一种水泥混凝土道面脱空病害的模拟装置及方法

本发明涉及脱空病害研究，特别涉及一种水泥混凝土道面脱空病害的模拟装置及方法。

背景技术：

1、由于水泥混凝土道面具有使用年限长、设计方法和施工工艺成熟、取材方便等优点，在我国机场道面中占主导地位。据不完全统计，中国现有机场近90％的道面类型为水泥混凝土道面。脱空是机场水泥混凝土道面的一种常见病害，据统计，我国约70％的机场道面脱空率大于30％，约30％的机场道面脱空率大于60％(属严重脱空)。脱空会显著增加道面荷载应力，在不利情况时，最大增幅近70％，会显著降低道面结构承载能力，缩短道面使用寿命，增大道面出现结构性病害(断板、裂缝)的几率。

2、关于机场道路病害相关的现有技术如专利cn116242833a的机场跑道病害检测与预警系统，实现了一种机场跑道病害实时检测并清除，对机场跑道路面潜在威胁发现、分类、上报和预警的功能。同时提出了高效的机场跑道病害检测算法设计，满足实时检测的要求。深入研究水泥混凝土道面脱空形成机制，尤其是揭示积水对脱空病害的加剧效应，对于预防和修复脱空、延长道面使用寿命、保障道面服役性能具有重要指导作用。模型试验是研究水泥混凝土道面脱空形成机制的重要途径，但目前尚缺乏完备的试验手段。

技术实现思路

1、发明的目的在于提供一种水泥混凝土道面脱空病害的模拟装置及方法，解决了现有技术缺乏研究水泥混凝土道面脱空形成机制的试验模型的问题。

2、本发明是这样实现的，一种水泥混凝土道面脱空病害的模拟装置，包括道路模型、荷载模型、降雨模型以及监测设备，

3、所述荷载模型置于道路模型上且可在道路模型上循环运动；

4、所述降雨模型用于在道路模型上方降雨，所述雨中含有示踪粒子；

5、所述监测设备包括压力传感器、摄像机、激光发生器以及计算机，所述压力传感器置于道路模型内且与计算机通讯连接，所述摄像机置于道路模型内用于记录道路模型变化状态图以及捕捉示踪粒子的图像，所述摄像机与计算机通讯连接，所述激光发生器用于照射示踪粒子。

6、实践表明，温度变化引起的混凝土板翘曲和飞机荷载作用下基层产生的微小塑性变形会导致板底出现初始脱空，随后降雨沿路面接缝流入基层和脱空区，滞留水在反复荷载作用下形成高速水流，并对基层产生冲刷作用，使基层细集料从接缝处被动水带出，产生唧泥冒浆现象，从而导致脱空区域不断扩展，加速混凝土道面的水损伤；本发明中，构建道路模型用于模拟水泥混凝土道面，荷载模型用于模拟飞机在道面上的运动，降雨模型的雨水中含有激光发生器照射后产生被摄像机捕捉到的示踪粒子，当荷载模型在道面上循环运动时，直至压力传感器感应到压力超出阈值，判定为出现初始脱空，降雨的进行对脱空区进行不断的扩大，通过激光发生器配合摄像机获取示踪粒子的图片，经过计算机中的图像处理系统对示踪粒子的图像数据处理和分析后，得出示踪粒子的运动矢量信息，进而获取水流的速度和方向，通过设定荷载模型在不同速度和荷载下循环运动，根据水流速度计算脱空间隙内的动水压强，即可评估不同工况下水流对路基材料颗粒的冲刷能力，为脱空病害治理提供数据支撑；在水流对脱空区不断的冲刷作用下，脱空区的不断扩大，直至道路模型中的面层失效，摄像机监测初始脱空至面层失效的全过程，使得脱空形成与发展过程可视化；综上，通过本发明进行模拟装置，可设置不同的速度和荷载，从而模拟出在各种工况下混凝土道面脱空病害的形成和发展过程，有助于分析荷载和水流冲刷如何影响脱空病害的形成、演变和扩展。实验结果将为预防混凝土道面脱空病害、延长道面使用寿命以及保障道面的服役性能提供重要依据。

7、本发明的进一步技术方案是：所述道路模型包括上下设置的面层和路基，所述压力传感器置于面层与路基之间。

8、所述压力传感器为薄膜压力传感器，所述薄膜压力传感器固定于道路模型的面层的底部及路基的上部，通过设置测试轮组不同荷载及移动速度，监测面层和路基上的压力，当脱空发生时，由于接触面减少而导致的压力变化。所述薄膜压力传感器与数据采集设备无线连接，数据采集设备与计算机相连接。

9、本发明的进一步技术方案是：压力传感器通过数据采集与分析设备与计算机通讯连接。

10、本发明的进一步技术方案是：所述激光发生器与摄像机通过同步器与计算机连接，用于激光发生器与摄像机同步工作。

11、本发明的进一步技术方案是：所述激光发生器置于道路模型外侧且发射端朝向道路模型。

12、本发明的进一步技术方案是：所述荷载模型包括驱动端、控制端以及置于驱动端与控制端之间的荷载设备，所述荷载设备包括循环轨道以及置于循环轨道上的测试轮组、速度传感器以及施压系统，驱动端用于荷载设备在道路模型上运动，控制端与驱动端、荷载设备通讯连接以及计算机通讯连接。

13、本发明的进一步技术方案是：所述循环轨道竖截面为环形。

14、循环轨道竖截面为环形，测试轮组在循环轨道之间运动时，循环轨道在控制端和驱动端之间循环运动，荷载模型在道路模型表面做单向、直线且循环运动，模拟的荷载更接近实际情况。

15、本发明的进一步技术方案是：所述降雨模型包括支架、管道、喷头、水泵以及蓄水池，所述支架置于道路模型上方，所述管道置于支架上且与蓄水池通过水泵连接，所述喷头置于所述管道上。

16、所述支架上捆绑固定有管道，所述管道上均匀分布喷头，所述管道与水泵相连接，所述水泵安装在蓄水池上，所述蓄水池上有旋转控制按钮，所述旋转控制按钮可调节喷头的出水量和压力，从而模拟不同强度和持续时间的降雨，与监测设备相配合，可评估水流对模拟路基材料的冲刷作用，以及水流如何引发和加剧脱空病害进程。

17、本发明的进一步技术方案是：所述管道上设有用于调节喷头出水量和压力的旋转控制按钮。

18、本发明还提供一种水泥混凝土道面脱空病害的模拟方法，包括以下步骤：

19、步骤一、荷载模型在道路模型上循环运动，直至道路模型内的压力传感器检测到压力超出阈值，摄像机监测并记录脱空病害初始形成过程；

20、步骤二、含有失踪粒子的雨水从降雨模型进入道路模型中的脱空区域，随着荷载模型的循环运动，监测设备获取脱空区域内的雨水的流速及流向并计算动水压强，压力传感器监测不同荷载下道路模型不同区域内的压力，计算机根据差值判断脱空范围，摄像机监测并记录脱空病害的发展过程；

21、步骤三、监测到道路模型中的面层失效，完成脱空病害的模拟。

22、本发明的有益效果：本发明提供水泥混凝土道面板脱空病害形成与发展的可视化模拟装置，包括道路模型、荷载模型、降雨模型、监测设备；道路模型由多块透明面层和路基组成，荷载模型包括测试轮组，可调节其速度及荷载，在面层上单向循环行驶，降雨模型可模拟不同强度和持续时间的降雨；监测设备包括压力传感器、摄像机、激光发生器以及计算机，压力监测系统可监测面层及路基上的压力，以及当脱空发生时，由于接触面减少而导致的压力变化，摄像机、激光发生器以及计算机可根据示踪粒子的运动矢量信息，进而获取脱空间隙内水的流速及流向，根据水流速度计算脱空间隙内的动水压强，通过调整测试轮组的速度和荷载，可以分析脱空间隙内动水压强如何随荷载模型速度和重量变化，进而评估在不同工况下水流对路基材料颗粒的冲刷能力，摄像机还可监测并记录脱空这一病害的初期形成和随后的发展过程。本发明可以根据需要设置不同的速度、荷载，开展相应的模拟试验，用于模拟不同工况下脱空病害形成和发展过程，试验结果可以为预防混凝土道面脱空病害、延长道面使用寿命、保障道面服役性能提供依据。本发明为研究水泥混凝土道面脱空形成机制，尤其是研究板底滞水对脱空病害的恶化机理提供了一种较完备的手段，所得测试结果可以为预防混凝土道面脱空病害、延长道面使用寿命、保障道面服役性能提供依据。