技术领域
[0001] 本
发明属于道路铺面材料及其设计制作领域，涉及荷载与
温度耦合作用下沥青混合料室内模拟疲劳试验装置，具体涉及一种可程式沥青混合料室内模拟疲劳试验装置。
背景技术
[0002] 上世纪90年代以来，随着中国经济的持续高速发展，高速公路建设事业也在飞速前进，截止2014年底,我国高速公路总里程达11.19万公里，已超过美国居世界第一。在己建成的高速公路中有90％以上采用的是沥青
混凝土路面，近年来不论是普通公路沥青路面还是高速公路沥青路面均发生了不同程度的疲劳开裂，而不得不进行大修和重修，沥青路面的早期疲劳开裂已经成为一个世界性的问题。
[0003] 沥青路面在使用期间经受
车轮荷载的反复作用，长期处于应
力应变交迭变化状态，致使路面结构强度逐渐下降。当荷载重复作用超过一定次数以后，在荷载作用下路面内产生的
应力就会超过强度下降后的结构抗力，使路面出现裂纹，产生疲劳断裂破坏。主要的疲劳试验方法可以分为以下四类：
[0004] (1)第一类是实际路面在真实
汽车荷载作用下的疲劳试验破坏，以美国著名的AASHTO试验路为代表；
[0005] (2)第二类是足尺路面结构在模拟汽车荷载作用下的疲劳试验研究，包括环道试验和
加速加载试验，主要有澳大利亚和我国交通部公路科研所的加载设备(ALF)，南非国立道路研究所的重型车辆模拟车(HVS)，美国华盛顿州立大学的室外大型环道和重庆公路科学研究所的室内大型环道试验；
[0006] (3)第三类是试板试验法.主要是通过轮辙试验以模拟车轮在路面的作用，了解裂缝产生和扩展的形式。
[0007] (4)第四类是试验室小型的疲劳试验研究。先将沥青混合料制作一定形状的试件，然后按某种方式模拟沥青路面的受力状态进行疲劳试验。
[0008] 前三类方法耗资大、周期长、开展得并不普遍。因此，大量采用的还是周期短、
费用小的室内小型疲劳试验方法。室内小型疲劳试验常采用简单弯曲试验，其中又有中点加载或三分点加载、旋转
悬臂梁和梯形悬臂梁三种试验方式。此外还有劈裂试验、弹性
基础梁弯曲试验、三轴压力试验等。其中四点弯曲疲劳寿命试验已经被纳入公路工程沥青与沥青混合料试验规程(JTG E20—2011)。然而现有室内小型疲劳试验方法对沥青混合料疲劳性能的室内模拟只能模拟在恒定温度下荷载对沥青混合料试件的作用，并且整个试件内各点的温度都与恒温箱内温度相同，而忽略室外
环境温度随着时间的变化以及路面温度梯度的存在对沥青混合料疲劳性能的影响，无法模拟
沥青混凝土路面温度随时间和空间的变化情况，不能模拟不同地区特有的温度变化以及路面结构温度梯度对沥青混凝土路面疲劳性能的影响，而且小梁试件在四点弯曲疲劳寿命试验的测试过程与实际沥青路面承受车辆荷载的受力状况存在较大的差异性，另外采用应力控制和应变控制两种不同的加载模式时疲劳试验的结果存在较大差异，存在精细化、集成化和自动化程度低的问题。
[0009] 置于自然环境中的建筑结构，随时经受着各种自然环境变化的影响，使其整体的温度状态每时每刻都处在变化之中。而所谓的温度场就是指结构内各点在各时间点的温度。温度随时间的变化以及材料内部温度梯度的存在不仅引起结构的
变形，而且会引起较大的温度应力。国内外研究表明，温度应力对公路工程使用寿命和力学性能有着很大的影响，尤其是高等级的公路工程。因此就需要对现有的室内模拟疲劳试验装置进行改进，实现温度应力和车辆荷载的耦合作用。
发明内容
[0010] 本发明为解决现有测试和评价沥青混合料疲劳性能的室内模拟装置对真实环境模拟不足，模拟试验方法的
精度过低的缺点，目的在于提供一种操作简单、
稳定性好、精确度高、体积小巧且同时可以温度和荷载耦合作用的可程式沥青混合料室内模拟疲劳试验装置。
[0011] 为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
[0012] 一种可程式沥青混合料室内模拟疲劳试验装置，包括温度模拟箱，所述温度模拟箱内底部设置有底座，底座上设置有敞口保温
隔热水槽，敞口保温隔热水槽上设置用于放置沥青混合料试样的加载台，加载台内上方设置有用于对沥青混合料试样进行加载的液压加载系统；温度模拟箱内还设置有温度循环控制系统，其中温度循环控制系统包括
硅油高低温循环装置、电加热装置、
压缩机和温度
传感器，硅油高低温循环装置与电加热装置、压缩机和温度传感器相连，压缩机、电加热装置和温度传感器均与设置在温度模拟箱外部的PLC相连，PLC连接有计算机。
[0013] 所述液压加载系统包括
活塞杆和能够水平移动的加载油缸，加载油缸与
活塞杆相连，并且活塞杆竖直设置，活塞杆的下端设置有
压力传感器，压力传感器的下端设置有铰支轮轴，铰支轮轴上设置有用于对沥青混合料试样加载的加载轮。
[0014] 所述液压加载系统还包括驱动
电机，
驱动电机的
输出轴与铰支轮轴连接。
[0015] 所述温度模拟箱内设置有用于液压加载系统水平移动的轨道，加载油缸设置在
导轨上。
[0016] 所述底座为
拉拔式底座；加载台上开设有圆形孔，圆形孔内设置有应变传感器。
[0017] 所述圆形孔的直径为50mm。
[0018] 所述应变传感器设置在沥青混合料试样底部中心
位置。
[0019] 所述温度传感器为热敏
电阻温度传感器。
[0020] 所述电加热装置通过第一继电器与PLC相连，压缩机通过第二继电器与PLC相连，温度传感器通过A/D转换机与PLC相连。
[0021] 所述温度模拟箱一侧下方设置进气
风扇，另一侧下方设置排气风扇；所述温度模拟箱内两侧设置有加热灯。
[0022] 所述的加热灯通过
螺栓对称固定在模拟箱内两侧，并且加热灯为氙灯、
卤素灯、镝灯、碘钨灯中的一种。
[0023] 与
现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明是一种可程式沥青混合料室内模拟疲劳试验装置，通过设置温度模拟箱，温度模拟箱上方是温度循环控制系统，温度模拟箱内设置有用于对沥青混合料试样17进行加载的液压加载系统，温度模拟箱底部的支座上设置有温度传感器，温度模拟箱外设置有可编程逻辑
控制器PLC和计算机，温度循环控制系统位于模拟箱内的顶部，该温度循环控制系统用于加热和冷却硅油循环
温度控制系统来控
制模拟箱内温度，使模拟箱可以实现特定地区温度变化特点和趋势，这样可以模拟真实路面结构温度随时间变化引起的温度应力。由于敞口隔热保温水槽底部可以注入一定体积的蒸馏水，并使试件模具底部恰好与水
接触或少量进入水中但试件不与水接触。由于蒸馏水和沥青混合料试件相比
比热容较大而且又在试件的下方，所以下部的温度变化有一定的滞后性，并且温度变化幅度也比试件表面要小，所以这样可以模拟真实路面结构温度在空间分布差异引起的温度应力。硅油加热循环装置通过液体循环装置与电加热装置和
制冷压缩机相连接，通过可编程逻辑控制器来控制对硅油循环温度调节系统实现对给定温度场的模拟。
[0024] 液压加载系统可以随着下部的加载轮移动在导轨上移动，并且可以根据设定荷载大小施加压力，可以在室内模拟超载等因素对路面寿命的影响。本发明中温度模拟箱控温幅度为-20℃～60℃并且可精确至0.1℃，可以满足大部分地区公路工程实际的要求。
[0025] 本发明的可程式沥青混合料室内模拟疲劳试验装置的电加热装置可以实现模拟不同地区温度场随时间的变化，不仅可以实现模拟高温恶劣环境也可利用制冷压缩机和硅油温度循环控制系统模拟低温恶劣环境；试件底座固定装置设置敞口保温隔热水槽实现了对路面结构温度梯度的模拟，将真实路面结构中温度场随空间的变化在室内模拟出来，充分考虑了温度荷载对路面结构寿命和性能的影响；液压加载系统可以精准控制实验轮对试件施加的荷载，同时可以模拟不同轴载对路面结构的影响，实现在室内模拟超载超重等现象对沥青路面寿命和性能的影响。
[0026] 进一步的，模拟箱两侧设置有加热灯，加热灯功率可调，可以模拟不同地区的太阳光照强度；
[0027] 进一步的，第一继电器、第二继电器和驱动电机通过
导线与可编程逻辑控制器连接，可编程逻辑控制器通过导线与计算机连接。
附图说明
[0028] 图1是可程式沥青混合料室内模拟疲劳试验装置的结构示意图。
[0029] 图2是循环加热装置连接示意图。
[0030] 图中，1为温度模拟箱、2为
热敏电阻温度传感器、3为A/D转换机、4为电加热装置、5为第一继电器、6为压缩机、7为第二继电器、8为硅油高低温循环装置、9为PLC、10为导轨、11为液压油缸、12为驱动电机、13为压力传感器、14为铰支轮轴、15为加载轮、16为加载台、17为沥青混合料试件、18为应变传感器、19为底座、20为敞口保温隔热水槽、21为排水口、22为日光灯、23为进气风扇、24为排气风扇、25为计算机。
具体实施方式
[0031] 下面结合附图和
实施例对本发明作进一步描述，但本发明不局限于下述的实施方式。
[0032] 参见图1和图2，本发明的可程式沥青混合料室内模拟疲劳试验装置包括温度模拟箱1、热敏电阻温度传感器2、A/D转换机3、电加热装置4、第一继电器5、压缩机6、第二继电器7、硅油高低温循环装置8、PLC 9、导轨10、液压油缸11、驱动电机12、压力传感器13、铰支轮轴14、加载轮15、加载台16、沥青混合料试件17、应变传感器18、底座19、敞口保温隔热水槽
20、排水口21、日光灯22、进气风扇23、排气风扇24以及计算机25。
[0033] 具体的，在温度模拟箱1底部设置底座19，底座19为拉拔式底座，底座19上固定敞口保温隔热水槽20，敞口保温隔热水槽20一侧设置排水口21，敞口保温隔热水槽20上设置加载台16，加载台16上放置沥青混合料试件17，加载台16中间设置有直径为50mm的圆形孔，该圆形孔用于加载时在沥青混合料试件17底部安装应变传感器18，并且应变传感器18设置在沥青混合料试件17底部中心位置，避免了应变传感器18在测量沥青混合料试件17底面中心处应变时受到其他因素的影响，温度模拟箱1两侧设置用于液压加载系统水平移动的导轨10，其中，液压加载系统包括活塞杆和能够水平移动的加载油缸11，加载油缸11与活塞杆相连，并且活塞杆竖直设置，液压加载系统的加载油缸11用螺栓连接固定在导轨10上，液压加载系统可沿着导轨10做水平往复加载运动，液压加载系统的活塞杆下端固定连接有压力传感器13，压力传感器13下端用螺旋
垫片固定连接有铰支轮轴14，铰支轮轴14上连接有用于对沥青混合料试样17加载的加载轮15，铰支轮轴14一侧用螺栓固定安装有驱动电机12，驱动电机12的输出轴与铰支轮轴14连接。温度模拟箱1内上部设置电加热装置4和压缩机6，压缩机6设置在电加热装置4下方，电加热装置4通过第一继电器5和PLC 9连接，压缩机6通过第二继电器7和PLC 9连接，硅油高低温循环装置8通过管道对温度模拟箱1实现温度控制，温度模拟箱1一侧下方设置进气风扇23，另一侧下方设置排气风扇24，并且温度模拟箱内1两侧设置日光灯22，所述的加热灯22通过螺栓对称固定在模拟箱内两侧，并且加热灯22为氙灯、卤素灯、镝灯、碘钨灯中的一种。设置在温度模拟箱1内的温度传感器2通过A/D转换机3与PLC 9连接，所述温度传感器2为光敏电阻温度传感器；温度传感器2将接收到的温度
信号转化为
电压信号，A/D转换机3将输入的电压信号转化为PLC 9可识别的
数字量，然后PLC 9将系统设定的温度值与反馈回来的温度值进行比较处理后，给第一继电器5和第二继电器7输入端一个
控制信号控制输出端导通与否，第一继电器5和第二继电器7分别控制电加热装置4和压缩机6工作，以实现温度模拟箱1内温度的调节。PLC 9通过数据
连接线与计算机25连接。
[0034] 本发明的工作过程为：实验过程中，打开拉拔式底座19，将沥青混合料试件17通过螺栓固定在敞口隔热水槽20上方的加载台16上，将拉拔式底座19推入温度模拟箱1中，使日光灯22保持恒定
光源照明，进气风扇23和排气风扇24运行保持温度模拟箱1内部空气流通。计算机25根据设定温度起点连通PLC 9，控制温度模拟箱1加热或冷却到
指定温度，在恒定温度下保持2h使沥青混合料试件17和温度模拟箱1内温度稳定在起点温度后，设定液压加载系统参数，使加载轮15下降到与沥青混合料试件17精密接触并以设定压力对其加载，设定驱动电，12的驱动速度，使加载轮15以设定速度在沥青混合料试17件表面做往返运动。计算机25根据设定好的温度数据曲线，通过PLC 9给第一继电器5和第二继电器7输入端一个控制信号控制输出端导通与否，第一继电器5和第二继电器7分别控制电加热装置4和压缩机6工作，实现温度模拟箱1内温度的调节。模拟箱内的温度传感器2将温度模拟箱1内的温度变化信号转化为电压信号，A/D转换机3将输入的电压信号转化为PLC 9可识别的数字量，然后PLC 9将系统设定的温度值与反馈回来的温度值进行比较处理后，给第一继电器5和第二继电器7输入端一个控制信号控制输出端导通与否，第一继电器5和第二继电器7分别控制电加热装置4和压缩机6工作实现温度模拟箱1内温度的调节。计算机25根据沥青混合料试件17底部中心处的应变传感器18和液压油缸11的活塞杆下端固定连接的压力传感器13绘制应力应变曲线，根据加载过程中沥青混合料试件的应变变化曲线分析沥青混合料试件的疲劳性能衰减过程。
[0035] 本发明中的电加热装置可以使得装置内部不同位置的温度变化更加均匀，并且能够精准模拟设计沥青混凝土路面所在地区的太阳光照以及路面温度随时间和空间变化对沥青路面温度的影响，提高实验模拟真实温度环境准确程度。其加载装置并且可以调整实验轮往返行走速度以及实验轮对试件的压强以模拟车辆荷载对沥青路面的损害作用。
