一种动水压力环境同步高频力学加载试验系统

技术领域

本发明涉及道路工程材料性能测试技术领域，特别是指一种动水压力环境同步高频力学加载试验系统。

背景技术

沥青路面所处服役环境，是完全暴露于温度、降雨和车辆荷载等多种因素耦合的复杂自然环境。当车辆快速行驶在表面有积水的沥青路面时，由于轮胎反复挤压和抽吸所产生的高频正负交替动水压力环境，会引发沥青膜从集料表面剥落，造成水损害，降低沥青路面的服役质量并缩短服役寿命。采用合适的试验装置及试验方法来模拟这种典型的沥青路面服役环境，进一步评价材料的抗水损害能力，这是沥青路面材料设计中不可或缺的环节。

现有针对沥青混合料水损害的研究，通常是将试件置于动水压力环境中养生，加速材料的劣化，再通过对比养生前后的材料性能变化差异来评价其抵抗水损害能力。上述传统方法主要存在两个问题：(1)传统方法是对比沥青混合料试件的初始状态和水损害后的最终状态，即两个时刻的性能对比，并不能评价材料在整个服役周期内的性能演化规律；(2)传统方法将沥青混合料试件单独置于动水压力环境中养生的过程，并未将力学荷载直接作用于试件上，这与沥青路面直接承受车辆荷载的实际服役工况存在本质差异。据此可知，为了评价沥青混合料材料在水环境中承受车辆荷载的服役性能演化过程，将力学荷载纳入水环境中进行同步加载时有必要的。有相关研究将试件浸没于静态水环境中进行力学加载，但静态浸水环境所模拟的动水压力效果十分有限。

因此，为了更真实模拟车辆轮胎作用于沥青路面所产生动水压力服役环境，以及同时评价沥青混合料的全过程性能演化规律，有必要开发一种综合考虑水、温度和动水压力等多种环境因素耦合的同步高频力学加载试验系统，并提出配套的试验方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种动水压力环境同步高频力学加载试验系统，该系统能够更真实模拟车辆轮胎作用于沥青路面所产生动水压力环境，同时评价沥青混合料材料的全过程性能演化规律。

该系统包括伺服液压动力装置、动水压力环境发生装置、力学加载杆施加装置、沥青混合料试件力学测试装置、沥青混合料试件养生装置和水环境控温装置，各装置按照由上至下、由外向内的位置关系相互连接并固定于系统框架；其中，伺服液压动力装置包括控制及数据采集系统、伺服液压站、1#伺服液压作动器和2#伺服液压作动器，控制及数据采集系统通过线缆实现对伺服液压站的连接与控制，伺服液压站通过进油导管、回油导管连接1#伺服液压作动器和2#伺服液压作动器；动水压力环境发生装置通过密封垫和螺母固定于系统框架的左侧上部，动水压力环境发生装置包括活塞、活塞滑轨套筒和活塞套座，活塞置于活塞滑轨套筒内，活塞滑轨套筒安装在活塞套座上，活塞底部呈凹槽状并在轴线处设置气阀，1#伺服液压作动器通过螺栓连接活塞；力学加载杆施加装置通过密封垫和螺母固定于系统框架的右侧上部，力学加载杆施加装置包括力学加载杆、密封圈和滑套座，力学加载杆和滑套座之间设置密封圈，力学加载杆通过螺栓连接2#伺服液压作动器；沥青混合料试件力学测试装置通过固定螺母与系统框架的底部相连接，沥青混合料试件力学测试装置包括底座、导轨、力学加载压头、力学加载支座、固定夹具、夹持夹具、应变传感器以及沥青混合料试件，力学加载支座通过螺栓固定于底座的中心位置，沥青混合料试件放置于力学加载压头和力学加载支座之间并采用环氧树脂将夹持夹具粘贴于沥青混合料试件侧壁，力学加载杆直接与力学加载压头相接触并向沥青混合料试件施加力学荷载，通过固定于夹持夹具内部的应变传感器监测材料的应变响应情况，夹持夹具通过螺杆连接固定夹具，固定夹具夹持在导轨上，导轨通过螺母固定在底座上；沥青混合料试件养生装置位于系统框架底部，通过将沥青混合料试件置于支撑架上，直接承受动水压力环境的侵蚀养生；水环境控温装置包括位于系统框架内部的加热器和位于系统框架底部两侧的注水口、出水口和水阀，注水口和吹水口上均设置水阀。

其中，框架外部设置保温层。

控制及数据采集系统同时对1#伺服液压作动器和2#伺服液压作动器进行独立调控，实现活塞和力学加载杆的同步或异步驱动。

框架右侧上部固定温度传感器和水压力传感器,分别监测试验系统内部水环境的温度和孔隙水压力的变化情况。

沥青混合料试件的直径为100mm，高度为150mm，通过力学加载杆向沥青混合料试件所施加预压荷载为50-200N。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

(1)本发明采用一个控制及数据采集系统来同时驱动两个伺服液压作动器工作，可以在形成动水压力环境的同时，实现对沥青混合料试件进行同步力学加载，真正考虑到了水、温度、动水压力和车辆荷载等多因素耦合的复杂工况，并且伺服液压作动器的直接作用模式可实现加载频率至少达到10Hz以上的高频，试验模拟环境与实际工况接近，试验结果真实准确。

(2)本发明直接在动水压力环境中对沥青混合料进行力学加载，通过获取到的应力、应变数据，可以实时监测材料的性能参数在整个试验过程中的演化规律，由此打破了传统方法只能对水养生前、后两个时刻材料性能状态做出评价的局限性。

(3)本发明设置支撑架来对沥青混合料试件养生，一方面可将其作为力学加载试件的对照组，另一方面可将其用作其他试验用途，例如试件内部水压力演化特性监测，从而使得本发明试验系统的功能更为丰富。

(4)本发明的沥青混合料试件力学测试装置采用模块化设计，装置和拆卸均可在试验系统外部完成，使得试验操作流程更为方便快捷。

附图说明

图1为本发明的动水压力环境同步高频力学加载试验系统结构示意图；

图2为本发明实施例中沥青混合料试件力学加载试验系统的俯视图。

其中：1-伺服液压站；2-控制及数据采集系统；3-1#伺服液压作动器；4-2#伺服液压作动器；5-框架；6-保温层；7-出水口；8-注水口；9-水阀；10-活塞套座；11-密封垫；12-螺母；13-活塞；14-螺栓；15-活塞滑轨套筒；16-气阀；17-滑套座；18-密封圈；19-力学加载杆；20-底座；21-导轨；22-沥青混合料试件；23-力学加载支座；24-力学加载压头；25-夹持夹具；26-应变传感器；27-固定夹具；28-螺杆；29-固定螺母；30-支撑架；31-加热器；32-温度传感器；33-水压力传感器。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种动水压力环境同步高频力学加载试验系统。

如图1所示，该系统包括伺服液压动力装置、动水压力环境发生装置、力学加载杆施加装置、沥青混合料试件力学测试装置、沥青混合料试件养生装置和水环境控温装置，各装置按照由上至下、由外向内的位置关系相互连接并固定于系统框架5；其中，伺服液压动力装置包括控制及数据采集系统2、伺服液压站1、1#伺服液压作动器3和2#伺服液压作动器4，控制及数据采集系统2通过线缆实现对伺服液压站1的连接与控制，伺服液压站1通过进油导管、回油导管连接1#伺服液压作动器3和2#伺服液压作动器4；动水压力环境发生装置通过密封垫11和螺母12固定于系统框架5的左侧上部，动水压力环境发生装置包括活塞13、活塞滑轨套筒15和活塞套座10，活塞13置于活塞滑轨套筒15内，活塞滑轨套筒15安装在活塞套座10上，活塞13底部呈凹槽状并在轴线处设置气阀16，1#伺服液压作动器3通过螺栓14连接活塞13；力学加载杆施加装置通过密封垫11和螺母12固定于系统框架5的右侧上部，力学加载杆施加装置包括力学加载杆19、密封圈18和滑套座17，力学加载杆19和滑套座17之间设置密封圈18，力学加载杆19通过螺栓14连接2#伺服液压作动器4；沥青混合料试件力学测试装置通过固定螺母29与系统框架5的底部相连接，沥青混合料试件力学测试装置包括底座20、导轨21、力学加载压头24、力学加载支座23、固定夹具27、夹持夹具25、应变传感器26以及沥青混合料试件22，力学加载支座23通过螺栓固定于底座20的中心位置，沥青混合料试件22放置于力学加载压头24和力学加载支座23之间并采用环氧树脂将夹持夹具25粘贴于沥青混合料试件22侧壁，力学加载杆19直接与力学加载压头24相接触并向沥青混合料试件22施加力学荷载，通过固定于夹持夹具25内部的应变传感器26监测材料的应变响应情况，如图2所示，夹持夹具25通过螺杆28连接固定夹具27，固定夹具27夹持在导轨21上，导轨21通过螺母固定在底座20上；沥青混合料试件养生装置位于系统框架5底部，通过将沥青混合料试件22置于支撑架30上，直接承受动水压力环境的侵蚀养生；水环境控温装置包括位于系统框架5内部的加热器31和位于系统框架5底部两侧的注水口8、出水口7和水阀9，注水口8和吹水口7上均设置水阀9。

其中，框架5外部设置保温层6。

控制及数据采集系统2同时对1#伺服液压作动器3和2#伺服液压作动器4进行独立调控，实现活塞13和力学加载杆19的同步或异步驱动。

框架5右侧上部固定温度传感器32和水压力传感器33,分别监测试验系统内部水环境的温度和孔隙水压力的变化情况。

在具体实施过程中，试验步骤如下：

(1)采用环氧树脂将夹持夹具25粘贴在圆柱体沥青混合料试件22表面，安装应变传感器26；将沥青混合料试件22放在力学加载支座23和力学加载压头24之间，随后通过螺杆28将夹持夹具25和固定夹具27相互连接与固定；同时，将另一个沥青混合料试件22放置于支撑架30上，进行动水压力环境养生，用作对照组；调节力学加载杆19与力学加载压头24相互接触，施加并保持一定荷载进行预压；

(2)关闭出水口7处的水阀9，分别打开注水口8处的水阀9和活塞13处的气阀16，通过注水口8向试验系统内部不断注入预设试验温度的水，此时试验系统内的空气会在活塞13的气阀16处逐渐排出；当活塞13处的气阀16有水溢出时，关闭气阀16；

(3)通过调节1#伺服液压作动器3来驱使活塞13缓慢上下移动，随后将活塞13停在其平衡位置，打开气阀16直至有水溢出，此时试验系统内的空气排尽，依次关闭气阀16和注水口8处的水阀9；

(4)调节控制系统2，通过控制伺服液压站1来驱动1#伺服液压作动器3和2#伺服液压作动器4同时加载；通过控制活塞13沿竖直方向往复运动的振幅和频率，可模拟产生不同量级的动水压力环境；通过控制力学加载杆19所施加荷载的量级和频率，可模拟对沥青混合料试件22进行不同工况的交通荷载施加；温度传感器32和水压力传感器33分别实时监测水环境的温度和水压力变化情况，应变传感器26监测力学加载过程中沥青混合料试件22的应变响应情况；

(5)通过数据采集系统2，实时监测沥青混合料试件22在动水压力环境下同步力学加载的应力、应变响应情况；试验结束后，打开出水口7处的水阀9，排尽水后即可取出试件22，同时进行数据分析。

根据上述方式可较好地实现本发明，采用一个控制系统2同时驱动两个伺服液压作动器3和4进行加载，活塞13沿竖直方向往复运动形成动水压力环境，力学加载杆19对沥青混合料试件22进行同步力学加载，真正考虑了水、温度、动水压力和车辆荷载等多因素耦合的复杂工况，实现了对材料在动水压力环境下其性能演化全过程的监测与评价，从而更真实模拟和定量评价车辆轮胎引起动水压力环境对沥青路面的具体影响。上述具体实施方式仅为本发明的较好实施方式，并非用来限定本发明的实施范围(例如增大活塞13行程可获得更大动水压力量级)，据此，凡是依照本发明内容所做出的试件尺寸及循环力学荷载施加模式修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。