何 淼，馬錫勇，姜軼輝

0 引言

由于我國疆域遼闊，氣象條件復雜且車輛超載屢禁不止，因此，許多高速公路在投入運營一、兩年后，甚至有時不到一年，瀝青路面就發(fā)生水損壞現(xiàn)象，因而瀝青路面需要維護或翻修重建[1]。然而，隨著社會的不斷進步，人們對于公路的行車安全性、舒適性、環(huán)保性等方面要求越來越高。瀝青路面水損壞不僅會增加養(yǎng)護費用，也會對公路的服務水平產生很大的影響，繼而造成社會的負面效應。瀝青路面水損壞問題的本質是瀝青與集料在靜、動水壓力作用下的持續(xù)粘附能力，其中動水壓力作用更為復雜多變同時會引起一系列損壞。水會通過裂縫、松散等病害處或者面層空隙下降、側向滲入、地下水位逐漸上升等多種途徑進入路面結構，在車輛荷載的反復作用下瀝青路面內部的水會產生動水壓力作用，使瀝青粘附性降低，喪失了與集料之間的粘結力，導致瀝青膜從集料表面脫落，造成瀝青路面的水損害[2]。雖然國內外道路工程界都認識到瀝青路面動水壓力水損害的嚴重性，并采用多種方法來評價瀝青混合料的水穩(wěn)定性，但工程上與水相關的瀝青路面病害仍不斷出現(xiàn)，現(xiàn)有的測試方法還不能有效地反映路面的實際情況和動水壓力水損害對瀝青混合料路用性能的影響程度及作用規(guī)律[3]。為此，需要對測試方法進一步深入研究。

本文通過設計瀝青路面動水壓力模擬試驗臺的配重部分，實現(xiàn)了單一設備對多種規(guī)格的汽車產生動水壓力損壞的模擬，且提供了一種在實驗室有效地模擬瀝青路面動水壓力對瀝青路面的水損害的測試方法，為研究瀝青混合料路用性能的后續(xù)實驗提供可靠試件。

1 動水壓力

自然降水通過路面的橫坡來排除，所以雨天的路表面常被一層水膜所覆蓋。當車輛在水膜覆蓋的路面上高速行駛時，輪胎與路面之間的水不斷地被高速運轉的輪胎所擠壓，因此產生了動水壓力[4]。流體的壓力同時作用于輪胎與路面，對于路面與輪胎相接觸的某一點而言，這種動水壓力是瞬時的，而對于車輛行駛的整條軌跡而言，動水壓力如同車輛荷載一樣是始終存在的。經學者研究，動水壓力除了與行車速度有關外，還與車輛軸載有著密切關系[5]。

2 試驗臺的結構與工作原理

該試驗臺結合實際工程問題考慮機器的可調速范圍、雨水模擬問題、接地壓強可變范圍、溫度可變范圍、實驗時間控制范圍、實驗中動水壓力大小的測量問題以及所需要的配套控制系統(tǒng)問題而設計。

2.1 試驗臺的結構

試驗臺主要由殼體、配重塊、豎直基準光桿、氣缸、滑塊、小滑塊、水平基準光桿、筋板、試驗輪、試驗輪連接軸、加熱和灑水臺、試樣臺、加熱裝置、灑水器、步進電機、曲柄連桿機構、控制機構、水箱組成。其結構如圖1所示[6]。

圖1 瀝青路面動水壓力模擬試驗臺裝配圖

2.2 工作過程

（1）首先，接通電源，調節(jié)氣缸使行駛輪系上移；

（2）將提前準備好的瀝青板材放置于試樣臺上，關閉殼體上的試樣門；

（3）根據(jù)后續(xù)實驗要求，選擇合適的配重塊，在控制部件上調節(jié)控制氣缸使氣缸不承受配重塊的重量，配重塊的重量通過豎直基準光桿完全作用在行駛輪系上；

（4）根據(jù)后續(xù)實驗要求在控制部件上預設定合適的步進電機的旋轉速度、加熱器加熱溫度、雨量大小、實驗時間，啟動電源鍵；

（5）系統(tǒng)開始工作，加熱器將加熱至指定溫度并在實驗過程中一直恒溫加熱使實驗環(huán)境一直處于設定溫度值，水箱將根據(jù)預設雨量大小，從外界蓄水至一定高度，通過水箱底部的軟管與噴水器相連，保證噴水器噴出預設雨量大小的水，并且在實驗中持續(xù)灑水，以模擬工程實際中的雨天；曲柄搖桿機構將步進電機的旋轉運動轉化成滑塊的往復直線運動，此時曲柄搖桿機構與滑塊構成一個曲柄滑塊機構，此機構使行駛輪系往復的碾壓在試件上，碾壓形成的動水壓力對瀝青試件進行破壞。

（6）當實驗時間到達設定的實驗時間后時間繼電器切斷電源，系統(tǒng)停止工作，實驗人員調整氣缸，使試驗輪系上升，得到破壞試件，取出并進行后續(xù)研究。

3 配重塊的設計

3.1 軸載選擇

軸載的大小是指汽車車軸支撐平面垂直載荷的大小，其直接影響汽車作用在路面上載荷的大小。在我國目前的交通量構成中，無論是在交通量統(tǒng)計資料還是工程可研報告所提供的交通量預測中，其車型一般分為大、中、小型車輛，參考多種車型的軸載設計大小，選取其中具有代表性的3個軸載大小作為本試驗臺的設計模擬軸載，分別為80 kN、100 kN、160 kN[7]。

3.2 配重塊設計

經測量在標準荷載下的輪印面積為1.11×10-3m2.相關研究表明，輪胎接地面積以及接地壓力隨軸載增加而加大，且兩者一起變化。由于國內缺乏相關研究成果，遂采用比利時的輪胎接地面積計算方法。該方法根據(jù)路上的實際調查得出以下統(tǒng)計公式[8]。

對于主要道路：

對于次要道路：

式中：A為輪胎接地面積（cm2）；P為每個輪胎的荷載（N）。

根據(jù)我國道路的實際情況，采用下式：

在此公式的基礎上，再假設輪載P均勻分布在接觸面的圓面積上，圓半徑為r，并求得接地壓力P：

類比輪印面積：

式中：S標為接地壓強為0.7 MPa時的單元接地面積，取352cm2.

式中：m為單輪配重重量（kg）；g為重力系數(shù)（取10 N/kg）

由于設計為雙輪則配重應為單輪配重重量的二倍。

根據(jù)上述公式計算結果如表1所示。

表1 軸載與配重重量換算表

經考量，選擇最廉價、最豐富的鐵作為配重材料，因為實驗條件比較潮濕且溫度比較高，為了避免鐵生銹采用給配重塊表面鍍一層鎂來防銹提高配重塊使用時間，查詢得鐵的密度ρ＝7.87×103kg/m3[9].

由下式：

式中：V 為配重塊體積（m3）

為與其他的零件相匹配其設計尺寸如表2所示。

表2 配重塊尺寸表

4 結束語

本文利用動水壓力產生的過程以及相似機械的結構，對動水壓力模擬實驗臺的配重部分進行設計計算，并輔助建模，驗證瀝青路面動水壓力發(fā)生系統(tǒng)配重部分結構尺寸及各參數(shù)的合理性，最后得到瀝青路面動水壓力模擬試驗臺配重部分的設計數(shù)據(jù)。

[1]潘寶峰，邵龍?zhí)叮?哲，等.瀝青路面水損害研究新方法[J].武漢理工大學學報（交通科學與工程版），2009，33（4）：250-252.

[2]祁文洋.水、動荷載耦合作用下瀝青路面損壞機理分析與設計[D].濟南：山東建筑大學，2011.

[3]王 莉，李 智，姜旺恒，等.新型瀝青路面動水壓力模擬試驗研究[J].公路交通科技（應用技術版），2010（9）：78-81.

[4]李少波，張宏超，孫立軍.動水壓力的形成和模擬測量[J].同濟大學學報（自然科學版），2007（7）：915-918.

[5]呂彭民，宋緒丁，鄭南翔．動水壓對開裂瀝青路面基層沖刷模擬試驗裝置及方法：中國，CNl00381818C[P]．2008-04-16．

[6]張偉社.機械原理教程[M].西安：西北工業(yè)大學出版社，2013.

[7]孫立軍.瀝青路面結構行為理論[M].北京：人民交通出版社，2005.

[8]濮良貴.機械設計[M].北京：高等教育出版社，2006.

[9]吳宗澤.機械設計課程設計手冊[M].北京：高等教育出版社，2012.