CN102519808B - 一种复合式沥青路面层间剪切疲劳测试的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合式沥青路面层间剪切疲劳测试的装置及方法，采用斜剪试验测定不同温度条件下的复合式沥青路面层间剪切疲劳寿命。该装置包括加载杆、荷载测试系统、压块、支撑块和支撑平台；压块和支撑块均设有一个凹陷部，在加载杆加载时，待测试的试件位于2个凹陷部对接形成的空间中。其测试方法为：将试件置于支撑块和压块中，通过试验机加载使试件发生斜剪破坏，得到最大破坏荷载，最后按照最大破坏荷载的0.2～0.8倍进行重复荷载作用下的剪切疲劳试验。该装置及方法简单易操作，能准确地模拟复合式沥青路面的实际受力状态，对复合式沥青路面层间剪切性能和层间结构与材料的设计与评价、沥青层厚度的设计具有重要意义。

Description

一种复合式沥青路面层间剪切疲劳测试的装置及方法

技术领域

本发明属于道路工程技术领域，涉及一种复合式沥青路面层间剪切疲劳测试的装置及方法。

背景技术

在我国公路建设高速发展的同时，由于管理上的不完善及运输营运利益的驱使，汽车超载现象十分普遍。高速公路路面的使用寿命经常低于设计使用期，路面的早期破坏给国家造成了极大的经济损失和资源浪费，并引起了全社会的广泛关注，迫切需要提高道路工程的耐久性，促进我国交通运输事业更好地发展。在这种新形势下，要求公路行业走可持续发展的道路，进一步加大科技创新力度，建设运输安全型、质量效益型、资源节约型、环境友好型的公路项目。

复合式沥青路面采用高强度的刚性基层与柔性的沥青混凝土面层进行复合，刚性基础主要起承重作用、表面沥青面层起功能作用；复合式沥青路面结合刚性路面和柔性路面的特点：柔中有刚，刚柔相济，是一种使用性能良好的结构形式，具有整体强度高、行车舒适性好、使用寿命长、维修费用小等优点。复合式沥青路面能充分满足重载交通条件下路面结构的耐久性要求，是我国重载交通高速公路长寿命路面结构的发展方向。

工程实践和研究表明，复合式沥青路面结构的主要问题是层间滑移和反射裂缝。国内外目前对复合式沥青路面的研究虽然取得了一定的成果，但还是有一定的局限性，对反射裂缝研究较多，对层间剪切问题研究较少。对沥青路面剪切疲劳的研究，主要是针对沥青混合料本身的剪切疲劳性能，进行了大量的剪切试验研究和计算分析。对复合式沥青路面层间剪切性能的研究主要是分析层间剪应力的分布和进行层间抗剪强度试验，目前还没有评价复合式沥青路面层间剪切疲劳测试的装置及方法。申请公开号为CN 102095680 A的中国发明专利，公开了一种用于测试路面层间剪切疲劳试件的夹具及其测试方法，该方法并没有针对复合式沥青路面结构且采用的是直接剪切的方法，而路面结构除了受到由车轮对路面的水平摩擦力外还受车辆荷载的垂直压力，这两种力使路面结构的层间产生了剪应力，因此，如果只考虑路面结构的水平面应力而不考虑垂直压应力，显然不符合路面实际受力状态，所以直剪不能准确评价路面结构的层间抗剪强度和剪切疲劳性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提出一种复合式沥青路面层间剪切疲劳测试的装置及方法，该复合式沥青路面层间剪切疲劳测试的装置结构简单，该装置及方法简单易操作，能准确地模拟复合式沥青路面的实际受力状态。

本发明的技术解决方案如下：

一种复合式沥青路面层间剪切疲劳测试的装置，包括加载杆、荷载测试系统、压块、支撑块和支撑平台；加载杆的下端接压块，支撑块设置在支撑平台上；压块和支撑块均设有一个凹陷部，在加载杆加载时，待测试的试件位于2个凹陷部对接形成的空间中；

所述的加载杆和荷载测试系统采用材料试验机中的加载杆和荷载测试系统；

所述的压块的凹陷部和支撑块的凹陷部均向同一方向倾斜26°34′；

所述的试件为圆柱体形，所述的凹陷部的形状为与圆柱体形的试件相适配的半圆柱体形。

复合式沥青路面层间剪切疲劳测试的装置还包括环境箱，压块、支撑块以及试件均设置在该环境箱中。

所述的试件为层叠结构，从上至下依次为沥青混凝土面层、粘结层和水泥混凝土基层。

采用前述的复合式沥青路面层间剪切疲劳测试的装置；

抗剪强度试验步骤为：

先将压块和支撑块之间的间距调整到试件恰好可以放进去的位置，然后将试件置于支撑块和压块的凹陷部中，启动升降杆，使压块向下运动，通过压块使得试件产生形变直至试件破坏，试件破坏时对应的载荷值即最大破坏荷载，再求出复合式沥青路面层间抗剪强度；

剪切疲劳试验步骤为：

先将压块和支撑块之间的间距调整到试件恰好可以放进去的位置，然后将试件置于支撑块和压块的凹陷部中，通过材料试验机设定剪切疲劳试验的荷载，荷载为最大破坏荷载的0.2～0.8倍中的某一固定值，荷载采用半正弦矢波加载，重复多次加载，直到试件被破坏，试件破坏时的最大加载次数即为该应力水平下的疲劳寿命。

在抗剪强度试验中，压块下降速度为：1.5～2.5mm/min，剪切疲劳试验时，半正弦矢波为正弦波，半正弦矢波加载的振幅为施加荷载的大小，频率为10Hz。支撑块底部设有一个支撑板，保障支撑块倾斜而不会倾覆。

有益效果：

本发明提供了一种复合式沥青路面层间剪切疲劳测试的装置及方法，本发明具有以下优点：

1.压块和支撑块的凹陷部采用26°34′，可以更好地模拟行车荷载在最不利条件下对路面结构的剪切破坏状态。压块和支撑块的凹陷部采用26°34′主要是因为在城市道路中的公交车停靠站、交叉路口，车辆起动、制动频繁；高速公路上的陡下坡段、收费站前，车辆制动也较多。这些路段的路面受到的水平荷载较大，都易出现层间剪切疲劳破坏。这些最不利复杂条件下进行剪应力计算时，应按紧急制动的状态来考虑。大量的研究及测试结果表明，紧急制动时，水平力系数(车轮与路面的摩擦系数)取0.5，即路面结构所受的水平应力为竖向应力的0.5倍，通过力的分解和数学计算可知，凹陷部的倾角α＝arctan 0.5＝26°34′，因此，本发明有一定的理论和实践基础，更具科学性；

2.试验仪器结构简单、操作方便，并充分利用现有的试验设备，便于在科研和实际工程中推广、应用；

3.实现了试验方法的真实性和科学性，现有复合式沥青路面层间剪切疲劳的试验大多是针对层间材料本身进行的剪切疲劳试验，本发明则是对层间结构进行剪切疲劳试验，可以更真实地模拟路面结构的实际受力状态和剪切破坏模式，本发明还可以进行不同温度条件下的层间剪切疲劳试验；

4.可以按照试验要求进行不同高度试件的剪切疲劳试验，模拟不同厚度的水泥混凝土基层和沥青混凝土面层的剪切疲劳试验。

本发明的装置及方法简单易操作，能准确地模拟路面结构的实际受力状态，对复合式沥青路面层间剪切性能和层间结构与材料的设计与评价、沥青层厚度的设计具有重要意义。

本发明与已公开专利(申请公开号为CN 102095680A)的测试夹具、试件制作、层间处理完全不同，另外在测试方法上也有所不同。此外，路面结构的层间剪切破坏一般主要体现在复合式沥青路面中，因为，复合式沥青路面层间主要靠沥青混合料与水泥混凝土表面的结合力来抵抗剪应力，层间抗剪能力相对较弱，且沥青层一般较薄，易出现层间剪切疲劳破坏，所以层间剪切疲劳是层间结构与材料设计和沥青层厚度设计要考虑的主要指标，其他路面结构在其使用寿命周期内层间剪切疲劳破坏并不是主要的破坏形式，因此，本发明更有针对性。

附图说明

图1为复合式沥青路面层间剪切疲劳测试的装置的结构示意图。

图2为试件结构示意图。

图3为压块水平放置时的三视图，其中a为主视图，b为右视图，c为俯视图。

附图中标示为：1-材料试验机、2-支撑平台、3-环境箱、4-支撑块、5-水泥混凝土基层、6-粘结层、7-沥青混凝土面层、8-压块、9加载杆(又名升降杆)、10-控制台。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明：

如图1至3所示，一种复合式沥青路面层间剪切疲劳测试的装置，包括加载杆、荷载测试系统、压块、支撑块和支撑平台、环境箱；加载杆的下端接压块，支撑块设置在支撑平台上；压块和支撑块均设有一个凹陷部，在加载杆加载时，待测试的试件位于2个凹陷部对接形成的空间中。压块、支撑块以及试件均设置在环境箱中。

所述的加载杆和荷载测试系统采用材料试验机中的加载杆和荷载测试系统。

所述的压块和支撑块的凹陷部均向同一方向倾斜26°34′设置，压块和支撑块的凹陷部形状为与圆柱体形的试件相适配的半圆柱体形。

一种复合式沥青路面层间剪切疲劳测试的方法，包括以下步骤：

(1)通过试验要求选择所需半径和高度的压块和支撑块；

(2)制作试件：可采用室内成型法成型圆柱体试件或者采用现场钻芯取得的圆柱体试件，然后切割成试验所需尺寸的试件。其中室内成型法包括实施例中的在试模中直接成型成试验需求所需尺寸的试件，也可采用轮碾成型法成型为板式试件，然后通过钻芯取得的圆柱体试件。

(3)保温：将已经制作好的试件、支撑块4和压块8置于环境箱3中，保温时间4小时以上，具体温度根据试验要求设定，一般为20℃～60℃。

(4)抗剪强度试验：先将压块和支撑块之间的间距调整到试件恰好可以放进去的位置，然后将试件置于支撑块和压块的凹陷部中，通过启动升降杆，使压块向下运动，压块下降速度为：1.5～2.5mm/min，通过压块使得试件产生形变直至试件破坏，试件破坏时对应的载荷值即最大破坏荷载，再求出复合式沥青路面的层间抗剪强度；

(5)剪切疲劳试验：先将压块和支撑块之间的间距调整到试件恰好可以放进去的位置，然后将试件置于支撑块和压块的凹陷部中，通过材料试验机设定剪切疲劳试验的荷载，荷载为最大破坏荷载的0.2～0.8倍中的某一固定值，荷载采用半正弦矢波加载，重复多次加载，直到试件破坏，半正弦矢波加载的振幅为施加荷载的大小，频率为10Hz，试件破坏时的最大加载次数即为该应力水平下的疲劳寿命。

实施例1：

1.根据试验要求选用半径都为50.8mm，高度都为50mm的压块和支撑块。

2.试件的制备

2.1 水泥混凝土基层制作

在沥青混合料马歇尔试模中浇筑C35水泥混凝土试件，浇筑水泥混凝土时必须振捣密实，然后对水泥混凝土基层的表面进行裸化处理，接着将试件置于标准养护室养护，养护24h后用木锤轻敲脱模，再将试件置于标准养护室养护到强度达到设计要求。

2.2 粘结层的制作

将步骤2.1中强度达到设计要求的试件表面清理干净，在其表面均匀涂上SBS改性沥青，然后在沥青温度降低之前在沥青表面洒布16mm～19mm单一粒径的碎石，并立刻用力压紧碎石，使碎石表面尽量多裹附沥青，洒布量为沥青表面面积的45％，在室温下冷却后再进行下一步试验。

2.3 沥青混凝土面层的制作

沥青混凝土面层的制作是在粘结层已冷却至室温以后。沥青混凝土级配采用SMA-13，沥青采用SBS改性沥青。本次实例选用整个试件的高度为100mm。沥青混凝土面层的制作采用击实法，先将步骤2.2中的试件重新装入自制加高的马歇尔试模(直径为101.6mm，高度为120mm)中，接着将拌和好的沥青混合料也装入试模中击实成型，然后将试模横向放置在室温下冷却，冷却12小时后在脱模机上脱出试件。

3.保温

将已经制作好的试件、支撑块和压块置于环境箱中，然后升温到60℃，保温5小时。

在本实施例中选用60℃的原因是：夏季高温季节，全国大部分地区复合式沥青路面的层间最高温度可达到60℃左右，而温度会对层间的剪切疲劳寿命产生直接影响，所以，本发明选用60℃温度来测试层间剪切疲劳寿命有其合理性，考虑了最不利气温状况下复合式沥青路面层间的剪切疲劳寿命。

4.抗剪强度试验：

先将压块和支撑块之间的间距调整到试件恰好可以放进去的位置，然后将试件置于支撑块和压块中，通过材料试验机启动升降杆，使压块开始以2mm/min速度向下运动，直至试件破坏，测出最大破坏荷载，再按照公式(1)求出复合式沥青路面层间抗剪强度。

${\mathrm{\τ}}_{\max }=\frac{P}{\sqrt{5}A}---\left(1\right)$

式中：τ_max-最大剪应力/MPa，即复合式沥青路面层间抗剪强度；

P-最大破坏荷载/N；

A-试件的横截面积/mm²。

重复上述步骤，做4次平行试验，试验结果取平行试验结果的平均值。试验结果见表1所示。

表1 复合式沥青路面层间剪切强度

5.剪切疲劳试验：

分别取最大破坏荷载的0.2～0.8倍进行重复荷载作用下的剪切疲劳试验。先将压块和支撑块之间的间距调整到试件恰好可以放进去的位置，然后将试件置于支撑块和压块的凹陷部中，通过材料试验机设定剪切疲劳试验的施加荷载的大小，荷载采用半正弦矢波(振幅为施加荷载的大小)加载，加载频率为10Hz。试件破坏时的累计作用次数即疲劳寿命。

重复上述步骤，做4次平行试验，试验结果取平行试验结果的平均值。试验结果见表2所示。

表2 复合式沥青路面层间剪切疲劳寿命

注：应力比＝疲劳试验施加的荷载/最大破坏荷载

从表2可以看出，随着应力比的增大，复合式沥青路面层间剪切疲劳寿命显著下降。

Claims (2)

1.一种复合式沥青路面层间剪切疲劳测试的装置，其特征在于，包括加载杆、荷载测试系统、压块、支撑块和支撑平台；加载杆的下端接压块，支撑块设置在支撑平台上；压块和支撑块均设有一个凹陷部，在加载杆加载时，待测试的试件位于2个凹陷部对接形成的空间中；所述的加载杆和荷载测试系统采用材料试验机中的加载杆和荷载测试系统；所述的压块的凹陷部和支撑块的凹陷部均向同一方向倾斜26°34′，可以更好地模拟行车荷载在最不利条件下对路面结构的剪切破坏状态；

所述的试件为圆柱体形，所述的凹陷部的形状为与圆柱体形的试件相适配的半圆柱体形；

所述的复合式沥青路面层间剪切疲劳测试的装置还包括环境箱，压块、支撑块以及试件均设置在该环境箱中；

所述的试件为层叠结构，从上至下依次为沥青混凝土面层、粘结层和水泥混凝土基层；

试模为自制加高的马歇尔试模，直径为101.6mm，高度为120mm。

2.一种复合式沥青路面层间剪切疲劳测试的方法，其特征在于，采用权利要求1所述的复合式沥青路面层间剪切疲劳测试的装置；

抗剪强度试验步骤为：

先将压块和支撑块之间的间距调整到试件恰好可以放进去的位置，然后将试件置于支撑块和压块的凹陷部中，启动加载杆，使压块向下运动，通过压块使得试件产生形变直至试件破坏，试件破坏时对应的载荷值即最大破坏荷载，再求出复合式沥青路面层间抗剪强度；

剪切疲劳试验步骤为：

先将压块和支撑块之间的间距调整到试件恰好可以放进去的位置，然后将试件置于支撑块和压块的凹陷部中，通过材料试验机设定剪切疲劳试验的荷载，荷载为最大破坏荷载的0.2～0.8倍中的某一固定值，荷载采用半正弦矢波加载，重复多次加载，直到试件被破坏，试件破坏时的最大加载次数即为该应力水平下的疲劳寿命；

试件的制备步骤如下：

2.1水泥混凝土基层制作：

在沥青混合料马歇尔试模中浇筑C35水泥混凝土试件，浇筑水泥混凝土时振捣密实，然后对水泥混凝土基层的表面进行裸化处理，接着将试件置于标准养护室养护，养护24h后用木锤轻敲脱模，再将试件置于标准养护室养护到强度达到设计要求；

2.2粘结层的制作

将步骤2.1中强度达到设计要求的试件表面清理干净，在其表面均匀涂上SBS改性沥青，然后在沥青温度降低之前在沥青表面洒布16mm～19mm单一粒径的碎石，并立刻用力压紧碎石，使碎石表面尽量多裹附沥青，洒布量为沥青表面面积的45%，在室温下冷却后再进行下一步试验；

2.3沥青混凝土面层的制作

沥青混凝土面层的制作是在粘结层已冷却至室温以后，沥青混凝土级配采用SMA-13，沥青采用SBS改性沥青；选用整个试件的高度为100mm，沥青混凝土面层的制作采用击实法，先将步骤2.2中的试件重新装入自制加高的马歇尔试模，自制加高的马歇尔试模直径为101.6mm，高度为120mm，接着将拌和好的沥青混合料也装入试模中击实成型，然后将试模横向放置在室温下冷却，冷却12小时后在脱模机上脱出试件；

在抗剪强度试验中，压块下降速度为：1.5～2.5mm/min，剪切疲劳试验时，半正弦矢波为正弦波，半正弦矢波加载的振幅为施加荷载的大小，频率为10Hz。

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