高速鐵路瀝青砼強化基床表層模型試驗溫度場模擬

劉 鋼，羅 強，孟偉超

（西南交通大學 高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031）

環境溫度變化對瀝青混凝土、凍土等工程材料力學性能的影響往往不可忽略。比如：瀝青混凝土路面在低溫環境下容易開裂[1]，高溫環境下容易出現車轍[2]等危害；在季節性凍土地區，凍融循環引起混凝土 材 料 性 能 的 劣 化[3]、發 生 路 基 融 沉 變 形[4－5]、邊坡失穩[6]等工程問題。近年來，隨著高速鐵路在國內的大量興建，瀝青混凝土強化基床表層這一新型基床結構的相關研究逐步開展[7－8]，開展室內模型試驗是檢驗其在不同的溫度、荷載等因素影響下的力學性能，能否滿足要求的直接手段之一[9]。然而，如何在室內實現不同季節條件下溫度場的模擬是試驗開展的前提。

室內模型試驗中的溫度控制一般所需時間不長，且大多為一次性使用。所以，溫度控制系統應具有安裝簡單、造價合理、易于控制等特點。采用制冷／制熱、智能電控以及傳感器等設備，自行研制了一套模型試驗環境溫度控制系統，并應用于高速鐵路瀝青混凝土強化基床表層的室內動態模型試驗的溫度場模擬中。

1 試驗概況

圖1為瀝青混凝土強化基床表層模型試驗剖面圖，模型的平面尺寸150cm×150cm，高度為100cm，由88cm級配碎石和12cm的瀝青混凝土結構層組成，直徑為50cm加載板置于模型中心處。試驗要求模擬冬季低溫和夏季高溫環境下瀝青混凝土在循環荷載作用下的力學響應。在一般地區，冬季地表溫度在0℃左右，夏季地表最高溫度在50～60℃之間。因而，本次試驗控制低溫和高溫試驗環境分別要求瀝青混凝土表層溫度低于0℃和高于50℃。

試驗中在瀝青混凝土表面正上方設置保溫罩，保溫罩與瀝青混凝土表面構成封閉空間，密閉空間的體積約為0.4m3，通過控制密閉空間內溫度從而實現瀝青結構層溫度的變化。

圖1 模型試驗剖面圖（單位：cm）

2 溫控系統組成與工作原理

圖2為低溫試驗環境控制系統組成及工作原理示意圖，主要部件包括：制冷外機、制冷內機、電控單元、溫度傳感器、回風罩和回風管道等。其中，制冷外機和制冷內機可分別由壓縮機和熱交換機組成[10]，也可由家用掛式空調的外機和內機經過系統改裝替代（通過改變電路連接，使得外機中壓縮機不受內機原有的系統設置控制，壓縮機可持續工作）。電控單元主要由溫控儀和繼電器組成。回風罩、回風管道以及保溫罩均由保溫材料加工構成。

工作原理：制冷外機中的壓縮機工作，冷氣由制冷內機中經進風口進入所需降溫的空間內，在另一側設置回風口，冷空氣通過回風管道進入制冷內機的吸氣口，溫度傳感器與電控單元中的溫控儀連接，制冷外機供電電源與電控單元中的繼電器連接。當空間內的溫度高于設定溫度上限時，通過繼電器控制制冷外機，使其開始工作；當溫度低于設定溫度下限時，制冷外機停止工作，從而保證空間內溫度在穩定的范圍內波動。

圖3為高溫試驗控制系統組成及工作示意圖，直接通過加熱設備進行空間內加熱、實現密閉空間內溫度升高。加熱設備同樣與電控單元連接，其控制原理與降溫過程基本一致，只需修改電控單元中的設置，使空間內的環境溫度低于設定溫度值下限時，加熱設備開始工作，當環境溫度高于設定溫度上限時，加熱設備停止工作。

圖2 低溫試驗控制系統組成及工作原理示意圖

圖3 高溫試驗控制系統組成及工作原理示意圖

根據圖2所示的低溫試驗系統組成制作的試驗系統裝置實物如圖4所示。制冷外機和制冷內機由額定功率為1.103kW（1.5匹）的掛壁式空調改裝而成，回風罩采用2cm厚的保溫錫箔復合板根據空調內機的尺寸加工而成，其內壁與空調內機側壁緊貼，接縫處采用錫箔膠密封。為保證回風量，采用4根內徑為10 cm的保溫風管。對于高溫試驗環境控制系統，則是在低溫試驗系統基礎上拆除制冷系統和回風管道，在距中心點75cm的對角線布置4個功率為500W的陶瓷加熱器[11]，如圖5所示，并在加熱器旁設置微型風扇，用于促進密閉空間內空氣流動，有利于熱能的均勻擴散。加熱器與電控單元連接，然后對保溫罩的進風口和回風口進行密封。需要特別指出的是，保溫罩需要具有較好的保溫性能。本次試驗保溫罩所用材料從里至外依次由陶瓷纖維紙、保溫擠塑板、膠合板以及陶瓷纖維紙組成，厚度分別為0.5、2、1.5、0.5cm，如圖6所示。

圖4 低溫試驗控制系統實物圖

圖5 溫度傳感器及加熱器在模型中的布設位置圖

圖6 保溫罩材料

為監測瀝青混凝土結構層溫度的變化以及檢驗該系統的效果，在模型試驗中布設13支溫度傳感器，采用多通道溫度巡檢儀進行溫度測試[12]。在模型外布設2支溫度傳感器（T12、T13）用于測試試驗過程中保溫罩外空氣溫度的變化；在距瀝青混凝土表面10cm布設1支溫度傳感器（T11），用于測試保溫罩內的空氣溫度；在瀝青混凝土表層布設4支溫度傳感器，其中T7、T8距中心點的距離為30cm，T9、T10距離中心點的距離為60cm；瀝青混凝土底層相同平面位置布設溫度傳感器T3、T4和T5、T6；在中心位置布設溫度傳感器T1、T2[13]。溫度傳感器T1～T10用以測試瀝青混凝土結構層溫度受空間內環境溫度變化的影響。

3 試驗結果分析

3.1 低溫試驗環境

在低溫試驗中，溫控儀設定的溫度變化范圍為－3℃～0℃，即空間內溫度高于0℃時，制冷系統開始工作，溫度低于－3℃時，制冷系統停止工作。圖7為試驗過程中保溫罩外和保溫罩內空氣溫度隨時間的變化曲線。從T11的變化曲線可以看出，制冷系統大約工作2h后，保溫罩內空氣溫度從12.3℃降低到0.3℃，隨后的25h試驗過程中，溫度在－4.5～0.3℃之間波動，平均溫度為－2.3℃，基本實現了空間范圍內溫度的預期控制目標。由于模型試驗在室內開展，從T12和T13的溫度變化曲線可以看出，保溫罩外空氣溫度并無太大的波動。

圖7 保溫罩內外空氣溫度隨時間的變化

圖8和圖9分別為瀝青混凝土表層和底層溫度隨時間的變化。歷時約8h后，瀝青混凝土表層溫度從12℃左右降至0℃左右，隨后溫度下降趨勢趨緩，4支溫度傳感器的平均溫度為－1.0℃，距離中心位置30 cm處（T7、T8）的降溫速度較60cm （T9、T10）處高，平均溫度差值約2.40℃，這與制冷內機進風口的設置有關（進風口距離瀝青表面的距離約為12cm，冷風首先到達溫度傳感器T7和T8所在位置）。相對瀝青混凝土表層，底層溫度變化沒有較為明顯的拐點，離試驗結束前6h（加載過程）的平均溫度為3.8℃，表層與底層的溫度差約為4.8℃，滿足試驗過程中對瀝青混凝土結構低溫試驗環境的溫度控制的要求。

3.2 高溫試驗環境

在高溫控制中，溫控儀設定的溫度變化范圍為60～64℃，與制冷系統相反，當保溫罩空間內溫度低于60℃時，制熱系統開始工作，溫度高于64℃時，制熱系統停止工作。圖10為試驗過程中室內溫度、保溫罩外和保溫罩內溫度隨時間的變化曲線，從T11的變化曲線可以看出，在制熱系統開始工作的初始4h內，保溫罩內溫度劇烈變化，從13.0℃迅速升高到60.9℃。隨后的33h內，保溫罩內的溫度基本保持穩定，在60.4～65.1℃之間波動，平均溫度為62.6℃，基本實現了空間內溫度的預期控制目標。T12和T13所測試的保溫罩外空氣溫度基本保持平穩。

圖8 瀝青混凝土表層溫度隨時間的變化曲線

圖9 瀝青混凝土底層溫度隨時間的變化曲線

圖10 保溫罩內外溫度隨時間的變化

圖11和圖12分別為瀝青混凝土表層和底層溫度隨時間的變化。歷時約10h后，瀝青混凝土表層平均溫度從9.5℃左右升高至45℃左右，隨后溫度升高趨勢逐漸趨緩，4支溫度傳感器的平均溫度為52.9℃，由于加熱器位置布置原因（見圖5），T10位置處溫度上升較快，T9次之，而T7和T8位置處的溫度基本相同。相對瀝青混凝土表層，底層溫度變化沒有較為明顯的拐點，呈一致上升趨勢，但溫度升高的速率逐漸減緩，距試驗結束前6h（加載時間內）的平均溫度為41.2℃，表層與底層的溫度差約為14.5℃，滿足試驗過程中對瀝青混凝土結構高溫試驗環境的溫度控制的要求。

圖11 瀝青混凝土表層溫度隨時間的變化曲線

圖12 瀝青混凝土底層溫度隨時間的變化曲線

從試驗結果可以看出，不管是低溫試驗，還是高溫試驗，該溫度控制系統均能有效地將試驗溫度控制在預定的范圍內，通過溫度的改變，實現了瀝青混凝土結構層的溫度場的模擬。

4 結論

（1）采用制冷／制熱設備、智能電控、保溫罩以及溫度傳感器等部件，自行研制組裝了一套試驗環境溫度控制系統。該系統具有組成構件易于獲取、造價合理、安裝簡單、易控制等優點，適用于模型試驗環境溫度控制。

（2）該溫度控制系統應用于高速鐵路瀝青混凝土強化基床表層室內模型試驗，驗證了其有效性與穩定性。在經過初始階段空氣溫度的快速變化后，隨后的試驗過程中均能將保溫罩內空氣溫度穩定地控制在預定范圍內。在低溫試驗中，保溫罩內的空氣溫度在－4.5～0.3℃之間波動，平均溫度為－2.3℃；在高溫試驗中，保溫罩內的空氣溫度在60.4～65.1℃之間波動，平均溫度為62.6℃，基本實現了低溫試驗環境0～－3℃和高溫試驗環境60～64℃的預定控制目標，實現了瀝青結構層溫度由表及里的改變，滿足了試驗控制要求。

（3）該溫度控制系統中，保溫罩良好的隔熱保溫性能是保證體積僅為0.4m3密閉空間內空氣溫度保持穩定的重要因素。另外，低溫試驗控制系統中回風管與回風罩的設置提高了制冷內機的制冷效率。

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