂料，可采用刷子、滚子、抹子或者喷涂方式进行涂刷。具体涂刷工艺如下:①开桶搅拌:开桶后将所有涂料置于材料桶内，持续搅拌2min以上，将涂料搅拌均匀，以无硬块、颗粒为宜；②静置熟化:将涂料搅拌均匀后，需静置30min熟化后使用；③涂料涂刷:取所需质量的涂料再次搅拌均匀，涂刷第一层厚度为0.3mm，涂刷时采用十字交叉涂刷方法，第二层施工需等前一层表干后方可进行，为了加快表干速度，可在烘箱25°C鼓风环境下固化36h ;涂刷第二层厚度为0.5mm,在烘箱25°C鼓风环境下固化48h ；④涂料储存:当涂料一次未使用完时，需将涂料桶内的涂料袋密封，盖好桶盖后，放置阴凉处保存。涂料施工过程中应保证空气温度在10°C以上，以25°C为宜，空气湿度小于60%，同时需要保证试件的表面温度为15飞(TC，不能直接涂在高温或低温的试件表面。试验设备和材料要求(I)试验机，可采用UTM或MTS等试验设备，其他可替代的设备也可采用，但是必须满足如下要求:①应能提供多波形、多频率稳定的竖向荷载，荷载量程应在25kN以上，荷载测量精度为IN。②控温环境箱，控温准确度0.1°C，温控范围最大值至少为65°C ；(2)数据采集系统，能自动采集荷载传感器和表面位移传感器的电信号，采集的数据可存储于采集系统中，或可通过X-Y曲线形式实时显示于试验控制端，要求表面位移传感器的测量精度为0.1%_。(3)恒温烘箱，用于试件保温，要求烘箱的温控精度为0.TC，应具有鼓风循环系统。(4)隔热材料。隔热涂料应具有较低的导热系数和较高的附着强度，要求保温涂料的导热系数〈0.06ff/(m.K)，涂料固化成型后可稳固贴附于试件表面，并起到一定的保温隔热的效果。岩棉管材料是很好的隔热保温材料，其导热系数很低，要求岩棉管的导热系数〈0.03W/ (m.K),要求岩棉管内径为150mm,外径155mm,长度为185mm,并且应具有一定的强度，在试验温度范围内和试验过程不会产生变形。试验方法与步骤应满足如下条件:(I)准备工作
①按要求制作各层试件，每组试验平行试件不少于2个，同时测量并记录试件的高度和内外直径，需要满足规定尺寸要求。同时每一个试件必须利用《公路工程浙青及浙青混合料试验规程》(JTJ052 - 2000)中密度测量方法测量试件密度，并计算空隙率，满足试验目的要求。②按要求采用乳化浙青粘结试件，按要求在试件侧面和底部涂刷隔热涂料，试件保温前在试件外紧裹一层岩棉管材料。③将浙青混凝土全厚度试件置于稳定的恒温烘箱中保温，根据温度场试验结果进行控制，试件之间距离应大于10mm，烘箱中应有鼓风循环系统。(2)试验测试方法①当保温时间达到最小公共区间的起始时间时，迅速将试件取出，在试件的上下表面各垫两片聚乙烯薄膜并在中间涂抹润滑黄油，然后放置上压头，放置压头时需注意将压头放在试件上表面中部位置(为了保证压头位置的准确，可在试件上表面中心位置预先画一半径为40.3mm的圆)。试件和压头放置的过程要迅速，以减少试件温度散失。②在上压头顶部安放表面位移传感器，并将传感器与数据采集系统相连。③以20kPa荷载进行预加载，预加载时间为5 10min，若是需要研究不同荷载应力或加载速率对永久变形性能的影响，需设置荷载应力峰值、荷载波形、荷载作用时间和荷载循环持续时间。④利用数据采集系统记录荷载作用下，永久变形与荷载作用次数曲线，直至试件累计永久变形或荷载作用次数达到设定停止条件时，终止试验，要求设备的荷载精度为IN，位移测量精度为0.l%mm。为了保证试验的准确性，减小荷载加载的波动性，试验持续24h后建议关闭设备电源2h再进行相关试验，以防止试验设备疲劳、加大试验误差。(3)本发明的试验方法中，要求:①同一路面结构同一荷载条件需进行至少2次平行试验，当两次试验总变形的变形系数小于20%，可取两次试验的平均值作为试验结果，当大于20%时需要分析原因，并追加试验，直至满足要求；试验报告中应包括试验温度，荷载波形，荷载应力水平，各层试件密度、空隙率等相关参数。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。
权利要求
1.一种浙青面层结构室内环境模拟与高温变形试验方法，其特征在于:包括以下步骤: 步骤1:分别成型上中下面层浙青混凝土试件，每层材料之间通过乳化浙青粘结，在形成的全厚度浙青混凝土试件表面钻孔； 步骤2:在试件的底部和侧面分两层涂刷隔热涂料，两层隔热涂料分别在烘箱鼓风环境下固化；在试件外部紧覆一层岩棉管，在与浙青混凝土试件对应的位置开孔； 步骤3:将温度传感器装埋入钻好的孔中，孔内的空隙采用细集料或棉花填充，在孔口处使用软橡胶塞将孔口封闭； 步骤4:根据实测路面温度场或者有限元模拟温度场确定不同深度处的控制温度，以浙青路表面的实测或计算温度为空气浴恒温温度，将准备好的试件置于恒温的空气浴中，记录各深度控制温度达到的时间和结束时间，统计出不同深度温度到达时间和结束时间的最小公共区间，作为后续永久变形试验的控制时间，控制温度的波动范围为±1°C ； 步骤5:当保温时间达到最小公共区间的起始时间时，迅速将试件取出并进行永久变形试验，最小公共区间的起始时间为永久变形试验的开始时间，最小公共区间的结束时间为试验结束时间或者试验数据分析所取结束时间，将全厚度浙青混凝土试件放置在试验底座上，试验过程中施加一轴向荷载，荷载波形可根据研究需要设置，上压头直径为80.6mm,在压头顶部安放两个位移传感器测试轴向变形。
2.根据权利要求1所述的浙青面层结构室内环境模拟与高温变形试验方法，其特征在于:所述步骤I中试件直径为150±2mm，各面层试件高度可根据路面实际厚度或者设计资料确定，所述乳化浙青用量为350g/m2，所述全厚度浙青混凝土试件表面每隔2cm钻孔，孔直径为5mm,深度为75mm。
3.根据权利要求1所述的浙青面层结构室内环境模拟与高温变形试验方法，其特征在于:所述步骤2中隔热涂料第一层厚度为0.3mm，在烘箱25°C鼓风环境下固化36h，第二层厚度为0.5mm,在烘箱25°C鼓风环境下固化48h,所述岩棉管内径为150mm,外径155mm,高度比浙青混凝土试件的总高度增加5mm。
4.根据权利要求1所述的浙青面层结构室内环境模拟与高温变形试验方法，其特征在于:所述步骤5中施加的轴向荷载中上压头直径为80.6mm。
全文摘要
本发明公开了一种沥青面层结构室内环境模拟与高温变形试验方法，包括以下步骤分别成型上中下面层沥青混凝土试件，每层材料之间通过乳化沥青粘结，在形成的全厚度沥青混凝土试件表面钻孔；在试件外部紧覆一层岩棉管，在与沥青混凝土试件对应的位置开孔；将温度传感器装埋入钻好的孔中；根据实测路面温度场或者有限元模拟温度场确定不同深度处的控制温度；将准备好的试件置于恒温的空气浴中，记录各深度控制温度达到的时间和结束时间；当保温时间达到最小公共区间的起始时间时，迅速将试件取出并进行永久变形试验。本发明能够准确地模拟面层沥青混凝土在实际路面中的受力状态和环境温度，从而可对不同结构组合的沥青面层高温性能进行比较。
文档编号G01N3/18GK103115825SQ201310017509
公开日2013年5月22日 申请日期2013年1月17日 优先权日2013年1月17日
发明者顾兴宇, 袁青泉 申请人:东南大学