连续式室内车辙试验装置及沥青料抗车辙能力评价方法与流程
本发明属于道路沥青混合料试验领域，具体涉及一种连续式室内车辙试验装置及沥青料抗车辙能力评价方法。
背景技术：
抗车辙能力是评价沥青路面使用性能的重要指标。目前，直线式车辙仪是室内测试沥青混合料高温抗车辙能力的主要设备。其主要原理是在控制试验温度和轮压下，通过加载轮对沥青混合料板件(试件长300mm，宽300mm，高50mm)进行往复碾压(每分钟42次)，并在一定碾压次数后测得试件的车辙变形量，从而计算动稳定度。但该类设备主要以下问题：加载过程不连续，加载轮来回碾压不符合实际行车环境；加载速度不可调，不能模拟真实的高速车辆碾压；试验效率低，一次仅能试验一块板件且仅有一个加载轮。
除了上述传统的车辙试验装置，近年部分学者也开始研究室内加速加载装置来测试沥青混合料抗车辙性能和磨耗性能。目前，大部分室内连续式加速加载车辙试验装置采用的是平面环形布置形式，如授权的公告号为cn101666727a的中国发明专利“室内小尺寸环形沥青路面结构车辙试验装置”。其主要特征是将需要测试的沥青混合料制成平面环形试件，加载轮围绕其中心在其表面作连续的平面圆周运动。其弥补了传统装置的一些缺点，但仍然存在以下问题：(1)试件受力与实际行车荷载不符合，除了受加载轮竖向压力还受横向剪切力影响，导致车辙试验结果受多因素影响；(2)加载压力不可灵活调节，其采用配重作为载荷，不能连续调节；(3)制备试件需要用特殊的压实装置，不能利用现有设备成型试件；(4)受限于平面环形的布置形式，设备占地面积大，纵向空间利用率低。
同时，受限于当前设备的物理特性，目前评价沥青混合料高温抗车辙能力的指标通常采用：(1)试验结束时的绝对变形量；(2)动稳定度，即45分钟至60分钟之间荷载作用次数与绝对变形量比值。但这些评价方法均采用始末时刻的绝对变形量或其差值来表征变形情况，忽略了材料变形过程中不同的变形曲线特征。在《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(jtge20-2011)中也有说明车辙变形曲线可能是上凸型、直线型、变曲型，因此仅仅采用某一时刻的绝对变形量所计算得出的指标不能全面反映材料全过程的抗车辙能力。比如，相同始末绝对变形量的上凸型变形曲线和下凹型变形曲线，虽然在计算动稳定度上是一致的，但是上凸型变形曲线的材料会使路面在早期产生明显的变形，这种变形严重影响道路使用。
技术实现要素：
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种连续式室内车辙试验装置及沥青料抗车辙能力评价方法，该装置能够真实模拟行车荷载对沥青路面的作用，实现加载过程连续、加载速度和加载压力连续可调，且试验效率显著提高，单次多个加载轮可以同时加载多个试件，并在此基础上提出了一种采用一定荷载作用次数下的车辙等效变形率来表征材料的抗车辙性能。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种连续式室内车辙试验装置，包括恒温箱、加载框架、加载机构、试验胶轮、环形试验台以及总控制单元；加载框架固定设置在恒温箱中，环形试验台与加载框架连接，加载机构设置在环形试验台的内圈，加载机构包括加载支座，加载支座上设置有多个气缸，试验胶轮与气缸的活动端转动连接，环形试验台围绕试验胶轮，环形试验台内圈设置有弧形车辙板，加载支座设置在环形试验台的中心；环形试验台连接有转动驱动机构，加载框架上设置有用于监测环形试验台圈数的电磁计数器，气缸上设置有激光位移传感器，激光位移传感器和电磁计数器均连接总控制单元的信号输入端。
气缸的输入端连接气泵，气泵的控制信号输入端连接气压控制单元的输出端；气压控制单元与总控制单元通过i/o接口连接，加载支座上设置有四个沿圆周方向均匀分布的气缸，相邻的气缸之间设置有加强杆。
加载伸缩杆的活动端设置有轮架，试验胶轮和轮架转动连接。
环形试验台的外圈为齿轮状，并且环形试验台的外圈设置有与其啮合的驱动齿轮，驱动齿轮设置在电机支座上，驱动电机的输出端与所述驱动齿轮的齿轮轴通过皮带连接，驱动电机的控制信号输入端连接电机转速控制单元，电机转速控制单元与总控制单元通过i/o接口连接。
恒温箱中设置有加热器和温度控制单元，加热器连接温度控制单元的输出端，加载支座的中部设置有红外温度传感器，红外温度传感器连接温度控制单元的输入端，温度控制单元和总控制单元通过i/o接口连接
环形试验台包括若干弧形挡板、隔板、弧形挡板沿着环形试验台的圆周方向设置，隔板沿环形试验台内圈均匀设置，隔板和弧形挡板形成若干车辙板试件槽，弧形车辙板设置在车辙板试件槽中，相邻两块弧形挡板采用锁紧器连接并锁紧。
恒温箱的侧面设置有恒温箱门，恒温箱门上开设观察窗，恒温箱门上海设置有控制面板和显示面板，控制面板和总控制单元的i/o接口连接，显示面板连接总控制单元的输出端。
一种基于本发明所述连续式室内车辙试验装置的沥青料抗车辙能力评价方法，包括以下步骤：
步骤1，将车辙板试件固定在环形试验平台(14)内侧，设定荷载组合l，通过分别调整加载伸缩杆(4)加载压力以设定试验胶轮(7)与车辙板试件的接触压力，设定试验环境温度t，对恒温箱内部加热使恒温箱(1)内升温，待温度达到设定温度后，驱动机构驱动环形试验平台(14)开始加载过程；
步骤2，电磁计数器(24)实时记录环形试验平台(14)转动次数，设定对试件碾压速度为v，获取累计转动次数n、每一块车辙板试件的绝对变形量dn,i,i＝1…8，加载n次时停止试验；
步骤3，在步骤1中设定的试验环境温度t和步骤2设定的加载速度v下，车辙板试件在步骤1设定载荷l的荷载加载n次后，对于第i个车辙板试件，通过累计作用次数n,n＝0…n与绝对变形量dn,i绘制变形曲线fi,t,v,l(n)；
步骤4，将步骤3所得变形曲线fi,t,v,l(n)的变形过程等效为直线型变形过程，并计算等效变形量edn：
步骤5，根据步骤4所得等效变形量计算区间内的变形速率,采取下式计算第kn(0＜k＜1)次和第n次间的等效变形速率edskn：
当k＝0时，等效变形速率为全过程等效变形速率eds，采取下式计算：
步骤1中，荷载组成l分为三种：l1为标准荷载组合，l2为重荷载组合，l3为超重荷载组合；试验环境温度t分为三种：t＝45℃为低温试验温度，t＝60℃为标准试验温度，t＝80℃为超高温试验温度。
步骤2中，车辙板试件的碾压速度v分为三种：v＝24次/min为低速加载，v＝42次/min为标准速度加载，v＝420次/min为高速加载；车辙板试件的加载次数n分为三种：n＝2520次为标准加载量，n＝7560次为长期加载量。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明能够真实模拟沥青路面在行车荷载下产生车辙的全过程，与现有技术相比，环形旋转加载试验可以模拟车轮直线、同方向、连续的碾压过程；多个加载轮压可以分别调整与沥青试件的接触压力，以模拟各种不同荷载组成下对沥青路面的损伤；加载速度能进行调整，用以模拟不同公路行车速度环境下，如高速公路、城市道路、和收费站，沥青路面受到车轮荷载的作用；试验效率高，多个加载轮同时工作，一次可以测试多组试件，可以进行大试验量的对比工作；结构紧凑，占地面积小，充分利用纵向空间，适合室内实验室布置和安装。
进一步的，气泵向气缸提供动力，而且气泵连接有气压控制单元，气压控制单元连接总控制单元，有助于实现集中自动准确地控制气缸的输出压力，进而提高试验的准确性和广泛适用性。
进一步的，加载伸缩杆的活动端设置有轮架，试验胶轮和轮架转动连接，能更加近似地模拟真实车轮与路面的作用过程。
进一步的，环形试验台的外圈为齿轮状，并且环形试验台的外圈设置有与其啮合的驱动齿轮，驱动电机的控制信号输入端连接电机转速控制单元，电机转速控制单元与总控制单元通过i/o接口连接，在外圈驱动环形试验台不需要太大扭矩，试验更容易进行，而且不影响加载过程，同时布置结构也更加紧凑；环形试验台的转速还能实现集中自动控制。
进一步的，恒温箱中设置有加热器和温度控制单元，更加方便地对恒温箱进行加热和恒温，而且温度控制也更加方便。
进一步的，将车辙板试件固定在车辙板试件槽中，使用更加标准的车辙板试件，提高效率和准确性，提高试验的标准化，而且方便制作试件并安装。
进一步的，恒温箱的侧面设置有恒温箱门，恒温箱门上开设观察窗，恒温箱门上海设置有控制面板和显示面板，控制面板和总控制单元的i/o接口连接，显示面板连接总控制单元的输出端；在安装完成车辙板试件之后就能关闭恒温箱门，在显示面板上对本试验装置进行操作和控制，试验过程也更加安全，而且通过观察窗能使其内部加载试验过程可视化。
本发明所述评价方法考虑了沥青混合料的不同变形曲线特征所带来的影响，能更加全面的评价各材料的抗车辙性能，本发明所述评价方法与试验设备的多环境模拟相结合，能够多维度评价沥青混合料的车辙性能，增强室内试验对工程性能的表征。
进一步的，通过设置不同载荷组合和不同碾压速度模拟更加真实的路面服役情况，有助于提高研究水平以及得到更贴近真实的数据，更准确的评价沥青混合料高温抗车辙能力，进而有助于为改善青混合料高温抗车辙能力提供参考。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中环形试验台的结构示意图；
图3为本发明中车辙板成型模具的结构示意图；
图4为本发明中抗车辙能力评价方法中等效变形量的计算原理图；
图5为本发明中抗车辙能力评价方法中等效变形速率的计算原理图；
其中，1为恒温箱，2为加载框架，3为加载支座，4为气缸，5为加强杆，6为轮架，7为试验胶轮，8为分气管，9为气管保护罩，10为红外温度传感器，11为激光位移传感器，12为轴承，13为连接臂，14为环形试验台，15为齿轮，16为车辙板试件槽，17为隔板，18为挡板，19为锁紧器，20为电机支座，21为驱动电机，22为皮带，23为驱动齿轮，24为电磁计数器，25为加热器，26为温度控制单元，27为气泵，28为气压控制单元，29为电机转速控制单元，30为电源管理器，31为总控制单元，32为通信总线，33为恒温箱门，34为观察窗，35为控制面板，36为显示面板，37为车辙板成型模具，38为支架，39为刻度尺。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种连续式室内车辙试验装置，包括恒温箱1、加载框架2、加载机构、试验胶轮7、环形试验台14以及总控制单元；加载框架2固定设置在恒温箱1中，环形试验台14与加载框架2连接，加载机构设置在环形试验台14的内圈，加载机构包括加载支座3，加载支座3上设置有多个气缸4，试验胶轮7与气缸4的活动端转动连接，环形试验台14围绕试验胶轮7，环形试验台14内圈设置有弧形车辙板，加载支座3设置在环形试验台14的中心；环形试验台14连接有转动驱动机构，加载框架2上设置有用于监测环形试验台14圈数的电磁计数器24，气缸4上设置有激光位移传感器11，激光位移传感器11和电磁计数器24均连接总控制单元31的信号输入端。
气缸4的输入端连接气泵，气泵的控制信号输入端连接气压控制单元的输出端；气压控制单元与总控制单元通过i/o接口连接，加载支座3上设置有四个沿圆周方向均匀分布的气缸4，相邻的气缸4之间设置有加强杆5。
加载伸缩杆4的活动端设置有轮架6，试验胶轮7和轮架6转动连接。
环形试验台14的外圈为齿轮状，并且环形试验台14的外圈设置有与其啮合的驱动齿轮23，驱动齿轮23设置在电机支座20上，驱动电机21的输出端与所述驱动齿轮23的齿轮轴通过皮带22连接，驱动电机21的控制信号输入端连接电机转速控制单元29，电机转速控制单元29与总控制单元31通过i/o接口连接。
恒温箱1中设置有加热器25和温度控制单元，加热器25连接温度控制单元26的输出端，加载支座3的中部设置有红外温度传感器10，红外温度传感器10连接温度控制单元26的输入端，温度控制单元26和总控制单元31通过i/o接口连接
环形试验台14包括若干弧形挡板18、隔板17、弧形挡板18沿着环形试验台14的圆周方向设置，隔板17沿环形试验台内圈均匀设置，隔板17和弧形挡板18形成若干车辙板试件槽16，弧形车辙板设置在车辙板试件槽16中，相邻两块弧形挡板18采用锁紧器19连接并锁紧。
恒温箱1的侧面设置有恒温箱门33，恒温箱门33上开设观察窗34，恒温箱门33上海设置有控制面板35和显示面板36，控制面板35和总控制单元的i/o接口连接，显示面板36连接总控制单元31的输出端。
一种基于本发明所述连续式室内车辙试验装置的沥青料抗车辙能力评价方法，包括以下步骤：
步骤1，将车辙板试件固定在环形试验平台14内侧，设定荷载组合l，通过分别调整加载伸缩杆4加载压力以设定试验胶轮7与车辙板试件的接触压力，设定试验环境温度t，对恒温箱内部加热使恒温箱1内升温，待温度达到设定温度后，驱动机构驱动环形试验平台14开始加载过程；
步骤2，电磁计数器24实时记录环形试验平台14转动次数，设定对试件碾压速度为v，获取累计转动次数n、每一块车辙板试件的绝对变形量dn,i,i＝1…8，加载n次时停止试验；
步骤3，在步骤1中设定的试验环境温度t和步骤2设定的加载速度v下，车辙板试件在步骤1设定载荷l的荷载加载n次后，对于第i个车辙板试件，通过累计作用次数n,n＝0…n与绝对变形量dn,i绘制变形曲线fi,t,v,l(n)；
步骤4，将步骤3所得变形曲线fi,t,v,l(n)的变形过程等效为直线型变形过程，并计算等效变形量；
步骤5，根据步骤4所得等效变形量计算区间内的变形速率。
步骤1中，荷载组成l分为三种：l1为标准荷载组合，l2为重荷载组合，l3为超重荷载组合；试验环境温度t分为三种：t＝45℃为低温试验温度，t＝60℃为标准试验温度，t＝80℃为超高温试验温度。
步骤2中，车辙板试件的碾压速度v分为三种：v＝24次/min为低速加载，v＝42次/min为标准速度加载，v＝420次/min为高速加载；车辙板试件的加载次数n分为三种：n＝2520次为标准加载量，n＝7560次为长期加载量。
可选的，环形试验台14设置在环形支架上，环形支架的中心设置转轴，转轴与中心驱动电机输出轴同轴安装，中心驱动电机直接驱动环形试验台14转动。
实施例1
参考图1，本发明提供的一种连续式室内车辙试验装置，包括恒温箱1、固定在恒温箱上的加载框架2。所述恒温箱1底部安装有加热器25和电机支座20。所述加热器25为恒温箱1加热，其受温度控制单元26控制。所述电机支座20上安装有驱动电机21，驱动电机21通过皮带22带动驱动齿轮23，且驱动电机受电机转速控制单元29控制。所述加载框架2为x型结构，其中心轴末端固定有加载支座3，且中心轴嵌套轴承12，加载框架2上安装有电磁计数器24。所述加载支座3四周固定有气缸4，且红外温度传感器10和激光位移传感器11固定在气缸4之间。所述气缸4通过加强杆5相互连接提高刚度，试验胶轮7通过轮架6固定在气缸4底部，且气泵27通过气压控制单元连接分气管8给各气缸4供气，每个气缸4可以单独调节压力。所述轴承12通过连接臂13连接环形试验台14，齿轮15环向设置在环形试验台14外部。所述齿轮15与驱动齿轮23啮合，使环形试验台14转动。所述电磁计数器24与连接臂13背面磁块进行感应，当环形试验台14与连接臂13发生转动，即可计数。总控制单元31通过通信总线32管理温度控制单元26、气压控制单元28、电机转速控制单元29、电源管理器30，且其可以与外部计算机连接。所述电源管理器30为所有电器供电。
参考图2，所述环形试验台14通过连接臂13与轴承12连接，环形试验台14内部被隔板17分隔为多个车辙板试件槽16。所述车辙板试件槽16可以放置弧形车辙板，并通过拧紧锁紧器19固定挡板18，从而固定住车辙板试件槽16内的车辙板。
参考图3，采用车辙板成型模具37成型弧形车辙板，所述车辙板成型模具下部安装了支架38，内部设置刻度尺39测量试件厚度，通过轮碾成型机参照t0703-2011规程成型弧形车辙板。
参考图4，通过连续式室内车辙试验装置进行试验得到车辙板试件的实测变形点，绘制散点图。通过实测变形点采用s型函数进行拟合，绘制得到变形曲线fi,t,v,l(n)＝a0/(exp(a1·(a2-n))+1)。计算累计加载500次的等效变形量ed500：
参考图5，通过上述计算等效变形量的方式，计算加载第n/2次后的等效变形量edn/2和加载到第n次的等效变形量edn，计算加载n/2次至n次间的等效变形速率edsn/2：
实施例2
采用轮碾成型机，基于车辙板成型模具37成型车辙板，分别将8个车辙板固定在对应车辙板试件槽16中，拧紧锁紧器19。设定两个气缸4的压力，使两个试验胶轮7接触压力为0.7mpa，设定另两个气缸4的压力，使另两个试验胶轮7接触压力为1.1mpa，形成重荷载组合l2。
关闭恒温箱门33，加热器25在温度控制单元26控制下开始加温，待红外温度传感器10检测车辙板试件表面温度t稳定于60℃，启动驱动电机21通过皮带22带动驱动齿轮23，从而带动环形试验台14旋转。电磁计数器24实时反馈转速数据，通过电机转速控制单元29控制驱动电机21的转速，使每个试件的碾压速度v为每分钟42次，即环形试验台14转动10.5圈/min。同时，激光位移传感器11实时记录8个辙板试件槽16内车辙板的变形量。当每个车辙板碾压次数n达到2520次，停止试验。
通过激光位移传感器11记录的变形数据dn,i，绘制各板试件槽16内车辙板试件的变形曲线。通过公式
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