一种大空隙沥青混合料排水性能衰减行为室内加速模拟装置及方法与流程
本发明属于道路工程试验设备技术领域，具体涉及一种大空隙沥青混合料排水性能衰减室内加速模拟装置及方法。
背景技术
随着道路建设的不断发展，人们对沥青路面的要求不仅仅局限于抗车辙性、抗裂性、水稳定性等路面基础的使用性能，对路面安全、降噪等功能提出了更高的要求。大空隙沥青混合料为此类要求的解决提供了有效实现途径。
使用大空隙沥青混合料做表面层形成排水路面，可以实现降雨时雨水能及时沿表层内部空隙侧向排出，有效减少路表水膜的形成，降低车辆滑移可能性，并减少了轮胎侧后方水雾，为后方驾驶员提供了更好的能见度，明显提高行车安全性。同时大空隙结构能够显著降低噪音。研究表明，排水沥青路面一般比普通沥青路面减少雨天事故率76％，降低噪音3-8分贝。透水沥青路面与排水路面不同，面层和基层都采用大空隙混合料，雨水可从路表沿大空隙结构竖向渗入土基，不仅有效的起到安全降噪效果，还可以补充地下水，减缓城市内涝程度及热岛效应，有效降低路表温度。
然而随着使用时间增长，空气中的颗粒物、轮胎磨耗物等固体材料以及雨水中其他浑浊物在重力或者雨水作用下聚集在沥青混合料中的空隙中。虽然降雨能冲走部分，但仍有部分将在粘附、嵌挤等作用下留存在空隙中，造成沥青混合料实际空隙率的逐渐下降，从而造成混合料排水性能衰减。这给大空隙沥青混合料使用场合及养护规划等带来了新的难题，也是制约大空隙沥青路面推广的主要因素之一。
在大空隙沥青混合料设计阶段充分了解空隙衰减规律成为道路设计者需要考虑的问题。如何进行大空隙沥青混合料排水性能衰减的室内加速模拟是关键。目前我国相关规范中并没有大空隙沥青混合料排水性能衰减行为加速模拟的评价标准，国内鲜有对大空隙沥青路面抗堵塞能力方面的研究。现有相关成果中无法较为真实地模拟实际路面情况，如路面坡度、排水方式、环境温度、降雨强度、颗粒堵塞等效果，且设备一般只适用单一类型的试件。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种大空隙沥青混合料排水性能衰减行为室内加速模拟装置和方法，可以模拟不同降雨强度、降雨污染物组成、路面坡度、环境温度以及路面排水方式条件下大空隙沥青混合料排水性能的衰减行为。从而可以从延长路面排水性能角度出发，为大空隙沥青混合料配合比设计提供参考，为大空隙沥青混合料的使用场合及养护规划提出指导，有效提高大空隙沥青混合料的使用效果。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
本发明所述的一种大空隙沥青混合料排水性能衰减行为室内加速模拟装置包括雨水制备系统、降雨模拟系统、试验台、温控箱。
所述雨水制备系统包括雨水桶(1)、雨水搅拌器、水温显示控制器(6)、一定污染物组成的雨水溶液。其中雨水搅拌器包括螺旋叶(4)、联轴器(3)、电机(2)，中间螺旋叶可进行自转搅拌，左右四个螺旋叶可进行公转搅拌，整个搅拌器能够覆盖整个雨水桶(1)内，确保污染物颗粒物和悬浮物等均匀分散，保证雨水溶液的均匀性；水温显示控制器(6)包括设于雨水桶(1)下部内侧壁的水浴加热管和设于外侧壁的温度控制器组成，其温度范围为20℃-60℃。
所述降雨模拟系统包括变频水泵(5)、流量计(9)、喷头(11)、水管(8)。其中变频水泵(5)位于雨水桶(1)中，由设于水管(8)外侧壁的电机控制器(7)控制电机频率从而改变流量，配合流量计(9)实时监控流量大小，可模拟不同强度的降雨；喷头(11)位于温控箱(22)中，其中出水板为曲面，避免雨水从出水板流出中间区域多周围少的现象，保证降雨的均匀性。
所述试验台包括支撑架(18)、试件支撑面(17)、试件夹具(13)、量角器(19)、螺丝(15)、可调螺母(20)。其中试件支撑面(17)中间部位由450*450mm的钢丝网及可抽取的橡皮垫构成，适合马歇尔试件、sgc试件和车辙板试件等各类型试件，若模拟排水路面形式，需在试件支撑面(17)上放置橡皮垫，保证雨水只从试件内部侧向排出，若模拟透水路面形式，则将橡皮垫抽出，雨水可从试件内部竖向及侧向综合排出；试件支撑面(17)位于支撑架(18)上面，使用螺丝(15)连接，调节1-4个可调螺母(20)的高度可改变试件支撑面(16)的倾斜角度，即达到模拟路面复合坡度的目的；试件夹具(13)安装于试件支撑面(17)的两个对边横杆上部，其由前端橡胶块、螺丝和手把组成，当试件放置于试件支撑面(17)后，通过手把旋进螺丝，直至前端橡胶块接触并固定试件，保证在试验过程中试件固定；量角度(19)共有两个，位于试件支撑面(17)两个邻边横杆的边缘，分别可以读取试件横向和纵向坡度，当两量角器装置的指针均指向0°时表示试件水平。
所述温控箱(22)，其内部温度由气温显示控制器(10)控制，其中气温显示控制器(10)包括设于温控箱(22)箱体上部外侧壁的ptc空气加热器和温度控制器，其温度范围为20℃-60℃。气温显示控制器(10)与水温显示控制器(6)配合使用，其空气浴和水浴共同控制试件的温度，有效解决了以往设备中采用单一空气浴传导热量控温方式的温度滞后问题，可模拟不同环境温度对沥青与颗粒物粘附程度的影响；温控箱(22)的正面装有平拉门(16)，试验过程中关闭平拉门(16)，减少温控箱内温度散失。
一种基于上述试验设备的大空隙沥青混合料试件排水性能衰减行为室内加速模拟的方法，包括以下步骤：
a)按照试验规程成型混合料试件(14)，根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(jtge20)测定沥青混合料试件渗水系数，记为c1。
b)打开平拉门(16)，调节可调螺母(20)使得两个量角度(19)指针均指向0°，保证试件支撑面(17)初始水平。
c)若模拟排水路面形式，需在试件支撑面(17)上设置橡皮垫，使雨水只从试件内部侧向排出；若模拟透水路面形式，则将橡皮垫抽出，雨水可从试件内竖向及侧向综合排出。
d)将试件(14)放于试件支撑面(17)上，并调节试件夹具(13)进行固定；若模拟具有纵横坡度的路面，调节1-4个可调螺母(20)一定高度至两个量角器(19)的指针指向要求角度，并关闭平拉门(16)。
e)确定模拟雨水的颗粒物、浑浊物及其他材料组成，按比例配制后从加水孔(23)放入雨水桶中，配置成一定污染物组成的溶液于雨水桶(1)中，保证雨水足够且试验中水面高度不得低于螺旋叶(4)高度，并打开雨水搅拌器开关，螺旋叶(4)运转以保持雨水的均匀性；打开水温显示控制器(6)、气温显示控制器(10)，调节水温和气温至试验要求温度。
f)打开变频水泵(5)开关，并调节至试验要求流量，配合流量计(9)实时监测，并开始计时。试验过程中注意观察雨水桶(1)中雨水剩余量，及时配置规格浓度的雨水并从加水孔(23)补足雨水量。
g)待达到试验要求时间后，取出试件(14)，根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(jtge20)测定沥青混合料试件的渗水系数，记为c2，并按照下式计算试件排水性能衰减系数：
式中，c1——试验前试件渗水系数；c2——试验后试件渗水系数；t——试件排水性能衰减系数。
本发明带来的有益效果是：
本发明所述试验设备可以模拟大空隙沥青混合料的空隙结构堵塞而导致路面排水性能的衰减现象。本设备中气温显示控制器与水温显示控制器配合使用，其空气浴和水浴共同控制试件的温度，有效解决了以往设备中采用单一空气浴传导热量控温方式的温度滞后问题，可模拟不同环境温度对沥青与颗粒物粘附程度的影响；污水搅拌器可保持储水箱内部污水溶液的均匀性；试验平台可适用马歇尔试件、sgc试件和车辙板试件等各类型试件，可模拟不同路面坡度，同时可模拟透水路面和排水路面两种不同的大空隙路面排水形式；降雨模拟系统可以模拟不同强度的降雨。本设备弥补了现有大空隙沥青混合料排水性能衰减行为室内加速模拟设备的无法模拟温度、无法保证污水溶液均匀性、适用试件类型单一、没有考虑路面透水和排水的区别且无法控制降雨强度和均匀性等缺陷，从而可以从延长路面使用寿命为角度出发，为大空隙沥青混合料的设计阶段提供参考，对大空隙沥青混合料的使用场合及养护规划提出指导意见，有效提高大空隙沥青混合料在国内的推广。
附图说明
图1是本发明试验设备结构示意图。
图2是本发明试验设备中雨水桶俯视结构示意图。
图3是本发明试验设备中试验台主视结构示意图。
图4是本发明试验设备中试验台左视结构示意图。
图5是本发明试验设备中试验台俯视结构示意图。
图6是本发明试验设备中试验台选用马歇尔试件时的俯视结构示意图。
图7是本发明试验设备中量角度装置主视结构示意图。
图8是本发明试验设备中量角度装置左视结构示意图。
图9是本发明试验设备中喷头主视结构示意图。
图10是本发明试验设备中喷头俯视结构示意图。
图中：1.雨水桶，2.电机，3.联轴器，4.螺旋叶，5.变频水泵，6.水温显示控制器，7.电机控制器，8.水管，9.流量计，10.气温显示控制器，11.喷头，12.平拉门把手，13.试件夹具，14.试件，15.螺丝，16.平拉门，17.试件支撑面，18.支撑架，19.量角器，20.可调螺母，21.橡胶圈，22.温控箱，23.加水孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施例进一步详细描述。
如图1所示的一种大空隙沥青混合料排水性能衰减行为室内加速模拟装置包括：雨水制备系统、降雨模拟系统、试验台、温控箱。
所述雨水制备系统包括雨水桶(1)、雨水搅拌器、水温显示控制器(6)、一定污染物组成的雨水溶液。其中雨水搅拌器包括螺旋叶(4)、联轴器(3)、电机(2)，中间螺旋叶可进行自转搅拌，左右四个螺旋叶可进行公转搅拌，整个搅拌器能够覆盖整个雨水桶(1)内，确保污染物颗粒物和悬浮物等均匀分散，保证雨水溶液的均匀性；水温显示控制器(6)包括设于雨水桶(1)下部内侧壁的水浴加热管和设于外侧壁的温度控制器组成，其温度范围为20℃-60℃。
所述降雨模拟系统包括变频水泵(5)、流量计(9)、喷头(11)、水管(8)。其中变频水泵(5)位于雨水桶(1)中，由设于水管(8)外侧壁的电机控制器(7)控制电机频率从而改变流量，配合流量计(9)实时监控流量大小，可模拟不同强度的降雨；喷头(11)位于温控箱(22)中，其中出水板为曲面，避免雨水从出水板流出中间区域多周围少的现象，保证降雨的均匀性。
所述试验台包括支撑架(18)、试件支撑面(17)、试件夹具(13)、量角器(19)、螺丝(15)、可调螺母(20)。其中试件支撑面(17)中间部位由450*450mm的钢丝网及可抽取的橡皮垫构成，适合马歇尔试件、sgc试件和车辙板试件等各类型试件，若模拟排水路面形式，需在试件支撑面(17)上放置橡皮垫，保证雨水只从试件内部侧向排出，若模拟透水路面形式，则将橡皮垫抽出，雨水可从试件内部竖向及侧向综合排出；试件支撑面(17)位于支撑架(18)上面，使用螺丝(15)连接，调节1-4个可调螺母(20)的高度可改变试件支撑面(16)的倾斜角度，即达到模拟路面复合坡度的目的；试件夹具(13)安装于试件支撑面(17)的两个对边横杆上部，其由前端橡胶块、螺丝和手把组成，当试件放置于试件支撑面(17)后，通过手把旋进螺丝，直至前端橡胶块接触并固定试件，保证在试验过程中试件固定；量角度(19)共有两个，位于试件支撑面(17)两个邻边横杆的边缘，分别可以读取试件横向和纵向坡度，当两量角器装置的指针均指向0°时表示试件水平。
所述温控箱(22)，其内部温度由气温显示控制器(10)控制，其中气温显示控制器(10)包括设于温控箱(22)箱体上部外侧壁的ptc空气加热器和温度控制器，其温度范围为20℃-60℃。气温显示控制器(10)与水温显示控制器(6)配合使用，其空气浴和水浴共同控制试件的温度，有效解决了以往设备中采用单一空气浴传导热量控温方式的温度滞后问题，可模拟不同环境温度对沥青与颗粒物粘附程度的影响；温控箱(22)的正面装有平拉门(16)，试验过程中关闭平拉门(16)，减少温控箱内温度散失。
一种基于上述试验设备的大空隙沥青混合料试件排水性能衰减行为室内加速模拟的方法，包括以下步骤：
a)按照试验规程成型混合料试件(14)，根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(jtge20)测定沥青混合料试件渗水系数，记为c1。
b)打开平拉门(16)，调节可调螺母(20)使得两个量角度(19)指针均指向0°，保证试件支撑面(17)初始水平。
c)若模拟排水路面形式，需在试件支撑面(17)上设置橡皮垫，使雨水只从试件内部侧向排出；若模拟透水路面形式，则将橡皮垫抽出，雨水可从试件内竖向及侧向综合排出。
d)将试件(14)放于试件支撑面(17)上，并调节试件夹具(13)进行固定；若模拟具有纵横坡度的路面，调节1-4个可调螺母(20)一定高度至两个量角器(19)的指针指向要求角度，并关闭平拉门(16)。
e)确定模拟雨水的颗粒物、浑浊物及其他材料组成，按比例配制后从加水孔(23)放入雨水桶中，配置成一定污染物组成的溶液于雨水桶(1)中，保证雨水足够且试验中水面高度不得低于螺旋叶(4)高度，并打开雨水搅拌器开关，螺旋叶(4)运转以保持雨水的均匀性；打开水温显示控制器(6)、气温显示控制器(10)，调节水温和气温至试验要求温度。
f)打开变频水泵(5)开关，并调节至试验要求流量，配合流量计(9)实时监测，并开始计时。试验过程中注意观察雨水桶(1)中雨水剩余量，及时配置规格浓度的雨水并从加水孔(23)补足雨水量。
g)待达到试验要求时间后，取出试件(14)，根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(jtge20)测定沥青混合料试件的渗水系数，记为c2，并按照下式计算试件排水性能衰减系数：
式中，c1——试验前试件渗水系数；c2——试验后试件渗水系数；t——试件排水性能衰减系数。
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