路面半剛性基層材料凍融試驗機的研究

曹春梅，陳志國，曹喜軍

(1.吉林省交通科學研究所，吉林 長春 130012；2.吉林省交通規(guī)劃設(shè)計院，吉林 長春 130000）

路面半剛性基層材料凍融試驗機的研究

曹春梅1，陳志國1，曹喜軍2

(1.吉林省交通科學研究所，吉林 長春 130012；2.吉林省交通規(guī)劃設(shè)計院，吉林 長春 130000）

為改進原有路面半剛性基層材料抗凍性試驗方法的不足，研制了路面半剛性基層凍融試驗機，在試驗精度和自動化方面取得了突破，解決了試驗結(jié)果準確性差和試驗過程費時費力的問題，可為評價半剛性基層材料的抗凍性提供依據(jù)。

路面；半剛性基層材料；凍融試驗機

水泥穩(wěn)定類、石灰穩(wěn)定類半剛性基層材料因其具有整體性強、承載力高等特點，在公路路面工程中廣泛應(yīng)用，但是半剛性基層抗凍性較差，在寒冷地區(qū)應(yīng)用時容易在凍融作用下產(chǎn)生破壞。所以，對于處于寒冷地區(qū)的公路工程來說，半剛性基層的抗凍性是重要性能指標。常規(guī)的抗凍試驗方法是采用冰箱或冰柜進行，由于不能精確控溫，往往達不到試驗中規(guī)定的冷凍溫度，甚至試件無法凍透，得到的試驗結(jié)果準確性很難保證。另外在凍融循環(huán)試驗過程中，每次凍結(jié)結(jié)束需要人工將試件放入水槽融化，融化后又需要人工將試件放入冰箱，耗時耗力。路面半剛性基層材料凍融試驗機的研發(fā)，解決了常規(guī)試驗的問題，實現(xiàn)了試驗過程自動化，能夠快速獲得精確的試驗結(jié)果，為評價半剛性基層材料的抗凍性提供了依據(jù)。

1 設(shè)計思路

試驗機的設(shè)計思路為采用氣凍水融的凍融方式，能夠容納至少1組φ150mm×150mm的半剛性基層材料試件，可以自行設(shè)定凍結(jié)溫度、融化溫度、恒定溫度、凍結(jié)時間、融化時間、恒溫時間、凍融循環(huán)次數(shù)等試驗參數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)凍融自動轉(zhuǎn)換、自動注水排水、自動補水，全過程通過計算機控制，并能在計算機中顯示目前的循環(huán)數(shù)、溫度、凍融狀態(tài)，還能夠形成溫度時間曲線，并帶有數(shù)據(jù)以常用文件格式導(dǎo)出的功能。試驗儀應(yīng)具有操作簡單、運行穩(wěn)定、精確度高的特點。

2 試驗機構(gòu)造及原理

根據(jù)以上設(shè)計思路進行了半剛性基層材料凍融試驗機的設(shè)計，如實現(xiàn)上述功能，儀器應(yīng)分為以下幾個部分（圖1）。

（1）制冷系統(tǒng)：也就是凍結(jié)過程需要的冷源，要求制冷效果從20℃下降到-16℃不超過90分鐘，下降到-33℃不超過150分鐘。

（2）加熱系統(tǒng)：需要將水加熱至恒溫，以融化試件。

（3）水循環(huán)系統(tǒng)：水不斷循環(huán)，使試件融化的水保持恒定溫度，這不僅是實現(xiàn)凍融轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵，也是縮短融化時間的有效手段。

（4）自動注水系統(tǒng)：是指儀器不需要人工補水，如果試件帶走了水分，使用于融化的水減少，只要儀器與自來水管相連，就可以自動補充。

（5）計算機控制系統(tǒng)：可用于控制儀器的運行，還可以實現(xiàn)運行狀態(tài)觀察和數(shù)據(jù)的實時采集。

試驗機的工作原理為：凍融循環(huán)試驗開始后，首先啟動凍結(jié)程序，通過埋設(shè)于試件箱內(nèi)的蒸發(fā)器制冷至溫度下降到設(shè)定溫度，之后啟動融解程序，恒溫水槽中的水自動循環(huán)注入試件箱，使試件在水中融解至設(shè)定時間后，水自動由試件箱排出，完成一個凍融循環(huán)，反復(fù)至設(shè)定循環(huán)次數(shù)，完成試驗。

圖1 路面半剛性基層材料凍融試驗機

3 試驗儀工作性能測試

表1 二灰碎石標準標準擊實及抗壓強度試驗結(jié)果

為驗證設(shè)計方案，測試設(shè)備運行的可靠性，我們利用所研制的設(shè)備對半剛性基層材料試件進行了降溫過程的測溫試驗，測試結(jié)果如圖2所示。

圖2是未放試件的凍融試驗機運行時試件箱內(nèi)兩個對角及中心位置降溫過程曲線，由圖可知，降溫一開始，試件箱內(nèi)兩個對角線處溫度下降較快，這是由于蒸發(fā)器埋設(shè)在試件箱四個側(cè)壁內(nèi)，降溫始于四周，中間開始降溫時間要落后于外圍?？傮w上，試件箱內(nèi)溫度從10℃下降到-20℃在100min內(nèi)已經(jīng)完成，降到-20℃以后，曲線斜率明顯變緩，這說明溫度越低降溫速度越慢，從10℃下降到-30℃的時間不超2.5h，降溫過程中對角線1、對角線2、中心溫度的最大溫度差為1.05℃，這完全可以滿足一般半剛性基層材料凍融試驗的溫度波動要求，三次降溫曲線基本一致，降溫速度穩(wěn)定，驗證了設(shè)計的高精度控溫方案。

圖2 凍融循環(huán)驗證試驗時間——溫度曲線

4 凍融試驗機的應(yīng)用

應(yīng)用研制的凍融試驗機進行了石灰粉煤灰穩(wěn)定碎石材料的抗凍性試驗。采用不同配合比成型了多組試件，結(jié)合料:集料為25:75是嵌擠骨架密實型，20:80是連續(xù)級配密實型。按照《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTG E51-2009）的規(guī)定，進行人工擊實試驗，確定最大干密度和最佳含水量，還進行了28d強度試驗，結(jié)果見表1，試驗結(jié)果滿足規(guī)范要求。

標準養(yǎng)生180d后，經(jīng)過10次循環(huán)，抗凍性試驗結(jié)果見表2。

表2 二灰碎石各凍融循環(huán)次數(shù)抗凍性試驗結(jié)果

《公路工程抗凍設(shè)計與施工技術(shù)指南》中半剛性基層的抗凍指標為中，重凍區(qū)180天齡期10次凍融循環(huán)殘留抗壓強度大于≥70%，輕凍區(qū)≥65%，根據(jù)表2的試驗結(jié)果，各組試件均滿足輕凍區(qū)抗凍要求，除O型級配，均滿足重凍區(qū)抗凍要求。

5 結(jié)語

本文研制了路面半剛性基層基層材料凍融試驗機，并進行了多種級配二灰碎石抗凍性試驗應(yīng)用。凍融試驗機的研制，實現(xiàn)了試驗自動化，使半剛性基層抗凍試驗結(jié)果更精確，填補了該方面國內(nèi)空白，為評價半剛性基層材料抗凍性提供了依據(jù)。

[1]公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程.（JTG E51—2009）[S].

[2]公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程.（JTG E30—2005）[S] .

[3]陳志國，曹春梅，任宏賀，張士祥.公路二灰穩(wěn)定類基層抗凍性能試驗研究.中國公路學會論文集.

U414

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1671-0711（2017）05（下）-0105-02