一种沥青自动取样的多功能老化实验装置及其实验方法与流程

本发明属于沥青老化检测技术领域，具体来说，涉及到一种沥青自动取样的多功能老化实验装置及其实验方法。

背景技术：

我国高速公路大多都采用沥青路面，沥青路面具有行车舒适性好、易维修、噪音低以及良好的路用性能等优点。SBS改性沥青由于耐高温抗车辙能力、抗低温开裂能力、弹性和路面抗疲劳性能较好等原因，在我国高等级公路中被大规模应用。但SBS改性沥青路面仍有不可避免的问题——老化。随着路面使用时间的增长，面层沥青老化，路面出现低温开裂、粘结力降低、脆性增加、耐久性变差等问题，严重影响了路面使用性能，缩短了道路使用寿命，并且危及到行车安全。

沥青老化是指沥青在贮存、施工及路面使用过程中由于长时间暴露在空气中，受到光、氧、热等外界因素影响，及其他因素的共同作用下发生的挥发、氢化、氧化、缔合等物理化学作用，导致沥青内部分子结构和化学组分发生变化，进而促使沥青物理化学性质劣化的过程。

由于沥青路面在修筑对其混合料进行热拌摊铺等过程，沥青结合料会发生一定程度的短期老化，但目前已经具备一定的技术手段可以减少甚至避免施工过程的短期老化，然而使用过程中长期老化仍然导致路面灾害不断发生，因此关于沥青路面长期老化需要更多的研究。然而目前关于沥青老化的研究只是基于目前规范所规定的薄膜加热老化实验和旋转薄膜加热老化实验的研究，而这两种研究均只能研究规定操作规程后沥青经过老化后性能的衰减和变化，不能检测沥青老化过程当中沥青成分和内部结构性能的变化。而沥青实时的老化过程对研究沥青抗老化机理有着重要的意义。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供了一种沥青自动取样的多功能老化实验装置及其实验方法，该装置可以实现沥青老化过程中的实时取样。

本发明所述的一种沥青自动取样的多功能老化实验装置，所述实验装置被工作室隔离板9分为上下两层，上层为工作室2，下层为样品存储室4；智能数显控制箱1位于工作室2内部右下侧；样品存储室4是由样品存储室门401和样品存储室保温箱体402构成的立方体空间；样品存储室4左上侧设有出气导管403，用于排出内部空气；样品管架404固定于工作室隔离板9上面；样品管405按照程序设定放置于样品管架404上；自动取样系统3包括自动取样操作臂301和取样器302；自动取样操作臂301呈竖直状态，其下端连接取样器302；自动取样操作臂301位于样品存储室4内部中间，能通过工作室隔离板9中间的取样口10，实现在自动取样盛样皿606上取样；自动取样操作臂301通过与之垂直相交的XYZ操作臂导轨303实现三维方向移动；XYZ操作臂导轨303两端通过导轨固定架310固定在样品存储室保温箱体402两侧壁上；XYZ操作臂导轨303与设于工作室隔离板9上面的XYZ操作臂控制箱304相连接；加热控制系统5包括防护板504和设在工作室2底部的温度控制仪503；温度控制仪503连接加热器501和热传感器502；防护板504截面呈设П形，沿工作室2内的两侧壁上半段及上壁设置；加热器501设在防护板504与样品存工作室2内壁之间，截面也呈П形；加热器501的热量通过防护板504的散热孔扩散到工作室2内部；旋转工作台控制系统6包括位于工作室2内部底侧中间的旋转马达601；旋转马达601带动上方的垂直轴602转动；垂直轴602在中段固定有载样台固定底座603；载样台固定底座603能带动其支撑的旋转工作载样台604转动；垂直轴602在顶端设有取样台固定底座605；取样台固定底座605能带动其支撑的自动取样盛样皿606转动；旋转工作载样台604用于放置有薄膜老化实验盛样皿608；换气风扇701设在工作室2内右下侧，其右侧的通风管通出工作室2外并设有空气过滤器701；换气风扇701左侧的通风管在水平段上依次设有空气预热器706和温度检测器705，该通风管在拐角向上后的竖直段上设有空气流量计703；通风管在末端连接竖直的刚性管，该刚性管在高出自动取样盛样皿606和薄膜老化实验盛样皿608一段距离位置分别设有横向的空气喷头702；空气预热器706和温度检测器705分别连接空气预热器温度控制仪707和空气流量控制器708；紫外灯管801通过紫外灯灯座803固定在工作室隔离板9下方；智能数显控制箱1连接并控制XYZ操作臂控制箱304、温度控制仪503、转速控制器607、空气预热器温度控制仪707、空气流量控制器708和紫外灯光强度控制器802。

本发明所述的一种沥青自动取样的多功能老化实验装置，所述工作室2由绝热板201隔开，分为上层和下层；上层左侧设有工作室门202；下层的工作室箱体203上有横向散热口204。

本发明所述的一种沥青自动取样的多功能老化实验装置，所述工作室2的上层放置有加热器501、热传感器502、旋转工作载样台603、薄膜老化实验盛样皿605、自动取样盛样皿606、空气喷头702、紫外灯管801和紫外灯灯座803；工作室2的下层放置有智能数显控制箱1、温度控制仪503、旋转马达601、转速控制器602换气风扇701、空气流量计703、温度检测器705、空气预热器706、空气预热器温度控制仪707、空气流量控制器708、紫外灯光强控制器802。

本发明所述的一种沥青自动取样的多功能老化实验装置，所述自动操作臂301可以实现XYZ三维方向的移动，移动精度高于1mm；X轴305方向移动距离范围为0～700mm，Y轴306方向移动距离范围为0～700mm，Z轴307方向移动距离范围为0～500mm。

本发明所述的一种沥青自动取样的多功能老化实验装置，所述Z轴307底部安装有能固定取样器的外管的夹具308，取样器活塞309以旋转螺纹进行推进和抽取，推进进度高于0.5mm。

本发明所述的一种沥青自动取样的多功能老化实验装置，所述加热器501工作温度范围为30～200℃，升温速率范围为1～10℃/min，控温精度高于0.5℃。

本发明所述的一种沥青自动取样的多功能老化实验装置，所述旋转工作载样台604的旋转速度为1～10r/min；薄膜老化实验盛样皿608内径为140mm，外径为141mm，内部深度为10mm；自动取样盛样皿606内径为140mm，外径为141mm，内部深度为10mm；旋转工作载样台603直径为500～700mm，厚度为10mm。

本发明所述的一种沥青自动取样的多功能老化实验装置，所述空气控制系统7的控温范围为30～200℃，升温速率范围为1～10℃/min，控温精度高于0.5℃。

本发明所述的一种沥青自动取样的多功能老化实验装置，所述紫外灯灯座803采用耐高温陶瓷灯座；所述紫外灯管801采用高纯度石英玻璃材质，功率可在0～1000w之间可调，额定工作电压220V，灯管长度为600mm，灯管直径为20～30mm。

根据本发明所述的沥青自动取样的多功能老化实验装置的实验方法，所述实验方法具体步骤为：

1)将薄膜老化实验盛样皿605和自动取样盛样皿606洗净烘干后，称量薄膜老化实验盛样皿605质量，分别为m₀₁、m₀₂、m₀₃、m₀₄，精确至1mg；

2)按照JTG-E20-2011准备实验样品，分别加入到4个已经称量质量的薄膜老化实验盛样皿605，并称量50g左右的样品放置于自动取样盛样皿606中，然后将盛样皿放到相应位置，关好工作室门202；

3)在智能控制箱1中设定相关参数，包括紫外光强度、程序升温程序、旋转速度、取样时间间隔、空气温度、空气预热温度、空气流量、程序升温至指定温度；

4)在智能控制箱1操作界面上设置好样品管405编号，在样品存储室上放置好样品管405并按照设定的编号次序依次编号排列；

5)开始运行程序，等到实验结束后，称量薄膜老化实验盛样皿605和样品总质量，并收集老化样品和自动取样样品，通过薄膜老化实验盛样皿605的质量变化算出试样薄膜加热质量变化L_T，并利用三大指标测试出老化后样品的其他性能变化；

6)自动取样的样品可用于红外、DSC等微观分析手段，分析老化过程当中，不同时间段的样品成分和化学性质的变化。

与现有技术相比，本发明所述的沥青自动取样的多功能老化实验装置可以实现沥青紫外老化和薄膜烘箱老化过程中不同时段的取样，为沥青老化机理研究提供不同时间段的实验样品，完全可以采用现有的试验方法即可对该装置进行实验；实验操作过程简易，设置好相关参数该装置即可进行自动操作，有效的节约了人力，提高了实验效率。

附图说明

图1为实验装置外观图；图2为实验装置左视图；图3为实验装置正视图；图4为旋转工作台控制系统正视图；图5为旋转工作台控制系统顶视图；图6为自动取样系统顶视图；图7为自动取样系统正视图；图8为自动取样器组合图；图9为夹具正视图；图10为取样器活塞图；图11为取样器外管正视图；图12为取样器外管左视图；图13为空气控制系统正视图。

1-智能数显控制箱、2-工作室、3-自动取样系统、4-样品存储室、5-加热控制系统、6-旋转工作台控制系统、7-空气控制系统、8-紫外灯控制系统、9-隔离板、10-取样口、201-绝热板、202-工作室门、203-工作室箱体、204-横向散热口、301-自动取样操作臂、302-取样器、303-XYZ操作臂导轨、304-XYZ操作臂控制箱、305-X轴、306-Y轴、307-Z轴、308-夹具、309-取样器活塞、310-导轨固定架、401-样品存储室门、402-样品存储室保温箱体、403-出气导管、404-样品管架、405-样品管、501-加热器、502-热传感器、503-温度控制仪、504-防护板、601-旋转马达、602-垂直轴、603-载样台固定底座、604-旋转工作载样台、605-取样台固定底座、606-自动取样盛样皿、607-转速控制器、608-薄膜老化实验盛样皿、701-换气风扇、702-空气喷头、703-空气流量计、704-空气过滤器、705-温度检测器、706-空气预热器、707-空气预热器温度控制仪、708-空气流量控制器、801-紫外灯管、802-紫外灯光强度控制器、803-紫外灯灯座。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明所述沥青自动取样的多功能老化实验装置及实验方法做进一步说明，但是本发明的保护范围并不限于此。

实施例1

一种沥青自动取样的多功能老化实验装置，被工作室隔离板9分为上下两层，上层为工作室2，下层为样品存储室4；智能数显控制箱1位于工作室2内部右下侧；样品存储室4是由样品存储室门401和样品存储室保温箱体402构成的立方体空间；样品存储室4左上侧设有出气导管403，用于排出内部空气；样品管架404固定于工作室隔离板9上面；样品管405按照程序设定放置于样品管架404上；自动取样系统3包括自动取样操作臂301和取样器302；自动取样操作臂301呈竖直状态，其下端连接取样器302；自动取样操作臂301位于样品存储室4内部中间，能通过工作室隔离板9中间的取样口10，实现在自动取样盛样皿606上取样；自动取样操作臂301通过与之垂直相交的XYZ操作臂导轨303实现三维方向移动；XYZ操作臂导轨303两端通过导轨固定架310固定在样品存储室保温箱体402两侧壁上；XYZ操作臂导轨303与设于工作室隔离板9上面的XYZ操作臂控制箱304相连接；加热控制系统5包括防护板504和设在工作室2底部的温度控制仪503；温度控制仪503连接加热器501和热传感器502；防护板504截面呈设П形，沿工作室2内的两侧壁上半段及上壁设置；加热器501设在防护板504与样品存工作室2内壁之间，截面也呈П形；加热器501的热量通过防护板504的散热孔扩散到工作室2内部；旋转工作台控制系统6包括位于工作室2内部底侧中间的旋转马达601；旋转马达601带动上方的垂直轴602转动；垂直轴602在中段固定有载样台固定底座603；载样台固定底座603能带动其支撑的旋转工作载样台604转动；垂直轴602在顶端设有取样台固定底座605；取样台固定底座605能带动其支撑的自动取样盛样皿606转动；旋转工作载样台604用于放置有薄膜老化实验盛样皿608；换气风扇701设在工作室2内右下侧，其右侧的通风管通出工作室2外并设有空气过滤器701；换气风扇701左侧的通风管在水平段上依次设有空气预热器706和温度检测器705，该通风管在拐角向上后的竖直段上设有空气流量计703；通风管在末端连接竖直的刚性管，该刚性管在高出自动取样盛样皿606和薄膜老化实验盛样皿608一段距离位置分别设有横向的空气喷头702；空气预热器706和温度检测器705分别连接空气预热器温度控制仪707和空气流量控制器708；紫外灯管801通过紫外灯灯座803固定在工作室隔离板9下方；智能数显控制箱1连接并控制XYZ操作臂控制箱304、温度控制仪503、转速控制器607、空气预热器温度控制仪707、空气流量控制器708和紫外灯光强度控制器802。

所述工作室2由绝热板201隔开，分为上层和下层；上层左侧设有工作室门202；下层的工作室箱体203上有横向散热口204。所述工作室2的上层放置有加热器501、热传感器502、旋转工作载样台603、薄膜老化实验盛样皿605、自动取样盛样皿606、空气喷头702、紫外灯管801和紫外灯灯座803；工作室2的下层放置有智能数显控制箱1、温度控制仪503、旋转马达601、转速控制器602换气风扇701、空气流量计703、温度检测器705、空气预热器706、空气预热器温度控制仪707、空气流量控制器708、紫外灯光强控制器802。所述自动操作臂301可以实现XYZ三维方向的移动，移动精度高于1mm；X轴305方向移动距离范围为0～700mm，Y轴306方向移动距离范围为0～700mm，Z轴307方向移动距离范围为0～500mm。所述Z轴307底部安装有能固定取样器的外管的夹具308，取样器活塞309以旋转螺纹进行推进和抽取，推进进度高于0.5mm。所述加热器501工作温度范围为30～200℃，升温速率范围为1～10℃/min，控温精度高于0.5℃。所述旋转工作载样台604的旋转速度为1～10r/min；薄膜老化实验盛样皿608内径为140mm，外径为141mm，内部深度为10mm；自动取样盛样皿606内径为140mm，外径为141mm，内部深度为10mm；旋转工作载样台603直径为500～700mm，厚度为10mm。所述空气控制系统7的控温范围为30～200℃，升温速率范围为1～10℃/min，控温精度高于0.5℃。所述紫外灯灯座803采用耐高温陶瓷灯座；所述紫外灯管801采用高纯度石英玻璃材质，功率可在0～1000w之间可调，额定工作电压220V，灯管长度为600mm，灯管直径为20～30mm。

自动取样系统3包括自动取样操作臂301、取样器302、XYZ操作臂导轨303、XYZ操作臂控制箱304、X轴305、Y轴306、Z轴307、夹具308、取样器活塞309和导轨固定架310；加热控制系统5包括加热器501、热传感器502、温度控制仪503、防护板504；旋转工作台控制系统6包括旋转马达601、垂直轴602、载样台固定底座603、旋转工作载样台604、取样台固定底座605、自动取样盛样皿606、转速控制器607和薄膜老化实验盛样皿608；空气控制系统7包括-换气风扇701、空气喷头702、空气流量计703、空气过滤器704、温度检测器705、空气预热器706、空气预热器温度控制仪707和空气流量控制器708；紫外灯控制系统8包括紫外灯管801、紫外灯光强度控制器802和紫外灯灯座803。智能数显控制箱1位于工作室2内部下侧，旋转工作台控制系统6位于工作室2内部中间，空气控制系统7位于工作室2内部右侧，紫外灯控制系统8位于工作室2内部上侧，样品存储室4位于工作室隔离板9上方，自动取样系统3位于样品存储室4内部中间，工作室隔离板9中间由可供自动取样系统3通过的取样口10；所述的智能数显控制箱1可以对加热控制系统5、旋转工作台控制系统6、自动取样控制系统3、空气控制系统7、紫外灯控制系统8进行实验参数设定；所述的自动取样系统3利用自动取样操作臂301和取样器302通过取样口10在自动取样盛样皿606上取样，自动取样操作臂301通过XYZ操作臂导轨303实现三维方向移动，智能数显控制箱1通过XYZ操作臂控制箱304控制XYZ操作臂导轨303的移动和操作，XYZ操作臂导轨303通过导轨固定架310固定在样品存储室保温箱体402上；所述的样品存储室4由样品存储室门401和样品存储室保温箱体402组成一个立方体结构，由出气导管403排出内部空气，样品管架404固定于工作室隔离板上面，样品管405按照程序设定放置于样品管架404上；所述的加热控制系统5通过热传感器502检测工作室2内的实时温度，加热器501的热量通过防护板504的散热孔扩散到工作室2内，智能数显控制箱1通过温度控制仪503控制加热器501的加热速度；所述的旋转工作台控制系统6由旋转马达601带动垂直轴602转动，垂直轴602通过载样台固定底座603带动旋转工作载样台604转动，垂直轴602通过取样台固定底座605带动自动取样盛样皿606转动，智能数显控制箱1通过转速控制器607控制旋转工作载样台604的旋转速度，薄膜老化实验盛样皿608放置于旋转工作载样台604上随其一起转动；所述的空气控制系统7通过换气风扇701抽送外界空气，并利用空气过滤器701对空气进行过滤，通过空气预热器706对空气进行加热，最后经空气喷头702将输出，智能数显控制箱1通过空气流量计703、温度检测器705、空气预热器温度控制仪707和空气流量控制器708对空气的温度和流速进行控制；所述的紫外灯控制系统8由紫外灯灯座803将紫外灯管801固定在工作室隔离板9下方，智能数显控制箱1通过紫外灯光强度控制器802控制紫外灯光强。

根据本发明所述的沥青自动取样的多功能老化实验装置的实验方法，所述实验方法具体步骤为：

1)将薄膜老化实验盛样皿605和自动取样盛样皿606洗净烘干后，称量薄膜老化实验盛样皿605质量，分别为m₀₁、m₀₂、m₀₃、m₀₄，精确至1mg；

2)按照JTG-E20-2011准备实验样品，分别加入到4个已经称量质量的薄膜老化实验盛样皿605，并称量50g左右的样品放置于自动取样盛样皿606中，然后将盛样皿放到相应位置，关好工作室门202；

3)在智能控制箱1中设定相关参数，包括紫外光强度、程序升温程序、旋转速度、取样时间间隔、空气温度、空气预热温度、空气流量、程序升温至指定温度；

4)在智能控制箱1操作界面上设置好样品管405编号，在样品存储室上放置好样品管405并按照设定的编号次序依次编号排列；

5)开始运行程序，等到实验结束后，称量薄膜老化实验盛样皿605和样品总质量，并收集老化样品和自动取样样品，通过薄膜老化实验盛样皿605的质量变化算出试样薄膜加热质量变化L_T，并利用三大指标测试出老化后样品的其他性能变化；

6)自动取样的样品可用于红外、DSC等微观分析手段，分析老化过程当中，不同时间段的样品成分和化学性质的变化。