路基土智能单向冻融试验装置及其应用.pdf

第41卷第8 期2023年8 月文章编号：10 0 9-7 7 6 7（2 0 2 3)0 8-0 134-0 8Vol.41,No,8Journal of Municipal TechnologyAug.2023D0I:10.19922/j.1009-7767.2023.08.134路基土智能单向冻融试验装置及其应用孟宇航,唐进，王计鑫,康奕衡,卯(哈尔滨工业大学交通科学与工程学院，黑龙江哈尔滨150 0 0 1)摘要：针对季节冻土区的冻融循环对路基土造成不同程度的危害，研发一种专门用于路基土的一维单向冻融设备对于冻融试验具有重大意义。基于此，研发了一种新型智能单向冻融试验装置，包括控制系统、供电系统、散热系统、保温系统和制冷制热系统。该装置的创新优势主要体现在单向冻融、数智智能和低碳环保等方面。使用该装置对路基土试件进行冻融试验，证明了该装置的可行性。关键词：冻融试验装置；单向冻融；智能循环；路基土中图分类号：TU111.2+5Intelligent Unidirectional Freezing-Thawing Test Device andMeng Yuhang,Tang Jin,Wang Jixin,Kang Yiheng,Mao Tao,Zhang Feng*,Lin Chuang*(School of Transportation Science and Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China)Abstract:In seasonally frozen soil areas,the freeze-thaw cycle poses varying degrees of harm to roadbed soil.Aone-dimensional unidirectional freeze-thaw equipment specifically designed for roadbed soil is of great significancefor freeze-thaw testing.Based on this,a new intelligent freezing-thawing test device has been developed,includinga control system,power supply system,heat dissipation system,insulation system,and refrigeration and heatingsystem.The innovative advantages of this device are mainly reflected in unidirectional freeze-thaw,digital intelli-gence,and low-carbon environmental protection.The device has been proved to be feasible for freeze-thaw testingof roadbed soil specimens.Key words:freezing-thawing test device;unidirectional freezing-thawing;intelligent cycling;subgrade soil涛，张锋*,林闯*文献标志码：AApplicationfor Subgrade Soil我国寒冷地区基础建设进入了高速发展的新时期。然而,寒冷地区交通设施建设面临各种技术难题，其中之一是道路冻融循环会对道路材料造成不同程度的损害，从而威胁到路面结构的稳定性。因此，对道路冻融循环进行深人研究具有重大意义。冻融试验是进行该项研究的主要方法，其通过在实验收稿日期：2 0 2 3-0 5-19作者简介：孟宇航，男，在读本科生，主要研究方向为道路工程。通讯作者：张锋，男，教授，博士，主要研究方向为冻土力学、寒区路基工程等。林闯，男，助理教授，博士，主要研究方向为非饱和土力学、芯型土工织物、边坡工程。引文格式：孟宇航，唐进，王计鑫，等.路基土智能单向冻融试验装置及其应用.市政技术，2 0 2 3，41（8）：134-140，147.（MENGYHTANGJ，WANG J X,et al.Intelligent unidirectional freezing-thawing test device and application for subgrade soilJ.Journal of municipal tech-nology,2023,41(8):134-140,147.)室中模拟道路冻融的过程，以此测试和评估材料的工程性能。针对土体冻融试验，国内外学者已经开展了广泛的试验研究。Kinosital、童长江2 利用室内模型试验研究了单向冻融的过程;Bing等3通过多次冻融循环试验得出了粉质黏土的冻胀变形和干密度演第8 期化规律；王永涛等4在开放系统不同温度梯度条件下开展了饱和青藏粉土的单向冻结试验；马宏岩等5在单向冻结条件下对饱和粉质黏土试件进行了6 种工况下的室内冻胀试验研究;Tang等6 利用自行设计的一维冻结装置，开展了重塑软黏土在冻融过程中的变形特征试验。以同样存在大面积季节性冻土的美国和俄罗斯在冻胀试验装置方面的研究为例，美国相关标准中采用下端制冷、上端供热的温度施加方式，冷浴装置的控温范围为-10 0，由于该试验方法是在土体尚未达到最大冻胀变形时即停止试验，因此无法得到土体在不同试验条件下的冻胀率，具有一定的局限性；俄罗斯相关标准中则采用上端制冷、下端绝热的温度荷载施加方式，装置的制冷端放置于负温箱体内，无法实现大温度梯度、低冷端温度的冻胀试验，且该装置容许的上覆压力范围较小，可开展的试验工况非常有限。关于室内模型单向冻融试验研究，目前还没有统一的试验设备，通常情况下，研究人员会自主研发一些相对简单的试验装置进行试验。因此，目前国内外已有许多学者和机构进行过土体冻融试验装置的研发,并取得了一些研究成果。王建平等7 采用半导体制冷技术，研制了人工冻结土体冻胀融沉模型试验装置；常小晓等8 提出了一种低温高压三轴蠕变试验仪；顾同欣等9 提出了一种室内冻土冻融循环过程试验装置；汪恩良等10 采用顶排风翅管式冷凝器技术,研制了冻融循环模拟试验箱;李涛利用循环酒精冷浴装置研发了一套可以对土体施加围压的冻融试验系统；陈新瑞等12 在“开系统”下研发了一套单向冻融试验装置；王升忠等13研发了一种分层控温土壤冻融循环试验装置。然而，这些现有的装置和技术仍然存在一定的缺陷和不足，如无法实现预定次数的冻融、密封性较差、控温精度不足以及造价高不利于推广等。针对上述不足，笔者在参考上述研究者对冻融试验装置研制成果的基础上，研发了一种针对路基土的智能单向冻融试验装置，该装置在单向冻融、数智智能和低碳环保等方面具有一定程度的创新。1智能单向冻融试验装置说明1.1智能单向冻融试验装置构成智能单向冻融试验装置采用分离式结构，冻融孟宇航等：路基土智能单向冻融试验装置及其应用88图2 智能单向冻融试验装置主体图Fig.2 Main diagram of intelligent unidirectional freezing-thawingtestdevice1.2智能单向冻融试验装置基本思路智能单向冻融试验装置以真实模拟路基土的冻融状态为基点，针对现有冻融试验装置采用循环酒精冷却控温精度差、压缩机制冷耗能高以及工作噪声大的不足进行创新。笔者采用了半导体温控板来实现单向一维冻融,并配备PTM三合一智控核心，即由周期控制模块(P)、温度控制模块(T)、模式控制模块（M)组成的高智能高精度冻融控制核心。通过PTM三合一智控核心的设置，可设定循环次数以及冻融循环温度的上下限，在循环达到设定次数之后自动切断控温电路电源，并且可以实现温度控制模式的转换，从而实现冻融试验的全自动化。为有效散135部分与装置主体分离，装置主体箱体分离，如图1、2所示。冻融部分由保温系统和制冷制热系统组成，主要实现路基土试件冻融和保温功能。装置主体采用上、中、下3层箱体结构,这些箱体由透明的有机玻璃制成，每一层都具有独立的功能，分别对应控制系统、供电系统和散热系统。8888图1智能单向冻融试验装置整体图Fig.1 Overall diagram of intelligent unidirectional freezing-thawingtest device8888888日8888136热，该装置配备了高效低碳热交换系统来实现控温盘散热；同时，通过轻便环保的绝热装置来替代传统的环境箱，以确保试件在单向冻融循环过程中相Journal of Municipal Technology周期控制第41卷对侧向的绝热；另外，静音加载平台可解决冻融过程中的加载问题。智能单向冻融试验装置技术路线如图3所示。高效低碳热交换系统全自动化控制温度控制三合一智控核心低延时宽温域控温盘轻便环保绝热装置模式控制图3智能单向冻融试验装置技术路线图Fig.3 Technology roadmap of intelligent unidirectional freezing-thawing test device1.3控制系统工作原理由2 个采用PID算法的控制器的温度控制面板、1个输人键盘和1个写入计数程序的单片机构成。温度控制面板能够设定试件冻结融化时的温度界限，并显示试件实时温度以进行监控，从而实现冻结和融化模式的切换。键盘用于输人计划冻融循环次数，而单片机实现对冻融循环次数的统计，输入次数、统计次数会通过上方微型显示器显示。控制系统采用PTM三合一智控核心，其中P模块可实现冻融试验的自动启停和冻融循环次数累计计数，弥补了现有试验设备需要人工手动控制的不足，同时能够做到误差为零；T模块利用PID算法的控制器，可精细调节半导体的工作状态，其可以监控控制试件上下边界的温度，精度达到0.1,确保每次冻融试验的准确控制；M模块在温度达到转换温度时控制冻融模式的切换，能够做到延时小于10 ms，可减少因人工操作产生的延误，而人在正常情况下的反应速度为30 0 ms。PTM三合一智控核心能够实现冻融循环次数的累计、冻结和融化模式的智能切换以及不同模式温度边界的准确控制，从而实现冻融试验的全自动化，大幅减少了人为干预和人工操作误差的影响，有效地提升了冻融试验的平行性，解决了现有冻融试验系统未实现冻融循环方式的智能化控制的问题。控制模块如图4所示。1.4制冷制热系统工作原理制冷制热系统采用半导体进行温度控制。半导体具有延迟低、变温速率快的优点。该系统基于帕尔静音加载平台图4控制模块实物图Fig.4 Physical picture of control module贴原理运作，在通有直流电的电路中，当存在2 种不同导体X和Y时，其中一接头处会释放出除焦耳热外的其他热量，同时另一接头处吸收热量进行降温冷却。装置的制冷与制热效果与电流强度、导体自身性质以及热端导体温度有关。同时，帕尔贴原理是可逆的，当电流反向时，制冷制热导体发生反转，因此可通过控制电流方向模拟季节性冻土的降温冻结和升温融化过程。智能单向冻融试验装置通过PID算法与半导体结合，实现了高精度低能耗的温度控制。现有技术在采用半导体控温时，并未提供相应的控温算法，控温精度不高。而该装置采用PID算法的控制器，能够精细调节半导体的工作状态，实现+0.1的控温精度，控温过程精准高效。温控板能在室温条件下3min内将温度降至-2 0,并能实现2 0 的温度输出；相比于市面上的设备，该装置完成冻融过程更加迅速。整个系统工作过程功率仅有7 8.17 W，而现有的冻融试验系统功率均为10 0 0 W左右；并且工作时产生的第8 期噪声仅约44dB,而市面上采用压缩机的冻融设备通常产生的噪声约8 0 dB。相比之下，该装置大大减少了能量损耗，并提供了更舒适的工作环境。该装置利用PID算法的控制器控制冻融循环过程中半导体片温度的上限和下限分别为2 0 和-10。在冻结阶段，当半导体片温度降至-10 时，维持不变，不断与试件进行热交换，直至试件底面处的热电偶感知到试件底面温度达到0，此时温度控制器感知此信息认为试件完成整个冻结过程。在融化阶段，温度控制器控制半导体片升温，当试件表面温度升高至2 0 时，维持不变，试件将继续与半导体片进行热交换，直至试件底面热电偶感知到温度达到2 0，即判定完成了融化过程，这就是制冷制热系统在冻融过程中的工作原理。制冷制热系统如图5所示，系统中半导体片通过隔热垫与铝板相连接。由于半导体片面积较小，当直接与试件盒接触进行控温时，效果欠佳。采用导热性良好的铝板作为传递媒介，使得系统温度变化更加均匀，以此模拟路基功能材料在大的环境温度作用下变化过程。此外，在半导体片上方设置一个小水箱，其中提供的流动水为制热面提供散热降温的功能，从而提高冻融试验能量交换效率。孟宇航等：路基土智能单向冻融试验装置及其应用137图6 供电系统实物图Fig.6 Physical diagram of power supply system1.6散热系统工作原理散热系统由小型水槽、静音水泵、高效换热水排和硅胶软管构成，如图7 所示。通过静音水泵实现散热系统中的水循环,水槽一面附着高效风冷风扇，加快高效换热水排中水与空气间的热交换，使得流入半导体上方水槽的降温用水温度维持在2 0,以保证半导体片的持续工作。此外，与传统压缩机相比，该装置的散热系统采用的静音水泵能有效降低噪声,经噪声测试，进一步验证了该装置在工作时产生的噪声仅为传统压缩机的一半。2a)结构示意图注：进出水口；半导体片；隔热垫；负极；铝板；正极。图5制冷制热系统实物图Fig.5 Physical diagram of refrigeration and heating system1.5供电系统工作原理供电系统由4个固态继电器、1个电压继电器和1个光敏继电器构成，同时具有3个外接口，如图6所示。外接口1为半导体温控板供电接口；外接口2为外接电源接口，接入2 2 0 V交流电；外接口3连接b)实物图控制单元。固态继电器为各控制模块提供电路安图7 散热系统结构及其实物图全保证，增加试验系统的安全稳定性；电压继电器Fig.7 Structure and physical diagram of heat dissipation system将交流电转换为制冷制热系统所需的直流电；光敏继电器能够做到在接收信号后，对整个电路进行切断，智能化关闭试验系统。1.7保温系统工作原理为达到绿色低碳目标，保温系统采用了绝热装市放技术138Journal of Municipal Technology置，由聚氨酯保温泡沫作为主体与橡塑保温棉隔热层复合而成，如图8 所示。聚氨酯保温材料是一种性能优良的合成材料，其具有强度高、导热系数小等优点，主要用作保温隔热材料。主体正中央自上而下开孔，用于放置试件。主体壁厚为50 10 0 mm。主体外黏附橡塑保温棉,进一步增强隔热效果。因此,该保温系统能有效减少热量损失，并且无需任何能耗，更加低碳环保。珍珠棉00T保温填充物聚氨醋保温泡沫第41卷加载台循环水管珍珠半导体制冷片铝板试件a)结构示意图橡塑保温棉10001201000320b)实物图图9加载平台结构及其实物图Fig.9 Structure and physical diagram of loading platform范围为6 0,环境温度上限为6 0。该半导体片具有微秒级的延时响应时间,并能够以 0.5/s的变温速率进行调节。采用该半导体片制成的温控板，能实现2 0 的温度输出。2.2温度控制技术指标通过PID控制器实现温度的闭环控制，对试件100101001000T10040320正视图a)结构示意图b)实物图图8 保温系统结构及其实物图Fig.8 Structure and physical diagram of insulation system1.8加载平台为真实模拟季节冻土区路基土在自然状况下的冻融循环过程，应对试件施加荷载，智能单向冻融试验装置采用加载平台进行加载，相比于传统的气泵加载，加载平台具有体型小、集成程度高和携带便捷等优势，并且更加低碳环保，如图9所示。2试验系统的技术指标2.1半导体片技术指标智能单向冻融试验装置采用TEC1-04903型半导体片，额定电压为5V，制冷功率为10.5W，变温400400俯视图上下表面温度监测精度达到+0.1。2.3系统整体的节能环保性（环境标准）智能单向冻融试验装置的总体功率为7 8.17 W，与市面上传统的冻融设备相比节能约90%。此外,该装置平均噪声约44dB，因此不存在噪声污染。3试验验证3.1试验方法参考王建平等7、常小晓等8 和顾同欣等9所研制的试验装置对试件冻融循环的温度要求，利用智能单向冻融试验装置对试件进行冻融循环，要求在冻结过程中试件整体处于冰冻状态，即试件整体温度低于0;要求在融化过程中试件整体能达到开始融化时的温度，则该试件经历了一次完整的冻融过程。第8 期由于该装置采取单向冻融循环，试件的升温和降温是在试件顶面上进行的，因而对试件底面的温度进行监测。当其温度 0 时，说明完成冻结过程；当其温度达到2 0 时，说明完成融化过程，从而经历了一次完整的冻融过程。即可说明该装置的正确性。笔者设置一次完整的冻融循环以探究该装置正常工作的状态，同时设计了2 组平行试件，分别以同样的试验条件进行完整的冻融循环以探究该装置正常工作状态的稳定性。3.2试验土样依据GB503242014冻土工程地质勘察规范中对冻土分类的规定，该试验采用的试验土样的压实度设置为94%,对应的干密度则为1.6 4g/cm,最佳含水率设置为17.4%。试验土样级配曲线如图10 所示。0.00210080黏粒6.4%6040200-0-0-00-000.001将烘干土样加定量水拌匀，装人密封袋12 h以使水分分布均匀。测定土样含水率合格后，取预定质量的湿土，将其分为5层，并进行静压成型，形成直径为10 0 mm、高为2 0 0 mm的圆柱形试件，每层厚度为40 mm。将成型的试件从模具中取出,并包裹保护膜，以进行后续的冻融试验。按照同样的制作步骤制作另一个试件。试件实物如图11所示。3.3冻融试验采用智能单向冻融试验装置，将试件放入绝热冻融仓，利用半导体片在试件顶面施加恒定负温或正温，而试件侧面和底面由热绝缘材料包裹，则冷量或热量将经由试件顶面向下逐层传递，使试件发生一维单向冻结和融化，可模拟真实路基状况。单向冻融循环过程中试件顶面和底面温度的变化规律如图12、13所示。孟宇航等：路基土智能单向冻融试验装置及其应用0.07520-5-10-15粉粒细砂89.1%4.5%0.010.1粒径/mm图10 试验土样级配曲线Fig.10 Soil grading curves139图 11试件实物图Fig.11 Physical diagram of the specimen2520151050252010500Fig.12 Temperature variation law of Specimen 1由图12、13可知，当试件1、2 顶面温度达到-10 时,维持不变。经过59h，试件1、2 底面温度逐渐降至0,完成了冻结过程；随后试件1、2 顶面温度升高,历时近1h,顶面温度达到2 0,维持不变,待试件底面温度也达到2 0 时,完成了一次冻融循环。由此可知,试件1、2 冻融所用时长基本一致，同时也达到了预期的试验结果。3.4冻融试验结果分析不同工况试件的冻融循环所需时间各不相同。但由于2 个试件具有相同的工况，因此这2 个试件冻融所需时间相同。该试验结果满足假设且均已经达到设定的温度条件，冻融曲线形状基本相同，如图14所示。40时间/ha)顶面温度2040时间/hb)底面温度图12 试件1温度变化规律6060808010010014025201510500-5-10-1525203./151050010203040506070 8090100时间/hb)底面温度图13试件2 温度变化规律Fig.13 Temperature variation law of Specimen 2252015103/50-5-10-150102030 4050607080 90时间/h试件1底面温度一试件2 底面温度设置温度界限试件1顶面温度一试件2 顶面温度图14单向冻融循环温度随时间的变化规律Fig.14 Variation law of temperature with time in a single freeze-thaw cycle由图14可知，压实度为94%、含水率为17.4%的标准试件，其冻结时长为59h,融化时长为30 h，一次完整的冻融循环共耗时8 9h。这证明该装置能实现正常稳定工作，能够达到预设目标，可模拟真实路基冻融状况。4结论智能单向冻融试验装置具有低碳、环保、智能的单向冻融循环等特征，具有如下创新点：该装置采用半导体温控板实现试件的一维单向冻融，更接近路基土真实冻融状况；该装置采用PTM三合一智控核心实现了智能控制，大幅提高试验效率；该Journal of Municipal Technology102030405060708090100时间/ha)顶面温度温度上限2 0（8 9h，（2 0 0.1)）(59 h,0)冻结阶段温度下限-10 第41卷装置使用的半导体控温和保温装置能有效减少热量损失，更加低碳环保。以上创新点有效解决了传统冻融循环试验系统控温方式单一、智能化程度低和热交换效率低的问题，对提高交通运输行业试验仪器的精准化、低碳化和智能化水平起到了积极的促进作用。该系统可广泛服务于各企业、高校和科研院所，具有较好的社会和经济效益，应用前景十分广阔。参考文献 1 KINOSITA S.Effects of initial soil-water conditions onfrost heav-ingcharacteristicsJJ.Engineering geology,1979,13(1-4):41-52.2童长江.我国冻土融化压缩性研究J.冰川冻土，198 8,10(3)：327-331.(TONG C J.Compression characteristics of thawingpermafrosJ.Journal of glaciology and geocryology,1988,10(3):327-331.)3 BING H,HE P.Frost heave and dry density changes during cyclicfreeze-thaw of a silty 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19.（LIT.Experimentalstudy on frost heave of saturated silty clay in roadbed under tem-perature stress and its regularity D.Harbin:Harbin Institute ofTechnology,2019.)12】陈新瑞，宋玲，孙雯，等.“开系统”下单向冻融试验装置的研制与应用J.水文地质工程地质，2 0 2 0,47（3）：6 9-7 8.（CHEN赵兵等：超薄罩面冬季施工工艺探究与应用研究工作。田德然，男，助理工程师，主要从事路面养护技术研究工作。渠肖，男，助理工程师，学士，主要从事路面养护技术研究工作。胡俊毅，男，助理工程师，学士，主要从事路面养护技术研究工作。郭文辉，男，工程师，学士，主要从事路面养护技术研究工作。赵晓涛，男，工程师，硕士，主要从事沥青路面养护技术、沥青路面养护新材料研究工作。X R,SONG L,SUN W,et al.Development and application of theunidirectional freezing-thawing test device under the“open-sys-tem conditions”J.Hydrogeology&engineering geology,2020,47(3):69-78.)13王升忠，常征，许林书，等。一种分层控温土壤冻融循环试验装置:CN202562912UP.2012-11-28.(WANG S Z,CHANG Z,XU L S,et al.A layered temperature controlled soil freeze-thawcycle testing device:CN202562912UP.2012-11-28.)其他作者：唐进，男，在读本科生，主要研究方向为交通工程。王计鑫，男，在读本科生，主要研究方向为桥梁工程。康奕衡，女，在读本科生，主要研究方向为桥梁工程。卯涛，男，在读本科生，主要研究方向为道路工程。147B.Research on low temperature construction technology for Su-perpave asphalt pavement of expressway transit TianshuiJ.Journal of highway and transportation research and development(applied technology edition),2011(8):119-121.)【6 黄泽国，刘斌清，黄凯希，等.温拌剂在沥青路面低温施工中应用的可行性探析J.西部交通科技，2 0 17(2)：8-11.（HUANGZ G,LIU B Q,HUANG K X,et al.Feasibility study on the appli-cation of warm-mix agent in low-temperature construction of as-phalt pavement J.Western China communications science&technology,2017(2):8-11.)7 唐德密，隆海健，纪小平.新型温拌剂在沥青路面冬季低温施工中的应用J.中外公路，2 0 12,32（2）：2 42-2 45.（TANGDM,LONG H J,JI X P.Application of new warm mixing agent inwinter low temperature construction of asphalt pavement J.Journal of China&foreign highway,2012,32(2):242-245.)【8 张瑞瑞.基于有效压实时间的沥青路面低温施工及管理技术研究D.哈尔滨：东北林业大学，2 0 13.（ZHANGRR.Studyon asphalt pavement construction and management technologyon low temperature based on the effective compaction time D.Harbin:Northeast Forestry University,2013.)【9中华人民共和国交通运输部.公路沥青路面预防养护技术规范：JTG/T5142-01-2021S.北京：人民交通出版社股份有限公司,2 0 2 1:18.（Ministry of Transport of the Peoples Republicof China.Technical specifications for preventive maintenance ofhighway asphalt pavement:JTG/T 5142-01-2021S.Beijing:China Communications Publishing Co.,Ltd.,2021:18.)其他作者：周克营，男，助理工程师，学士，主要从事路面养护技术