CN103149099A - 沥青旋转剪切振荡疲劳破坏实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

沥青旋转剪切振荡疲劳破坏实验装置及方法，属于沥青材料试验领域。由实验平台、加载系统、温度控制系统和计算机控制系统组成；计算机控制系统控制温度系统对沥青试件养护及实验过程控温，实验过程中计算机控制系统控制加载系统对沥青试件进行动态旋转剪切加载。本发明提供一种可自动控温、应力比范围大及具有多种振荡函数的沥青旋转剪切振荡疲劳破坏性能测试实验装置。本发明也适用于沥青胶结料复数剪切模量（G^*）和相位角（δ）的测定。

Description

沥青旋转剪切振荡疲劳破坏实验装置及方法

技术领域

本发明属于沥青力学性能测试领域，特别是涉及对沥青旋转剪切振荡疲劳破坏性能的实验测定技术。

背景技术

对沥青胶结料施加振荡剪切作用测试其力学及路用性能的实验设备主要是动态剪切流变仪（DSR），该仪器在给定温度和加载频率下测定沥青胶结料在线粘弹性范围内的复数剪切模量（G^*）和相位角（δ），用于评价沥青胶结料的高温抗永久变形能力及中温抗疲劳破坏性能。DSR为高端进口设备，尽管技术先进，但因其价格昂贵而普及面很小，直接影响到针对沥青动态性能的深入研究。一般DSR的扭矩量程很小(不超过150N·mm)，因此用于沥青材料的疲劳破坏性能实验时，只能取较低的应力水平，其应用具有较大局限。

目前，可用于测试材料扭转性能的设备有传统扭矩实验机(手动加载)和计算机控制扭转实验机，均主要用于测试抗剪切模量较大的金属材料及非金属材料在室温条件下的扭转性能。上述扭转实验设备对于沥青胶结料的旋转(即扭转)剪切振荡疲劳破坏性能测试是不适用的，主要原因：（1）测定沥青胶结料的疲劳破坏性能要求实验机必须能振荡加载，现有材料扭矩实验机均不具备此功能；(2)沥青胶结料的疲劳破坏性能不仅受加载频率、加载幅度的影响，还对实验温度非常敏感，因此，针对沥青胶结料的性能测试必须严格控制加载参数并控制实验温度；(3)与现有材料扭转实验机相比，适合于沥青胶结料旋转剪切振荡实验的扭矩量程相对较小，因此采用现有材料扭转实验的实验精度难以保证；(4)由于沥青材料的硬度较小，必须采用特殊夹具才能进行剪切加载实验。

为克服现有技术中缺少沥青胶结料剪切振荡疲劳破坏性能测试的通用实验设备，本发明提供一种可自动控温、应力比范围大及具有多种振荡函数的沥青旋转剪切振荡疲劳破坏性能测试实验装置。本发明也适用于沥青胶结料复数剪切模量（G^*）和相位角（δ）的测定。

发明内容

一种沥青旋转剪切振荡疲劳破坏实验装置，由实验平台、加载系统、温度控制系统和计算机控制系统组成；计算机控制系统控制温度系统对沥青试件养护及实验过程控温，实验过程中计算机控制系统控制加载系统对沥青试件进行动态旋转剪切加载。

实验平台由试模、沥青试件、夹具、固定轴、旋转轴、轴承座、扭矩传感器及编码器、温控箱、温度编码器、微型气泵、伺服放大器、伺服电机和减速箱组成。试模由两个圆柱型硬质材料制成，试模用于将沥青试件夹在中间，夹具夹在试模两端；夹具的一端与固定轴为可拆卸固定连接，夹具的另一端与旋转轴为可拆卸固定连接。旋转轴的一端与夹具为可拆卸固定连接，另一端与减速箱的输出轴为可拆卸固定连接；旋转轴可沿轴线方向移动，以便于试件的安装；固定轴的一端与夹具为可拆卸固定连接，另一端与扭矩传感器及编码器为可拆卸固定连接。旋转轴和固定轴通过各自的轴承座固定在实验平台上；温控箱的两侧留有与旋转轴和固定轴匹配的圆形孔，固定轴与旋转轴通过圆形孔穿透温控箱，温控箱固定在实验平台的两个轴承座之间，形成一个相对密闭的保温的温控箱；温控箱与旋转轴之间留有缝隙，以便于旋转轴的旋转，温控箱留有可开启安装试件的门；扭矩传感器及编码器固定在实验平台上。扭矩传感器及编码器用于测量沥青试件所承载的扭矩，用于校验伺服加载的输出扭矩。

加载系统由伺服放大器、伺服电机、减速箱、可编程逻辑控制器及联轴器组成，计算机控制系统控制可编程逻辑控制器对伺服放大器发射脉冲，伺服放大器在计算机控制系统的控制下通过可编程逻辑控制器发送的脉冲控制伺服电机，可供选择的加载方式有应力控制、应变控制，应力控制对应于伺服放大器（7）的扭矩控制，应变控制对应于伺服放大器（7）的位置控制；减速箱位于伺服电机前端配合伺服电机使用。其中伺服电机具有自定位编码系统，联轴器用于连接旋转轴与减速箱的输出轴。

温度控制系统由高低温实验箱、沥青试件养护架、温控箱、温度传感器、温度编码器和微型气泵组成，其中沥青试件养护架固定在高低温实验箱中，温控箱固定在实验平台上。沥青试件、试模及夹具位于温控箱中，温控箱通过进气管和出气管与高低温试验箱连通，在进气管和出气管上分别安装微型气泵，在微型气泵的作用下，温控箱、进气管、出气管和高低温箱之间形成可循环的气流系统；温度传感器放置在温控箱中；温度编码器两端分别连接温度传感器和计算机控制系统；微型气泵固定在实验平台上。

试模由石材、钢材、耐高温塑料或其他材料制成，用以测试沥青胶结料与不同材料的黏结界面破坏性能。

沥青旋转剪切振荡疲劳破坏实验如下：

1）制备试件：按照沥青及沥青混合料实验规程测定沥青的密度，采用质量控制法制备试件。将沥青放入烘箱中按照沥青实验规程加热。计算沥青试件的体积和质量。试模之间缠上几圈胶带粘纸，在浇筑前10分钟放进烘箱预热，分开试模，保证胶带纸在其中一个上，将加热好的沥青直接浇筑在带胶带纸的试模上，此过程用精度为0.1mg的电子秤控制质量使质量偏差在±3%以内。然后盖上另一个试模，用压平装置压平，待沥青试件在室温冷却后测量用游标卡尺测量其厚度记录，制备试件过程中注意沥青试件不要产生气泡。

2）养护试件：高低温实验箱设置到目标温度，浇筑好的沥青试件及试模在室温冷却1个小时，放入沥青试件养护架中进行试件的养护。养护一小时后进行实验。

3）实验参数设置：通过计算机控制系统1设定沥青试件基本尺寸参数、实验的目标温度、实验结束条件(持续测量的最短时间和最小检测扭矩值)；通过计算机控制系统设置疲劳加载方式，设置振荡函数，本发明提供了正弦、余弦、T型、三角形、矩形和其它多种振荡函数供选择。

4）控温系统启动：通过计算机控制系统启动微型气泵使进气管、出气管、温控箱、高低温试验箱开始工作。同时计算机控制系统接收温度传感器和温度编码器采集的数据，开始温度监测。

5)试件安装：计算机控制系统提示温控箱温度满足实验要求，将沥青试件及试模从沥青试件养护架上取出，用夹具安装在固定轴和旋转轴上。实验者通过计算机控制系统确认沥青试件安装完毕。

6）实验阶段：

步骤1：计算机控制系统1根据温度传感器和温度编码器自动监测温控箱的温度，当满足目标实验温度一定时间后将自动提示实验开始。

步骤2：加载系统按照计算机控制系统设定的实验目标参数驱动旋转轴按设定振荡函数旋转，从而对沥青试件施加剪切作用。

步骤3：计算机控制系统实时采集扭矩传感器及编码器和温度传感器、温度编码器采集的动态信息并保存，计算机控制系统通过伺服放大器中实时读取加载的扭矩，转动的角位移并保存，直至沥青试件振荡疲劳破坏为止，达到实验结束条件(满足最短实验时间和检测到最小扭矩)。其中扭矩传感器及编码器采集的扭矩信息用于校验从伺服放大器读取的加载扭矩。

步骤4：根据伺服放大器输出的加载扭矩、转动角位移和沥青试件基本尺寸参数(半径、厚度)等自动计算振荡剪切疲劳破坏过程中随时间变化的剪应变、剪应力，同时完成屏幕图形绘制。

步骤5：计算机控制系统提示取出沥青试件并查验振荡疲劳破坏形态，实结束。

本发明适用于测定普通沥青、SBS改性沥青、橡胶沥青及其他聚合物改性沥青等沥青胶结料在中、高温条件下的抗剪切疲劳破坏性能，以及低温条件下沥青胶结料与石材、钢材、塑料等材料黏结界面的抗剪切疲劳破坏性能。

附图说明

附图是本发明的结构示意图。

图中:1.计算机控制系统，2.扭矩传感器及编码器，3.固定轴，4.温度传感器，5.温度编码器，6.沥青试件，7.伺服放大器，8.旋转轴，9.可编程逻辑控制器，10.轴承座，11.夹具，12.微型气泵，13.试模，14.温控箱，15.联轴器，16.减速箱，17.出气管，18.进气管，19.伺服电机，20.实验平台，21.高低温实验箱，22.沥青试件养护架。

具体实施方式

以下结合附图和实施方式对本发明做进一步的详细说明。

沥青旋转剪切振荡疲劳破坏实验装置。该实验装置由实验平台、加载系统、温度控制系统和计算机控制系统组成；计算机控制系统控制温度系统对沥青试件养护及实验过程控温，实验过程中计算机控制系统控制加载系统对沥青试件进行动态旋转剪切加载。

实验平台20由试模13、沥青试件6、夹具11、固定轴3、旋转轴8、轴承座10、扭矩传感器及编码器2、温控箱14、温度编码器5、微型气泵12、伺服放大器7、伺服电机19和减速箱16组成。试模13由两个圆柱型硬质材料制成，试模13用于将沥青试件5夹在中间，夹具11夹在试模13两端；夹具11的一端与固定轴3为可拆卸固定连接，夹具11的另一端与旋转轴8为可拆卸固定连接。旋转轴8的一端与夹具11为可拆卸固定连接，另一端与减速箱16的输出轴为可拆卸固定连接；旋转轴8可沿轴线方向移动，以便于试件的安装；固定轴3的一端与夹具11为可拆卸固定连接，另一端与扭矩传感器及编码器2为可拆卸固定连接。旋转轴8和固定轴3通过各自的轴承座10固定在实验平台上；温控箱14的两侧留有与旋转轴8和固定轴3匹配的圆形孔，固定轴3与旋转轴8通过圆形孔穿透温控箱14，温控箱14固定在实验平台20的两个轴承座10之间，形成一个相对密闭的保温的温控箱14；温控箱14与旋转轴8之间留有缝隙，以便于旋转轴8的旋转，温控箱14留有可开启安装试件的门；扭矩传感器及编码器2固定在实验平台20上。扭矩传感器及编码器2用于测量沥青试件6所承载的扭矩，用于校验伺服加载的输出扭矩。

加载系统由伺服放大器7、伺服电机19、减速箱16、可编程逻辑控制器9及联轴器15组成，计算机控制系统1控制可编程逻辑控制器9对伺服放大器7发射脉冲，伺服放大器7在计算机控制系统1的控制下通过可编程逻辑控制器9发送的脉冲控制伺服电机19，可供选择的加载方式有应力控制、应变控制，应力控制对应于伺服放大器（7）的扭矩控制，应变控制对应于伺服放大器（7）的位置控制；减速箱16位于伺服电机19前端配合伺服电机19使用。其中伺服电机19具有自定位编码系统，联轴器15用于连接旋转轴8与减速箱16的输出轴。

温度控制系统由高低温实验箱21、沥青试件养护架22、温控箱14、温度传感器4、温度编码器5和微型气泵12组成，其中沥青试件养护架22固定在高低温实验箱21中，温控箱14固定在实验平台20上。沥青试件6、试模13及夹具11位于温控箱14中，温控箱14通过进气管18和出气管17与高低温试验箱21连通，在进气管18和出气管上17分别安装微型气泵12，在微型气泵12的作用下，温控箱14、进气管18、出气管17和高低温箱21之间形成可循环的气流系统；温度传感器4放置在温控箱14中；温度编码器5两端分别连接温度传感器4和计算机控制系统1；微型气泵12固定在实验平台20上。

试模13由石材、钢材、耐高温塑料或其他材料制成，用以测试沥青胶结料与不同材料的黏结界面破坏性能。

实验方法如下：

1）制备试件：按照沥青及沥青混合料实验规程测定沥青的密度，采用质量控制法制备试件。将沥青放入烘箱中按照沥青实验规程加热。计算沥青试件6的体积和质量。两个试模13之间缠上几圈胶带粘纸，在浇筑前10分钟放进烘箱预热，分开试模13，保证胶带纸在其中一个上，将加热好的沥青直接浇筑在带胶带纸的试模13上，此过程用精度为0.1mg的电子秤控制质量使质量偏差在±3%以内。然后盖上另一个试模13，用压平装置压平，待沥青试件6在室温冷却后测量用游标卡尺测量其厚度记录，制备试件过程中注意沥青试件6不要产生气泡。

2）养护试件：高低温实验箱21设置到目标温度，浇筑好的沥青试件6及试模13在室温冷却1个小时，放入沥青试件养护架22中进行试件的养护。养护一小时后进行实验。

3）实验参数设置：通过计算机控制系统1设定沥青试件6基本尺寸参数、实验的目标温度、实验结束条件(持续测量的最短时间和最小检测扭矩值)；通过计算机控制系统1设置疲劳加载方式，设置振荡函数，本发明提供了正弦、余弦、T型、三角形、矩形和其它多种振荡函数供选择。

4）控温系统启动：通过计算机控制系统1启动微型气泵12使进气管18、出气管17、温控箱14、高低温试验箱21开始工作。同时计算机控制系统1接收温度传感器4和温度编码器5采集的数据，开始温度监测。

5)试件安装：计算机控制系统1提示温控箱14温度满足实验要求，将沥青试件6及试模13从沥青试件养护架22上取出，用夹具11安装在固定轴3和旋转轴8上。实验者通过计算机控制系统1确认沥青试件6安装完毕。

6）实验阶段：

步骤1：计算机控制系统1根据温度传感器4和温度编码器5自动监测温控箱14的温度，当满足目标实验温度一定时间后将自动提示实验开始。

步骤2：加载系统按照计算机控制系统1设定的实验目标参数驱动旋转轴8按设定振荡函数旋转，从而对沥青试件6施加剪切作用。

步骤3：计算机控制系统1实时采集扭矩传感器及编码器2和温度传感器4、温度编码器5采集的动态信息并保存，计算机控制系统1通过伺服放大器7中实时读取加载的扭矩，转动的角位移并保存，直至沥青试件6振荡疲劳破坏为止，达到实验结束条件(满足最短实验时间和检测到最小扭矩)。其中扭矩传感器及编码器2采集的扭矩信息用于校验从伺服放大器7读取的加载扭矩。

步骤4：根据伺服放大器7输出的加载扭矩、转动角位移和沥青试件6基本尺寸参数(半径、厚度)等自动计算振荡剪切疲劳破坏过程中随时间变化的剪应变、剪应力，同时完成屏幕图形绘制。

步骤5：计算机控制系统1提示取出沥青试件6并查验振荡疲劳破坏形态，实结束。

Claims (6)

1.沥青旋转剪切振荡疲劳破坏实验装置，由实验平台、加载系统、温度控制系统和计算机控制系统组成，其特征在于计算机控制系统控制温度系统对沥青试件养护及实验过程控温，实验过程中计算机控制系统控制加载系统对沥青试件进行动态旋转剪切加载。

2.根据权利要求1所述的沥青旋转剪切振荡疲劳破坏实验装置，其特征在于实验平台（20）由试模（13）、沥青试件（6）、夹具（11）、固定轴（3）、旋转轴（8）、轴承座（10）、扭矩传感器及编码器（2）、温控箱（14）、温度编码器（5）、微型气泵（12）、伺服放大器（7）、伺服电机（19）和减速箱（16）组成，试模（13）由两个圆柱型硬质材料制成，试模（13）用于将沥青试件（5）夹在中间，夹具（11）夹在试模（13）两端；夹具（11）的一端与固定轴（3）为可拆卸固定连接，夹具（11）的另一端与旋转轴（8）为可拆卸固定连接；旋转轴8的一端与夹具（11）为可拆卸固定连接，另一端与减速箱（16）的输出轴为可拆卸固定连接；旋转轴（8）可沿轴线方向移动，以便于试件的安装；固定轴（3）的一端与夹具（11）为可拆卸固定连接，另一端与扭矩传感器及编码器（2）为可拆卸固定连接；旋转轴（8）和固定轴（3）通过各自的轴承座（10）固定在实验平台（20）上；温控箱（14）的两侧留有与旋转轴（8）和固定轴（3）匹配的圆形孔，固定轴（3）与旋转轴（8）通过圆形孔穿透温控箱（14），温控箱（14）固定在实验平台（20）的两个轴承座（10）之间，形成一个相对密闭、保温的温控箱（14）；温控箱（14）与旋转轴（8）之间留有缝隙，以便于旋转轴（8）的旋转，温控箱（14）留有可开启安装试件的门；扭矩传感器及编码器（2）固定在实验平台（20）上；扭矩传感器及编码器（2）用于测量沥青试件（6）所承载的扭矩，用于校验伺服加载的输出扭矩。

3.根据权利要求1或2所述的沥青旋转剪切振荡疲劳破坏实验装置，其特征在于加载系统由伺服放大器（7）、伺服电机（19）、减速箱（16）、可编程逻辑控制器（9）及联轴器（15）组成，计算机控制系统（1）控制可编程逻辑控制器（9）对伺服放大器（7）发射脉冲，伺服放大器（7）在计算机控制系统（1）的控制下通过可编程逻辑控制器（9）发送的脉冲控制伺服电机（19）；可供选择的加载方式有应力控制、应变控制，应力控制对应于伺服放大器（7）的扭矩控制，应变控制对应于伺服放大器（7）的位置控制；减速箱（16）位于伺服电机（19）前端配合伺服电机（19）使用；其中伺服电机（19）具有自定位编码系统，联轴器（15）用于连接旋转轴（8）与减速箱（16）的输出轴。

4.根据权利要求1或2所述的沥青旋转剪切振荡疲劳破坏实验装置，其特征在于温度控制系统由高低温实验箱（21）、沥青试件养护架（22）、温控箱（14）、温度传感器（4）、温度编码器（5）和微型气泵（12）组成，其中沥青试件养护架（22）固定在高低温实验箱（21）中，温控箱（14）固定在实验平台（20）上；沥青试件（6）、试模（13）及夹具（11）位于温控箱（14）中，温控箱（14）通过进气管（18）和出气管（17）与高低温试验箱（21）连通，在进气管（18）和出气管上（17）分别安装微型气泵（12），在微型气泵（12）的作用下，温控箱（14）、进气管（18）、出气管（17）和高低温箱（21）之间形成可循环的气流系统；温度传感器（4）放置在温控箱（14）中；温度编码器（5）两端分别连接温度传感器（4）和计算机控制系统（1）；微型气泵（12）固定在实验平台（20）上。

5.根据权利要求２所述的沥青旋转剪切振荡疲劳破坏实验装置，其特征在于试模（13）由石材、钢材、耐高温塑料或其他材料制成，用以测试沥青胶结料与不同材料的黏结界面破坏性能。

6.根据权利要求1所述的沥青旋转剪切振荡疲劳破坏实验装置，其特征在于实验方法如下：

1）制备试件：按照沥青及沥青混合料实验规程测定沥青的密度，采用质量控制法制备试件，将沥青放入烘箱中按照沥青实验规程加热，计算沥青试件（6）的体积和质量，两个试模（13）之间缠上几圈胶带粘纸，在浇筑前10分钟放进烘箱预热，分开试模（13），保证胶带纸在其中一个上，将加热好的沥青直接浇筑在带胶带纸的试模（13）上，此过程用精度为0.1mg的电子秤控制质量使质量偏差在±3%以内，然后盖上另一个试模（13），用压平装置压平，待沥青试件（6）在室温冷却后测量用游标卡尺测量其厚度记录，制备试件过程中注意沥青试件（6）不要产生气泡；

2）养护试件：高低温实验箱21设置到目标温度，浇筑好的沥青试件（6）及试模（13）在室温冷却1个小时，放入沥青试件养护架（22）中进行试件的养护，养护一小时后进行实验；

3）实验参数设置：通过计算机控制系统（1）设定沥青试件（6）基本尺寸参数、实验的目标温度、实验结束条件(持续测量的最短时间和最小检测扭矩值)；通过计算机控制系统（1）设置疲劳加载方式，设置振荡函数，本发明提供了正弦、余弦、T型、三角形、矩形和其它多种振荡函数供选择；

4）控温系统启动：通过计算机控制系统（1）启动微型气泵（12）使进气管（18）、出气管（17）、温控箱（14）、高低温试验箱（21）开始工作，同时计算机控制系统1接收温度传感器（4）和温度编码器（5）采集的数据，开始温度监测；

5)试件安装：计算机控制系统（1）提示温控箱（14）温度满足实验要求，将沥青试件（6）及试模（13）从沥青试件养护架（22）上取出，用夹具（11）安装在固定轴（3）和旋转轴（8）上，实验者通过计算机控制系统（1）确认沥青试件6安装完毕；

6）实验阶段：

步骤1：计算机控制系统1根据温度传感器（4）和温度编码器（5）自动监测温控箱（14）的温度，当满足目标实验温度一定时间后将自动提示实验开始；

步骤2：加载系统按照计算机控制系统（1）设定的实验目标参数驱动旋转轴（8）按设定振荡函数旋转，从而对沥青试件（6）施加剪切作用；

步骤3：计算机控制系统（1）实时采集扭矩传感器及编码器（2）和温度传感器（4）、温度编码器（5）采集的动态信息并保存，计算机控制系统（1）通过伺服放大器（7）中实时读取加载的扭矩，转动的角位移并保存，直至沥青试件（6）振荡疲劳破坏为止，达到实验结束条件(满足最短实验时间和检测到最小扭矩)，其中扭矩传感器及编码器（2）采集的扭矩信息用于校验从伺服放大器（7）读取的加载扭矩；

步骤4：根据伺服放大器（7）输出的加载扭矩、转动角位移和沥青试件（6）基本尺寸参数(半径、厚度)等自动计算振荡剪切疲劳破坏过程中随时间变化的剪应变、剪应力，同时完成屏幕图形绘制；

步骤5：计算机控制系统1提示取出沥青试件（6）并查验振荡疲劳破坏形态，实结束。

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