同时测试大空隙沥青混合料八向渗水系数的装置及方法与流程

本发明涉及同时测试大空隙沥青混合料八向渗水系数的装置及方法，属于沥青混合料渗透性能的测试与评价
技术领域：
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背景技术：
：大空隙沥青混合料以其优良的抗滑、降噪、雨天排水、防眩光等功能，在沥青路面中得到了较大范围内的应用。这些功能的存在主要依赖于大空隙沥青混合料内部丰富的连通空隙。在大空隙沥青混合料设计过程中，通常采用两种方法保障混合料内部丰富的连通空隙。第一种方法是对沥青混合料的总空隙率或者连通空隙率提出要求；另一种方法考虑到大空隙沥青混合料内的连通空隙是渗水和排水通道，连通空隙越丰富，渗水和排水的效率越高，因此测试大空隙沥青混合料的渗水系数，以渗水系数的大小反映混合料内部连通空隙的程度。由于渗水系数直接反映了与连通空隙紧密相关的沥青混合料渗水性能，相比于总空隙率，测试渗水系数显得更有效和直观。因此，为了保证大空隙沥青混合料铺筑于路面后具有良好的抗滑、排水、降噪等功能，在大空隙沥青混合料设计过程中测试其渗水性能十分关键。目前，对沥青混合料渗水系数的室内和野外现场测试通常假定其各个方向的渗水系数是相同的。但是，沥青混合料作为一种非均质、各向异性的材料，其内部的空隙结构具有方向差异性，这种差异性会导致渗水性能具有方向的差异性。2004年，Al-Omari和Masad使用有限差分法来模拟水在沥青混合料空隙结构内的流动，并且计算了8种沥青混合料径向、横向和竖向的渗水系数，发现径向和横向的渗水系数差异不大，但竖向渗水系数远小于径向和横向的渗水系数。2005年，Hunter和Airey进行的宏观尺度模拟研究也发现路面沥青混合料内部的水流主要是沿平行于路表的水平方向，而竖向很少有渗水。2007年Kutay等人采用X-rayCT建立了密级配沥青混合料内部的三维空隙结构，并数值模拟了水在三维空隙结构中的流动，发现试件水平向的渗水系数比竖向渗水系数最大能高出2个数量级。考虑到密级配沥青混合料在渗水性能上的方向差异性，以及渗水性能对于大空隙沥青混合料的重要性，一些学者研究了大空隙沥青混合料渗水性能的方向性。2007年，Masad等人在X-rayCT扫描所得图像的基础上，保留连通空隙作为排水通道，并分析了连通空隙方向性与渗水系数的方向性，认为相比于竖直方向，空隙在水平方向上提供了更多的排水通道，在数值模拟的多组沥青混合料中，密级配混合料水平向与竖向渗水系数的比值范围为8.35-11.40，大空隙沥青混合料水平向与竖向渗水系数的比值范围是1.65～4.02。2012年，Gruber等采用X-rayCT获得了大空隙沥青混合料内部空隙的三维网状结构，并数值模拟了水在三维空隙结构内的流动，发现了大空隙沥青混合料三个方向的渗水系数差异达到了50％左右，这一结果与Masad等人的结果差异较大。总结已有的研究可以发现：(1)相比于密级配沥青混合料，针对大空隙沥青混合料渗水方向差异的研究并不多，且不同研究者得到的渗水系数方向差异程度也不相同。(2)大空隙混合料渗水系数方向差异性的已有研究采用的仅仅是数值模拟方法，采用室内试验的方法直接测试同一大空隙沥青混合料试件在不同方向的渗水系数还未见报道。为此，十分有必要发明一种测试大空隙沥青混合料多个方向渗水系数的装置及方法。技术实现要素：为了解决上述存在的问题，本发明公开了一种同时测试大空隙沥青混合料八个方向渗水系数的装置及方法，解决目前大空隙沥青混合料多方向渗水系数依赖于数值模拟，而在实验室内无法同时测试的问题，其具体技术方案如下：同时测试大空隙沥青混合料八向渗水系数的装置，包括水箱、三级支架系统、渗水系统和排水收集系统。所述三级支架系统包括上级平台、中级平台、下级平台和支架，所述支架将上级平台、中级平台和下级平台水平支撑固定，所述上级平台、中级平台和下级平台之间预留间距；所述水箱置于上级平台上，所述水箱底部开设有出水孔，所述水箱的侧壁开设有与水箱贯通的溢流水管，通过溢流水管保证水箱内的水处于恒定水头高度；所述渗水系统放置在中级支架平台上，所述渗水系统包括顶盖和渗水筒，所述顶盖盖紧固定在渗水筒上，所述渗水筒内放置有沥青混合料试件，所述顶盖开设有接水孔，所述接水孔与水箱的出水孔通过出水管接通，所述渗水筒内侧壁粘贴8块等间距的硅胶垫，渗水筒内侧的底部粘贴相邻夹角为45°的8块硅胶垫，在渗水筒底部留有8个通孔，每个通孔位于相邻两硅胶垫之间；所述排水收集系统设置在下级支架平台表面，所述排水收集系统包括8个量筒，8个所述量筒通过对应的软管与渗水筒的8个通孔接通。所述中级平台上设置有两个水平气泡仪，两个水平气泡仪相互垂直。所述中级平台通过固定在下级平台上的三根脚架支撑，所述脚架包括内套管和外套管，所述内套管和外套管通过蝶形螺栓固定，所述蝶形螺栓与外套管螺纹连接，蝶形螺栓的内侧端抵压住内套管，使其固定。所述顶盖与渗透筒螺纹连接，所述渗透筒选用钢质材质的圆柱筒。8根所述软管在软管的中间位置集束在一起，并在集束处设置一个阀门，通过该阀门统一开关8根所述软管。所述接水孔从顶盖的轴心向外开设，所述接水孔的孔径为80mm，顶盖内设有厚度为5mm的橡胶环，渗水筒内壁的竖向硅胶条的宽度是5mm；所述渗水筒的内径为136mm，高度为150mm，厚度是20mm，硅胶垫的宽度是5mm，高度是50mm，渗水筒的筒底的通孔孔径为30mm。同时测试大空隙沥青混合料八向渗水系数的方法，包含以下步骤：。步骤一：制备大空隙沥青混合料竖向和径向试样：旋转压实成型两组大空隙沥青混合料试件，一组试件沿其轴向方向，钻取直径和高度均为100mm的大空隙混合料圆柱体试样，另一组试件沿其径向方向，钻取直径和高度均为100mm的大空隙混合料圆柱体试样；步骤二：选取如权利要求1-6所述的同时测试大空隙沥青混合料八向渗水系数的装置；步骤三：测试大空隙沥青混合料竖向试样：把步骤一中沿其轴向方向钻取得到的一组大空隙沥青混合料试样沿渗透筒竖直方向推入渗水系统的渗水筒内，并旋转顶盖，使其与渗水筒紧密相连，对三级支架系统调节水平，并关闭8根软管的阀门，并向水箱内注水当水箱内水头恒定后，打开8根软管的阀门，60s后关闭阀门，并分别读取8个量筒内水的体积，由计算第i方向上的渗水系数Pi，Vi为第i个量筒内水的体积，得到的是沥青混合料在水平面内8个方向的渗水系数；步骤四：测试大空隙沥青混合料试件径向试样：选取步骤一中沿其径向方向钻取的另一组大空隙沥青混合料试样，按步骤二和步骤三操作后，得出的是沥青混合料在竖向平面内8个方向的渗水系数。本发明的有益效果是：本发明装置装置结构简单，操作便捷。不但能测试混合料水平面内八个方向的渗水系数，还能测试竖向平面内八方向渗水系数，从而能从三维空间上分析渗水性能的方向差异性，以全面评价大空隙混合料的渗水性能。附图说明图1是本发明装置的结构示意图，图2是顶盖的纵向剖视图，图3是渗透筒的剖视图，图4是图3的俯视图，图5是脚架的结构示意图，图6是轴向钻孔取芯的示意图，图7是径向钻孔取芯的示意图，附图标记列表：1—水箱，2—溢流水管，3—上级平台，4—出水管，5—顶盖，6—渗水筒，7—水平气泡仪，8—中级平台，9—下级平台，10—阀门，11—软管，12—量筒，13—三级支架系统，14—橡胶环，15—接水孔，16—硅胶条，17—硅胶垫，18—通孔，19—蝶形螺栓。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。图1是本发明装置的结构示意图，结合附图可见，同时测试大空隙沥青混合料八向渗水系数的装置，包括水箱1、三级支架系统13、渗水系统和排水收集系统。所述三级支架系统13包括上级平台3、中级平台8、下级平台9和支架，所述支架将上级平台3、中级平台8和下级平台9水平支撑固定，所述上级平台3、中级平台8和下级平台9之间预留间距。所述水箱1置于上级平台3上，所述水箱1底部开设有出水孔，所述水箱的侧壁开设有与水箱贯通的溢流水管2，通过溢流水管2保证水箱内的水处于恒定水头高度。所述渗水系统放置在中级支架平台上，所述渗水系统包括顶盖5和渗水筒6，所述顶盖5与渗水筒6螺纹连接，所述渗水筒6内放置有沥青混合料试件，所述顶盖5开设有接水孔15，所述接水孔15与水箱1的出水孔通过出水管4接通。图2是顶盖5的纵向剖视图，结合附图可见，顶盖5内设有厚度为5mm的橡胶环14，以保证旋紧顶盖5后，其底部与钢筒上部紧密接触、不渗水。图3是渗透筒的剖视图，图4是图3的俯视图，结合附图可见，所述渗水筒6内侧壁粘贴8块等间距的硅胶条16，渗水筒6内侧的底部粘贴相邻夹角为45°的8块硅胶垫17，在渗水筒6底部留有8个通孔18，每个通孔18位于相邻两硅胶垫17之间。所述排水收集系统设置在下级支架平台表面，所述排水收集系统包括8个量筒12，8个所述量筒12依次通过对应的软管11与渗水筒6的8个通孔18接通。所述中级平台8上设置有两个水平气泡仪7，两个水平气泡仪7相互垂直。图5是脚架的结构示意图，所述脚架包括内套管和外套管，所述内套管和外套管通过蝶形螺栓19固定，所述蝶形螺栓19与外套管螺纹连接，蝶形螺栓19的内侧端抵压住内套管，使其固定。通过松开脚架中的蝶形螺栓19，伸缩脚架的高度，确保中级平台8处于水平面内。8根所述软管11在软管11的中间位置集束在一起，并在集束处设置一个阀门10，通过该阀门10统一开关8根所述软管11。所述接水孔15从顶盖5的轴心向外开设，所述接水孔15的孔径为80mm；所述渗水筒6的内径为136mm，高度为150mm，渗水筒6内壁的竖向硅胶条16的宽度是5mm，厚度是20mm，硅胶垫17的宽度是5mm，高度是50mm，渗水筒6的筒底的通孔18孔径为30mm。同时测试大空隙沥青混合料八向渗水系数的方法，包含以下步骤：步骤一：制备两组大空隙沥青混合料试样：旋转压实成型两组大空隙沥青混合料试件。一组试件沿其轴向(竖向)方向，钻取直径和高度均为100mm的大空隙混合料圆柱体试样，如图6所示；另一组试件沿其径向方向，钻取直径和高度均为100mm的大空隙混合料圆柱体试样，如图7所示；步骤二：选取如权利要求1-6所述的同时测试大空隙沥青混合料八向渗水系数的装置；步骤三：测试一组大空隙沥青混合料试件：对步骤一中沿其轴向(竖向)方向钻取得到的一组大空隙沥青混合料试样，用高压水冲洗掉其表面空隙内的灰尘和石粉，并且采用石蜡密封试样底面。待石蜡干燥后，沿渗透筒竖直方向推入渗水系统的渗水筒内，并旋转顶盖，使其与渗水筒紧密相连，对三级支架系统调节水平，并关闭8根软管的阀门，并向水箱内注水当水箱内水头恒定后，打开8根软管的阀门，60s后关闭阀门，并分别读取8个量筒内水的体积，由计算第i方向上的渗水系数Pi，Vi为第i个量筒内水的体积，得到的是沥青混合料在水平面内8个方向的渗水系数；步骤四：测试另一组大空隙沥青混合料试件：选取步骤一中沿其径向方向钻取的另一组大空隙沥青混合料试样，按步骤二和步骤三操作后，得出的是沥青混合料在竖向平面内8个方向的渗水系数。实施例：下面通过实施例，详细说明同时测试大空隙沥青混合料8个方向渗水系数的装置及方法。按表1所列出的矿料级配，采用4.7％的沥青用量，旋转压实成型空隙率为19％的大空隙沥青混合料OGFC-13试件4个，试件的高度为120mm、直径为150mm。表1矿料级配筛孔尺寸(mm)1613.29.54.752.361.180.60.30.150.075通过率(％)10091.062.525.516.412.910.27.36.24.9对其中的2个试件，采用钻孔机沿试件的径向钻取圆柱体芯样，芯样直径为100mm，把芯样的两个端部切平，得到高度为100mm的小圆柱体试样。对另外两个沿竖向钻取芯样，切平后得到另一组小圆柱体试样。采用高压水冲洗清除掉钻孔过程中粘附在试样表面空隙内的灰尘和石粉。采用石蜡密封小圆柱体试样的底面，确保底面空隙被封住。对4个小圆柱体试样分别测试8个方向的渗水系数，具体为：把一个试样推入装置的渗透筒内，旋紧顶盖。调节3个脚架，使得中级平台上两个水平气泡仪内的气泡居中。关闭8根软管共同的阀门。对水箱注水，当水位稳定在30cm高度的水头位置处后，打开阀门，使渗水系统内的水通过软管流进量筒，60s后关闭开关，并读取每个量筒内水流的体积。由计算第i方向上的渗水系数Pi，Vi为第i个量筒内水的体积。按此方法得到4个试件的渗水系数如表2所示。表24个沥青混合料8个角度的渗水系数8个角度045°90°135°180°225°270°315°径向试样1#(ml/s)6254415766564352径向试样2#(ml/s)6550395863544349竖向试样1#(ml/s)5561576456606758竖向试样2#(ml/s)5860516466555857从表2可以看出，同一沥青混合料试样不同角度的渗水系数并不相同，且径向钻取试样角度之间渗水系数的差异大于竖向钻取的试样。从大圆柱体试件中径向钻取的试样，渗水系数最大值与最小值的差异甚至达到了50％左右，可见传统的采用单一方向渗水系数评价沥青混合料渗透性能并不合理。从这个意义上来说，本发明同时测试沥青混合料8个方向渗水系数的装置及方法在路面材料性能评价领域具有良好的应用前景。本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。当前第1页1 2 3