CN102128745A - 一种用于测试路面层间拉拔疲劳试件的夹具及其测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于测试路面层间拉拔疲劳试件的夹具及其测试方法。目前国内外对于路面结构的层间拉拔疲劳尚无人进行研究。本发明包括相互扣套的上组合件和下组合件，上组合件为一对C形板对接组成的矩形框，矩形框的下端面上开设有下通孔，矩形框内侧面上均设置有竖直的凸棱；下组合件为一对相同的U形框连接形成的U形框，U形框的上端面中部上开设有上通孔，上通孔和下通孔形状相同且上通孔位于下通孔之上与其相对设置，上端面两侧开设有与凸棱相互嵌套且能滑动配合的凹槽。本发明通过上组合件和下组合件将试件固定后向试件下端施加竖向波形荷载，使粘结层出现均匀分布的拉应力，由试件疲劳拉拔应力与加载次数得到反映拉拔疲劳的特征参数。
Description
技术领域
本发明属于路面工程技术领域，涉及一种路面结构层在反复荷载作用下的层间的拉拔疲劳实验装置及测试方法，具体一种用于测试路面层间拉拔疲劳试件的夹具及其测试方法。
背景技术
路面结构是一种由不同材料组合而成的多层复合体系，由于材料差异使不同结构层之间的变形无法达到一致和协调，因此一般要求在结构层之间铺撒粘层油和透层油，希望通过这种层间结合措施达到不同结构层变形协调的目的。在行车荷载作用下，路面结构内部尤其是层间结合部位容易较大的拉拔应力和应变，反复的拉拔应力和应变导致层间粘结层由于疲劳而断裂，路面结构层随之出现脱层，继而出现裂缝、坑槽、推移甚至基层损坏等病害，严重影响路面的正常使用性能以及使用寿命。
目前国内外对于路面结构的层间拉拔疲劳尚无人进行研究，而对于结构层层间的拉拔疲劳试验也无人涉及，同时现行规范对于层间拉拔疲劳没有具体规定，这导致目前道路结构设计与实际使用严重不符，即路面结构在实际使用过程中并没有一直处于完全连续状态，那么如何能够有效表征路面结构层间拉拔疲劳特性是保证路面能够正常使用而需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于测试路面层间拉拔疲劳试件的夹具及其测试方法，以克服现有技术存在的有效表征路面结构层间拉拔疲劳特性是保证路面能够正常使用而需要解决的问题，该方法可操作和重复性强，实验结果稳定，平行实验结果离散型小。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种用于测试路面层间拉拔疲劳试件的夹具，包括相互扣套的上组合件和下组合件，所述的上组合件为一对C形板对接组成的矩形框，矩形框的下端面上开设有下通孔，矩形框内侧面上均设置有竖直的凸棱；所述下组合件为一对相同的U形框连接形成的U形框，U形框的上端面中部上开设有上通孔，上通孔和下通孔形状相同且上通孔位于下通孔之上与其相对设置，上端面两侧开设有与凸棱相互嵌套且能滑动配合的凹槽。
上述的凸棱截面为三角形，凹槽为对应的三角槽。
上述的上通孔和下通孔为孔径相同的方形孔。
上述U形框的下部开口端设置有底座。
使用上述夹具测试路面层间拉拔疲劳试件的测试方法通过以下步骤实现：
（1）、首先根据层间粘结层材料的不同，通过理论计算确定疲劳荷载的大小；
（2）、制作试件：可采用静压法、锤击法或旋转压实方法制成圆形或者矩形组合试件，也可以利用现场钻心取样的试件；
（3）、将试件11、夹具在环境温控箱中进行保温；
（4）、进行层间拉拔强度试验：将试件11放置在上组合件（1）和下组合件（2）之间的孔中，并将夹具与试件11用螺丝拧紧，通过凸棱将上组合件（1）和下组合件（2）位置摆放正确，并放置在环境箱中，通过传力杆12将荷载加载至上组合件（1）上，以此可以对层间结合面处产生均匀分布的垂直拉应力，实验过程中施加荷载从小到大，直到试件11破坏为止，此时得到的荷载除以层间接触面积，即可达到该条件下层间拉拔极限强度；
（5）、进行路面结构层间拉拔疲劳试验：将试件11放置在上组合件（1）和下组合件（2）之间的孔中，并将夹具与试件用螺丝拧紧，通过凸棱将上部夹具和下部夹具位置摆放正确，并放置在环境箱中，通过传力杆12将荷载加载至上组合件（1）上，以此可以对层间结合面处产生均匀分布的垂直拉应力，施加荷载的大小根据直接拉拔强度试验结果的0.1~0.9倍范围内，实验结束后，试件的层间结合部将会出现疲劳破坏，分析试验过程中材料试验机采集的应力或者应变随时间或者作用次数的变化数据，以此对层间拉拔疲劳进行分析。
上述的步骤（3）中将试件以及夹具置于-15℃~20℃的环境箱中，保温时间不少于4个小时。
上述的步骤（4）中通过传力杆对试件进行加载，加载速率为1mm/min，直至试件破坏。
上述的测试方法中通过凸棱将上下夹具组合在一起，并保证拉拔面与荷载方向垂直。
本发明的此种结构，夹具在试验过程中能够简便、快速的反映出路面结构层间的拉拔疲劳情况，有利于试验的正常进行，同时可以准确的反映出层状结构内部粘结材料的长期使用性能；通过上组合件和下组合件上下嵌套将试件固定在上通孔和下通孔上，并通过传力系统向试件下端施加竖向波形荷载，使粘结层出现均匀分布的拉应力（应变），从而得到试件疲劳拉拔应力（应变）与加载次数之间的关系，得到反映拉拔疲劳的特征参数。
本发明的试验方法具有以下优点：
1． 试验过程简单，可操作和重复性强；
2． 试验测试结果稳定，平行试验结果离散型小；
3． 实验能够较好地模拟行车荷载反复作用下路面结构层间的受力状态；
4． 本方法既能够进行层间直接拉拔试验，又能够进行拉拔疲劳试验，不需要添加任何其他设备。
附图说明：
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明上组合件结构示意图；
图3是本发明下组合件结构示意图；
图4是本发明受力示意图；
图5是本发明的实验装置图。
图中：1-上组合件，2-下组合件，3-C形板，4-上通孔，5-下通孔，6-凸棱，7-凹槽，8-U形板，9-底座，10-螺丝，11-试件，12-传力杆。
具体实施方式：
下面将结合附图对本发明进行详细说明。
参见图1、图2、图3，包括相互扣套的上组合件1和下组合件2，所述的上组合件1为一对C形板3对接组成的矩形框，矩形框的下端面上开设有下通孔5，矩形框内侧面上均设置有竖直的凸棱6；所述下组合件2为一对相同的U形框8连接形成的U形框，U形框的上端面中部上开设有上通孔4，上通孔4和下通孔5形状相同且上通孔4位于下通孔5之上与其相对设置，上端面两侧开设有与凸棱6相互嵌套且能滑动配合的凹槽7。凸棱6截面为三角形，凹槽7为对应的三角槽。上通孔4和下通孔５为孔径相同的方形孔。上组合件1和下组合件2上下相互嵌套时，所述的下通孔5和上通孔4上下位于同一轴线上，所述的凸棱6和凹槽7咬合在一起，可防止上组合件1和下组合件2在加载过程中产生横向移动。同时在下组合件2的U形板的开口端均设置有底座9。
如图4所示，本发明使用时，下组合件2的底座9部分通过四个螺丝10将其固定在MTS（UTM）上，防止在加载过程中整个夹具发生横向移动，然后把成型好的试件首先放入下组合件2中，利用下组合件2的上通孔4将试件上部夹住，并通过侧面的四个螺丝固定，防止加载过程中试件与下组合件2产生竖向位移；再将能够分开的上组合件1的两C形板3前后套在下组合件2中，如图2所示，确保上组合件1内侧的凸棱6能够与上组合件1前后外侧的凹槽7咬合，同时上组合件1 底部下通孔5必须夹住试件下部，通过侧面的四个螺丝固定；整个安装过程准备完毕后，利用MTS（UTM）在上组合件1上部施加竖向波形荷载，此时在试件上表现为拉拔力即可进行拉拔疲劳试验。
本发明属于路面结构层专用拉拔疲劳夹具，通过上组合件1和下组合件2将试件卡在夹具的上通孔4和下通孔5中，试件粘结层与加载方向垂直，在组合件顶端表面施加竖向荷载时，试件粘结层内部的力学状态表现为拉拔力，能够真实的反映路面结构层的受力情况。
本发明的测试方法通过以下步骤实现：
（1）、首先根据层间粘结层材料的不同，通过理论计算确定疲劳荷载的大小；
（2）、制作试件：可采用静压法、锤击法或旋转压实方法制成圆形或者矩形组合试件，也可以利用现场钻心取样的试件；
（3）、将试件11、夹具在环境温控箱中进行保温；
（4）、进行层间拉拔强度试验：将试件11放置在上组合件（1）和下组合件（2）之间的孔中，并将夹具与试件11用螺丝拧紧，通过凸棱将上组合件（1）和下组合件（2）位置摆放正确，并放置在环境箱中，通过传力杆12将荷载加载至上组合件（1）上，以此可以对层间结合面处产生均匀分布的垂直拉应力，实验过程中施加荷载从小到大，直到试件11破坏为止，此时得到的荷载除以层间接触面积，即可达到该条件下层间拉拔极限强度；
（5）、进行路面结构层间拉拔疲劳试验：将试件11放置在上组合件（1）和下组合件（2）之间的孔中，并将夹具与试件用螺丝拧紧，通过凸棱将上部夹具和下部夹具位置摆放正确，并放置在环境箱中，通过传力杆12将荷载加载至上组合件（1）上，以此可以对层间结合面处产生均匀分布的垂直拉应力，施加荷载的大小根据直接拉拔强度试验结果的0.1~0.9倍范围内，实验结束后，试件的层间结合部将会出现疲劳破坏，分析试验过程中材料试验机采集的应力或者应变随时间或者作用次数的变化数据，以此对层间拉拔疲劳进行分析。
步骤（3）中将试件以及夹具置于-15℃~20℃的环境箱中，保温时间不少于4个小时。
步骤（4）中通过传力杆对试件进行加载，加载速率为1mm/min，直至试件破坏。
测试方法中通过凸棱将上下夹具组合在一起，并保证拉拔面与荷载方向垂直。
实施例：
1． 采用旋转压实方法制作直径为150mm的沥青混合料大马歇尔试件，同时采用击实方法制作直径为150mm的水泥稳定碎石试件。在水泥稳定碎石表面涂刷透层油及封层材料，之后将沥青混合料大马歇尔试件放置在涂刷透层油的水泥稳定碎石试件之上，并采用压力机进行静压成型。将试件静置12小时以上，方可进行下一步实验操作。同一组试样个数不少于3个。
2． 将试件、拉拔疲劳用的夹具放置在25℃环境箱中，保温时间不少于6小时。
3． 将试件放入拉拔疲劳夹具当中。应确保试件的受拉面与加载面垂直。
4． 进行层间拉拔强度试验。通过上部夹具对试件进行加载，加载速率为1mm/min，直至之间破坏为止。试验结束后，将得到如图3所示的荷载-变形关系曲线，试件的破坏荷载可以取极限荷载的80%。由此得出试件的层间拉拔强度为： 
，其中P为试件的破坏荷载，A为试件的横截面积。为了保证实验结果的准确性，进行了3次平行试验，试验结果见表1。本试验采用直径为150mm的圆柱形芯样，其中沥青混凝土试件高100mm，水泥稳定碎石试件高100mm，层间粘结材料为改性乳化沥青。
表1 路面结构层间拉拔强度
从试验结果可知，该试验方法测试结果非常稳定，而且离散性小
5． 分别选用
的0.4、0.5、0.6、0.7、0.8倍进行层间拉拔疲劳试验，在25℃、10Hz条件下对平行试件进行拉拔疲劳试验，得到如图4所示的关系曲线，从中可得到不同条件下的拉拔疲劳寿命，实验结果如表2所示。
表2路面结构层间拉拔疲劳寿命
| 应力比 | 0.4 | 0.5 | 0.6 | 0.7 | 0.8 |
| 拉拔疲劳寿命/次 | 5312 | 1280 | 529 | 175 | 33 |
从表2可知，随着应力比增大，路面结构层间拉拔疲劳寿命显著下降。高的应力比条件下，路面结构层间会在很短时间内发生拉拔疲劳破坏。这说明在路面结构设计和层间防水粘结层材料选择时，应该重点考虑材料的拉拔疲劳性能。
通过路面结构层间拉拔强度和拉拔疲劳寿命试验，可以更全面地评价路面复合结构协同工作的能力与路用性能。
通过该试验装置和方法，可以测定路面结构层间抗拉强度和拉拔疲劳寿命，对研究路面结构相互协调工作的特性、评价路面结构的整体使用性能、评价层间粘结层材料性能的优劣都具有重要意义。同时该试验方法简单易行、试验设备简单可靠，能够在科研和实际工程中得到推广的应用。
Claims (8)
1.一种用于测试路面层间拉拔疲劳试件的夹具，包括相互扣套的上组合件（1）和下组合件（2），所述的上组合件（1）为一对C形板（3）对接组成的矩形框，矩形框的下端面上开设有下通孔（5），矩形框内侧面上均设置有竖直的凸棱（6）；所述下组合件（2）为一对相同的U形框（8）连接形成的U形框，U形框的上端面中部上开设有上通孔（4），上通孔（4）和下通孔（5）形状相同且上通孔（4）位于下通孔5之上与其相对设置，上端面两侧开设有与凸棱（6）相互嵌套且能滑动配合的凹槽（7）。
2.根据权利要求1所述的一种用于测试路面层间拉拔疲劳试件的夹具，其特征在于：所述的凸棱（6）截面为三角形，凹槽（7）为对应的三角槽。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于测试路面层间拉拔疲劳试件的夹具，其特征在于：所述的上通孔（4）和下通孔（５）为孔径相同的方形孔。
4.根据权利要求3所述的一种用于测试路面层间拉拔疲劳试件的夹具，其特征在于：所述U形框（8）的下部开口端设置有底座（9）。
5.根据权利要求1所述的一种用于测试路面层间拉拔疲劳试件的夹具的测试方法，其特征在于：所述的测试方法通过以下步骤实现：
（1）、首先根据层间粘结层材料的不同，通过理论计算确定疲劳荷载的大小；
（2）、制作试件：可采用静压法、锤击法或旋转压实方法制成圆形或者矩形组合试件，也可以利用现场钻心取样的试件；
（3）、将试件（11）、夹具在环境温控箱中进行保温；
（4）、进行层间拉拔强度试验：将试件（11）放置在上组合件（1）和下组合件（2）之间的孔中，并将夹具与试件（11）用螺丝拧紧，通过凸棱（6）将上组合件（1）和下组合件（2）位置摆放正确，并放置在环境箱中，通过传力杆(12）将荷载加载至上组合件（1）上，以此可以对层间结合面处产生均匀分布的垂直拉应力，实验过程中施加荷载从小到大，直到试件（11）破坏为止，此时得到的荷载除以层间接触面积，即可达到该条件下层间拉拔极限强度；
（5）、进行路面结构层间拉拔疲劳试验：将试件（11）放置在上组合件（1）和下组合件（2）之间的孔中，并将夹具与试件用螺丝拧紧，通过凸棱将上部夹具和下部夹具位置摆放正确，并放置在环境箱中，通过传力杆（12）将荷载加载至上组合件（1）上，以此可以对层间结合面处产生均匀分布的垂直拉应力，施加荷载的大小根据直接拉拔强度试验结果的0.1~0.9倍范围内，实验结束后，试件的层间结合部将会出现疲劳破坏，分析试验过程中材料试验机采集的应力或者应变随时间或者作用次数的变化数据，以此对层间拉拔疲劳进行分析。
6.根据权利要求5所述的一种用于测试路面层间拉拔疲劳试件的夹具的测试方法，其特征在于：所述的步骤（3）中将试件以及夹具置于-15℃~20℃的环境箱中，保温时间不少于4个小时。
7.根据权利要求5所述的一种用于测试路面层间拉拔疲劳试件的夹具的测试方法，其特征在于：所述的步骤（4）中通过传力杆对试件进行加载，加载速率为1mm/min，直至试件破坏。
8.根据权利要求5所述的一种用于测试路面层间拉拔疲劳试件的夹具的测试方法，其特征在于：所述的测试方法中通过凸棱将上下夹具组合在一起，并保证拉拔面与荷载方向垂直。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C53 | Correction of patent for invention or patent application | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Chen Tuanjie Inventor after: Li Gang Inventor after: Wang Zhengjun Inventor after: Bai Xuemei Inventor after: Wang Pengxiang Inventor after: Li Zhi Inventor after: Cao Haibo Inventor before: Chen Tuanjie Inventor before: Li Gang Inventor before: Wang Zhengjun |
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| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: CHEN TUANJIE LI GANG WANG ZHENGJUN TO: CHEN TUANJIE LI GANG WANG ZHENGJUN BAI XUEMEI WANG PENGXIANG LI ZHI CAO HAIBO |
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| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: CHINA ROAD AND BRIDGE CORPORATION Effective date: 20141229 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20141229 Address after: 710075 Xi'an hi tech Development Zone, Shaanxi science and technology No. two road, No. 63 Patentee after: CCCC First Highway Consultants Co., Ltd. Patentee after: China Road & Bridge Corporation Address before: 710075 Xi'an hi tech Development Zone, Shaanxi science and technology No. two road, No. 63 Patentee before: CCCC First Highway Consultants Co., Ltd. |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20120829 Termination date: 20141230 |
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| EXPY | Termination of patent right or utility model |