CN103278401A - 沥青混合料旋转剪切振荡疲劳破坏性能测定装置及方法 - Google Patents

Abstract

沥青混合料旋转剪切振荡疲劳破坏性能测定装置及方法，属于沥青混合料力学性能测试领域；由试验平台、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（25）通过温控系统对沥青混合料试件（21）的养护温度、试验温度进行自动控制；加载系统由变频器（24）、微型电机（12）、减速箱（14）和联轴器（15）组成；减速箱（14）为与微型电机（12）配套的成品，减速箱（14）与微型电机（12）的输出转轴直接相连，并通过配套的法兰盘与微型电机（12）合为整体；计算机控制系统（25）控制加载系统，完成对沥青混合料旋转剪切疲劳破坏性能测定试验。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中、高温条件下的抗剪切疲劳破坏性能。

Description

沥青混合料旋转剪切振荡疲劳破坏性能测定装置及方法

技术领域

本发明属于沥青混合料力学性能测试领域，特别是涉及对沥青混合料旋转剪切振荡疲劳破坏性能的测定技术。

背景技术

国内外对沥青混合料疲劳性能的研究主要分为三种类型：一是检测实际路面在真实汽车荷载作用下的疲劳性能，如美国AASHO试验路；二是用足尺路面结构模拟汽车荷载作用下其疲劳性能，如美国华盛顿州立大学室外大型环道及中国重庆公路科学研究所的室内大型环道等；三是室内小型材料试件的疲劳试验。前两类方法都能较好地反映路面实际疲劳性能,但耗资巨大、周期长，且试验结果受当地环境及所用路面结构影响较大。因此,使用最多的还是室内小型材料试件的疲劳试验。

在目前已有的疲劳试验中，国内外常用的评价混合料疲劳性能的室内试验主要以单轴拉伸试验(DT)、间接拉伸试验(ITT)、简单弯曲试验等为主，并且这些疲劳试验方法都是在温度较低的环境下(如15℃)通过施加垂直方向的力来控制整个试验。

对于沥青混合料抗剪切性能的室内试验主要有同轴剪切试验、单轴贯入试验和基于MTS、UTM等改装的剪切试验，这些试验测试的主要是沥青混合料抗剪切强度、模量的指标；Superpave剪切仪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)，可以完成沥青混合料的剪切疲劳测试，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。

综上，采用旋转剪切方法测试沥青混合料抗剪切疲劳性能的试验装置则未见文献报道。基于申请者已申报的“沥青旋转剪切破坏实验装置”专利（申请号201310039574.5）及“沥青旋转剪切振荡疲劳破坏实验装置及方法”专利（申请号201310043339.5），为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，本装置采用与本申请同期申报的“沥青混合料旋转剪切破坏实验装置”相似的立式结构，但整体结构作以下更改：(1)针对循环振荡加载特点，采用变频器控制加载方式可形成正弦、三角形、矩形等函数形式的加载波形；(2)针对疲劳试验的长时间过程特点，采用温控系统保持测试过程中试件的温度。

发明内容

为克服现有技术中缺少沥青混合料剪切振荡疲劳破坏性能测试的通用试验设备，本发明提供一种可自动控温及具有多种振荡函数的沥青混合料旋转剪切振荡疲劳破坏性能测定装置。本发明也适用于沥青混合料复数剪切模量（G）和相位角（δ）的测定。

沥青混合料旋转剪切振荡疲劳破坏性能测定装置，由试验平台、加载系统、温度控制系统和计算机控制系统组成；计算机控制系统通过温控系统对沥青混合料试件的养护温度、试验温度进行自动控制；同时计算机控制系统还对加载系统进行控制，完成对沥青混合料旋转剪切疲劳破坏性能测定试验。

温度控制系统由高低温试验箱、温控箱、两个连接管和安装在连接管上的微型气泵组成；温控箱将试验试件罩在其间，两个连接管和安装在连接管上的微型气泵将高低温试验箱和温控箱连接形成闭合的热循环温控系统；试验前的沥青混合料试件在高低温试验箱中的养护架上实施养护；温度编码器将来自温控箱中的温度传感器的数据传输到计算机系统。

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圆柱体，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沥青混合料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。

加载系统由变频器、微型电机、减速箱和联轴器组成；减速箱为与微型电机配套的成品，减速箱与微型电机的输出转轴直接相连，并通过配套的法兰盘与微型电机合为整体；微型电机及减速箱用固定架固定在升降钢板上，减速箱的输出轴通过联轴器与旋转轴联动；变频器位于基础钢板上，或者计算机旁。

沥青混合料旋转剪切振荡疲劳破坏性能测定试验加载方式如下：

加载系统采用应变控制方式，计算机控制系统首先根据设定的目标加载函数类型（正弦、余弦、T形、三角形、矩形等）、目标应变、周期等参数，自动计算出各周期时间内任意时刻变频器的输出工作频率参数，即时间——工作频率周期函数及转向控制周期函数；

试验开始后，计算机控制系统自动控制变频器按试验进程所处的时刻输出对应的工作频率及转向控制参数，微型电机转轴的转速及转向随变频器输出频率及方向控制的变化而呈现周期变化；同时，计算机控制系统与微型电机转轴机械连接的减速箱输出轴按一定转速旋转及转向，并在联轴器作用下驱动旋转轴同步旋转及转向；角位移传感器及编码器向计算机控制系统实时传递旋转轴旋转的角度及方向信息；

角位移传感器及编码器的角位移测试结果数据为确定合理的变频器输出函数参数起到校核作用；加载过程中，计算机控制系统将根据接收到的角位移传感器及编码器的信息数据自动检验、校核实际加载输出函数，根据需要调整变频器的输出参数。

本发明所提供的旋转剪切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中、高温条件下的抗剪切疲劳破坏性能。

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。

图中的标号分别表示: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.温度传感器，8.温度编码器，9.微型气泵，10.轴承座，11.固定钢板，12.微型电机，13.固定架，14.减速箱，15.联轴器，16.旋转轴，17.角位移传感器及编码器外圈，18.角位移传感器及编码器内圈，19.夹具，20.卡盘，21.沥青混合料试件，22.固定轴，23.扭矩传感器及编码器，24.变频器，25.计算机控制系统，26.高低温试验箱，27.沥青混合料试件养护架，28.基础钢板，29.试验平台，30.温控箱进气管，31.温控箱出气管，32.温控箱，33.垫片，34.卡爪。

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说明。

沥青混合料旋转剪切振荡疲劳破坏性能测定装置，由试验平台、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25通过温控系统对沥青混合料试件21的养护温度、试验温度进行自动控制；同时计算机控制系统25还对加载系统进行控制，完成对沥青混合料旋转剪切疲劳破坏性能测定试验；

温度控制系统由高低温试验箱26、温控箱32、温控箱进气管（30）、温控箱出气管（31）和分别安装在温控箱进气管30,温控箱出气管31上的微型气泵9组成；温控箱32将试验试件罩在其间，温控箱进气管30、温控箱出气管31和分别安装在温控箱进气管30、温控箱出气管31上的微型气泵9将高低温试验箱26和温控箱32连接形成闭合的热循环温控系统；试验前的沥青混合料试件21在高低温试验箱中的养护架27上实施养护；温度编码器8将来自温控箱32中的温度传感器7的数据传输到计算机系统25；

试验平台由螺旋门架2、基础钢板28、固定钢板11、升降钢板6、旋转轴16、固定轴22、轴承座10、扭矩传感器及编码器23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28水平固定在试验平台29上，螺旋门架2垂直固定在基础钢板28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16通过轴承座10垂直于地面固定在升降钢板6上；将固定钢板11垂直地固定在的基础钢板28上，位置处于使固定钢板11与升降钢板6在同一垂直平面上；固定轴22通过轴承座10固定在固定钢板11上，位置处于使固定轴22与旋转轴16为同轴相对的位置；固定轴22与旋转轴16之间用于安装试验试件；扭矩传感器及编码器23与固定轴22末端为可拆卸固定连接；扭矩传感器及编码器23固定在基础钢板28上；角位移传感器及编码器的内圈18套在旋转轴16上，角位移传感器及编码器的外圈17固定在升降钢板6上；

试验试件由夹具19、卡盘20、垫片33和沥青混合料试件21组成；沥青混合料试件21采用圆柱体，两个自动定心四爪卡盘20分别固定于柱形沥青混合料试件21的两端，金属垫片33垫在卡盘的卡爪和沥青混合料试件21之间；将两端带有卡盘20的柱形沥青混合料试件21的两端再分别通过夹具19与固定轴22和旋转轴16可拆卸固定连接；旋转轴16一端通过夹具19与沥青混合料试件21为可拆卸固定连接，另一端通过联轴器11与加载系统连接；

加载系统由变频器24、微型电机12、减速箱14和联轴器15组成；减速箱14为与微型电机12配套的成品，减速箱14与微型电机12的输出转轴直接相连，并通过配套的法兰盘与微型电机12合为整体；微型电机12及减速箱14用固定架13固定在升降钢板6上，减速箱14的输出轴通过联轴器15与旋转轴16联动；变频器24位于基础钢板28上，或者计算机旁；

沥青混合料旋转剪切振荡疲劳破坏性能测定试验加载方式如下：

加载系统采用应变控制方式，计算机控制系统25首先根据设定的目标加载函数类型正弦、余弦、T形、三角形、矩形等、目标应变、周期等参数，自动计算出各周期时间内任意时刻变频器24的输出工作频率参数，即时间——工作频率周期函数及转向控制周期函数；

试验开始后，计算机控制系统25自动控制变频器24按试验进程所处的时刻输出对应的工作频率及转向控制参数，微型电机转轴的转速及转向随变频器24输出频率及方向控制的变化而呈现周期变化；同时，计算机控制系统25与微型电机转轴机械连接的减速箱14输出轴按一定转速旋转及转向，并在联轴器15作用下驱动旋转轴16同步旋转及转向；角位移传感器及编码器向计算机控制系统25实时传递旋转轴16旋转的角度及方向信息；

角位移传感器及编码器的角位移测试结果数据为确定合理的变频器24输出函数参数起到校核作用；加载过程中，计算机控制系统25将根据接收到的角位移传感器及编码器的信息数据自动检验、校核实际加载输出函数，根据需要调整变频器的输出参数。

本发明的试验方法如下：

A.沥青混合料试件准备

采用击实法成型圆柱体沥青混合料试件。

B.试件养护

开启高低温试验箱，设置好试验养护温度；将制备好的沥青混合料试件统一放置在高低温试验箱的沥青混合料试件养护架上，按试验规定时间对试件进行恒温养护。

C.控温系统启动

通过计算机控制系统启动微型气泵使温控箱进气管、温控箱出气管、温控箱开始工作。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。

D.试件安装

计算机控制系统提示温控箱温度满足试验要求，同时沥青混合料试件养护温度及养护时间满足规定要求后，将沥青混合料试件从沥青混合料试件养护架上取出，用夹具和卡盘固定在固定轴和旋转轴上。并测定旋转轴卡盘垫片端头与固定轴卡盘垫片端头之间的距离。

E.试验参数设置

通过计算机控制系统设定沥青混合料试件基本尺寸参数、卡盘垫片端头之间的距离、试验的目标温度、试验结束条件(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，本发明可提供正弦、余弦、T型、三角形、矩形和其它多种振荡函数供选择。点击开始键。

F.试验测试

步骤1：计算机控制系统根据温度传感器自动监测温控箱的温度，当满足目标试验温度一定时间后将自动提示试验开始。

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

步骤3：计算机控制系统实时采集角位移传感及编码器、扭矩传感器及编码器和温度传感器、温度编码器传送的动态信息，根据目标试验参数进行调整与控制，直至沥青混合料试件振荡疲劳破坏或者达到试验结束条件为止(满足最短试验时间和检测到最小扭矩)。

步骤4：计算机控制系统自动保存实时采集的角位移及时间、力矩及时间、温度数据及时间等数据，根据沥青混合料试件基本尺寸参数半径、厚度、卡盘垫片端头之间的距离自动计算沥青混合料试件破坏过程中随时间变化的剪应变与剪应力，并完成屏幕图形绘制。

步骤5：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 (2)

1.沥青混合料旋转剪切振荡疲劳破坏性能测定装置由试验平台、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（25）通过温控系统对沥青混合料试件（21）的养护温度、试验温度进行自动控制；同时计算机控制系统（25）还对加载系统进行控制，完成对沥青混合料旋转剪切疲劳破坏性能测定试验；

温度控制系统由高低温试验箱（26）、温控箱（32）、两个连接管和安装在连接管上的微泵（9）组成；温控箱（32）将试验试件罩在其间，两个连接管和安装在连接管上的微泵将高低温试验箱（26）和温控箱（32）连接形成闭合的热循环温控系统；试验前的沥青混合料试件（21）在高低温试验箱中的养护架（27）上实施养护；温度编码器（8）将来自温控箱（32）中的温度传感器（7）的数据传输到计算机系统（25）；

试验平台由螺旋门架(2)、基础钢板（28）、固定钢板（11）、升降钢板（6）、旋转轴（16）、固定轴（22）、轴承座（10）、扭矩传感器及编码器（23）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（28）水平固定在试验平台（29）上，螺旋门架(2)垂直固定在基础钢板（28）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（16）通过轴承座（10）垂直于地面固定在升降钢板（6）上；将固定钢板（11）垂直地固定在的基础钢板（28）上，位置处于使固定钢板（11）与升降钢板（6）在同一垂直平面上；固定轴（22）通过轴承座（10）固定在固定钢板（11）上，位置处于使固定轴（22）与旋转轴（16） 为同轴相对的位置；固定轴（22）与旋转轴（16）之间用于安装试验试件；扭矩传感器及编码器（23）与固定轴（22）末端为可拆卸固定连接；扭矩传感器及编码器（23）固定在基础钢板（28）上；角位移传感器及编码器的内圈（18）套在旋转轴（16）上，角位移传感器及编码器的外圈（17）固定在升降钢板（6）上；

试验试件由夹具（19）、卡盘（20）、垫片（33）和沥青混合料试件（21）组成；沥青混合料试件（21）采用圆柱体，两个自动定心四爪卡盘（20）分别固定于柱形沥青混合料试件（21）的两端，金属垫片（33）垫在卡盘的卡爪（34）和沥青混合料试件（21）之间；将两端带有卡盘（20）的柱形沥青混合料试件（21）的两端再分别通过夹具（19）与固定轴（22）和旋转轴（16）可拆卸固定连接；旋转轴（16）一端通过夹具（19）与沥青混合料试件（21）为可拆卸固定连接，另一端通过联轴器（11）与加载系统连接；

其特征在于加载系统由变频器（24）、微型电机（12）、减速箱（14）和联轴器（15）组成；减速箱（14）为与微型电机（12）配套的成品，减速箱（14）与微型电机（12）的输出转轴直接相连，并通过配套的法兰盘与微型电机（12）合为整体；微型电机（12）及减速箱（14）用固定架（13）固定在升降钢板（6）上，减速箱（14）的输出轴通过联轴器（15）与旋转轴（16）联动；变频器（24）位于基础钢板（28）上，或者计算机旁。

2.根据权利要求1所述的沥青混合料旋转剪切振荡疲劳破坏性能测定装置，其特征在于沥青混合料旋转剪切振荡疲劳破坏性能测定试验加载方式如下：

加载系统采用应变控制方式，计算机控制系统（25）首先根据设定的目标加载函数类型（正弦、余弦、T形、三角形、矩形等）、目标应变、周期等参数，自动计算出各周期时间内任意时刻变频器（24）的输出工作频率参数，即时间— —工作频率周期函数及转向控制周期函数；

试验开始后，计算机控制系统（25）自动控制变频器（24）按试验进程所处的时刻输出对应的工作频率及转向控制参数，微型电机转轴的转速及转向随变频器（24）输出频率及方向控制的变化而呈现周期变化；同时，计算机控制系统（25）与微型电机转轴机械连接的减速箱（14）输出轴按一定转速旋转及转向，并在联轴器（15）作用下驱动旋转轴（16）同步旋转及转向；角位移传感器及编码器向计算机控制系统（25）实时传递旋转轴（16）旋转的角度及方向信息；

角位移传感器及编码器的角位移测试结果数据为确定合理的变频器（24）输出函数参数起到校核作用；加载过程中，计算机控制系统（25）将根据接收到的角位移传感器及编码器的信息数据自动检验、校核实际加载输出函数，根据需要调整变频器的输出参数。 

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