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.吉林省交通規劃設計院，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.吉林省交通規劃設計院，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。

路面；半剛性基層材料；凍融試驗機

水泥穩定類、石灰穩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用，但是半剛性基層抗凍性較差，在寒冷地區應用時容易在凍融作用下產生破壞。所以，對于處于寒冷地區的公路工程來說，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定的冷凍溫度，甚至試件無法凍透，得到的試驗結果準確性很難保證。另外在凍融循環試驗過程中，每次凍結結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，解決了常規試驗的問題，實現了試驗過程自動化，能夠快速獲得精確的試驗結果，為評價半剛性基層材料的抗凍性提供了依據。

1 設計思路

試驗機的設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，可以自行設定凍結溫度、融化溫度、恒定溫度、凍結時間、融化時間、恒溫時間、凍融循環次數等試驗參數，能夠實現凍融自動轉換、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數、溫度、凍融狀態，還能夠形成溫度時間曲線，并帶有數據以常用文件格式導出的功能。試驗儀應具有操作簡單、運行穩定、精確度高的特點。

2 試驗機構造及原理

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

（1）制冷系統：也就是凍結過程需要的冷源，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：需要將水加熱至恒溫，以融化試件。

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

（4）自動注水系統：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：可用于控制儀器的運行，還可以實現運行狀態觀察和數據的實時采集。

試驗機的工作原理為：凍融循環試驗開始后，首先啟動凍結程序，通過埋設于試件箱內的蒸發器制冷至溫度下降到設定溫度，之后啟動融解程序，恒溫水槽中的水自動循環注入試件箱，使試件在水中融解至設定時間后，水自動由試件箱排出，完成一個凍融循環，反復至設定循環次數，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果

為驗證設計方案，測試設備運行的可靠性，我們利用所研制的設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，試件箱內兩個對角線處溫度下降較快，這是由于蒸發器埋設在試件箱四個側壁內，降溫始于四周，中間開始降溫時間要落后于外圍。總體上，試件箱內溫度從10℃下降到-20℃在100min內已經完成，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，降溫速度穩定，驗證了設計的高精度控溫方案。

圖2 凍融循環驗證試驗時間——溫度曲線

4 凍融試驗機的應用

應用研制的凍融試驗機進行了石灰粉煤灰穩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，結合料:集料為25:75是嵌擠骨架密實型，20:80是連續級配密實型。按照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》（JTG E51-2009）的規定，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，結果見表1，試驗結果滿足規范要求。

標準養生180d后，經過10次循環，抗凍性試驗結果見表2。

表2 二灰碎石各凍融循環次數抗凍性試驗結果

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

5 結語

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用。凍融試驗機的研制，實現了試驗自動化，使半剛性基層抗凍試驗結果更精確，填補了該方面國內空白，為評價半剛性基層材料抗凍性提供了依據。

[1]公路工程無機結合料穩定材料試驗規程.（JTG E51—2009）[S].

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

[3]陳志國，曹春梅，任宏賀，張士祥.公路二灰穩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