CN103278383B - 一种沥青混合料复合型开裂的试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种沥青混合料复合型开裂试验装置，其用于研究沥青混合料复合型开裂特征，利用试验装置的特殊设计，使得试验装置具有可旋转性，可以将沥青混合料试件处于不同的受力模式下，实现张开型（ I 型）和剪切型（ II 型）的复合型开裂模式，从而可以准确模拟沥青混合料在不同复合型水平的开裂模式下的开裂行为。随着试验夹具的旋转，可以使沥青混合料试件切口方向与拉伸荷载方向可成不同角度，从而可以取得不同比例复合的复合型开裂试验。

Description

一种沥青混合料复合型开裂的试验装置

技术领域

本发明属于道路工程领域，具体涉及一种模拟沥青混合料复合型开裂的试验装置。

背景技术

我国典型的沥青路面结构是半刚性基层的沥青路面，反射裂缝是其较为常见的病害之一。根据断裂力学，裂缝的扩展可以分为三个基本类型：张开型、剪切型（平面内剪切）、撕开型（平面外剪切），分别记为I型、II型、III型。针对沥青路面的反射裂缝问题，国内外学者在试验条件、试验方法、材料组成、荷载特性、环境因素等方面做了大量研究。国外模拟沥青混合料开裂的室内试验主要有间接拉伸试验、半圆弯拉试验、单边切口梁试验、圆盘拉伸试验等。我国评价沥青混合料抗裂性能的试验规范主要包括沥青混合料劈裂试验（T0716-2011）和沥青混合料弯曲试验（T0715-2011）。这些试验方法大多仅局限于对沥青混合料单纯的I型裂缝的研究，没有涉及II型或者I型与II型的复合型开裂。然而，沥青路面在车辆荷载作用下产生的反射裂缝并非纯粹的I型裂缝，而是具有一定的开裂角度，属于I型与II型的复合型开裂。如果能够充分考虑沥青混合料的力学特性，设计一种新型的试验装置，确定适合于沥青混合料的试验条件及试验方法，实现对沥青混合料复合型开裂的模拟，将有利于沥青混合料反射裂缝扩展机理的研究，从而指导沥青混凝土路面结构和材料的设计，提高沥青混凝土路面的抗裂性能。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有模拟沥青混合料开裂的室内试验方法的不足，设计开发了一种可以模拟沥青混合料复合型开裂的试验装置及试验方法，用于研究沥青混合料复合型反射裂缝的开裂特性。

本发明采用的技术方案为：

一种沥青混合料复合型开裂试验夹具，其主要包括一对主夹具与一对媒介夹具；上下两个主夹具形状、大小完全相同，单个主夹具呈“L”形，在主夹具上有五个穿孔，依次为1号孔、2号孔、3号孔、4号孔与5号孔，其中3号孔位于主夹具的直角弯处，1号孔、2号孔与3号孔依次成一条直线位于主夹具的一条直角边上，5号孔、4号孔与3号孔亦依次成一条直线位于主夹具的另外一条直角边上；上下两个媒介夹具为大小完全相同的矩形块，媒介夹具与主夹具尺寸吻合，并且长度略短于主夹具的直角边，在媒介夹具上等间距地分布4个穿孔，用于实现与主夹具的稳定连接；上下两个媒介夹具与方块形试件之间用环氧树脂黏合剂粘结，方块形试件侧面有一道切口缝，切口缝长度为方块形试件边长的一半。

上下两个主夹具与媒介夹具之间分别采用4个等间距的螺栓连接；一对主夹具与上下两个“U”形夹头之间采用螺栓通过主夹具上的穿孔连接；上端“U”形夹头与螺纹连接杆连接，下端“U”形夹头与限位螺栓相连；上下主夹具连接的穿孔必须相同，在连接1号孔、2号孔、3号孔、4号孔与5号孔这五种情形下，分别对应着五种不同复合水平的复合型开裂试验的实现。当上下主夹具连接1号孔时，对应着100%I型0%II型开裂，当上下主夹具连接2号孔时，对应着75%I型25%II型复合开裂，当上下主夹具连接3号孔时，对应着50%I型50%II型复合开裂，当上下主夹具连接4号孔，对应着25%I型75%II型复合开裂，当上下主夹具连接5号孔，对应着0%I型100%II型开裂。

与现有技术相比，本发明设计的试验装置充分考虑了沥青混合料产生复合型开裂的受力特点，可以准确地模拟沥青混合料在不同复合水平下的开裂行为。试验方法简单易行，试验条件控制合理，试验结果稳定可靠，提出的三个试验指标参数具有明确的物理意义，可以量化地表征沥青混合料的复合型开裂特性。该试验方法有利于对沥青混合料反射裂缝扩展机理的研究，从而指导沥青混凝土路面结构和材料的设计，提高沥青混凝土路面的抗裂性能。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明：

图1为沥青混合料复合型开裂的试验夹具正视图；

图2为沥青混合料复合型开裂试验夹具的主夹具结构立体图；

图3为沥青混合料复合型开裂试验夹具的媒介夹具结构立体图；

图4为沥青混合料五种不同复合水平的复合型开裂试验装置的结构示意图。

具体实施方式

本发明的沥青混合料复合型开裂试验装置适用于测定沥青混合料在规定温度和加载速率时不同复合型开裂的力学性质及评价沥青混合料不同复合型开裂的抗裂性能时使用。

（1）装置构成原理

本发明的沥青混合料复合型开裂试验装置用于研究沥青混合料复合型开裂特征，利用试验装置的特殊设计，使得试验装置具有可旋转性，可以将沥青混合料试件处于不同的受力模式下，实现张开型（I型）和剪切型（II型）的复合型开裂模式，从而可以准确模拟沥青混合料在不同复合型水平的开裂模式下的开裂行为。随着试验夹具的旋转，可以使沥青混合料试件切口方向与拉伸荷载方向可成不同角度，从而可以取得不同比例复合的复合型开裂试验。如果切口与拉伸荷载方向垂直，则得到纯粹的I型开裂试验，如果切口与拉伸荷载方向平行，则得到纯粹的II型开裂试验，如果切口与拉伸荷载方向成一定角度，则得到复合型开裂试验。

（2）装置具体组成

如图1所示，本发明的沥青混合料复合型开裂试验夹具的主要包括一对主夹具（6）与一对媒介夹具（7）；上下两个主夹具（6）形状、大小完全相同，单个主夹具（6）呈“L”形，在主夹具（6）上有五个穿孔，依次为1号孔（1）、2号孔（2）、3号孔（3）、4号孔（4）与5号孔（5），3号孔（3）位于主夹具（6）的直角弯处，1号孔（1）、2号孔（2）与3号孔（3）依次成一条直线，位于主夹具（6）的一条直角边上，5号孔（5）、4号孔（4）与3号孔（3）亦依次成一条直线，位于主夹具（6）的另外一条直角边上；上下两个媒介夹具（7）为大小完全相同的矩形块，媒介夹具（7）与主夹具（6）尺寸吻合，并且长度略短于主夹具的直角边，在媒介夹具（7）上等间距地分布4个穿孔，用于实现与主夹具（6）的稳定连接；上下两个媒介夹具（7）与方块形试件（12）之间用环氧树脂黏合剂粘结，方块形试件（12）侧面有一道切口缝（13），切口缝（13）长度为方块形试件（12）边长的一半。上下两个主夹具（6）与媒介夹具（7）之间分别采用4个等间距的螺栓（8）连接；一对主夹具（6）与上下两个“U”形夹头（9）之间采用螺栓通过主夹具（6）上的穿孔连接；上端“U”形夹头（9）与螺纹连接杆（11）连接，下端“U”形夹头（9）与限位螺栓（10）相连；上下主夹具（6）连接的穿孔必须相同，在连接1号孔（1）、2号孔（2）、3号孔（3）、4号孔（4）与5号孔（5）这五种情形下，分别对应着五种不同复合水平的复合型开裂试验的实现，当上下主夹具（6）连接1号孔（1）时，对应着100%I型0%II型开裂，即单纯的张开型，当上下主夹具（6）连接2号孔（2）时，对应着75%I型25%II型复合开裂，当上下主夹具（6）连接3号孔（3）时，对应着50%I型50%II型复合开裂，当上下主夹具（6）连接4号孔（4），对应着25%I型75%II型复合开裂，当上下主夹具（6）连接5号孔（5），对应着0%I型100%II型开裂，即单纯的剪切型开裂。如图2所示，主夹具（6）呈“L”形，在主夹具（6）上有五个穿孔，依次为1号孔（1）、2号孔（2）、3号孔（3）、4号孔（4）与5号孔（5），3号孔（3）位于主夹具（6）的直角弯处，1号孔（1）、2号孔（2）与3号孔（3）依次成一条直线，位于主夹具（6）的一条直角边上，5号孔（5）、4号孔（4）与3号孔（3）亦依次成一条直线，位于主夹具（6）的另外一条直角边上；在主夹具（6）内侧边缘，设置有等间距的4个穿孔，用于实现与媒介夹具（7）的稳定连接。如图3所示，媒介夹具（7）整体呈矩形块状，中部设置贯穿的矩形槽口（14）；为了实现主夹具（6）与媒介夹具（7）的稳定连接，媒介夹具（7）的槽口（14）两端亦等间距地设置4个大小相同的穿孔（8）。

（3）装置使用方法

如图1所示，沥青混合料复合型开裂试验中所用到的有切口（13）的方块形试件（12）是根据《公路沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20-2011)规定的轮碾法，使用交通部监制生产的轮碾成型机压实成型，然后切割而成的。轮碾法成型的整体试件平面尺寸为300mm×300mm，高50mm。根据该试验的需要，将整体试件切割为9块尺寸为80mm×80mm×50mm的小试件（12），最后在方块形试件（12）的一侧中央切割出一道长40mm、宽4mm的切口（13），就完成了复合型开裂试验需要的方块形沥青混合料试件（12）的制作。

当试件成型并切割后，即可进行夹具的安装。沥青混合料复合型开裂试验夹具安装过程如下：用干毛巾擦拭方块形试件（12）上下表面，保证试件（12）上下表面的干燥、清洁；将搅匀后的环氧树脂黏合剂均匀地涂抹在试件（12）的上下表面，分别与上下两块媒介夹具（7）的底面胶合。为了保证试件（12）与媒介夹具（7）间的粘结强度，需要常温下静置24小时，获得一定粘结强度后才能进行复合型开裂试验；待试件（12）与媒介夹具（7）粘结完好，将主夹具（6）与媒介夹具（7）用8个专门定制的螺栓（8）紧密联结，使得整体夹具稳固；通过主夹具（6）上对应设置的1号孔（1）、2号孔（2）、3号孔（3）、4号孔（4）、5号孔（5），根据试验要求的复合型开裂水平，选择其中一种连接孔，用螺栓固定在上下夹头（9）之间；最后，利用上端的螺纹连接杆（11）和下端的限位螺栓（10），将整体夹具固定在UTM万能试验机的加载轴和试验平台之间，完成沥青混合料复合型开裂试验夹具的安装工作。

五种不同复合水平开裂试验的夹具安装效果如图4所示。五种不同复合水平的开裂分别对应使用主夹具（6）上的1号孔（1）、2号孔（2）、3号孔（3）、4号孔（4）、5号孔（5）。最左边为100%I型0%II型开裂，即单纯的张开型试验，最右边为0%I型100%II型开裂，即单纯的剪切型开裂。中间三种情况分别为75%I型25%II型复合开裂，50%I型50%II型复合开裂以及25%I型75%II型复合开裂这三种不同复合水平的复合型开裂。

沥青混合料复合型开裂试验可以在UTM万能试验机里进行。试验开始前，将切割后的沥青混合料试件（12）在-10℃的恒温空气箱中保温不少于6h，直至试件内部温度达到试验温度±0.5℃为止，保温时试件之间的距离不少于10mm。设置试验机的各项参数，使得试验机环境保温箱的温度达到-10℃±0.5℃，试验机的拉伸加载速率为0.5mm/min。安装复合型试验夹具，利用夹具上端的螺纹连接杆（11）和下端的限位螺栓（10），将整体夹具固定在UTM万能试验机的加载轴和试验平台之间，待整体夹具稳固后，即可进行一定水平的复合型开裂试验。将记录仪与荷载及位移传感器连接，开动试验机，经过0.2KN左右的预拉处理后，以规定的加载速率拉伸试件，试验过程中记录仪将记录沥青混合料复合型开裂试验的力-位移曲线，直至试件破坏，试验将自动停止。

通过沥青混合料复合型开裂试验，可以获得沥青混合料在不同复合型开裂模式下的三个指标参数：峰值荷载、裂缝角度、断裂能。

峰值荷载可以直接从记录仪记录的力-位移曲线获得，即为试验过程中的最大力值。裂缝角度也可在试件断裂后，经过简单测量得到，是指沥青混合料试件在破坏后，裂缝的起点与终点确定的直线与试件切口方向所形成的锐角。断裂能是新产生单位面积的断裂面(或者单位长度的裂缝)所需要做的功。通过计算力-位移曲线的面积，量测断裂面的面积，即可就得到复合型开裂试验的断裂能。沥青混合料试件破坏后，由于断裂面不规则性，不易精确得到断裂面的面积，为了简化分析，对断裂面面积的测定采用测量矩形断裂面的长度与宽度的近似方法。断裂能的计算公式如下：

$W=\frac{\∫\mathrm{Pdu}}{A_{\mathrm{lig}}}$

式中：

W——复合型开裂的断裂能（J/m²）；

P——试验中的拉伸荷载(N)；

u——荷载轴的位移(m)；

A_lig——试件断裂面的面积(m²)。

通过分析、比较沥青混合料在不同复合型开裂模式下的指标参数，可以量化地评价沥青混合料在不同复合型开裂模式下的抗裂性能，研究张开型（I型）和剪切型（II型）开裂的不同复合水平对沥青混合料开裂行为的影响。

该沥青混合料复合型开裂的试验装置实现了对沥青混合料的五种不同复合水平的开裂行为的模拟，试验过程简单可行，该装置总共包括两套主夹具（6），12套媒介夹具（7）。由于媒介夹具（7）的引入，减少了试验耗时，降低了试验成本，并且试验完成后媒介夹具（7）上的黏合剂易于清理，夹具可以重复使用，提高了沥青混合料复合型开裂试验的效率。

Claims (3)

1.一种沥青混合料复合型开裂试验夹具，其主要包括一对主夹具（6）与一对媒介夹具（7）；上下两个主夹具（6）形状、大小完全相同，单个主夹具（6）呈“L”形，在主夹具（6）上有五个穿孔，依次为1号孔（1）、2号孔（2）、3号孔（3）、4号孔（4）与5号孔（5），其中3号孔（3）位于主夹具（6）的直角弯处，1号孔（1）、2号孔（2）与3号孔（3）依次成一条直线位于主夹具（6）的一条直角边上，5号孔（5）、4号孔（4）与3号孔（3）亦依次成一条直线位于主夹具（6）的另外一条直角边上；上下两个媒介夹具（7）为大小完全相同的矩形块，媒介夹具（7）与主夹具（6）尺寸吻合，并且长度略短于主夹具的直角边，在媒介夹具（7）上等间距地分布4个穿孔，用于实现与主夹具（6）的稳定连接；上下两个媒介夹具（7）与方块形试件（12）之间用环氧树脂黏合剂粘结，方块形试件（12）侧面有一道切口缝（13），切口缝（13）长度为方块形试件（12）边长的一半。

2.如权利要求1所述的沥青混合料复合型开裂试验夹具，其特征在于，上下两个主夹具（6）与媒介夹具（7）之间分别采用4个等间距的螺栓（8）连接；一对主夹具（6）与上下两个“U”形夹头（9）之间采用螺栓通过主夹具（6）上的穿孔连接；上端“U”形夹头（9）与螺纹连接杆（11）连接，下端“U”形夹头（9）与限位螺栓（10）相连；上下主夹具（6）连接的穿孔必须相同，在连接1号孔（1）、2号孔（2）、3号孔（3）、4号孔（4）与5号孔（5）这五种情形下，分别对应着五种不同复合水平的复合型开裂试验的实现。

3.如权利要求2所述的沥青混合料复合型开裂试验夹具，其特征在于，当上下主夹具（6）连接1号孔（1）时，对应着100% I型0% II型开裂，当上下主夹具（6）连接2号孔（2）时，对应着75% I型25% II型复合开裂，当上下主夹具（6）连接3号孔（3）时，对应着50% I型50% II型复合开裂，当上下主夹具（6）连接4号孔（4），对应着25% I型75% II型复合开裂，当上下主夹具（6）连接5号孔（5），对应着0% I型100% II型开裂。