劉 鋼，羅 強(qiáng)，孟偉超

（西南交通大學(xué) 高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031）

環(huán)境溫度變化對(duì)瀝青混凝土、凍土等工程材料力學(xué)性能的影響往往不可忽略。比如：瀝青混凝土路面在低溫環(huán)境下容易開(kāi)裂[1]，高溫環(huán)境下容易出現(xiàn)車轍[2]等危害；在季節(jié)性凍土地區(qū)，凍融循環(huán)引起混凝土 材 料 性 能 的 劣 化[3]、發(fā) 生 路 基 融 沉 變 形[4－5]、邊坡失穩(wěn)[6]等工程問(wèn)題。近年來(lái)，隨著高速鐵路在國(guó)內(nèi)的大量興建，瀝青混凝土強(qiáng)化基床表層這一新型基床結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究逐步開(kāi)展[7－8]，開(kāi)展室內(nèi)模型試驗(yàn)是檢驗(yàn)其在不同的溫度、荷載等因素影響下的力學(xué)性能，能否滿足要求的直接手段之一[9]。然而，如何在室內(nèi)實(shí)現(xiàn)不同季節(jié)條件下溫度場(chǎng)的模擬是試驗(yàn)開(kāi)展的前提。

室內(nèi)模型試驗(yàn)中的溫度控制一般所需時(shí)間不長(zhǎng)，且大多為一次性使用。所以，溫度控制系統(tǒng)應(yīng)具有安裝簡(jiǎn)單、造價(jià)合理、易于控制等特點(diǎn)。采用制冷／制熱、智能電控以及傳感器等設(shè)備，自行研制了一套模型試驗(yàn)環(huán)境溫度控制系統(tǒng)，并應(yīng)用于高速鐵路瀝青混凝土強(qiáng)化基床表層的室內(nèi)動(dòng)態(tài)模型試驗(yàn)的溫度場(chǎng)模擬中。

1 試驗(yàn)概況

圖1為瀝青混凝土強(qiáng)化基床表層模型試驗(yàn)剖面圖，模型的平面尺寸150cm×150cm，高度為100cm，由88cm級(jí)配碎石和12cm的瀝青混凝土結(jié)構(gòu)層組成，直徑為50cm加載板置于模型中心處。試驗(yàn)要求模擬冬季低溫和夏季高溫環(huán)境下瀝青混凝土在循環(huán)荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)。在一般地區(qū)，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(yàn)控制低溫和高溫試驗(yàn)環(huán)境分別要求瀝青混凝土表層溫度低于0℃和高于50℃。

試驗(yàn)中在瀝青混凝土表面正上方設(shè)置保溫罩，保溫罩與瀝青混凝土表面構(gòu)成封閉空間，密閉空間的體積約為0.4m3，通過(guò)控制密閉空間內(nèi)溫度從而實(shí)現(xiàn)瀝青結(jié)構(gòu)層溫度的變化。

圖1 模型試驗(yàn)剖面圖（單位：cm）

2 溫控系統(tǒng)組成與工作原理

圖2為低溫試驗(yàn)環(huán)境控制系統(tǒng)組成及工作原理示意圖，主要部件包括：制冷外機(jī)、制冷內(nèi)機(jī)、電控單元、溫度傳感器、回風(fēng)罩和回風(fēng)管道等。其中，制冷外機(jī)和制冷內(nèi)機(jī)可分別由壓縮機(jī)和熱交換機(jī)組成[10]，也可由家用掛式空調(diào)的外機(jī)和內(nèi)機(jī)經(jīng)過(guò)系統(tǒng)改裝替代（通過(guò)改變電路連接，使得外機(jī)中壓縮機(jī)不受內(nèi)機(jī)原有的系統(tǒng)設(shè)置控制，壓縮機(jī)可持續(xù)工作）。電控單元主要由溫控儀和繼電器組成?；仫L(fēng)罩、回風(fēng)管道以及保溫罩均由保溫材料加工構(gòu)成。

工作原理：制冷外機(jī)中的壓縮機(jī)工作，冷氣由制冷內(nèi)機(jī)中經(jīng)進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入所需降溫的空間內(nèi)，在另一側(cè)設(shè)置回風(fēng)口，冷空氣通過(guò)回風(fēng)管道進(jìn)入制冷內(nèi)機(jī)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(jī)供電電源與電控單元中的繼電器連接。當(dāng)空間內(nèi)的溫度高于設(shè)定溫度上限時(shí)，通過(guò)繼電器控制制冷外機(jī)，使其開(kāi)始工作；當(dāng)溫度低于設(shè)定溫度下限時(shí)，制冷外機(jī)停止工作，從而保證空間內(nèi)溫度在穩(wěn)定的范圍內(nèi)波動(dòng)。

圖3為高溫試驗(yàn)控制系統(tǒng)組成及工作示意圖，直接通過(guò)加熱設(shè)備進(jìn)行空間內(nèi)加熱、實(shí)現(xiàn)密閉空間內(nèi)溫度升高。加熱設(shè)備同樣與電控單元連接，其控制原理與降溫過(guò)程基本一致，只需修改電控單元中的設(shè)置，使空間內(nèi)的環(huán)境溫度低于設(shè)定溫度值下限時(shí)，加熱設(shè)備開(kāi)始工作，當(dāng)環(huán)境溫度高于設(shè)定溫度上限時(shí)，加熱設(shè)備停止工作。

圖2 低溫試驗(yàn)控制系統(tǒng)組成及工作原理示意圖

圖3 高溫試驗(yàn)控制系統(tǒng)組成及工作原理示意圖

根據(jù)圖2所示的低溫試驗(yàn)系統(tǒng)組成制作的試驗(yàn)系統(tǒng)裝置實(shí)物如圖4所示。制冷外機(jī)和制冷內(nèi)機(jī)由額定功率為1.103kW（1.5匹）的掛壁式空調(diào)改裝而成，回風(fēng)罩采用2cm厚的保溫錫箔復(fù)合板根據(jù)空調(diào)內(nèi)機(jī)的尺寸加工而成，其內(nèi)壁與空調(diào)內(nèi)機(jī)側(cè)壁緊貼，接縫處采用錫箔膠密封。為保證回風(fēng)量，采用4根內(nèi)徑為10 cm的保溫風(fēng)管。對(duì)于高溫試驗(yàn)環(huán)境控制系統(tǒng)，則是在低溫試驗(yàn)系統(tǒng)基礎(chǔ)上拆除制冷系統(tǒng)和回風(fēng)管道，在距中心點(diǎn)75cm的對(duì)角線布置4個(gè)功率為500W的陶瓷加熱器[11]，如圖5所示，并在加熱器旁設(shè)置微型風(fēng)扇，用于促進(jìn)密閉空間內(nèi)空氣流動(dòng)，有利于熱能的均勻擴(kuò)散。加熱器與電控單元連接，然后對(duì)保溫罩的進(jìn)風(fēng)口和回風(fēng)口進(jìn)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(yàn)保溫罩所用材料從里至外依次由陶瓷纖維紙、保溫?cái)D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(yàn)控制系統(tǒng)實(shí)物圖

圖5 溫度傳感器及加熱器在模型中的布設(shè)位置圖

圖6 保溫罩材料

為監(jiān)測(cè)瀝青混凝土結(jié)構(gòu)層溫度的變化以及檢驗(yàn)該系統(tǒng)的效果，在模型試驗(yàn)中布設(shè)13支溫度傳感器，采用多通道溫度巡檢儀進(jìn)行溫度測(cè)試[12]。在模型外布設(shè)2支溫度傳感器（T12、T13）用于測(cè)試試驗(yàn)過(guò)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(shè)1支溫度傳感器（T11），用于測(cè)試保溫罩內(nèi)的空氣溫度；在瀝青混凝土表層布設(shè)4支溫度傳感器，其中T7、T8距中心點(diǎn)的距離為30cm，T9、T10距離中心點(diǎn)的距離為60cm；瀝青混凝土底層相同平面位置布設(shè)溫度傳感器T3、T4和T5、T6；在中心位置布設(shè)溫度傳感器T1、T2[13]。溫度傳感器T1～T10用以測(cè)試瀝青混凝土結(jié)構(gòu)層溫度受空間內(nèi)環(huán)境溫度變化的影響。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 低溫試驗(yàn)環(huán)境

在低溫試驗(yàn)中，溫控儀設(shè)定的溫度變化范圍為－3℃～0℃，即空間內(nèi)溫度高于0℃時(shí)，制冷系統(tǒng)開(kāi)始工作，溫度低于－3℃時(shí)，制冷系統(tǒng)停止工作。圖7為試驗(yàn)過(guò)程中保溫罩外和保溫罩內(nèi)空氣溫度隨時(shí)間的變化曲線。從T11的變化曲線可以看出，制冷系統(tǒng)大約工作2h后，保溫罩內(nèi)空氣溫度從12.3℃降低到0.3℃，隨后的25h試驗(yàn)過(guò)程中，溫度在－4.5～0.3℃之間波動(dòng)，平均溫度為－2.3℃，基本實(shí)現(xiàn)了空間范圍內(nèi)溫度的預(yù)期控制目標(biāo)。由于模型試驗(yàn)在室內(nèi)開(kāi)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(wú)太大的波動(dòng)。

圖7 保溫罩內(nèi)外空氣溫度隨時(shí)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(shí)間的變化。歷時(shí)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(shì)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(nèi)機(jī)進(jìn)風(fēng)口的設(shè)置有關(guān)（進(jìn)風(fēng)口距離瀝青表面的距離約為12cm，冷風(fēng)首先到達(dá)溫度傳感器T7和T8所在位置）。相對(duì)瀝青混凝土表層，底層溫度變化沒(méi)有較為明顯的拐點(diǎn)，離試驗(yàn)結(jié)束前6h（加載過(guò)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(yàn)過(guò)程中對(duì)瀝青混凝土結(jié)構(gòu)低溫試驗(yàn)環(huán)境的溫度控制的要求。

3.2 高溫試驗(yàn)環(huán)境

在高溫控制中，溫控儀設(shè)定的溫度變化范圍為60～64℃，與制冷系統(tǒng)相反，當(dāng)保溫罩空間內(nèi)溫度低于60℃時(shí)，制熱系統(tǒng)開(kāi)始工作，溫度高于64℃時(shí)，制熱系統(tǒng)停止工作。圖10為試驗(yàn)過(guò)程中室內(nèi)溫度、保溫罩外和保溫罩內(nèi)溫度隨時(shí)間的變化曲線，從T11的變化曲線可以看出，在制熱系統(tǒng)開(kāi)始工作的初始4h內(nèi)，保溫罩內(nèi)溫度劇烈變化，從13.0℃迅速升高到60.9℃。隨后的33h內(nèi)，保溫罩內(nèi)的溫度基本保持穩(wěn)定，在60.4～65.1℃之間波動(dòng)，平均溫度為62.6℃，基本實(shí)現(xiàn)了空間內(nèi)溫度的預(yù)期控制目標(biāo)。T12和T13所測(cè)試的保溫罩外空氣溫度基本保持平穩(wěn)。

圖8 瀝青混凝土表層溫度隨時(shí)間的變化曲線

圖9 瀝青混凝土底層溫度隨時(shí)間的變化曲線

圖10 保溫罩內(nèi)外溫度隨時(shí)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(shí)間的變化。歷時(shí)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(shì)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(jiàn)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(duì)瀝青混凝土表層，底層溫度變化沒(méi)有較為明顯的拐點(diǎn)，呈一致上升趨勢(shì)，但溫度升高的速率逐漸減緩，距試驗(yàn)結(jié)束前6h（加載時(shí)間內(nèi)）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(yàn)過(guò)程中對(duì)瀝青混凝土結(jié)構(gòu)高溫試驗(yàn)環(huán)境的溫度控制的要求。

圖11 瀝青混凝土表層溫度隨時(shí)間的變化曲線

圖12 瀝青混凝土底層溫度隨時(shí)間的變化曲線

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，不管是低溫試驗(yàn)，還是高溫試驗(yàn)，該溫度控制系統(tǒng)均能有效地將試驗(yàn)溫度控制在預(yù)定的范圍內(nèi)，通過(guò)溫度的改變，實(shí)現(xiàn)了瀝青混凝土結(jié)構(gòu)層的溫度場(chǎng)的模擬。

4 結(jié)論

（1）采用制冷／制熱設(shè)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(yàn)環(huán)境溫度控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有組成構(gòu)件易于獲取、造價(jià)合理、安裝簡(jiǎn)單、易控制等優(yōu)點(diǎn)，適用于模型試驗(yàn)環(huán)境溫度控制。

（2）該溫度控制系統(tǒng)應(yīng)用于高速鐵路瀝青混凝土強(qiáng)化基床表層室內(nèi)模型試驗(yàn)，驗(yàn)證了其有效性與穩(wěn)定性。在經(jīng)過(guò)初始階段空氣溫度的快速變化后，隨后的試驗(yàn)過(guò)程中均能將保溫罩內(nèi)空氣溫度穩(wěn)定地控制在預(yù)定范圍內(nèi)。在低溫試驗(yàn)中，保溫罩內(nèi)的空氣溫度在－4.5～0.3℃之間波動(dòng)，平均溫度為－2.3℃；在高溫試驗(yàn)中，保溫罩內(nèi)的空氣溫度在60.4～65.1℃之間波動(dòng)，平均溫度為62.6℃，基本實(shí)現(xiàn)了低溫試驗(yàn)環(huán)境0～－3℃和高溫試驗(yàn)環(huán)境60～64℃的預(yù)定控制目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了瀝青結(jié)構(gòu)層溫度由表及里的改變，滿足了試驗(yàn)控制要求。

（3）該溫度控制系統(tǒng)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(nèi)空氣溫度保持穩(wěn)定的重要因素。另外，低溫試驗(yàn)控制系統(tǒng)中回風(fēng)管與回風(fēng)罩的設(shè)置提高了制冷內(nèi)機(jī)的制冷效率。

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