CN102297812A

CN102297812A - 一种用于沥青路面材料与结构的扭转剪切试验装置

Info

Publication number: CN102297812A
Application number: CN2011101319966A
Authority: CN
Inventors: 李祖仲; 陈拴发; 苑瑞星; 房建宏; 熊锐; 姚运仕; 岳丹
Original assignee: Changan University
Current assignee: Changan University
Priority date: 2011-05-20
Filing date: 2011-05-20
Publication date: 2011-12-28

Abstract

本发明涉及公路工程沥青路面材料与结构研究领域，公开了一种用于沥青路面材料与结构的扭转剪切试验装置，其特征在于，包括机座，设置在机座上的反力架，设置在反力架底部的蜗轮蜗杆机构，蜗轮蜗杆机构的蜗杆输入端连接压力电机，蜗轮输出端连接用于夹持试件的下支撑板，下支撑板上设置有压力传感器；所述反力架顶部设置有扭矩电机，扭矩电机输出轴向下依次连接盘式扭矩传感器和用于夹持试件的上支撑板。

Description

一种用于沥青路面材料与结构的扭转剪切试验装置

技术领域

本发明涉及公路工程沥青路面材料与结构研究领域，特别涉及一种用于沥青路面材料与结构的扭转剪切试验装置。

背景技术

沥青混合料铺筑而成的道面具有平整、抗滑、舒适、减震等良好的使用性能和机械化施工程度高、工期短、养护方便等优点，被广泛应用于公路路面和机场道面。沥青混合料是一种具有粘弹流变特性的复合材料，它是由沥青、粗集料、细集料和矿粉以及外掺剂所组成。由于组成材料源产地、颗粒形貌、质量的差异及配合比的不同，并结合路面结构与功能需求，可形成不同的混合料组成类型，表现出不同的力学特性。

沥青路面材料与结构的抗剪强度

，主要取决于粘聚力

和内摩擦角

两个重要参数。根据沥青混合料的不同材料组成，可形成三类结构：（a）悬浮密实结构，此类混合料密实度较大，各级集料为次级集料隔开，集料之间不能相互靠拢形成骨架，粘聚力

较高，但摩阻角

较低，抗剪能力差；（b）骨架空隙结构，此类混合料粗集料比例较高，细集料较少，粗集料可以形成骨架，又由于细集料少不足于填充骨架之间的空隙，混合料内摩阻角

较大，但粘聚力较低，抗剪性能较好。（c）密实—骨架结构，此类混合料既有较多的粗集料形成空间骨架，又有相当数量的细集料可填密骨架空隙，混合料不但粘聚力

较高，而且内摩阻角也较大，抗剪能力最优。

受交通荷载反复作用，沥青混合料的抗剪性能对道面的使用寿命影响极其重要，特别是在高温气候条件下，往往由于沥青混合料抗剪性能的不足，导致路面出现车辙、拥包、推移等病害，严重影响了沥青路面或机场道面的服务质量及使用寿命。

自20世纪30年代起，国内外道路工程界对沥青路面或沥青混合料抗剪强度的研究一直十分活跃，开发了相应的试验设备和试验方法，V.A.Endersby首先提出如何制备在三轴试验条件下的沥青混凝土试件，并提出了具体的试验方法；L.W.Nijboer利用由三轴测得的数据进行混合料设计，为了使设计更加完善，他利用Prandtl公式对塑性条件下的混合料进行了评估；V.R.Smith阐述了道路的剪切受力状态，并且给出了三轴试验方法所采用的类型，加载速度和温度对试件的抗剪能力影响，提出了沥青混合料的破坏标准和混合料应该满足的物理性能，并给出了在不同荷载条件下混合料应达到的抗剪要求。

Norman W.Mcleod把轮胎的接地分布压力图融入对路面的力学分析中，根据轮胎的接地压力分布的不均匀特性，提出了不同的设计标准，得到了基于直线包络线下的路面抗剪的设计诺模图；Edward S.Barber给出了路面在水平剪应力和垂直荷载同时作用条件下道路的受力状态，并且指出，道路设计中必须考虑水平剪应力的作用，在水平力和垂直荷载共同作用下，路面结构中产生的剪应力大大增加；Kiryukhin提出了利用抗剪特性和控制裂缝进行路面设计的方法，但并没有提出具体的试验方法和可操作的控制标准。

在国内，同济大学学者分析了当前沥青路面出现的诸多病害原因，得出道路的损害与混合料抗剪性能不足息息相关，采用单轴贯入试验方法，给出了求解单轴贯入试验中剪应力的强度参数，通过无侧限抗压试验，借助于三轴试验原理，总结出求解

和

值的方法；长安大学公路学者开发了沥青路面层间直接剪试验装置，根据国内外研究成果和大量的试验结果确定了直接剪切试验条件及参数，检验混合料层间抗剪性能。

尽管国内外学者从理论和试验的角度对沥青混合料及沥青路面层间问题进行了较深入地研究，但沥青路面的车辙及耐久性问题仍未得到彻底解决，依然是沥青路面主要病害之一，严重制约了沥青混合料推广应用及公路交通建设可持续发展。综上所述，已有的剪切试验方法并不能准确地反映沥青混合料的路面力学行为。

发明内容

本发明的目的在于从沥青混合料抗剪强度形成机理出发，分析影响其抗剪性能的内因与外因，提供一种用于沥青路面材料与结构的扭转剪切试验装置，该装置可进行可控条件下的沥青混合料扭转剪切破坏试验、扭转剪切蠕变试验、重复扭转剪切试验、混合料层间扭转剪切试验，能够准确评价沥青混合料的抗剪性能及层间粘结性能。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。

一种用于沥青路面材料与结构的扭转剪切试验装置，其特征在于，包括机座，设置在机座上的反力架，设置在反力架底部的蜗轮蜗杆机构，蜗轮蜗杆机构的蜗杆输入端连接压力电机，蜗轮输出端连接用于夹持试件的下支撑板，下支撑板上设置有压力传感器；所述反力架顶部设置有扭矩电机，扭矩电机输出轴向下依次连接盘式扭矩传感器和用于夹持试件的上支撑板。

本发明的进一步改进和特点在于：

所述机座上设置有环境温度箱，反力架位于环境温度箱内。

所述压力电机和扭矩电机分别为步进电机。

所述上、下支撑板上分别固定有夹持环，夹持环内壁设置有橡胶垫。

该装置还包括一台计算机，所述计算机的接口分别连接盘式扭矩传感器和压力传感器，计算机主机配置扭转剪切监控组态软件，实时采集扭矩、压力数据。

本发明的扭转剪切试验装置，在机座上设置反力架，反力架底部设置的蜗轮蜗杆机构，蜗轮蜗杆机构的蜗杆输入端连接压力电机，蜗轮输出端连接用于夹持试件的下支撑板，下支撑板上设置有压力传感器，压力电机、蜗轮蜗杆机构带动下支撑板向上运动，向试件提供竖向压力；反力架顶部设置有扭矩电机，扭矩电机输出轴向下依次连接盘式扭矩传感器和用于夹持试件的上支撑板，扭矩电机带动上支撑板向试件提供水平扭矩；计算机主机配置扭转剪切监控组态软件实时采集压力传感器和盘式扭矩传感器的传入数据，能够准确反映沥青路面材料与结构的扭转剪切形变过程的本质。

本发明根据沥青混合料抗剪强度形成机理，在扭转剪切过程中，集料颗粒与胶浆全方位接触而形变，集料的几何尺寸、表面颗粒形貌均能在扭转剪切试验中有所体现，能够反映混合料剪切形变过程的本质，避免直接剪切试验中由于集料颗粒分布的不均匀、集料空间状态对试验结果造成偏差，因此，扭转剪切试验结果更具代表性。

本发明可进行不同可控条件的扭转剪切试验，可根据试验要求设计竖直荷载、水平扭转荷载及加载波形，进行各种类型的扭转剪切试验，评价沥青混合料的粘弹流变特性，试验结果能突出反映混合料产生的永久变形机理，能较有效地应用于比较和预估各种沥青混合料的抗永久变形的性能。

本发明中，反力架位于环境温度箱内，能够模拟环境温度变化；压力电机和扭矩电机分别为步进电机，可以做到对压力和扭矩的精确控制；利用计算机的接口分别连接盘式扭矩传感器和压力传感器，实时采集数据，便于分析实验结果。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

图1为一种用于沥青路面材料与结构的扭转剪切试验装置的结构示意图。

图2为试件紧固夹具图；

其中：1、底座；2、环境温度箱；3、反力架；4、温度传感器；5、扭矩电机；6、台阶轴；7、轴承；8、盘式扭矩传感器；9、过渡轴；10、上支撑板；11、压力传感器；12、下支撑板；13、蜗轮蜗杆机构；14、压力电机；15、夹持环；16、橡胶垫。

具体实施方式

参照图1，为本发明的一种用于沥青路面材料与结构的扭转剪切试验装置。在其机座1上设置有环境温度箱2，环境温度箱2内固定反力架3，反力架3的底部的设置蜗轮蜗杆机构13，蜗轮蜗杆机构13的蜗杆输入端连接压力电机14，蜗轮输出端连接用于夹持试件的下支撑板12，下支撑板12上设置有压力传感器11。通过压力电机14和蜗轮蜗杆机构13可以实现下支撑板12的竖直运动，完成下支撑板12对试件的垂直加压功能。

同时，在环境温度箱2的顶部固定有扭矩电机5，反力架3的顶板固定有轴承7，轴承7上设置有台阶轴6，台阶轴6的输入端与扭矩电机5输出轴通过联轴器连接，台阶轴6的输出端与盘式扭矩传感器8的一端通过法兰连接，扭矩盘式扭矩传感器8的另一端与过渡轴9的上端通过法兰连接，过渡轴9的下端与用于夹持试件的上支撑板10固定。通过扭矩电机5可以带动上支撑板10水平旋转，从而实现对试件加载水平扭转剪切荷载。如果是简易的扭转剪切试验装置，也可没有环境温度箱2，扭矩电机5直接固定在反力架3上，扭矩电机2输出轴向下依次连接盘式扭矩传感器8和用于夹持试件的上支撑板10。

本实施例中，压力电机14和扭矩电机5分别为步进电机，并通过计算机控制，同时计算机也实现对环境温度箱2的温度设定与控制，其中温度传感器4设置在环境温度箱2的顶部。此外，计算机接口分别连接温度传感器4、盘式扭矩传感器8和压力传感器12，实时采集试验过程中的温度、扭矩及波形、压力数据。

参照图2，为夹持环结构。夹持环15分别固定上、下支撑板10、12上，夹持环15的截面为L形，其水平边与支撑板固定，其竖直边的内壁设置有橡胶垫16，便于夹紧试件，防止滑移。

利用本实施例的扭转剪切试验装置可以分别实现沥青混合料扭转剪切破坏试验、沥青混合料扭转剪切蠕变试验、重复扭转剪切试验、混合料层间扭转剪切试验。

根据沥青混合料组成集料的最大公称粒径确定试件的几何尺寸，其中集料最大公称粒径为9.5mm试件尺寸为φ100×100mm，集料最大公称粒径为19mm试件尺寸为φ150×120mm，利用旋转压实机成型试件。

启动压力电机，调整夹持试件的上支撑板与下支撑板至合适位置，然后安装试件，用夹持环进一步固定试件，夹持环内置硬质的橡胶垫有利于试件固定，避免扭转剪切时试件滑移，并用连接螺杆、螺母固定于试件支撑板上，装置荷载清零。

1）沥青混合料扭转剪切破坏试验

按照所需试验要求，设置环境箱温度，待试件恒温1.5h～2h后，扭转电机提供水平扭转力矩，压力电机施加竖直荷载。设定试验参数，包括扭转电机的转速、压力电机的转速及施加的竖直荷载，试验结果记录：试验温度、竖直荷载、破坏扭矩，通过盘式扭距传感器和压力传感器，利用计算机实时采集试件在扭转剪切破坏过程中的数据，可随时调取数据分析混合料抗剪强度的影响因素，评价沥青混合料在不同温度和加载条件下的抗剪性能。

2）沥青混合料扭转剪切蠕变试验

沥青混合料为典型的非均质粘弹性材料，进行扭转剪切蠕变试验可很好地用来评价沥青混合料的路面结构性能，预估沥青沥青混合料的车辙与永久变形性能。

在扭转剪切蠕变试验中，按照试验要求设定的环境温度和竖直荷载，通过计算机控制扭转电机，对试件施加水平恒定扭矩，盘式扭距传感器实时采集扭转位移数据，并保存于计算机数据库中，恒定扭矩 M c 取值如下：

M c ₌κ× M S

M c — 扭转剪切蠕变荷载，N.m；

M S — 扭转剪切破坏强度，N.m；

κ — 蠕变系数，0＜κ＜0.5。

扭转剪切蠕变试验可反映沥青混合料明显的粘滞特性，评价沥青混合料在持续荷载作用下的塑形变形及形变速率。

3）重复扭转剪切试验

在设定的环境温度和竖直加载条件下，通过计算机控制扭转电机，对试件重复施加扭转荷载，加载频率及波形根据试验要求选取，可为半正弦、锯齿等波形，荷载波峰值 M R 取值如下：

M R =γ× M S

M R — 重复扭转荷载波峰值，N.m；

M S — 扭转剪切破坏强度，N.m；

γ — 加载系数，0＜γ＜1。

通过试验，可得到沥青混合料不同剪切次数下的剪切变形和竖向变形，分析环境温度、竖直荷载对剪切形变和竖向形变累积的影响，评价沥青混合料的抗永久性剪切形变的能力，较好地模拟不同车轮荷载反复作用于沥青路面，试验得到各项指标能够较好地反映沥青混合料的高温稳定性能。

4）混合料层间扭转剪切试验

对于层间扭转剪切试验，在已成型好的车辙板（30cm×30cm×5cm）中钻芯取样，切割成φ100×3cm试件，在两试件表面设置粘结层，偶对成一组试件，启动压力电机，调整上支撑板与下支撑板之间的间隙，安装试件，确定试验参数：试验温度、竖直荷载、水平扭转剪切速率，盘式扭距传感器实时采集试件在扭转剪切破坏过程中的荷载及变形数据，为混合料层间材料设计提供有力的试验依据。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims

1. 一种用于沥青路面材料与结构的扭转剪切试验装置，其特征在于，包括机座，设置在机座上的反力架，设置在反力架底部的蜗轮蜗杆机构，蜗轮蜗杆机构的蜗杆输入端连接压力电机，蜗轮输出端连接用于夹持试件的下支撑板，下支撑板上设置有压力传感器；所述反力架顶部设置有扭矩电机，扭矩电机输出轴向下依次连接盘式扭矩传感器和用于夹持试件的上支撑板。

2.根据权利要求1所述的用于沥青路面材料与结构的扭转剪切试验装置，其特征在于，所述机座上设置有环境温度箱，反力架位于环境温度箱内。

3.根据权利要求1所述的用于沥青路面材料与结构的扭转剪切试验装置，其特征在于，所述压力电机和扭矩电机分别为步进电机。

4.根据权利要求1所述的用于沥青路面材料与结构的扭转剪切试验装置，其特征在于，所述上、下支撑板上分别固定有夹持环，夹持环内壁设置有橡胶垫。

5.根据权利要求1所述的用于沥青路面材料与结构的扭转剪切试验装置，其特征在于，还包括一台计算机，所述计算机的接口分别连接盘式扭矩传感器和压力传感器。