沥青路面孔隙水压力模拟测试装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及沥青路面动水压力分析，具体涉及一种沥青路面孔隙水压力模拟测试 装置及方法。
【背景技术】
[0002] 沥青路面动水压力对路面具有较大的破坏作用，然而对不同车轮荷载组合作用 下、不同路面孔隙类型、路面不同深度处孔隙水压在车轮荷载作用过程不同时刻的实际变 化规律的研究较少，即未充分考虑引起动水压力的实际条件，导致研究结论不能相互验证。 不含气的水具有不可压缩的特性，其弹性模量非常大，卸载后水中应力应瞬间消散;而已有 的理论研究将沥青路面孔隙视为水饱和状态却得出卸载后孔隙水压力仍未消散的结论，其 所建立的外部水压力与孔隙水压力之间关系的合理性尚未得到试验检测结果的支持。无论 是路面现场或室内试验的沥青混凝土试件，其孔隙都是水不饱和的，即含气的。以不饱和的 孔隙水为对象，开展沥青路面动水压力的室内模拟与测试，需解决存在的三个主要问题： 其一，沥青路面孔隙水流模拟试验方法设计不当，可能导致模拟试验中孔隙水压力响 应与路面实际情况严重不符。路表水在行车荷载作用下被挤入或挤出路面孔隙，当沥青混 凝土中矿粉等脱落时被孔隙水流带出即形成唧浆，显然孔隙水流是由孔隙内、外部压力差 驱动的。沥青路面的水损坏一般呈散点状，这是由于路面上散布着多孔隙的区域，这些区域 内有连通路面面层各层的孔隙，易受孔隙水压的影响。对沥青路面上平面面积小于轮胎接 地面积的点状多孔隙区域的孔隙水压力模拟试验，试件的侧壁可能存在连通孔隙。专利 US6799471B1利用气压控制水在两容器间来回流动，两容器中驱动水的外部压力均是人为 设置的，这种方式所引起的试件孔隙水流将是与路面孔隙水流截然不同的；且未采取有效 措施使得水穿过沥青混凝土试件来回流动，专利CN 102253187 B同样存在此问题。
[0003] 其二，模拟试验的加载方式与车轮下路表水压相差甚远，可能导致模拟试验中孔 隙水压力响应与路面实际情况严重不符。非饱和状态水中气体的压缩将延缓水的流速，延 缓水压传导，施加动态荷载与静态荷载将引起不同的孔隙水压力响应，为此在模拟试验中 应施加符合路面实际情况的瞬间动态外部压力，专利CN101216401B由于排气卸载时水雾喷 出导致压力容器内水面降低，影响了加载速度;考虑到汽车的轴型、轴载对孔隙水压力的影 响，例如后轴数、联轴数对孔隙水流的影响不同，应施加不同荷载峰值、不同荷载间歇时间、 不同荷载重复次数的复杂荷载，而非仅施加单次或重复作用的半正弦荷载。
[0004]其三，测试孔隙水压力的方式不当，可能导致测得值与真实值偏差较大。要建立外 部水压力与孔隙水压力之间的关系，关键在于孔隙水压力的测试。由于沥青混凝土内部孔 隙结构的复杂性、隐蔽性，为安装传感器在试件内钻孔时既难以确保钻至连通孔隙，又难以 确保不改变孔隙水流。既要在沥青混凝土试件内钻孔安装传感器并确保所钻孔与连通孔隙 相通，又要安装稳固传感器，还要将传感器数据线穿过压力容器引出到数据采集仪，这在实 际操作上是非常困难的。另一方面，由于行驶的汽车速度快，通过路面的时间很短，路面孔 隙水压波动历时非常短暂，如果不采用高频率的压力监测采集系统，则很难准确捕捉到该 波动信息，在室内模试验中施加作用时间很短暂的荷载时同样需要采用高频率的压力采集 系统。
【发明内容】
[0005] 本发明的所要解决的技术问题是针对现有技术对沥青路面点状孔隙上高速移动 荷载作用模拟方法的不足，提供一种能实现孔隙水定向流动、测试动态变化的外部水压力 作用下沥青混凝土孔隙水压力的响应规律的沥青路面孔隙水压力模拟测试装置，并提供上 述装置的测试方法。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案： 一种沥青路面孔隙水压力模拟测试装置，包括沥青混凝土试件、开口容器和压力容器， 所述沥青混凝土试件和所述开口容器位于压力容器内，所述沥青混凝土试件的底部与开口 容器的开口环形部位之间填充有粘结剂，所述沥青混凝土试件的侧壁涂覆有粘结剂，所述 开口容器的侧壁设有用于测量沥青混凝土试件外部水压力的第一压力传感器和设有用于 测量沥青混凝土试件底部水压力的第二压力传感器。
[0007] 作为对上述装置的进一步改进： 所述粘结剂为环氧树脂或酚醛树脂，所述第二压力传感器的探头位于中空并设有外螺 纹的传感器载体杆件内，所述开口容器通过传感器载体杆件与压力容器锁紧连接。
[0008] 沥青路面孔隙水压力模拟测试装置还包括第一连接管道，所述第一连接管道位于 压力容器侧壁的顶部，压力容器的顶盖呈凸台状嵌入压力容器内，压力容器的侧壁和顶盖 之间设有间隙。
[0009] 所述压力容器的顶盖与沥青混凝土试件之间还设有活塞，活塞上设有连通活塞 上、下表面的排气孔。
[0010]沥青路面孔隙水压力模拟测试装置还包括排气用控制阀和第二连接管道，所述第 二连接管道与第一连接管道对称设置于压力容器侧壁，所述排气用控制阀通过第二连接管 道与压力容器连接。
[0011]所述压力容器通过第一连接管道与空压机连接，第一连接管道在沿压力容器至空 压机的方向上依次顺序设有第二进气用控制阀、第一进气用控制阀和减压阀，所述压力容 器的顶盖设有用于排气的手动阀。
[0012] 所述第一压力传感器和第二压力传感器为工作频率50kHz以上的动压传感器，所 述第一压力传感器的量程范围为OMPa~l.OMPa，第二压力传感器量程范围为-O.IMPa~ 1.OMPa 〇
[0013] 作为一个总的发明构思，本发明还提供上述的沥青路面孔隙水压力模拟测试装置 的测试方法，包括以下步骤： 51、 将准备好的直径不小于100mm、不超过150mm的沥青混凝土试件置于预先填满碎石 再灌满水的开口容器上； 52、 将沥青混凝土试件的底部和开口容器的开口环形部位之间填充粘结剂粘结，将沥 青混凝土试件的侧壁涂覆粘结剂，待粘结剂充分干燥、固化后，将与开口容器粘结的沥青混 凝土试件置于压力容器中，连接并锁紧开口容器与压力容器； 53、 安装第一压力传感器和第二压力传感器，向压力容器中充满水至设定水位，安装活 塞，密闭压力容器，为可编程控制器、空压机、第一压力传感器、第二压力传感器连通电源， 开启空压机； 54、 设定数据采集仪需采集的次数为tO; 55、 选择控制流程开始测试，通过数据采集仪采集第一压力传感器和第二压力传感器 的数据，更新数据采集仪当前采集的次数tl; 56、 当tl<tO时，循环步骤S5,当tl=tO时，终止。
[0014] 作为对上述测试方法的进一步改进： 所述步骤S5中控制流程具体如下： S5-1、通过可编程控制器控制第一进气用控制阀、第二进气用控制阀的交叉开启和关 闭，向压力容器中充入压缩空气，对水和沥青混凝土试件施加正压力，直至压力容器内的压 力达到设定的目标压力值； S5-2、通过可编程控制器控制排气用控制阀开启和关闭，对压力容器泄压至大气压。
[0015] 所述步骤S4中to的取值范围为1~5，步骤S6中循环间歇时间为0~1S，所述步骤S5的 交叉开启和关闭的顺序依次为:开启第一进气用控制阀，开启第二进气用控制阀，关闭第一 进气用控制阀同时开启排气用控制阀，关闭第二进气用控制阀，关闭排气用控制阀。
[0016] 本发明的工作原理是：将沥青混凝土试件浸没在水中，通过向压力容器内充入压 缩空气施加正压力时，通过水等值地向沥青混凝土试件传递压力，沥青混凝土试件孔隙中 残留的空气被压缩，外部水流入空隙。当压力容器泄压时，沥青混凝土试件孔隙中被压缩的 空气膨胀，水从孔隙中流出。水在沥青混凝土试件空隙中的这种流动模拟了沥青路面空隙 中的实际情况。当施加瞬间作用的外部水压时，由于孔隙水非饱和，