一种高聚物材料冻土路基的多功能试验装置

1.本实用新型涉及冻土路基测试的技术领域，特别涉及一种高聚物材料冻土路基的多功能试验装置。


背景技术：

2.路基在反复的冻结和融化作用下，土体中的颗粒之间的排布方式会发生变化，路基结构土体内部的力学性质将会发生变化，影响道路结构的承载能力，甚至可能导致道路结构发生破坏。虽然在冻土地区实际工程中针对融沉路基采用热棒、片石通风路基等措施进行防治，但是，通过现场调查发现，融沉病害防治效果欠佳。
3.非水反应高聚物材料具有良好的保温隔热防水特性，为多年或季节性冻土区道路结构的保温隔热、防融沉病害提供了基础。目前，对于非水反应高聚物材料在多年冻土路基的保温性能研究较少，同时对于冻融循环试验，目前试验装置和试验方法中并不能很好的实现温度在试件中的单向温度传递，不能实现实际道路工程中结构的竖向温度梯度分布的现象。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种高聚物材料冻土路基的多功能试验装置，以解决现有技术不能实现竖向温度梯度分布研究的问题。
5.为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种高聚物材料冻土路基的多功能试验装置，包括冻融循环实验室、荷载施加机构、试件容器、真空泵、水浴机构和分析机构；所述冻融循环实验室内部围纳的内部空间与所述试件容器围纳的内部空间导通；所述荷载施加机构隔断所述冻融循环实验室与所述试件容器的导通处，所述荷载施加机构用于对所述试件容器围纳的内部空间施加从上往下的压力；所述试件容器的顶部与所述冻融循环实验室的底部密封连接，所述试件容器用于装载形成试件，所述试件容器的腔壁内部中空形成储油腔；所述真空泵与所述储油腔连接导通，所述真空泵与所述储油腔连接的通路上设有排气阀；所述水浴机构与所述冻融循环实验室内部连通形成可开闭的第一冷源循环管路，所述水浴机构与所述储油腔连通形成可开闭的第二冷源循环管路，所述水浴机构用于输出冷源在所述第一冷源循环管路和所述第二冷源循环管路内流动、以及调控所述冷源的温度；所述分析机构用于检测分析所述试件容器内部的监测数据。
6.在其中一个实施例中，所述荷载施加机构包括液压泵、传力杆、底托、压盘和动力控制器，所述液压泵设于所述冻融循环实验室围纳的空间外，所述液压泵与所述传力杆连接，所述传力杆穿入所述冻融循环实验室围纳的空间内，所述传力杆的下端与所述底托连接，所述底托与所述压盘连接，所述压盘设于所述试件容器围纳的空间内，所述压盘隔断所述冻融循环实验室与所述试件容器的导通处，所述动力控制器用于驱动所述液压泵带动所述传力杆进行上下移动。
7.在其中一个实施例中，所述第一冷源循环管路包括第一进油冷凝管和第一出油冷
凝管；所述第二冷源循环管路包括第二进油冷凝管和第二出油冷凝管；所述水浴机构的一个输出端通过所述第一进油冷凝管与所述冻融循环实验室围纳的内部空间连接导通，所述第一进油冷凝管上设有第一进油阀；所述水浴机构的一个输入端通过所述第一出油冷凝管与所述冻融循环实验室围纳的内部空间连接导通，所述第一出油冷凝管上设有第一出油阀；所述水浴机构的另一个输出端通过所述第二进油冷凝管与所述储油腔的内部连接导通，所述第二进油冷凝管上设有第二进油阀；所述水浴机构的另一个输入端通过所述第二出油冷凝管与所述储油腔的内部连接导通，所述第二出油冷凝管上设有第二出油阀。
8.在其中一个实施例中，所述分析机构包括温度传感器、湿度传感器、压力传感器和分析仪，所述温度传感器和所述湿度传感器均设于所述试件容器围纳空间的内壁，所述压力传感器设于所述试件容器围纳空间的底部，所述分析仪用于收集分析所述温度传感器、所述湿度传感器和所述压力传感器监测的数据。
9.在其中一个实施例中，所述多功能试验装置还包括加载架，所述加载架围纳的空间内设有所述冻融循环实验室、所述试件容器和保温材料，所述保温材料包裹于所述冻融循环实验室外部。
10.在其中一个实施例中，所述保温材料为酚醛泡沫。
11.在其中一个实施例中，所述冻融循环实验室的底部设有多根锁紧螺栓，所述试件容器外壁设有多块耳板，多根所述锁紧螺栓分别穿过多块所述耳板并连接有锁紧螺母。
12.在其中一个实施例中，所述多功能实验装置还包括凹形密封圈和凸形密封圈，所述冻融循环实验室和所述试件容器中的一个设有所述凹形密封圈，所述冻融循环实验室和所述试件容器中的另一个所述凸形密封圈，所述凸形密封圈嵌入所述凹形密封圈内。
13.在其中一个实施例中，所述多功能试验装置还包括调平机构，所述调平机构包括水平顶板、水平底板、圆水准器、微调螺杆和微调螺母，所述水平顶板设于所述水平底板的上方，所述水平顶板上设有所述试件容器和所述圆水准器，所述水平底板上设有多根所述微调螺杆，多根所述微调螺杆呈竖向设置，多根所述微调螺杆均穿过所述水平顶板，多根所述微调螺杆上均螺纹连接有所述微调螺母，多个所述微调螺母均与所述水平顶板的底面抵接。
14.本实用新型的有益效果如下：
15.由于所述水浴机构与所述冻融循环实验室内部连通形成可开闭的第一冷源循环管路，所述水浴机构与所述储油腔连通形成可开闭的第二冷源循环管路，所述真空泵与所述储油腔连接导通，所述真空泵与所述储油腔连接的通路上设有排气阀，所以当控制第一冷源循环管路导通、控制第二冷源循环管路关闭后，则可利用真空泵对储油腔进行抽真空处理，从而隔绝试件容器与周侧的热传递，确保试件容器内试件只会在竖直方向产生热传递，即切实解决了现有技术不能实现竖向温度梯度分布研究的问题。
附图说明
16.为了更清楚地说明本实用新型的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1是本实用新型实施例提供的结构示意图；
18.图2是图1的a部分放大结构示意图；
19.图3是图1的荷载施加机构结构示意图；
20.图4是图1的试件容器放大结构示意图。
21.附图标记如下：
22.10、冻融循环实验室；11、锁紧螺栓；12、锁紧螺母；13、凹形密封圈；
23.20、荷载施加机构；21、液压泵；22、传力杆；23、底托；24、压盘；25、动力控制器；
24.30、试件容器；31、储油腔；32、耳板；33、凸形密封圈；
25.40、真空泵；41、排气阀；
26.50、水浴机构；51、第一冷源循环管路；52、第二冷源循环管路；531、第一进油冷凝管；532、第二进油冷凝管；541、第一出油冷凝管；542、第二出油冷凝管；551、第一进油阀；552、第二进油阀；561、第一出油阀；562、第二出油阀；
27.60、分析机构；61、温度传感器；62、湿度传感器；63、压力传感器；64、分析仪；
28.70、加载架；71、保温材料；
29.80、调平机构；81、水平顶板；82、水平底板；83、圆水准器；84、微调螺杆；85、微调螺母；86、管水准器；87、底座。
具体实施方式
30.下面将结合本实用新型实施方式中的附图，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。
31.本实用新型提供了一种高聚物材料冻土路基的多功能试验装置，其实施例如图1和图4所示，包括冻融循环实验室10、荷载施加机构20、试件容器30、真空泵40、水浴机构50和分析机构60；冻融循环实验室10内部围纳的内部空间与试件容器30围纳的内部空间导通；荷载施加机构20隔断冻融循环实验室10与试件容器30的导通处，荷载施加机构20用于对试件容器30围纳的内部空间施加从上往下的压力；试件容器30的顶部与冻融循环实验室10的底部密封连接，试件容器30用于装载形成试件，试件容器30的腔壁内部中空形成储油腔31；真空泵40与储油腔31连接导通，真空泵40与储油腔31连接的通路上设有排气阀41；水浴机构50与冻融循环实验室10内部连通形成可开闭的第一冷源循环管路51，水浴机构50与储油腔31连通形成可开闭的第二冷源循环管路52，水浴机构50用于输出冷源在第一冷源循环管路51和第二冷源循环管路52内流动、以及调控冷源的温度；分析机构60用于检测分析试件容器30内部的监测数据。
32.在进行应用时，若第一冷源循环管路51和第二冷源循环管路52均处于导通状态，则可利用第一冷源循环管路51对冻融循环实验室10输送冷源，以实现试件的竖向温度调控，并可利用第二冷源循环管路52对储油腔31输送冷源，以实现试件的周侧温度调控；而且此实施例还可单独控制第一冷源循环管路51导通，控制第二冷源循环管路52关断，此时试件将仅会在竖向形成温度梯度，即切实解决了现有技术不能实现竖向温度梯度分布研究的问题。
33.如图1和图3所示，荷载施加机构20包括液压泵21、传力杆22、底托23、压盘24和动力控制器25，液压泵21设于冻融循环实验室10围纳的空间外，液压泵21与传力杆22连接，传
力杆22穿入冻融循环实验室10围纳的空间内，传力杆22的下端与底托23连接，底托23与压盘24连接，压盘24设于试件容器30围纳的空间内，压盘24隔断冻融循环实验室10与试件容器30的导通处，动力控制器25用于驱动液压泵21带动传力杆22进行上下移动。
34.在进行应用时，动力控制器25可以控制液压泵21的内部液压变化，液压泵21的液压变化将可驱动传力杆22进行上下移动，而传力杆22的下移将可驱动底托23和压盘24实现同步下移，从而实现了竖直方向荷载大小的调控；其中，压盘24还同时实现冻融循环实验室10与试件容器30之间的隔断，以保持两者之间的相对密封性。
35.如图1和图4所示，第一冷源循环管路51包括第一进油冷凝管531和第一出油冷凝管541；第二冷源循环管路52包括第二进油冷凝管532和第二出油冷凝管542；水浴机构50的一个输出端通过第一进油冷凝管531与冻融循环实验室10围纳的内部空间连接导通，第一进油冷凝管531上设有第一进油阀551；水浴机构50的一个输入端通过第一出油冷凝管541与冻融循环实验室10围纳的内部空间连接导通，第一出油冷凝管541上设有第一出油阀561；水浴机构50的另一个输出端通过第二进油冷凝管532与储油腔31的内部连接导通，第二进油冷凝管532上设有第二进油阀552；水浴机构50的另一个输入端通过第二出油冷凝管542与储油腔31的内部连接导通，第二出油冷凝管542上设有第二出油阀562。
36.在采用此设置方式后，若第一进油阀551和第一出油阀561均处于导通状态，则可实现第一冷源循环管路51的导通，若第一进油阀551和第一出油阀561均处于关断状态，则可实现第一冷源循环管路51的关断；同理，若第二进油阀552和第二出油阀562均处于导通状态，则可实现第二冷源循环管路52的导通，若第二进油阀552和第二出油阀562均处于关断状态，则可实现第二冷源循环管路52的关断。
37.如图1和图4所示，分析机构60包括温度传感器61、湿度传感器62、压力传感器63和分析仪64，温度传感器61和湿度传感器62均设于试件容器30围纳空间的内壁，压力传感器63设于试件容器30围纳空间的底部，分析仪64用于收集分析温度传感器61、湿度传感器62和压力传感器63监测的数据。
38.在设置温度传感器61、湿度传感器62和压力传感器63后，则可实现温度、湿度和压力的监测，从而满足各种实验对数据获取的需求。
39.如图1所示，多功能试验装置还包括加载架70，加载架70围纳的空间内设有冻融循环实验室10、试件容器30和保温材料71，保温材料71包裹于冻融循环实验室10外部。
40.在增设加载架70后，则可利用保温材料71对冻融循环实验室10进行保温，避免了温度的散失，从而使得实验的研究结果更为准确。
41.如图1所示，保温材料71为酚醛泡沫。
42.酚醛泡沫是一种新型难燃、防火低烟保温材料71，它是由酚醛树脂加入阻燃剂、抑烟剂、发泡剂、固化剂及其它助剂制成的闭孔硬质泡沫塑料。
43.它最突出的特点是难燃、低烟、抗高温歧变。它可以现场浇注发泡、可模制、也可机械加工，可制成板材、管壳及各种异型产品。它克服了原有泡沫塑料型保温材料易燃、多烟、遇热变形的缺点，保留了原有泡沫塑料型保温材料质轻、施工方便等特点。
44.酚醛泡沫原料来源丰富，价格低廉，而且生产加工简单，产品用途广泛。它适用于大型冷库、贮罐、船舶及各种保温管道和建筑业。如果用于防火要求严格的厂矿及机械设备，更能突出它难燃、低烟、抗高温歧变的特点。如：轮船、军舰、火车、装甲车的保温以及造
纸、化工、制药等方面。
45.如图1、图2和图4所示，冻融循环实验室10的底部设有多根锁紧螺栓11，试件容器30外壁设有多块耳板32，多根锁紧螺栓11分别穿过多块耳板32并连接有锁紧螺母12。
46.在采用此设置方式后，只要将锁紧螺母12拧紧，则可使得冻融循环实验室10与试件容器30的抵接更为紧密，从而加强了两者的连接密封性。
47.如图1、图2和图4所示，多功能实验装置还包括凹形密封圈13和凸形密封圈33，冻融循环实验室10和试件容器30中的一个设有凹形密封圈13，冻融循环实验室10和试件容器30中的另一个凸形密封圈33，凸形密封圈33嵌入凹形密封圈13内。
48.具体的，此实施例将凹形密封圈13设于冻融循环实验室10的底部，将凸形密封圈33设于试件容器30的顶部，所以在采用此设置方式后，凹形密封圈13和凸形密封圈33两者形状相互配合，从而加强了两者之间的连接密封性，使得冻融循环实验室10与试件容器30之间的密封性能得到进一步的提高。
49.如图1和图4所示，多功能试验装置还包括调平机构80，调平机构80包括水平顶板81、水平底板82、圆水准器83、微调螺杆84和微调螺母85，水平顶板81设于水平底板82的上方，水平顶板81上设有试件容器30和圆水准器83，水平底板82上设有多根微调螺杆84，多根微调螺杆84呈竖向设置，多根微调螺杆84均穿过水平顶板81，多根微调螺杆84上均螺纹连接有微调螺母85，多个微调螺母85均与水平顶板81的底面抵接。
50.在采用此设置方式后，由于微调螺杆84和微调螺母85分布于水平顶板81和水平底板82的各方，所以当出现倾斜状态的时候，则可通过拧动微调螺母85实现上下移动，水平顶板81的各处将跟随微调螺母85实现高度调节，而调节结果通过观察圆水准器83便可得知，从而实现了多功能试验装置的调平处理。
51.更具体的，下文提供了一个具体实验操作流程。
52.第一步：试件制备
53.根据冻土或季节性冻土区道面结构特征以及高聚物保温材料71进行缩比，在试件容器30中制作试件，在试件制作时注意保护温度传感器61和湿度传感器62，同时为了更详细掌握材料内部的温度和湿度变化，在试件内部也布设温度传感器和湿度传感器。
54.第二步：试件安装
55.将试件在试件容器30中制作完成后，在试件顶部依次放置压盘24和底托23。
56.(1)如图1所示，首先观察管水准器86气泡是否居中，若未居中，则先调节底座87的水平位置，使得管水准器86中气泡居中；
57.(2)将试件容器30放置在底座87的正中心，保证试件容器30与传力杆22、液压泵21在同一轴线上，同时多根锁紧螺栓11与多个耳板32对准安装。
58.(3)通过调节微调螺杆84和微调螺母85，使得试件容器30顶部的凸形密封圈33密贴冻融循环实验室10下部的凹形密封圈13。
59.(4)拧紧锁紧螺母12，保证试件容器30与冻融循环实验室10紧密接触，再对微调螺杆84和微调螺母85进行微调，保证水平顶板81上的圆水准器83气泡居中。
60.(5)将分析仪64与温度传感器61、湿度传感器62、压力传感器63的电缆连接好。
61.第三步(a)：单向热传递冻融试验
62.试件冻结
63.(1)首先进行试件冻结，此时关闭第一进油阀551、第一出油阀561和排气阀41，打开第二进油阀552和第二出油阀562，使得从水浴机构50出来的硅油通过第二进油冷凝管532、第二进油阀552进入到储油腔31里，当储油腔31填满后，再经由第二出油阀562、第二出油冷凝管542流回水浴机构50，从而形成循环，一直为试件容器30提供冷源，以实现试件容器30内部试件的冻结；待试件内部的温度传感器读数稳定时，冻结试验完成。
64.真空环境
65.(1)试件冻结结束后，打开水浴机构50回油控制，储油腔31内部硅油全部排出。
66.(2)当储油腔31内部硅油全部排出后，关闭第二进油阀552和第二出油阀562。
67.(3)打开排气阀41，外部采用真空泵40排出储油腔31内部空气，从而保证储油腔31内部处于真空状态。
68.(4)关闭排气阀41。
69.单向冻融循环
70.实际的工程中，对于道路结构，出现融沉病害主要是温度竖向传递，导致冻土上限不断下移，因此，采用单向冻融循环模拟实际环境。
71.(1)打开第一进油阀551和第一出油阀561，使得从水浴机构50出来的硅油通过第一进油冷凝管531、第一进油阀551进入到冻融循环实验室10内，再由第一出油阀561、第一出油冷凝管541流回水浴机构50。
72.(2)通过对水浴机构50设定冻融循环温度以及次数程序后，硅油经过水浴机构50进行升温和降温，然后经过第一进油冷凝管531和第一进油阀551进入冻融循环实验室10，再通过第一出油阀561、第一出油冷凝管541进入水浴机构50，以此循环，实现对试件冻融循环加载。
73.(3)当考虑外部荷载作用时，通过在荷载施加机构20中预设加载荷载形式和大小，通过液压泵21、传力杆22对试件材料进行竖向荷载加载。
74.(4)实时记录温度传感器61、湿度传感器62以及压力传感器63数据，每冻融循环一次记录试件的应变变化率，当试件变化率大于等于15％时停止试验。
75.第三步(b)：常规冻融试验
76.试件冻结
77.(1)首先进行试件冻结，此时打开第一进油阀551、第一出油阀561，使得从水浴机构50出来的硅油通过第一进油冷凝管531、第一进油阀551进入到冻融循环实验内里，再由第一出油阀561、第一出油冷凝管541流回水浴机构50。
78.(2)关闭试件容器30的排气阀41，打开第二进油阀552、第二出油阀562，使得从水浴机构50出来的硅油通过第一进油冷凝管531、第一进油阀551进入到储油腔31里，当储油腔31填满后，再由第二出油阀562、第二出油冷凝管542流回水浴机构50。
79.(3)通过水浴机构50一直为试件容器30以及冻融循环实验室10提供冷源，从而使得试件容器30内部试件顶部以及四周进行冻结，当试件内部的温度传感器读数稳定时，冻结试验完成。
80.多向冻融循环
81.当研究材料考虑多向温度传递时。
82.(1)打开第一进油阀551、第一出油阀561，使得从水浴机构50出来的硅油通过第一
进油冷凝管531、第一进油阀551进入到冻融循环实验室10内，再由第一出油阀561、第一出油冷凝管541流回水浴机构50；打开第一进油阀551、第一出油阀561，使得从水浴机构50出来的硅油通过第一进油冷凝管531、第一进油阀551进入到冻融循环实验室10内里，再由第一出油阀561、第一出油冷凝管541流回水浴机构50。
83.(2)当考虑的竖向温度与四周温度不一致时，则分别冻融循环实验室10和试件容器30设定不同的冻融循环温度。
84.(3)通过对水浴机构50设定冻融循环温度以及次数程序后，硅油经过水浴机构50进行升温或冷冻，经过第一进油冷凝管531和第一进油阀551进入冻融循环实验室10，然后再通过第一出油阀561、第一冷凝管，进入水浴机构50；同时，试件容器30储油腔31中的硅油经过水浴机构50进行升温或冷冻后，经过第一冷凝管和第一进油阀551进入冻融循环实验室10，然后再通过第一出油阀561、第一出油冷凝管541，进入水浴机构50。以此循环，实现对试件冻融循环加载。
85.(4)当考虑外部荷载作用时，通过在荷载施加机构20中预设加载荷载形式和大小，通过液压泵21、传力杆22对试件材料进行竖向荷载加载。
86.(5)实时记录温度传感器61、湿度传感器62以及压力传感器63数据，每冻融循环一次记录试件的应变变化率，当试件变化率大于等于15％时停止试验。
87.第四步：冻融效果评价
88.通过对有无高聚物保温隔热层的试件进行对照试验，对比分析在不同位置设置高聚物试件的位移变化曲线以及试件材料内部的温度、湿度传感器数据，得到冻融循环作用下的融沉值、湿度、温度变化曲线，从而得到高聚物保温隔热材料的最优方案。
89.以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。