CN103245571A - 沥青混合料旋转剪切破坏性能测定试验装置 - Google Patents

Abstract

沥青混合料旋转剪切破坏性能测定试验装置，属于沥青混合料力学性能测试技术领域。由试验平台、加载系统和计算机控制系统组成；加载系统根据设定的剪切速率对沥青混合料试件进行旋转剪切加载；计算机控制系统实时采集数据信息；本发明采用旋转剪切法测试沥青混合料的剪切破坏性能。具有如下的优点：(1)作用在轴对称截面试件上的旋转扭矩只产生纯剪切变形，可获得纯剪切简单应力状态，便于最大剪切应力及应变的测试与控制；（2）轴对称特性在理论上可提高测试准确性；(3)旋转加载的试验设备及试验过程占用较小的测试空间，相比于拉、压变形，旋转剪切变形（角位移）理论上可以为无限大而基本上不受试验空间的限制，因此特别适合于塑性破坏变形较大的材料。

Description

沥青混合料旋转剪切破坏性能测定试验装置

技术领域

本发明属于沥青混合料力学性能测试技术领域，特别是涉及对沥青混合料旋转剪切破坏应变、破坏应力指标的测定技术。

背景技术

由于交通量和车辆超载现象激增，车辙早已成为目前沥青路面主要病害之一。相关研究表明，沥青混合料在高温时的剪切强度不足以抵抗车轮荷载的反复作用，使沥青混凝土产生塑性剪切变形，并逐渐被挤压到两侧，形成侧向流变而产生车辙；在沥青路面设计过程中，并没有考虑沥青混合料的抗剪切能力，一旦材料承受的剪应力大于或者接近抗剪强度，路面将会出现剪切破坏。因此，研究沥青混合料的抗剪切性能，对沥青混合料的评价与设计都具有重要意义。

目前对沥青混合料抗剪切性能测试的方法主要有以下几种：

三轴试验：源于对土力学的研究，对混合料的粘结力C和内摩擦角φ进行测定。以此计算混合料的抗剪强度τ，但是其试验操作复杂，三轴试验仪设备昂贵，应用不普遍。

Superpave剪切试验:Superpave剪切试验仪由美国战略公路计划研究提出(SHRP 1994)，主要进行恒高度重复剪切试验(RSCH)和恒高度频率扫描试验(FSCH)。试件被胶结在两钢板之间，在试件的顶面和底面施加外力。RSCH试验原理是在保持试件高度不变的前提下，采用半正弦剪切应力对试件进行重复剪切。试验得到沥青混合料不同剪切次数下的剪切变形，按公式可计算得出沥青混合料的永久剪切应变等参数。FSCH试验是应变控制模式试验，可获得复数剪切模量和相位角。RSCH和FSCH是评价沥青混合料高温性能的较好方法。但Superpave剪切试验仪价格昂贵，不适于在工地及试验室推广应用。

同轴剪切试验：同轴剪切试验方法由冯俊岭等研究并提出。该试验的试件是把外径φ150mm、内径φ55mm、高50mm的中空圆柱体试件用环氧树脂粘贴在钢筒和钢柱之间，轴向荷载通过钢柱作用于中空圆柱体试件内壁，同时试件的外侧面受限，使试件产生剪切破坏，并通过三维有限元建模，计算确定同轴剪切试验剪切强度系数，从而可以直接确定沥青混合料抗剪强度。与三轴试验的结果对比表明，同轴剪切试验测定沥青混合料的抗剪强度精度较好，但粒径大的骨料会对试验结果有较大影响。该方法目前应用较少。

基于MTS、UTM等改装的剪切试验：利用两个试件夹具使沥青混合料产生一个固定剪切面，基于MTS、UTM对其中一个夹具施加荷载，并测试剪切力的大小与剪切变形的大小，完成剪切试验。该方法基于MTS、UTM等，设备昂贵，应用收到限制。

单轴贯入抗剪强度试验：该试验方法由同济大学孙立军、毕玉峰等提出，采用φ100mm×100mm的圆柱体试件及φ28.5mm的压头,结合无侧限抗压强度试验，并利用三维有限元计算抗剪强度系数。目前该试验方法已得到一定应用。

综上所述剪切试验方法，其中共同点是：（1）试件一般均在复杂应力状态下发生剪切破坏；（2）剪切破坏面是一个平面，但该平面上的应力分布是不均匀的，且最大剪应力的分布也不均匀。尽管复杂应力状态更接近于路面实际工作状态，但破坏面上剪应力分布沿加载方向上的不均匀性、不对称性及不协调性将影响试验精度。

由于沥青混合料试件与纯沥青试件相比，在材料特性、试件成型、夹具构造、加载参数、要求的电机性能和传感器性能等都有较大差异，申请者基于已申报的“沥青旋转剪切破坏实验装置”专利（申请号201310039574.5），采用立式结构，可降低夹具及试件等自身重力对旋转剪切的影响，保证测试系统的轴对称特性；同时考虑到沥青混合料旋转剪切破坏测试过程较短，可对试验过程不进行控温。

发明内容

为克服现有技术中缺少沥青混合料旋转剪切破坏性能测试的专用试验设备，本发明提供一种可在不同剪切速率条件下测定沥青混合料旋转剪切破坏性能指标的试验装置，由试验平台、加载系统和计算机控制系统组成；加载系统根据设定的剪切速率对沥青混合料试件进行旋转剪切加载；计算机控制系统实时采集数据信息。

试验平台由螺旋门架、基础钢板、固定钢板、升降钢板、旋转轴、固定轴、轴承座、扭矩传感器及编码器和角位移传感器及编码器组成；螺旋门架由包括固定在门架上的滑杆，沿着滑杆滑动的滑块和固定在螺旋门架上并控制滑块运动的滚珠丝杠组成；旋转螺旋门架把手用于控制滚珠丝杠转动；将基础钢板水平固定在试验平台上，螺旋门架垂直固定在基础钢板上，滑块沿着螺旋门架的垂直滑轨上下移动，升降钢板垂直于地面固定在滑块上；旋转轴通过轴承座垂直于地面固定在升降钢板上；将固定钢板垂直地固定在的基础钢板上，位置处于使固定钢板与升降钢板在同一垂直平面上；固定轴通过轴承座固定在固定钢板上，位置处于使固定轴与旋转轴为同轴相对的位置；固定轴与旋转轴之间用于安装试验试件；扭矩传感器及编码器与固定轴末端为可拆卸固定连接；扭矩传感器及编码器固定在基础钢板上；角位移传感器及编码器的内圈套在旋转轴上，角位移传感器及编码器的外圈固定在升降钢板上。

试验试件由夹具、卡盘、垫片和沥青混合料试件组成；沥青混合料试件采用截面为正方形的柱体，两个自动定心四爪卡盘分别固定于柱形沥青混合料试件的两端，金属垫片垫在卡盘的卡爪下和沥青混合料试件之间；将两端带有卡盘的柱形沥青混合料试件的两端再分别通过夹具与固定轴和旋转轴可拆卸固定连接；旋转轴一端通过夹具与试验试件为可拆卸固定连接，另一端通过联轴器与加载系统连接。

加载系统由速度控制器、微型电机、减速箱和联轴器组成；微型电机与减速箱组合在一起使用，微型电机及减速箱用固定架固定在升降钢板上，联轴器用于连接旋转轴与减速箱的输出轴；速度控制器按照计算机控制系统设定的转速参数通过电压的调节控制微型电机的转速；速度控制器位于试验平台上；计算机系统实时接收来自扭矩传感器及编码器和角位移传感器及编码器的信息。

螺旋门架的滑块可通过转动螺旋门架把手上下移动，进而带动升降钢板移动；滚珠丝杠带有锁死功能可以使滑块及升降钢板停留在某一高度。螺旋门架通过升降钢板承担微型电机及减速箱、联轴器、旋转轴、夹具及试验试件的相应自重，减小试验过程中仪器及试件自重荷载产生的测试误差。

扭矩传感器量程为：2 N·m～20N·m；角位移传感器的量程为：±180度。

本发明采用旋转剪切法测试沥青混合料的剪切破坏性能。旋转剪切的加载方式具有如下的优点：(1)作用在轴对称截面试件上的旋转扭矩只产生纯剪切变形，可获得纯剪切简单应力状态，便于最大剪切应力及应变的测试与控制；（2）轴对称特性在理论上可提高测试准确性；(3)旋转加载的试验设备及试验过程占用较小的测试空间，相比于拉、压变形，旋转剪切变形（角位移）理论上可以为无限大而基本上不受试验空间的限制，因此特别适合于塑性破坏变形较大的材料（如沥青及沥青混合料等）。

本发明适用于测定普通沥青混合料、SMA沥青混合料、再生沥青混合料及其他沥青混合料在不同剪切速率下的低温脆断、中高温粘塑性破坏性能。

附图说明

图1是本发明的正立面结构示意图。

图2是本发明的侧立面结构示意图。

图3是本发明的卡盘及沥青混合料固定方式示意图。

图中:1.螺旋门架把手，2.螺旋门架，3.滑块，4.滚珠丝杠，5.滑杆，6.升降钢板，7.固定钢板，8.微型电机，9.固定架，10.减速箱，11.联轴器，12.轴承座，13.旋转轴，14.角位移传感器及编码器内圈，15.角位移传感器及编码器外圈，16.夹具，17.卡盘，18.沥青混合料试件，19.固定轴，20.扭矩传感器及编码器，21.速度控制器，22.计算机系统，23.基础钢板，24.试验平台，25.卡爪，26.垫片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

沥青混合料旋转剪切破坏性能测定试验装置由试验平台、加载系统和计算机控制系统组成；加载系统根据设定的剪切速率对沥青混合料试件进行旋转剪切加载；计算机控制系统实时采集数据信息。

试验平台由螺旋门架2、基础钢板23、固定钢板7、升降钢板6、旋转轴13、固定轴19、轴承座12、扭矩传感器及编码器20和角位移传感器及编码器组成；螺旋门架2由包括固定在门架上的滑杆5，沿着滑杆5滑动的滑块3和固定在螺旋门架2上并控制滑块3运动的滚珠丝杠4组成；旋转螺旋门架把手1用于控制滚珠丝杠4转动；将基础钢板23水平固定在试验平台24上，螺旋门架2垂直固定在基础钢板23上，滑块3沿着螺旋门架2的垂直滑轨上下移动，升降钢板6垂直于地面固定在滑块3上；旋转轴13通过轴承座12垂直于地面固定在升降钢板6上；将固定钢板7垂直地固定在的基础钢板23上，位置处于使固定钢板7与升降钢板6在同一垂直平面上；固定轴19通过轴承座12固定在固定钢板7上，位置处于使固定轴19与旋转轴13为同轴相对的位置；固定轴19与旋转轴13之间用于安装试验试件；扭矩传感器及编码器20与固定轴19末端为可拆卸固定连接；扭矩传感器及编码器20固定在基础钢板23上；角位移传感器及编码器的内圈14套在旋转轴13上，角位移传感器及编码器的外圈15固定在升降钢板6上。

试验试件由夹具16、卡盘17、垫片26和沥青混合料试件18组成；沥青混合料试件采用截面为正方形的柱体，两个自动定心四爪卡盘17分别固定于柱形沥青混合料试件18的两端，金属垫片26垫在卡盘17和沥青混合料试件18之间的卡爪下；将两端带有卡盘17的柱形沥青混合料试件的两端再分别通过夹具16与固定轴19和旋转轴13可拆卸固定连接；旋转轴13一端通过夹具16与试验试件为可拆卸固定连接，另一端通过联轴器11与加载系统连接。

加载系统由速度控制器21、微型电机8、减速箱10和联轴器11组成；微型电机8与减速箱10组合在一起使用，微型电机8及减速箱10用固定架9固定在升降钢板6上，联轴器11用于连接旋转轴13与减速箱10的输出轴；速度控制器21按照计算机控制系统设定的转速参数通过电压的调节控制微型电机8的转速；速度控制器21位于试验平台上；计算机系统实时接收来自扭矩传感器及编码器20和角位移传感器及编码器的信息。

螺旋门架的滑块3可通过转动螺旋门架把手1上下移动，进而带动升降钢板6移动；滚珠丝杠4带有锁死功能可以使滑块3及升降钢板6停留在某一高度。螺旋门架2通过升降钢板6承担微型电机8及减速箱10、联轴器11、旋转轴13、夹具16及试验试件的相应自重，减小试验过程中仪器及试件自重荷载产生的测试误差。

扭矩传感器量程为：2 N·m～20N·m；角位移传感器的量程为：±180度。

试验加载时，计算机控制系统22控制速度控制器21和减速箱10控制微型电机8按照设定的转速转动，从而对沥青混合料试件18施加剪切作用。计算机控制系统22实时采集角位移传感器及编码器14,15和扭矩传感器及编码器20传送的动态信息，并控制加载直至沥青混合料试件18破坏为止。

计算机控制系统22自动保存实时采集的角位移及对应时间、力矩及对应时间等数据，根据沥青混合料试件18基本尺寸参数自动计算沥青混合料试件18破坏过程中随时间变化的剪应变与剪应力，自动确定最大剪应力及对应的剪应变、时间等参数，计算割线剪切模量、自动拟合计算切线剪切模量，并完成屏幕图形绘制。

当满足试验结束条件或试验被强行停止时，计算机控制系统22将自动保存试验过程中采集的检测数据，自动进行试验数据初步整理分析及图形绘制，并提示试验结束。

Claims (1)

1.沥青混合料旋转剪切破坏性能测定试验装置由试验平台、加载系统和计算机控制系统组成；加载系统根据设定的剪切速率对沥青混合料试件进行旋转剪切加载；计算机控制系统实时采集数据信息；其特征在于：

试验平台由螺旋门架(2)、基础钢板（23）、固定钢板（7）、升降钢板（6）、旋转轴（13）、固定轴（19）、轴承座（12）、扭矩传感器及编码器（20）和角位移传感器及编码器组成；螺旋门架（2）由包括固定在门架上的滑杆（5），沿着滑杆滑动的滑块（3）和固定在螺旋门架（2）上并控制滑块（3）运动的滚珠丝杠（4）组成；旋转螺旋门架把手（1）用于控制滚珠丝杠（4）转动；将基础钢板（23）水平固定在试验平台（24）上，螺旋门架(2)垂直固定在基础钢板（23）上，滑块（3）沿着螺旋门架（2）的垂直滑轨上下移动，升降钢板（6）垂直于地面固定在滑块（3）上；旋转轴（13）通过轴承座（12）垂直于地面固定在升降钢板（6）上；将固定钢板（7）垂直地固定在的基础钢板（23）上，位置处于使固定钢板（7）与升降钢板（6）在同一垂直平面上；固定轴（19）通过轴承座（12）固定在固定钢板（7）上，位置处于使固定轴（19）与旋转轴（13）为同轴相对的位置；固定轴（19）与旋转轴（13）之间用于安装试验试件；扭矩传感器及编码器（20）与固定轴（19）末端为可拆卸固定连接；扭矩传感器及编码器（20）固定在基础钢板（23）上；角位移传感器及编码器的内圈（14）套在旋转轴（13）上，角位移传感器及编码器的外圈（15）固定在升降钢板（6）上；

试验试件由夹具（16）、卡盘（17）、垫片（26）和沥青混合料试件（18）组成；沥青混合料试件采用截面为正方形的柱体，两个自动定心四爪卡盘（17）分别固定于柱形沥青混合料试件（18）的两端，金属垫片（26）垫在卡盘（17）和沥青混合料试件（18）之间的卡爪下；将两端带有卡盘（17）的柱形沥青混合料试件的两端再分别通过夹具（16）与固定轴（19）和旋转轴（13）可拆卸固定连接；旋转轴（13）一端通过夹具（16）与试验试件为可拆卸固定连接，另一端通过联轴器（11）与加载系统连接；

加载系统由速度控制器（21）、微型电机（8）、减速箱（10）和联轴器（11）组成；微型电机（8）与减速箱（10）组合在一起使用，微型电机（8）及减速箱（10）用固定架（9）固定在升降钢板（6）上，联轴器（11）用于连接旋转轴（13）与减速箱（10）的输出轴；速度控制器（21）按照计算机控制系统设定的转速参数通过电压的调节控制微型电机（8）的转速；速度控制器（21）位于试验平台上；计算机系统实时接收来自扭矩传感器及编码器（20）和角位移传感器及编码器的信息。

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