CN103217343B - 沥青旋转剪切应力松弛试验装置 - Google Patents

Abstract

沥青旋转剪切应力松弛试验装置，属于沥青力学性能测试领域，由试验平台、加载系统、温控系统和计算机控制系统组成。计算机控制系统控制加载系统对试验平台上的沥青试件进行旋转加载、在恒定的剪切应变状态下持荷、自动卸载，并控制温控系统对试验过程进行控温。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旋转剪切作用下的松弛性能；当重复次数设定为多次并设定加载、持荷、卸载及停留时间等其余试验参数时，可完成重复应力松弛试验。

Description

沥青旋转剪切应力松弛试验装置

技术领域

本发明属于沥青力学性能测试领域，特别是涉及对沥青应力松弛性能的测试。

背景技术

沥青材料的应力松弛是指在恒定温度及恒定应变条件下应力随时间逐渐减小的现象，其评价指标可采用应力松弛模量和应力松弛时间，分别反映沥青材料的应力松弛能力和应力松弛速率。沥青材料的应力松弛性能可用于评价沥青及沥青混凝土路面的低温抗裂性能，应力松弛模量越小或应力松弛时间越短的沥青材料松弛性能越好，其低温抗开裂能力越强。应力松弛试验也是确定沥青材料粘弹性参数的基本试验方法之一。

现有的松弛试验机主要用于检测预应力钢筋、钢丝或钢绞线在常温下的轴向拉伸应力松弛性能，主要面向金属或特种非金属材料。另外，一般松弛试验机均缺少温控措施，不能直接用于沥青材料的剪切松弛性能试验。

动态剪切流变仪(DSR)是对沥青胶结料施加旋转剪切作用测试其力学性能的试验设备，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。动态剪切流变仪(DSR)不能直接用于沥青旋转剪切应力松弛实验，必须经过改装才可完成沥青旋转剪切应力松弛实验。而沥青材料松弛试验，要求尽量缩短初始加载时间，启动力矩要求尽量大，而DSR的扭矩量程一般很小(不超过150N·mm)，其应用受到较大限制。

发明内容

针对现有技术中缺少沥青旋转剪切应力松弛性能测试的专用试验设备，本发明提供一种可自动完成旋转剪切加载、持荷、卸载及控温，且具有良好经济适用性的沥青旋转剪切应力松弛试验装置。

沥青旋转剪切应力松弛试验装置由试验平台、加载系统、温控系统和计算机控制系统组成。计算机控制系统控制加载系统对试验平台上的沥青试件进行旋转剪切加载、持荷、及卸载，并控制温控系统对试验过程进行控温。

试验平台由基础钢板、轴承座、固定轴、旋转轴、试验试件、扭矩传感器及编码器和拉线式位移传感器及编码器组成；三个轴承座并列地固定在试验平台的基础钢板上，其中一个轴承座用于支撑固定轴，另外两个用于支撑旋转轴；固定轴的一端与试验试件连接，另一端与扭矩传感器及编码器为可拆卸固定连接；扭矩传感器及编码器固定在试验平台上；固定轴与旋转轴位于同一水平直线上，旋转轴可沿轴线方向活动，便于将试验试件固定在旋转轴和固定轴之间。

试验试件由夹具、试模和沥青试件组成，用两个圆柱形钢制的第一试模和第二试模将沥青试件粘结在中间，再用两个夹具将粘结在一起的第一试模、沥青试件和第二试模夹在中间；相互连接的夹具、试模和沥青试件共同构成试验试件；试验试件一端与固定轴为可拆卸固定连接，另一端与旋转轴为可拆卸固定连接；夹具采用市场上通用的紧固件。

门式支架横跨旋转轴垂直地固定在试验平台上，拉线式位移传感器及编码器固定于门式支架的上梁，位置处于使拉线式位移传感器及编码器拉线与地面垂直，并与旋转轴截面边缘相切；位移测量拉线一端与拉线式位移传感器及编码器拉线可拆卸固定连接，另一端均匀、单层缠绕在旋转轴上。

平衡块位于试验平台下方；平衡块拉线的一端与平衡块为可拆卸固定连接，另一端从试验平台的开孔中穿过试验平台，再均匀、单层缠绕在旋转轴上；位移测量拉线对旋转轴所产生的力矩与平衡块拉线作用于旋转轴的力矩相平衡。

位移测量拉线、平衡块拉线垂直于地面；位移测量拉线、平衡块拉线都与旋转轴截面边缘保持相切，且拉线的端头均固定在旋转轴上；位移测量拉线在旋转轴位置截面的缠绕半径为固定常数。

加载系统由卧式电动拉力试验机、卧式电动拉力试验机夹具板、螺栓和加载拉线组成；将试验平台用卧式电动拉力试验机夹具板和螺栓固定在卧式电动拉力试验机上，位置处于使固定于卧式电动拉力试验机滑块上的加载拉线垂直于旋转轴水平地拉到试验平台上，加载拉线与旋转轴水平相切，且端点固定缠绕在支撑旋转轴的两个轴承座之间的旋转轴上；加载拉线、位移测量拉线及平衡块拉线均采用低松弛、高强度的柔软细丝线制成，以减小拉线变形引起的测量误差、拉线厚度引起的旋转半径测量误差和旋转角度计算误差。

温度控制系统由高低温试验箱、沥青试件养护架、温控箱、温度传感器、温度编码器、微型气泵、温控箱进气管及温控箱出气管组成，其中沥青试件养护架固定在高低温试验箱中；温控箱固定在试验平台上；温控箱为双层透明的六面体空箱，上面板为可打开的活动板，其余各面板均固定；温控箱下面板放置在试验平台上，前、后面板有预留孔使固定轴及旋转轴分别穿过，左、右侧面板上预留孔使温度传感器线缆、温控箱进气管及温控箱出气管分别从外面穿进温控箱中；前、后面板转轴通过的预留孔上安装大小适合的轴承，轴承套与面板相接处密封处理，其余预留孔设置硅胶孔塞；沥青试件、试模、夹具及温度传感器的端头完全位于温控箱中；沥青试件、试模及夹具安装时需要打开温控箱上面板，安装完毕后关闭温控箱上面板；温控箱进气管和温控箱出气管靠近温控箱的一端通过预留孔穿过温控箱侧面板进入温控箱，另一端与高低温试验箱相连接；分别在温控箱进气管和温控箱出气管靠近试验平台的一端设置微型气泵，温控箱进气管通过微型气泵将满足设定试验温度要求的空气从高低温试验箱泵入温控箱，温控箱出气管通过微型气泵将温控箱中的空气泵回高低温试验箱，通过设置不同数量、不同位置的进气管和出气管，使温控箱中形成循环流动的空气流；温度编码器、微型气泵固定在试验平台上。

计算机控制系统通过卧式电动拉力试验机控制面板的通讯端口、扭矩传感器及编码器及拉线式位移传感器及编码器的实测数据信息，控制电动拉力试验机滑块左右移动，完成沥青试件旋转剪切加载、静态持荷、卸载及静态停留过程，并自动控制加载速度、卸载速度、加载时间、卸载时间、静态持荷时间、静态停留时间以及重复加载、卸载次数。

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旋转剪切作用下的松弛性能；当重复次数设定为多次并设定卸载、持荷、卸载及停留时间等其余试验参数时，可完成重复应力松弛试验。

附图说明

图1是本发明的平面结构示意图。

图2是本发明的立面结构示意图。

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.拉线式位移传感器及编码器，8.试验平台，9.平衡块，10.平衡块拉线，11.旋转轴，12.高低温试验箱，13.沥青试件养护架，14.温控箱进气管，15.温控箱出气管，16.轴承座，17.夹具，18.微型气泵，19.试模，20.温控箱，21.门式支架，22.加载拉线，23.卧式电动拉力试验机，24.卧式电动拉力试验机滑块，25.卧式电动拉力试验机滑杆，26.卧式电动拉力试验机滚珠丝杠，27.卧式电动拉力试验机控制面板，28.拉线式位移传感器及编码器拉线，29.位移测量拉线，30.卧式电动拉力试验机夹具板，31.螺栓。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步的详细说明。

沥青旋转剪切应力松弛试验装置，由试验试件、试验平台8、加载系统、温控系统和计算机控制系统1组成。

试验试件由夹具17、试模19和沥青试件6组成，用两个圆柱形钢制的第一试模和第二试模将沥青试件6粘结在中间，再用两个夹具17将粘结在一起的第一试模、沥青试件6和第二试模夹在中间；相互连接的夹具17、试模19和沥青试件6共同构成试验试件；夹具17采用市场上通用的紧固件；

试验平台8由基础钢板、轴承座16、固定轴3、旋转轴11、扭矩传感器及编码器2、拉线式位移传感器及编码器7和平衡块9组成；三个轴承座16并列地固定在试验平台8的基础钢板上，其中一个轴承座用于支撑固定轴3，另外两个用于支撑旋转轴11；固定轴3的一端与试验试件连接，另一端与扭矩传感器及编码器2为可拆卸固定连接；扭矩传感器及编码器2固定在试验平台8上；固定轴3与旋转轴11位于同一水平直线上，旋转轴11可沿轴线方向活动，便于将试验试件固定在旋转轴11和固定轴3之间。

试验平台8由基础钢板、轴承座16、固定轴3、旋转轴11、和扭矩传感器及编码器2组成；三个轴承座16并列地固定在试验平台8的基础钢板上，其中一个轴承座用于支撑固定轴3，另外两个用于支撑旋转轴11；固定轴3的一端与试验试件连接，另一端与扭矩传感器及编码器2为可拆卸固定连接；扭矩传感器及编码器2固定在试验平台8上；固定轴3与旋转轴11位于同一水平直线上，旋转轴11可沿轴线方向活动，便于将试验试件固定在旋转轴11和固定轴3之间；试验试件一端与固定轴为可拆卸固定连接，另一端与旋转轴为可拆卸固定连接。

门式支架21横跨旋转轴11垂直地固定在试验平台8上，拉线式位移传感器及编码器7固定于门式支架21的上梁，位置处于使拉线式位移传感器及编码器拉线28与地面垂直，并与旋转轴11截面边缘相切；位移测量拉线29一端与拉线式位移传感器及编码器拉线28可拆卸固定连接，另一端均匀、单层缠绕在旋转轴11上。

平衡块9位于试验平台8下方；平衡块拉线10的一端与平衡块9为可拆卸固定连接，另一端从试验平台8的开孔中穿过试验平台8，再均匀、单层缠绕在旋转轴11上；位移测量拉线29、平衡块拉线10垂直于地面；位移测量拉线29、平衡块拉线10都与旋转轴11截面边缘保持相切，且拉线的端头均固定在旋转轴11上；位移测量拉线29在旋转轴11位置截面的缠绕半径为固定常数；位移测量拉线29对旋转轴11所产生的力矩与平衡块拉线10作用于旋转轴11的力矩相平衡。

加载系统由卧式电动拉力试验机23、卧式电动拉力试验机夹具板30、螺栓31和加载拉线22组成；将试验平台8用卧式电动拉力试验机夹具板30和螺栓31固定在卧式电动拉力试验机23上，位置处于使固定于卧式电动拉力试验机滑块24上的加载拉线22垂直于旋转轴11水平地拉到试验平台8上，加载拉线22与旋转轴11水平相切，且端点固定缠绕在支撑旋转轴11的两个轴承座之间的旋转轴11上；加载拉线22、位移测量拉线29及平衡块拉线10均采用低松弛、高强度的柔软细丝线制成，以减小拉线变形引起的测量误差、拉线厚度引起的旋转半径测量误差和旋转角度计算误差。

温度控制系统由高低温试验箱12、沥青试件养护架13、温控箱20、温度传感器4、温度编码器5、微型气泵18、温控箱进气管14和温控箱出气管15组成，其中沥青试件养护架13固定在高低温试验箱中；温控箱20固定在试验平台8上；温控箱20为双层透明的六面体空箱，上面板为可打开的活动板，其余各面板均固定；温控箱20下面板放置在试验平台8上，前、后面板有预留孔使固定轴3及旋转轴11分别穿过，左、右侧面板上预留孔使温度传感器4线缆、温控箱进气管14及温控箱出气管15分别从外面穿进温控箱20中；前、后面板转轴通过的预留孔上安装大小适合的轴承，轴承套与面板相接处密封处理，其余预留孔设置硅胶孔塞；沥青试件6、试模19、夹具17及温度传感器4的端头完全位于温控箱20中；沥青试件6、试模19及夹具17安装时需要打开温控箱20上面板，安装完毕后关闭温控箱20上面板；温控箱进气管14、温控箱出气管15的一端通过预留孔穿过温控箱20侧面板进入温控箱20，另一端与高低温试验箱相连接；温控箱进气管14、温控箱出气管15在靠近试验平台8的一端设置微型气泵18，温控箱进气管14通过微型气泵18将满足设定试验温度要求的空气从高低温试验箱泵入温控箱20，温控箱出气管15通过微型气泵18将温控箱20中的空气泵回高低温试验箱，通过设置不同数量、不同位置的进气管和出气管，使温控箱20中形成循环流动的空气流；温度编码器5、微型气泵18固定在试验平台8上。

计算机控制系统1通过卧式电动拉力试验机控制面板27的通讯端口、扭矩传感器及编码器2及拉线式位移传感器及编码器7的实测数据信息，控制电动拉力试验机滑块24左右移动，完成沥青试件6旋转剪切加载、静态持荷、卸载及静态停留过程，并自动控制加载速度、卸载速度、加载时间、卸载时间、静态持荷时间、静态停留时间以及重复加载、卸载次数。具体方式如下：

卧式电动拉力试验机23通过计算机控制系统1设定的参数控制卧式电动拉力试验机滚珠丝杠26按一定速度及时间正向或反向转动一定的角度并静态持荷给定的时间，从而驱动卧式电动拉力试验机滑块24按一定速度及时间向左或向右移动一定的距离并静态持荷给定的时间。

在计算机控制系统1控制下，当卧式电动拉力试验机滚珠丝杠26正向转动时，卧式电动拉力试验机滑块24向右侧移动，加载拉线22被拉紧并向右侧移动，同时对旋转轴11施加切向拉力，由于轴承座16的约束作用，旋转轴11主要产生旋转角位移，沥青试件6因旋转轴11的转动而产生剪切应变及剪切应力。计算机控制系统1根据接收的拉线式位移传感器及编码器7位移信息数据，计算获得旋转轴11的实时角位移，再根据沥青试件6尺寸参数，计算得到沥青试件6当前的理论剪切应变。当沥青试件6的旋转角位移或理论剪切应变达到试验设定值时，计算机控制系统1控制卧式电动拉力试验机滚珠丝杠26停止转动，因丝杠螺纹具备的自动锁定功能而使卧式电动拉力试验机滑块24在持荷状态下仍保持位置固定不动；加载拉线22及旋转轴11也随即停止移动及转动，沥青试件6产生恒定的剪切应变，加载过程完成，加载系统及沥青试件6处于静态持荷状态。由于沥青材料的松弛特性，在非零剪切应力及恒定的非零剪切应变状态下，沥青试件6的应力将逐渐降低。当静态持荷时间达到试验设定值后，计算机控制系统1控制卧式电动拉力试验机滚珠丝杠26反转，卧式电动拉力试验机滑块24向左侧移动，加载拉线22放松且拉力降低为零，旋转轴11承受扭矩为零，沥青试件6承受的理论剪切应力也逐渐减小至零剪切应变不能回复至零，卸载完成，应力松弛试验结束。如果需要进行重复应力松弛试验，则在静态停留给定时间后，计算机控制系统1控制卧式电动拉力试验机滑块24按设定参数继续左、右往复运行，从而实现对沥青试件6的重复旋转剪切加载、持荷及卸载重复应力松弛。

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旋转剪切作用下的松弛性能；当重复次数设定为多次并设定加载、持荷、卸载及停留时间等其余试验参数时，可完成重复应力松弛试验。

Claims (3)

1.沥青旋转剪切应力松弛试验装置，由试验试件、试验平台(8)、加载系统、温控系统和计算机控制系统(1)组成；

试验试件由夹具(17)、试模(19)和沥青试件(6)组成，用两个圆柱形钢制的第一试模和第二试模将沥青试件(6)粘结在中间，再用两个夹具(17)将粘结在一起的第一试模、沥青试件(6)和第二试模夹在中间；相互连接的夹具(17)、试模(19)和沥青试件(6)共同构成试验试件；夹具(17)采用市场上通用的紧固件；

试验平台(8)由基础钢板、轴承座(16)、固定轴(3)、旋转轴(11)和扭矩传感器及编码器(2)组成；三个轴承座(16)并列地固定在试验平台(8)的基础钢板上，其中一个轴承座用于支撑固定轴(3)，另外两个用于支撑旋转轴(11)；固定轴(3)的一端与试验试件连接，另一端与扭矩传感器及编码器(2)为可拆卸固定连接；扭矩传感器及编码器(2)固定在试验平台(8)上；固定轴(3)与旋转轴(11)位于同一水平直线上，旋转轴(11)可沿轴线方向活动，便于将试验试件固定在旋转轴(11)和固定轴(3)之间；试验试件一端与固定轴为可拆卸固定连接，另一端与旋转轴为可拆卸固定连接；

温控箱(20)将包括夹具在内的试验试件囊括在其中，并安置在试验平台(8)上；温控箱进气管(14)和温控箱出气管(15)分别连接到高低温试验箱(12)中；在温控箱进气管(14)和温控箱出气管(15)上安装有微型气泵(18)，温控系统通过高低温试验箱(12)控制温控箱(20)的温度；温度传感器(4)和温度编码器(5)放置于温控箱(20)中，并通过导线穿出控温箱(20)连接到计算机控制系统(1)；

其特征在于：将试验平台(8)用卧式电动拉力试验机夹具板(30)和螺栓(31)固定在卧式电动拉力试验机(23)上，位置处于使固定于电动拉力试验机滑块(24)上的加载拉线(22)垂直于旋转轴(11)水平地拉到试验平台(8)上，加载拉线(22)与旋转轴(11)水平相切，且端点固定缠绕在支撑旋转轴(11)的两个轴承座之间的旋转轴(11)上；门式支架(21)横跨旋转轴垂直地固定在试验平台上，拉线式位移传感器及编码器(7)固定于门式支架(21)的上梁，位置处于使拉线式位移传感器及编码器拉线(28)与地面垂直，并与旋转轴(11)截面边缘相切；位移测量拉线(29)一端与拉线式位移传感器及编码器拉线(28)可拆卸固定连接，另一端均匀、单层缠绕在旋转轴(11)上；平衡块(9)位于试验平台(8)下方；平衡块拉线(10)的一端与平衡块(9)为可拆卸固定连接，另一端从试验平台(8)的开孔中穿过试验平台(8)，再均匀、单层缠绕在旋转轴(11)上；位移测量拉线(29)对旋转轴(11)所产生的力矩与平衡块拉线(10)作用于旋转轴(11)的力矩相平衡；位移测量拉线(29)、平衡块拉线(10)垂直于地面；位移测量拉线(29)、平衡块拉线(10)及加载拉线(22)都与旋转轴(11)截面边缘保持相切，且拉线的端头均固定在旋转轴(11)上；位移测量拉线(29)在旋转轴(11)位置截面的缠绕半径为固定常数；加载拉线(22)、位移测量拉线(29)及平衡块拉线(10)均采用低松弛、高强度的柔软细丝线制成，以减小拉线变形引起的测量误差、拉线厚度引起的旋转半径测量误差和旋转角度计算误差；

计算机控制系统(1)接收来自扭矩传感器及编码器(2)及拉线式位移传感器及编码器(7)的实测数据信息，通过卧式电动拉力试验机控制面板(27)的通讯端口控制卧式电动拉力试验机滚珠丝杠(26)旋转，卧式电动拉力试验机滚珠丝杠(26)带动电动拉力试验机滑块(24)直线运动，加载拉线(22)随着电动拉力试验机滑块(24)移动对旋转轴(11)施加切向拉力。

2.根据权利要求1所述的沥青旋转剪切应力松弛试验装置，其特征在于，可以采用任何形状的支架体将拉线式位移传感器及编码器拉线(28)固定于旋转轴的上方。

3.根据权利要求1所述的沥青旋转剪切应力松弛试验装置，其特征在于，加载拉线(22)可缠绕在旋转轴(11)上的任何部位。