高速铁路沥青砼强化基床表层模型试验温度场模拟

刘 钢，罗 强，孟伟超

（西南交通大学 高速铁路线路工程教育部重点实验室，四川 成都 610031）

环境温度变化对沥青混凝土、冻土等工程材料力学性能的影响往往不可忽略。比如：沥青混凝土路面在低温环境下容易开裂[1]，高温环境下容易出现车辙[2]等危害；在季节性冻土地区，冻融循环引起混凝土 材 料 性 能 的 劣 化[3]、发 生 路 基 融 沉 变 形[4－5]、边坡失稳[6]等工程问题。近年来，随着高速铁路在国内的大量兴建，沥青混凝土强化基床表层这一新型基床结构的相关研究逐步开展[7－8]，开展室内模型试验是检验其在不同的温度、荷载等因素影响下的力学性能，能否满足要求的直接手段之一[9]。然而，如何在室内实现不同季节条件下温度场的模拟是试验开展的前提。

室内模型试验中的温度控制一般所需时间不长，且大多为一次性使用。所以，温度控制系统应具有安装简单、造价合理、易于控制等特点。采用制冷／制热、智能电控以及传感器等设备，自行研制了一套模型试验环境温度控制系统，并应用于高速铁路沥青混凝土强化基床表层的室内动态模型试验的温度场模拟中。

1 试验概况

图1为沥青混凝土强化基床表层模型试验剖面图，模型的平面尺寸150cm×150cm，高度为100cm，由88cm级配碎石和12cm的沥青混凝土结构层组成，直径为50cm加载板置于模型中心处。试验要求模拟冬季低温和夏季高温环境下沥青混凝土在循环荷载作用下的力学响应。在一般地区，冬季地表温度在0℃左右，夏季地表最高温度在50～60℃之间。因而，本次试验控制低温和高温试验环境分别要求沥青混凝土表层温度低于0℃和高于50℃。

试验中在沥青混凝土表面正上方设置保温罩，保温罩与沥青混凝土表面构成封闭空间，密闭空间的体积约为0.4m3，通过控制密闭空间内温度从而实现沥青结构层温度的变化。

图1 模型试验剖面图（单位：cm）

2 温控系统组成与工作原理

图2为低温试验环境控制系统组成及工作原理示意图，主要部件包括：制冷外机、制冷内机、电控单元、温度传感器、回风罩和回风管道等。其中，制冷外机和制冷内机可分别由压缩机和热交换机组成[10]，也可由家用挂式空调的外机和内机经过系统改装替代（通过改变电路连接，使得外机中压缩机不受内机原有的系统设置控制，压缩机可持续工作）。电控单元主要由温控仪和继电器组成。回风罩、回风管道以及保温罩均由保温材料加工构成。

工作原理：制冷外机中的压缩机工作，冷气由制冷内机中经进风口进入所需降温的空间内，在另一侧设置回风口，冷空气通过回风管道进入制冷内机的吸气口，温度传感器与电控单元中的温控仪连接，制冷外机供电电源与电控单元中的继电器连接。当空间内的温度高于设定温度上限时，通过继电器控制制冷外机，使其开始工作；当温度低于设定温度下限时，制冷外机停止工作，从而保证空间内温度在稳定的范围内波动。

图3为高温试验控制系统组成及工作示意图，直接通过加热设备进行空间内加热、实现密闭空间内温度升高。加热设备同样与电控单元连接，其控制原理与降温过程基本一致，只需修改电控单元中的设置，使空间内的环境温度低于设定温度值下限时，加热设备开始工作，当环境温度高于设定温度上限时，加热设备停止工作。

图2 低温试验控制系统组成及工作原理示意图

图3 高温试验控制系统组成及工作原理示意图

根据图2所示的低温试验系统组成制作的试验系统装置实物如图4所示。制冷外机和制冷内机由额定功率为1.103kW（1.5匹）的挂壁式空调改装而成，回风罩采用2cm厚的保温锡箔复合板根据空调内机的尺寸加工而成，其内壁与空调内机侧壁紧贴，接缝处采用锡箔胶密封。为保证回风量，采用4根内径为10 cm的保温风管。对于高温试验环境控制系统，则是在低温试验系统基础上拆除制冷系统和回风管道，在距中心点75cm的对角线布置4个功率为500W的陶瓷加热器[11]，如图5所示，并在加热器旁设置微型风扇，用于促进密闭空间内空气流动，有利于热能的均匀扩散。加热器与电控单元连接，然后对保温罩的进风口和回风口进行密封。需要特别指出的是，保温罩需要具有较好的保温性能。本次试验保温罩所用材料从里至外依次由陶瓷纤维纸、保温挤塑板、胶合板以及陶瓷纤维纸组成，厚度分别为0.5、2、1.5、0.5cm，如图6所示。

图4 低温试验控制系统实物图

图5 温度传感器及加热器在模型中的布设位置图

图6 保温罩材料

为监测沥青混凝土结构层温度的变化以及检验该系统的效果，在模型试验中布设13支温度传感器，采用多通道温度巡检仪进行温度测试[12]。在模型外布设2支温度传感器（T12、T13）用于测试试验过程中保温罩外空气温度的变化；在距沥青混凝土表面10cm布设1支温度传感器（T11），用于测试保温罩内的空气温度；在沥青混凝土表层布设4支温度传感器，其中T7、T8距中心点的距离为30cm，T9、T10距离中心点的距离为60cm；沥青混凝土底层相同平面位置布设温度传感器T3、T4和T5、T6；在中心位置布设温度传感器T1、T2[13]。温度传感器T1～T10用以测试沥青混凝土结构层温度受空间内环境温度变化的影响。

3 试验结果分析

3.1 低温试验环境

在低温试验中，温控仪设定的温度变化范围为－3℃～0℃，即空间内温度高于0℃时，制冷系统开始工作，温度低于－3℃时，制冷系统停止工作。图7为试验过程中保温罩外和保温罩内空气温度随时间的变化曲线。从T11的变化曲线可以看出，制冷系统大约工作2h后，保温罩内空气温度从12.3℃降低到0.3℃，随后的25h试验过程中，温度在－4.5～0.3℃之间波动，平均温度为－2.3℃，基本实现了空间范围内温度的预期控制目标。由于模型试验在室内开展，从T12和T13的温度变化曲线可以看出，保温罩外空气温度并无太大的波动。

图7 保温罩内外空气温度随时间的变化

图8和图9分别为沥青混凝土表层和底层温度随时间的变化。历时约8h后，沥青混凝土表层温度从12℃左右降至0℃左右，随后温度下降趋势趋缓，4支温度传感器的平均温度为－1.0℃，距离中心位置30 cm处（T7、T8）的降温速度较60cm （T9、T10）处高，平均温度差值约2.40℃，这与制冷内机进风口的设置有关（进风口距离沥青表面的距离约为12cm，冷风首先到达温度传感器T7和T8所在位置）。相对沥青混凝土表层，底层温度变化没有较为明显的拐点，离试验结束前6h（加载过程）的平均温度为3.8℃，表层与底层的温度差约为4.8℃，满足试验过程中对沥青混凝土结构低温试验环境的温度控制的要求。

3.2 高温试验环境

在高温控制中，温控仪设定的温度变化范围为60～64℃，与制冷系统相反，当保温罩空间内温度低于60℃时，制热系统开始工作，温度高于64℃时，制热系统停止工作。图10为试验过程中室内温度、保温罩外和保温罩内温度随时间的变化曲线，从T11的变化曲线可以看出，在制热系统开始工作的初始4h内，保温罩内温度剧烈变化，从13.0℃迅速升高到60.9℃。随后的33h内，保温罩内的温度基本保持稳定，在60.4～65.1℃之间波动，平均温度为62.6℃，基本实现了空间内温度的预期控制目标。T12和T13所测试的保温罩外空气温度基本保持平稳。

图8 沥青混凝土表层温度随时间的变化曲线

图9 沥青混凝土底层温度随时间的变化曲线

图10 保温罩内外温度随时间的变化

图11和图12分别为沥青混凝土表层和底层温度随时间的变化。历时约10h后，沥青混凝土表层平均温度从9.5℃左右升高至45℃左右，随后温度升高趋势逐渐趋缓，4支温度传感器的平均温度为52.9℃，由于加热器位置布置原因（见图5），T10位置处温度上升较快，T9次之，而T7和T8位置处的温度基本相同。相对沥青混凝土表层，底层温度变化没有较为明显的拐点，呈一致上升趋势，但温度升高的速率逐渐减缓，距试验结束前6h（加载时间内）的平均温度为41.2℃，表层与底层的温度差约为14.5℃，满足试验过程中对沥青混凝土结构高温试验环境的温度控制的要求。

图11 沥青混凝土表层温度随时间的变化曲线

图12 沥青混凝土底层温度随时间的变化曲线

从试验结果可以看出，不管是低温试验，还是高温试验，该温度控制系统均能有效地将试验温度控制在预定的范围内，通过温度的改变，实现了沥青混凝土结构层的温度场的模拟。

4 结论

（1）采用制冷／制热设备、智能电控、保温罩以及温度传感器等部件，自行研制组装了一套试验环境温度控制系统。该系统具有组成构件易于获取、造价合理、安装简单、易控制等优点，适用于模型试验环境温度控制。

（2）该温度控制系统应用于高速铁路沥青混凝土强化基床表层室内模型试验，验证了其有效性与稳定性。在经过初始阶段空气温度的快速变化后，随后的试验过程中均能将保温罩内空气温度稳定地控制在预定范围内。在低温试验中，保温罩内的空气温度在－4.5～0.3℃之间波动，平均温度为－2.3℃；在高温试验中，保温罩内的空气温度在60.4～65.1℃之间波动，平均温度为62.6℃，基本实现了低温试验环境0～－3℃和高温试验环境60～64℃的预定控制目标，实现了沥青结构层温度由表及里的改变，满足了试验控制要求。

（3）该温度控制系统中，保温罩良好的隔热保温性能是保证体积仅为0.4m3密闭空间内空气温度保持稳定的重要因素。另外，低温试验控制系统中回风管与回风罩的设置提高了制冷内机的制冷效率。

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