一种用于路面材料室内试验的加速加载装置及方法与流程

本发明涉及一种用于路面材料室内试验的加速加载装置及方法，属于材料试验领域。

背景技术：

一般而言，沥青混凝土路面建成通车后，在交通荷载的加速加载作用下，路表功能出现逐渐衰减的趋势，路面集料表面渐渐被磨耗，磨光值下降，路面构造深度不断降低，呈现抗滑性能降低的现象；行车轮胎与路面的接触过程中，不断压缩和释放空气，会产生行车噪音，影响行车舒适性，由于路面构造在交通运营下逐渐变化，导致噪音音强也不断改变；由于车轮对路面的加载、磨耗、冲击、振动作用，造成路面细集料的缺失，路面会表现为松散、麻面等病害，尤其是在雨季，对路面的动水压水，导致路面发现水损害，继而导致路面结构破坏，缩短了道路使用寿命。

现有的加速加载装置多采用实心钢轮或胶轮对车辙板试件进行反复式加载试验，反复式加载对沥青混合料集料变化轨迹与路面直行式行车状态并不相符，经研究表明，不同的加载模式对轮碾后的沥青混合料集料的排列规律会产生不同的影响。且目前用于室内的加速加载装置的试验轮多为拖曳式，自身不能自主驱动滚动，只能对试件施加竖直力，不能施加水平力，与实际沥青路面受力状况也不相符，无法真实地模拟路面行车荷载，不能准确评价路面的功能性指标。并且，一般现有的加速加载装置主要是在不同加载环境下和不同的加载次数下对沥青混合料试件进行行车试验，往往不能在试验过程中同时监测试件的抗滑性能衰减状况，多是在停止加载后，采用摆式仪和手工铺砂法测定试件的摩擦系数和构造深度，这两个抗滑指标主观因素影响较大，测试变异性大，测试结果代表性偏低，且效率较低。而在测定路面抗滑指标时，横向力系数较为准确，目前高等级公路竣工验收时多采用横向力系数验收路面抗滑性能，但是由于横向力系数测试成本较高，且测试条件和方式复杂，在路面材料加速加载装置中应用横向力系数测定试件的抗滑性能很少。

技术实现要素：

本发明的目的是根据路面材料加速加载试验需求，针对现有技术的缺陷和不足，提供一种简单适用、操作可靠，可准确模拟不同温度环境下、不同湿滑程度以及不同加载次数作用下的噪音情况、路面抗滑性能、结构稳定性、水稳定性能的路面材料室内试验的加速加载方法及装置。

本发明的目的可通过以下技术予以实现：

一种用于路面材料室内试验的加速加载装置，包括恒温箱、操作台、轮胎、电机、传动带、转速计、水泵、水槽、喷水头、温度传感器、、循环进风口、循环出风口、噪音探测仪、液压装置、试件紧固模块、拉压式传感器、自升降式测试轮、支撑轮、激光构造仪、计算机，所述恒温箱位于试验装置左侧，所述操作台位于试验装置外壁右下侧，所述轮胎位于恒温箱上侧，固定于转动轴承上，通过传送带与电机相连，电机位于试验装置右上侧，所述转速计位于轮胎的一侧，轮胎底部与试件接触面设置压力传感器，所述液压装置与试件紧固模块的轴承位于恒温箱的下侧，所述液压装置通过小型液压机驱动升降，液压装置与试件紧固模块的轴承相连，试件紧固模块的轴承置于横向滑道或纵向滑道中，可上下左右滑动，所述水槽置于试件紧固模块正下方，所述水泵紧靠水槽左侧，试件紧固模块上方设置多个与水槽相连循环喷水的喷水头，所述循环进风口置于恒温箱顶部，循环出风口置于恒温箱右下壁，温度传感器、位于恒温箱下侧左右壁，所述支撑轮和一个可拆卸自升降式测试轮设置于试件紧固模块底部，试件紧固模块底部与自升降式测试轮接触面设置拉压式传感器，所述激光构造仪位于试件左侧，可前后移动，所述计算机位于试验装置外部，用于显示噪音音强、横向力系数和构造深度数据；

所述操作台包括总开关、急停键、加速操作台、加载操作台、温控操作台、噪音显示器、水泵开关、水泵操作旋钮、电机开关，所述温控操作台通过控温器、温度传感器、与恒温箱电路相连；所述加速操作台与电机、转速计电路相连；所述加载操作台与液压装置、拉压式传感器电路相连；所述噪音显示器与噪音探测仪、计算机电路相连；所述水泵操作旋钮、水泵开关与水泵电路相连，所述电机开关与电机控制连接。

进一步地，所述的轮胎为充气轮胎，电机采用变频控制。

进一步地，所述的试件紧固模块的主轴与液压装置相连，试件紧固模块的主轴置于横向滑道或纵向滑道，可上下左右滑动，用于拆卸、固定试件和试件升降加载，所述试件紧固模块的主轴与滑道采用钢制滚动轴承连接，且试件紧固模块主轴中心线与水平面平行。

进一步地，所述的自升降式测试轮为实心胶轮，与试件旋转方向成度角，所述两个支撑轮为可自由转动的实心钢轮，用于支撑加载过程中可能变形的试件。

进一步地，所述温度传感器、、温控操作台、控温器、循环进风口、循环出风口、恒温箱构成温控系统，所述温度传感器、用于将检测到的温度信号显示到温控操作台上，控温器用于控制循环进风口的风温和风量，调节恒温箱的温度。

进一步地，所述噪音探测仪包括噪音探测头、滤波器、a/d转换器，所述噪音探测头对称固定在轮胎左右侧的恒温箱内壁上，所述噪音探测仪用于将轮胎与试件间产生的摩擦噪音经滤波器处理后，再经a/d转换器转换并传递至计算机进行处理，最后显示在噪音显示器上。

进一步地，所述水泵、喷水头、水槽通过细水管组成循环水浴装置，所述水泵从水槽抽水，经由细水管从喷水头流出，浸润试件，然后水流回水槽，组成循环水浴回路。

进一步地，所述激光构造仪用于在试件转动时对试件的某一加载轨迹进行连续检测，将采集的数据传输至计算机进行数据处理后，显示在计算机显示器上。

一种基于所述装置的加速加载方法，包括以下步骤：

（1）将沥青混合料试件固定在试件紧固模块中，开启加载操作台，调节液压装置，液压缸缓慢顶起试件紧固模块的轴承，直至试件与轮胎接触，使轮胎与试件之间的压强达到0~1.0mpa；

（2）通过温控操作台调节恒温箱8温度在–30~80℃的范围内，开启水泵操作旋钮，循环喷水，使试件在处于水浴状态，调节水泵功率大小，控制水膜厚度，然后将自升降式测试轮手动升降，调整自升降式测试轮与试件的接触荷载为200kgf±1kgf时，自升降式测试轮与试件转动方向成度角时，即固定自升降式测试轮；

（3）开启加速操作台，启动电机，调节电机转速使轮胎转速在0~300r/min范围内；

（4）开启计算机，通过横向力系数测试模块测定不同加载次数和不同温度条件下的横向力系数sfc并显示在计算机的显示器上；

（5）开启噪音探测仪，测定轮胎与试件间的表面摩擦噪音音强；

（6）观察试件裂纹产生、发展以及表面磨损情况，根据试件测试前后质量变化，评价试件的抗磨耗性能；

（7）在关闭水浴的情况下，开启激光构造仪，测定加载过程中试件的构造深度变化，以评价试件在加速加载过程中抗滑性能的衰减状况。

进一步地，步骤4中，所述横向力系数sfc具体通过如下步骤得到：

（41）通过拉压式传感器测定横向力f并传输至计算机通过横向力系数测试模块进行处理；

（42）横向力系数测试模块计算横向力系数sfc=横向力f/垂直力n*100。

与现有技术相比较，本发明具有以下优点：

一、本发明的测试方法与装置通过模拟沥青路面的行车加载过程，测试沥青混合料试件的横向力系数、构造深度、噪音水平、质量损失率等各项指标，为路面材料抗滑性能、噪音、结构稳定性、水稳定性能试验研究提供了较好的指导作用。

二、本发明能够短期内模拟路面的长期行车运营效果，模拟环境与现实状况较为接近，适用性强，结构简单，且试件制作简便，操作性强。

三、本发明采用横向力系数测试系统23和激光构造仪30测定试件的抗滑性能，相比于摆式仪和手工铺砂法，本方法准确性、客观性强，能够准确测定试件的横向力系数和构造深度，真实评价试件的抗滑性能。

四、本发明的温控系统可控制恒温箱8–30~80℃，温度控制区间较大，可模拟北方寒冷地区和南方湿热地区的温度变化；采用的充气轮胎与试件之间的压力最大可达1.0mpa，通过电机22带动轮胎9转动，液压加压模拟行车轴载，可有效模拟各种交通车辆在沥青路面的真实运营状况。

附图说明

图1是本发明实施例的室内新型加速加装置的结构示意图。

图2是本发明实施例的恒温箱的结构示意图。

图3是本发明实施例的操控台的结构示意图。

图中：1-控温器；2-液压装置；3-温度传感器；4-试件紧固模块；5-温度传感器；6-转速计；7-循环进风口；8-恒温箱；9-轮胎；10-喷水头；11-滚动轴承；12-水泵；13-噪音探测仪；14-水槽；15-小型液压机；16-横向滑道；17-纵向滑道；18-噪音显示器；19-加速操作台；20-加载操作台；21-温控操作台；22-电机；23-计算机；24-噪音探测头；25-拉压式传感器；26-支撑轮；27-自升降式测试轮；28-循环出风口；29-压力传感器；30-激光构造仪；31-总开关；32-急停键；33-水泵开关；34-水泵操作旋钮；35-电机开关。

具体实施方式

以上结合附图对本发明的具体实施方式作详细的描述。

本发明的沥青混合料试件尺寸为直径φ150mm，高为150～200mm。

如图1和图2所示，一种用于路面材料室内试验的加速加载装置，包括恒温箱8、操作台、轮胎9、电机22、传动带、转速计6、水泵12、水槽14、喷水头10、温度传感器3、5、循环进风口7、循环出风口28、噪音探测仪13、液压装置2、试件紧固模块4、拉压式传感器25、自升降式测试轮27、支撑轮26、激光构造仪30、计算机23，所述恒温箱8位于试验装置左侧，所述操作台位于试验装置外壁右下侧，所述的轮胎9采用4.00-8的充气轮胎，转速为0～300r/min，位于恒温箱8上侧，固定于转动轴承上，通过传送带与电机22相连，电机22采用变频控制，位于试验装置右上侧，所述转速计6位于轮胎9的一侧，轮胎9底部与试件接触面设置压力传感器29，所述液压装置2与试件紧固模块4的轴承位于恒温箱8的下侧，所述液压装置2通过小型液压机15驱动升降，液压装置2与试件紧固模块4的轴承相连，试件紧固模块4的轴承置于横向滑道16或纵向滑道17中，可上下左右滑动，所述水槽14置于试件紧固模块4正下方，所述水泵12紧靠水槽14左侧，试件紧固模块4上方设置多个与水槽14相连循环喷水的喷水头10，所述循环进风口7置于恒温箱8顶部，循环出风口28置于恒温箱8右下壁，温度传感器3、5位于恒温箱8下侧左右壁，所述支撑轮26和一个可拆卸自升降式测试轮27设置于试件紧固模块4底部，试件紧固模块4底部与自升降式测试轮27接触面设置拉压式传感器25，所述激光构造仪30位于试件左侧，可前后移动，所述计算机23位于试验装置外部，用于显示噪音音强、横向力系数和构造深度数据；

如图3所示，所述操作台包括总开关31、急停键32、加速操作台19、加载操作台20、温控操作台21、噪音显示器18、水泵开关33、水泵操作旋钮34、电机开关35，所述总开关31、急停键32控制所有用电设施的开启与关闭；所述温控操作台21通过控温器1、温度传感器3、5与恒温箱8电路相连，所述温度传感器3、5、温控操作台21、控温器1、循环进风口7、循环出风口28、恒温箱8构成温控系统，所述温度传感器3、5用于将检测到的温度信号显示到温控操作台21上，控温器1用于控制循环进风口7的风温和风量，调节恒温箱8的温度，所述恒温箱8温度调节范围为–30～80℃；所述加速操作台19与电机22、转速计6电路相连；所述加载操作台20与液压装置2、拉压式传感器25电路相连，加载操作台20控制液压装置2，液压缸缓慢顶起试件紧固模块4的轴承，直至试件与轮胎9接触，压力传感器29将压力传导至加载操作台20，调节加载操作台20压力指数，使轮胎9与试件之间的压强达到0~1.0mpa；所述噪音显示器18与噪音探测仪13、计算机23电路相连，所述噪音探测仪13包括噪音探测头24、滤波器、a/d转换器，所述噪音探测头24对称固定在轮胎9左右侧的恒温箱8内壁上，所述噪音探测头24用于将轮胎9与试件间产生的摩擦噪音经滤波器处理后，再经a/d转换器转换并传递至计算机23进行处理，最后显示在噪音显示器18上。所述水泵操作旋钮34、水泵开关33与水泵12电路相连。所述水泵12、喷水头10、水槽14通过细水管组成循环水浴装置，开启水泵开关33，水泵12从水槽14抽水，经由细水管从喷水头10流出，浸润试件，然后水流回水槽14，组成循环水浴回路，水泵操作旋钮34可调节水流速率。

所述的试件紧固模块4的主轴与液压装置2相连，试件紧固模块4的主轴置于横向滑道16或纵向滑道17，可上下左右滑动，用于拆卸、固定试件和试件升降加载，加载的压力范围为0～1.0mpa，所述试件紧固模块4的主轴与滑道采用钢制滚动轴承11连接，且试件紧固模块4主轴中心线与水平面平行。

所述的自升降式测试轮27为实心胶轮，与试件旋转方向成20度角，所述两个支撑轮26为可自由转动的实心钢轮，用于支撑加载过程中可能变形的试件。

所述激光构造仪30用于在试件转动时对试件的某一加载轨迹进行连续检测，将采集的数据传输至计算机23进行数据处理后，显示在计算机23显示器上。

一种基于所述装置的加速加载方法，包括以下步骤：

（1）将沥青混合料试件固定在试件紧固模块4中，开启加载操作台20，调节液压装置2，液压缸缓慢顶起试件紧固模块4的轴承，直至试件与轮胎9接触，使轮胎9与试件之间的压强达到0~1.0mpa；

（2）通过温控操作台21调节恒温箱8温度在–30~80℃的范围内，开启水泵操作旋钮34，循环喷水，使试件在处于水浴状态，调节水泵12功率大小，控制水膜厚度，然后将自升降式测试轮27手动升降，调整自升降式测试轮27与试件的接触荷载为200kgf±1kgf时，自升降式测试轮27与试件转动方向成20度角时，即固定自升降式测试轮27；

（3）开启加速操作台19，启动电机22，调节电机22转速使轮胎9转速在0~300r/min范围内；

（4）开启计算机23，通过横向力系数测试模块测定不同加载次数和不同温度条件下的横向力系数sfc并显示在计算机23的显示器上；

（5）开启噪音探测仪13，测定轮胎9与试件间的表面摩擦噪音音强；

（6）观察试件裂纹产生、发展以及表面磨损情况，根据试件测试前后质量变化，评价试件的抗磨耗性能；

（7）在关闭水浴的情况下，开启激光构造仪30，测定加载过程中试件的构造深度变化，以评价试件在加速加载过程中抗滑性能的衰减状况。

具体而言，步骤4中，所述横向力系数sfc具体通过如下步骤得到：

（41）通过拉压式传感器25测定横向力f并传输至计算机23通过横向力系数测试模块进行处理；

（42）横向力系数测试模块计算横向力系数sfc=横向力f/垂直力n*100。

以上结合附图对所述的仅是本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出各种变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。