一種可程式瀝青混合料室內模擬疲勞試驗裝置的制造方法
【專利摘要】一種可程式瀝青混合料室內模擬疲勞試驗裝置，包括溫度模擬箱，溫度模擬箱內底部設置有底座，底座上設置有敞口保溫隔熱水槽，敞口保溫隔熱水槽上設置用于放置瀝青混合料試樣的加載臺，加載臺內上方設置有用于對瀝青混合料試樣進行加載的液壓加載系統；溫度模擬箱內還設置有與PLC相連的溫度循環控制系統。本實用新型中試件底座固定裝置設置敞口保溫隔熱水槽實現了對路面結構溫度梯度的模擬，將真實路面結構中溫度場隨空間的變化在室內模擬出來，充分考慮了溫度荷載對路面結構壽命和性能的影響；液壓加載系統可以精準控制實驗輪對試件施加的荷載，同時可以模擬不同軸載對路面結構的影響，實現在室內模擬超載超重等現象對瀝青路面壽命和性能的影響。
【專利說明】
一種可程式瀝青混合料室內模擬疲勞試驗裝置
技術領域
[0001]本實用新型屬于道路鋪面材料及其設計制作領域，涉及荷載與溫度耦合作用下瀝青混合料室內模擬疲勞試驗裝置，具體涉及一種可程式瀝青混合料室內模擬疲勞試驗裝置。
【背景技術】
[0002]上世紀90年代以來，隨著中國經濟的持續高速發展，高速公路建設事業也在飛速前進，截止2014年底，我國高速公路總里程達11.19萬公里，已超過美國居世界第一。在己建成的高速公路中有90%以上采用的是瀝青混凝土路面，近年來不論是普通公路瀝青路面還是高速公路瀝青路面均發生了不同程度的疲勞開裂，而不得不進行大修和重修，瀝青路面的早期疲勞開裂已經成為一個世界性的問題。
[0003]瀝青路面在使用期間經受車輪荷載的反復作用，長期處于應力應變交迭變化狀態，致使路面結構強度逐漸下降。當荷載重復作用超過一定次數以后，在荷載作用下路面內產生的應力就會超過強度下降后的結構抗力，使路面出現裂紋，產生疲勞斷裂破壞。主要的疲勞試驗方法可以分為以下四類:
[0004](I)第一類是實際路面在真實汽車荷載作用下的疲勞試驗破壞，以美國著名的AASHTO試驗路為代表；
[0005](2)第二類是足尺路面結構在模擬汽車荷載作用下的疲勞試驗研究，包括環道試驗和加速加載試驗，主要有澳大利亞和我國交通部公路科研所的加載設備(ALF)，南非國立道路研究所的重型車輛模擬車(HVS)，美國華盛頓州立大學的室外大型環道和重慶公路科學研究所的室內大型環道試驗；
[0006](3)第三類是試板試驗法.主要是通過輪轍試驗以模擬車輪在路面的作用，了解裂縫產生和擴展的形式。
[0007](4)第四類是試驗室小型的疲勞試驗研究。先將瀝青混合料制作一定形狀的試件，然后按某種方式模擬瀝青路面的受力狀態進行疲勞試驗。
[0008]前三類方法耗資大、周期長、開展得并不普遍。因此，大量采用的還是周期短、費用小的室內小型疲勞試驗方法。室內小型疲勞試驗常采用簡單彎曲試驗，其中又有中點加載或三分點加載、旋轉懸臂梁和梯形懸臂梁三種試驗方式。此外還有劈裂試驗、彈性基礎梁彎曲試驗、三軸壓力試驗等。其中四點彎曲疲勞壽命試驗已經被納入公路工程瀝青與瀝青混合料試驗規程(JTG E20—2011)。然而現有室內小型疲勞試驗方法對瀝青混合料疲勞性能的室內模擬只能模擬在恒定溫度下荷載對瀝青混合料試件的作用，并且整個試件內各點的溫度都與恒溫箱內溫度相同，而忽略室外環境溫度隨著時間的變化以及路面溫度梯度的存在對瀝青混合料疲勞性能的影響，無法模擬瀝青混凝土路面溫度隨時間和空間的變化情況，不能模擬不同地區特有的溫度變化以及路面結構溫度梯度對瀝青混凝土路面疲勞性能的影響，而且小梁試件在四點彎曲疲勞壽命試驗的測試過程與實際瀝青路面承受車輛荷載的受力狀況存在較大的差異性，另外采用應力控制和應變控制兩種不同的加載模式時疲勞試驗的結果存在較大差異，存在精細化、集成化和自動化程度低的問題。
[0009]置于自然環境中的建筑結構，隨時經受著各種自然環境變化的影響，使其整體的溫度狀態每時每刻都處在變化之中。而所謂的溫度場就是指結構內各點在各時間點的溫度。溫度隨時間的變化以及材料內部溫度梯度的存在不僅引起結構的變形，而且會引起較大的溫度應力。國內外研究表明，溫度應力對公路工程使用壽命和力學性能有著很大的影響，尤其是高等級的公路工程。因此就需要對現有的室內模擬疲勞試驗裝置進行改進，實現溫度應力和車輛荷載的耦合作用。
【實用新型內容】
[0010]本實用新型為解決現有測試和評價瀝青混合料疲勞性能的室內模擬裝置對真實環境模擬不足，模擬試驗方法的精度過低的缺點，目的在于提供一種操作簡單、穩定性好、精確度高、體積小巧且同時可以溫度和荷載耦合作用的可程式瀝青混合料室內模擬疲勞試驗裝置。
[0011 ]為實現上述目的，本實用新型所采用的技術方案是:
[0012]—種可程式瀝青混合料室內模擬疲勞試驗裝置，包括溫度模擬箱，所述溫度模擬箱內底部設置有底座，底座上設置有敞口保溫隔熱水槽，敞口保溫隔熱水槽上設置用于放置瀝青混合料試樣的加載臺，加載臺內上方設置有用于對瀝青混合料試樣進行加載的液壓加載系統;溫度模擬箱內還設置有用于對溫度模擬箱內溫度進行控制的溫度循環控制系統機。
[0013]所述溫度模擬箱一側下方設置進氣風扇，另一側下方設置排氣風扇。
[0014]所述溫度循環控制系統包括硅油高低溫循環裝置、電加熱裝置、壓縮機和溫度傳感器，硅油高低溫循環裝置與電加熱裝置、壓縮機和溫度傳感器相連，壓縮機、電加熱裝置和溫度傳感器均與設置在溫度模擬箱外部的PLC相連，PLC連接有計算。
[0015]所述液壓加載系統包括活塞桿和能夠水平移動的加載油缸，加載油缸與活塞桿相連，并且活塞桿豎直設置，活塞桿的下端設置有壓力傳感器，壓力傳感器的下端設置有鉸支輪軸，鉸支輪軸上設置有用于對瀝青混合料試樣加載的加載輪;所述電加熱裝置通過第一繼電器與PLC相連，壓縮機通過第二繼電器與PLC相連，溫度傳感器通過A/D轉換機與PLC相連。
[0016]所述液壓加載系統還還包括驅動電機，驅動電機的輸出軸與鉸支輪軸連接。
[0017]所述溫度模擬箱內設置有用于液壓加載系統水平移動的導軌，加載油缸設置在導軌上。
[0018]所述溫度傳感器為熱敏電阻溫度傳感器;所述溫度模擬箱內兩側設置有加熱燈。
[0019]所述底座為拉拔式底座;加載臺上開設有圓形孔，圓形孔內設置有應變傳感器。
[0020]所述圓形孔的直徑為50_。
[0021 ]所述應變傳感器設置在瀝青混合料試樣底部中心位置。
[0022]所述的加熱燈通過螺栓對稱固定在模擬箱內兩側，并且加熱燈為氙燈、鹵素燈、鏑燈、碘鎢燈中的一種。
[0023]與現有技術相比，本實用新型的有益效果在于，本實用新型是一種可程式瀝青混合料室內模擬疲勞試驗裝置，通過設置溫度模擬箱，溫度模擬箱上方是溫度循環控制系統，溫度模擬箱內設置有用于對瀝青混合料試樣17進行加載的液壓加載系統，溫度模擬箱底部的支座上設置有溫度傳感器，溫度模擬箱外設置有可編程邏輯控制器PLC和計算機，溫度循環控制系統位于模擬箱內的頂部，該溫度循環控制系統用于加熱和冷卻硅油循環溫度控制系統來控制模擬箱內溫度，使模擬箱可以實現特定地區溫度變化特點和趨勢，這樣可以模擬真實路面結構溫度隨時間變化引起的溫度應力。由于敞口隔熱保溫水槽底部可以注入一定體積的蒸餾水，并使試件模具底部恰好與水接觸或少量進入水中但試件不與水接觸。由于蒸餾水和瀝青混合料試件相比比熱容較大而且又在試件的下方，所以下部的溫度變化有一定的滯后性，并且溫度變化幅度也比試件表面要小，所以這樣可以模擬真實路面結構溫度在空間分布差異引起的溫度應力。硅油加熱循環裝置通過液體循環裝置與電加熱裝置和制冷壓縮機相連接，通過可編程邏輯控制器來控制對硅油循環溫度調節系統實現對給定溫度場的模擬。
[0024]液壓加載系統可以隨著下部的加載輪移動在導軌上移動，并且可以根據設定荷載大小施加壓力，可以在室內模擬超載等因素對路面壽命的影響。本實用新型中溫度模擬箱控溫幅度為_20°C?60°C并且可精確至0.TC，可以滿足大部分地區公路工程實際的要求。
[0025]本實用新型的可程式瀝青混合料室內模擬疲勞試驗裝置的電加熱裝置可以實現模擬不同地區溫度場隨時間的變化，不僅可以實現模擬高溫惡劣環境也可利用制冷壓縮機和硅油溫度循環控制系統模擬低溫惡劣環境;試件底座固定裝置設置敞口保溫隔熱水槽實現了對路面結構溫度梯度的模擬，將真實路面結構中溫度場隨空間的變化在室內模擬出來，充分考慮了溫度荷載對路面結構壽命和性能的影響;液壓加載系統可以精準控制實驗輪對試件施加的荷載，同時可以模擬不同軸載對路面結構的影響，實現在室內模擬超載超重等現象對瀝青路面壽命和性能的影響。
[0026]進一步的，模擬箱兩側設置有加熱燈，加熱燈功率可調，可以模擬不同地區的太陽光照強度；
[0027]進一步的，第一繼電器、第二繼電器和驅動電機通過導線與可編程邏輯控制器連接，可編程邏輯控制器通過導線與計算機連接。
【附圖說明】
[0028]圖1是可程式瀝青混合料室內模擬疲勞試驗裝置的結構示意圖。
[0029I圖2是循環加熱裝置連接示意圖。
[0030]圖中，I為溫度模擬箱、2為熱敏電阻溫度傳感器、3為A/D轉換機、4為電加熱裝置、5為第一繼電器、6為壓縮機、7為第二繼電器、8為硅油高低溫循環裝置、9為PLC、10為導軌、11為液壓油缸、12為驅動電機、13為壓力傳感器、14為鉸支輪軸、15為加載輪、16為加載臺、17為瀝青混合料試件、18為應變傳感器、19為底座、20為敞口保溫隔熱水槽、21為排水口、22為日光燈、23為進氣風扇、24為排氣風扇、25為計算機。
【具體實施方式】
[0031]下面結合附圖和實施例對本實用新型作進一步描述，但本實用新型不局限于下述的實施方式。
[0032]參見圖1和圖2，本實用新型的可程式瀝青混合料室內模擬疲勞試驗裝置包括溫度模擬箱1、熱敏電阻溫度傳感器2、A/D轉換機3、電加熱裝置4、第一繼電器5、壓縮機6、第二繼電器7、硅油高低溫循環裝置8、PLC 9、導軌10、液壓油缸11、驅動電機12、壓力傳感器13、鉸支輪軸14、加載輪15、加載臺16、瀝青混合料試件17、應變傳感器18、底座19、敞口保溫隔熱水槽20、排水口21、日光燈22、進氣風扇23、排氣風扇24以及計算機25。
[0033]具體的，在溫度模擬箱I底部設置底座19，底座19為拉拔式底座，底座19上固定敞口保溫隔熱水槽20，敞口保溫隔熱水槽20—側設置排水口 21，敞口保溫隔熱水槽20上設置加載臺16，加載臺16上放置瀝青混合料試件17，加載臺16中間設置有直徑為50mm的圓形孔，該圓形孔用于加載時在瀝青混合料試件17底部安裝應變傳感器18，并且應變傳感器18設置在瀝青混合料試件17底部中心位置，避免了應變傳感器18在測量瀝青混合料試件17底面中心處應變時受到其他因素的影響，溫度模擬箱I兩側設置用于液壓加載系統水平移動的導軌10，其中，液壓加載系統包括活塞桿和能夠水平移動的加載油缸11，加載油缸11與活塞桿相連，并且活塞桿豎直設置，液壓加載系統的加載油缸11用螺栓連接固定在導軌10上，液壓加載系統可沿著導軌10做水平往復加載運動，液壓加載系統的活塞桿下端固定連接有壓力傳感器13，壓力傳感器13下端用螺旋墊片固定連接有鉸支輪軸14，鉸支輪軸14上連接有用于對瀝青混合料試樣17加載的加載輪15，鉸支輪軸14 一側用螺栓固定安裝有驅動電機12，驅動電機12的輸出軸與鉸支輪軸14連接。溫度模擬箱I內上部設置電加熱裝置4和壓縮機6，壓縮機6設置在電加熱裝置4下方，電加熱裝置4通過第一繼電器5和PLC 9連接，壓縮機6通過第二繼電器7和PLC 9連接，硅油高低溫循環裝置8通過管道對溫度模擬箱I實現溫度控制，溫度模擬箱I一側下方設置進氣風扇23，另一側下方設置排氣風扇24，并且溫度模擬箱內I兩側設置日光燈22，所述的加熱燈22通過螺栓對稱固定在模擬箱內兩側，并且加熱燈22為氙燈、鹵素燈、鏑燈、碘鎢燈中的一種。設置在溫度模擬箱I內的溫度傳感器2通過A/D轉換機3與PLC 9連接，所述溫度傳感器2為光敏電阻溫度傳感器;溫度傳感器2將接收到的溫度信號轉化為電壓信號，A/D轉換機3將輸入的電壓信號轉化為PLC 9可識別的數字量，然后PLC 9將系統設定的溫度值與反饋回來的溫度值進行比較處理后，給第一繼電器5和第二繼電器7輸入端一個控制信號控制輸出端導通與否，第一繼電器5和第二繼電器7分別控制電加熱裝置4和壓縮機6工作，以實現溫度模擬箱I內溫度的調節。PLC 9通過數據連接線與計算機25連接。
[0034]本實用新型的工作過程為:實驗過程中，打開拉拔式底座19，將瀝青混合料試件17通過螺栓固定在敞口隔熱水槽20上方的加載臺16上，將拉拔式底座19推入溫度模擬箱I中，使日光燈22保持恒定光源照明，進氣風扇23和排氣風扇24運行保持溫度模擬箱I內部空氣流通。計算機25根據設定溫度起點連通PLC 9，控制溫度模擬箱I加熱或冷卻到指定溫度，在恒定溫度下保持2h使瀝青混合料試件17和溫度模擬箱I內溫度穩定在起點溫度后，設定液壓加載系統參數，使加載輪15下降到與瀝青混合料試件17精密接觸并以設定壓力對其加載，設定驅動電，12的驅動速度，使加載輪15以設定速度在瀝青混合料試17件表面做往返運動。計算機25根據設定好的溫度數據曲線，通過PLC 9給第一繼電器5和第二繼電器7輸入端一個控制信號控制輸出端導通與否，第一繼電器5和第二繼電器7分別控制電加熱裝置4和壓縮機6工作，實現溫度模擬箱I內溫度的調節。模擬箱內的溫度傳感器2將溫度模擬箱I內的溫度變化信號轉化為電壓信號，A/D轉換機3將輸入的電壓信號轉化為PLC 9可識別的數字量，然后PLC 9將系統設定的溫度值與反饋回來的溫度值進行比較處理后，給第一繼電器5和第二繼電器7輸入端一個控制信號控制輸出端導通與否，第一繼電器5和第二繼電器7分別控制電加熱裝置4和壓縮機6工作實現溫度模擬箱I內溫度的調節。計算機25根據瀝青混合料試件17底部中心處的應變傳感器18和液壓油缸11的活塞桿下端固定連接的壓力傳感器13繪制應力應變曲線，根據加載過程中瀝青混合料試件的應變變化曲線分析瀝青混合料試件的疲勞性能衰減過程。
[0035]本實用新型中的電加熱裝置可以使得裝置內部不同位置的溫度變化更加均勻，并且能夠精準模擬設計瀝青混凝土路面所在地區的太陽光照以及路面溫度隨時間和空間變化對瀝青路面溫度的影響，提高實驗模擬真實溫度環境準確程度。其加載裝置并且可以調整實驗輪往返行走速度以及實驗輪對試件的壓強以模擬車輛荷載對瀝青路面的損害作用。
【主權項】
1.一種可程式瀝青混合料室內模擬疲勞試驗裝置，其特征在于，包括溫度模擬箱(I)，所述溫度模擬箱(I)內底部設置有底座(19)，底座(19)上設置有敞口保溫隔熱水槽(20)，敞口保溫隔熱水槽(20)上設置用于放置瀝青混合料試樣(17)的加載臺(16)，加載臺(16)內上方設置有用于對瀝青混合料試樣(17)進行加載的液壓加載系統;溫度模擬箱(I)內還設置有用于對溫度模擬箱(I)內溫度進行控制的溫度循環控制系統。2.根據權利要求1所述的一種可程式瀝青混合料室內模擬疲勞試驗裝置，其特征在于，所述溫度模擬箱(I) 一側下方設置進氣風扇(23)，另一側下方設置排氣風扇(24)。3.根據權利要求2所述的一種可程式瀝青混合料室內模擬疲勞試驗裝置，其特征在于，所述溫度循環控制系統包括硅油高低溫循環裝置(8)、電加熱裝置(4)、壓縮機(6)和溫度傳感器(2)，硅油高低溫循環裝置(8)與電加熱裝置(4)、壓縮機(6)和溫度傳感器(2)相連，壓縮機(6)、電加熱裝置(4)和溫度傳感器(2)均與設置在溫度模擬箱(I)外部的PLC(9)相連，PLC(9)連接有計算機(25)。4.根據權利要求3所述的一種可程式瀝青混合料室內模擬疲勞試驗裝置，其特征在于，所述液壓加載系統包括活塞桿和能夠水平移動的加載油缸(11)，加載油缸(11)與活塞桿相連，并且活塞桿豎直設置，活塞桿的下端設置有壓力傳感器(13)，壓力傳感器(13)的下端設置有鉸支輪軸(14)，鉸支輪軸(14)上設置有用于對瀝青混合料試樣(17)加載的加載輪(15);所述電加熱裝置(4)通過第一繼電器(5)與PLC(9)相連，壓縮機(6)通過第二繼電器(7)與PLC(9)相連，溫度傳感器(2)通過A/D轉換機(3)與PLC(9)相連。5.根據權利要求3所述的一種可程式瀝青混合料室內模擬疲勞試驗裝置，其特征在于，所述液壓加載系統還包括驅動電機(12)，驅動電機(12)的輸出軸與鉸支輪軸(14)連接。6.根據權利要求3所述的一種可程式瀝青混合料室內模擬疲勞試驗裝置，其特征在于，所述溫度模擬箱(I)內設置有用于液壓加載系統水平移動的導軌(10)，加載油缸(11)設置在導軌(10)上。7.根據權利要求3所述的一種可程式瀝青混合料室內模擬疲勞試驗裝置，其特征在于，所述溫度傳感器(2)為熱敏電阻溫度傳感器；所述溫度模擬箱(I)內兩側設置有加熱燈(22)。8.根據權利要求1所述的一種可程式瀝青混合料室內模擬疲勞試驗裝置，其特征在于，所述底座(19)為拉拔式底座；加載臺(16)上開設有圓形孔，圓形孔內設置有應變傳感器(18)。9.根據權利要求8所述的一種可程式瀝青混合料室內模擬疲勞試驗裝置，其特征在于，所述圓形孔的直徑為50mm。10.根據權利要求8所述的一種可程式瀝青混合料室內模擬疲勞試驗裝置，其特征在于，所述應變傳感器(18)設置在瀝青混合料試樣(17)底部中心位置。
【文檔編號】G01N3/36GK205562314SQ201620354417
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月25日
【發明人】郭寅川, 喻沐陽, 崔濤, 張優華
【申請人】長安大學