CN103808654A - 一种铺装层层间联接强度的测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铺装层间联接强度的测试装置及测试方法。所述测试装置包括铺装层试样、垂直压力施加装置和扭转剪切装置；垂直压力施加装置位于铺装层试样和扭转剪切装置的上方，通过垂直压力施加装置为铺装层试样施加垂直压力；铺装层试样由上层铺装试样、防水粘结层试样和下层铺装试样组成，上层铺装层试样包括一个圆环状芯样和一个内圆柱试样；扭转剪切装置在水平面内夹紧上层铺装层试样并对上层铺装层试样施加扭矩，在扭转剪切装置上连接有扭力扳手测定仪。本发明可以实现在可变正压力作用下的扭转剪切破坏，同时通过对测试试样的多次加工，消除了混合料尺寸与测试结果的影响，符合理论与破坏实际、操作简便。

Description

一种铺装层层间联接强度的测试装置及测试方法

技术领域

本发明属于路面工程设备技术领域，具体涉及一种铺装层层间联接强度的测试装置、以及采用所述测试装置的测试方法。

背景技术

沥青混凝土铺装尤其是桥面铺装的层间联接问题是影响结构层整体使用性能的重要因素。力学分析结果表明，层间状态由连续转为光滑后，铺装层层内或层间剪应力呈几何倍数增长，我国沥青路面设计规范中，路面结构厚度设计时以铺装层层间连续为前提，而实际施工后路面的联接状态并不符合理论假设，同时也缺乏合理、有效的手段来进行评测，检测设备与检测方法的缺乏造成铺装层层间的状态缺乏有效的质量控制，导致推移、拥抱、车辙等早期损坏问题频发。

层间联接的破坏形式分为以下三类：（1）防水粘结层与桥面板之间脱落；（2）铺装层与防水粘结层之间脱落；（3）防水粘结层自身破坏导致层间联接失效。层间联接强度评价有剪切强度、拉拔强度和扭转剪切强度三种，需要用相应的直接剪切、直接拉拔、扭转剪切设备来测试，国外早在1978年即开始层间抗剪强度的研究，且很注重仪器的开发，目前市场存在的衡量层间联接设备基本可以分为三类，直接剪切类、压力剪切类和斜剪切类设备。试件的尺寸与设备相关，有立方体、圆柱体等，加载条件也有所不同诸如5mm/min、10mm/min、50mm/min等，除此之外，一些部门还采用了直接拉伸、楔形剪切和扭剪等试验设备作研究用。

2005年美国国家公路合作研究计划（NCHRP）发起了一项确定粘层材料的研究（NCHRPProject9-40），国际材料与结构试验研究协会（RILEM）也发起了类似的计划，我国目前尚无公认的铺装层层间联接性能的试验方法与评价标准，也未形成统一的检测设备，目前有部分高校与研究部门公开了有关测试粘结层联接性能的仪器及方法，然而此类测试设备具有结构沉重复杂、测试结果显示复现性差、现场缺乏可操作性、实际破坏形式与理论模拟有差距、难以实现桥面粘结层室内外测试手段的统一等缺陷。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提出了一种符合理论与破坏实际、操作简便、考虑尺寸效应对铺装层联接性能影响的铺装层层间联接强度的测试装置。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种铺装层层间联接强度的测试装置，包括铺装层试样、垂直压力施加装置和扭转剪切装置；垂直压力施加装置位于铺装层试样和扭转剪切装置的上方，垂直压力施加装置对所述铺装层试样施加垂直压力；铺装层试样由上层铺装试样、防水粘结层试样和下层铺装试样组成，上层铺装层试样包括一个圆环状芯样和一个内圆柱试样；扭转剪切装置在水平面内夹紧上层铺装层试样并对所述上层铺装层试样施加扭矩，在扭转剪切装置上连接有扭力扳手测定仪。

进一步，所述垂直压力施加装置包括顶杆和顶板，顶杆位于顶板上方并与顶板相连，顶杆的上部连接有压力机。

进一步，所述顶杆的下部呈球形状，在顶杆与顶板之间设置导向固定机构，该导向固定机构包括第一导向块和第二导向块，第二导向块与顶板相连，在第二导向块的中部设置有与所述顶杆的下部相适配的球形凹槽，第一导向块位于第二导向块的上方，在第一导向块的中部开设有顶杆穿孔，顶杆的下部位于球形凹槽内部并向上穿过顶杆穿孔，在第一导向块和第二导向块上设置有固定螺孔并通过螺钉固定。

进一步，所述扭转剪切装置包括环形夹具，在环形夹具的外侧壁上对称设置有两个施力杆，所述施力杆与扭力扳手测定仪相连。

进一步，所述环形夹具，包括相互配合且均呈半圆环形状的第一紧固块和第二紧固块，第一紧固块和第二紧固块之间采用铰接连接，两个施力杆分别设置在第一紧固块和第二紧固块上。

本发明的另一个目的在于提出一种采用上述铺装层层间联接强度的测试装置的测试方法，其采用如下技术方案：

（1）在垂直方向上依次成型铺装层试样的三层结构，即由上而下依次是上层铺装试样、防水粘结层试样和下层铺装试样；

（2）采用内径为R的第一芯筒对上层铺装试样取芯，在沥青层中间采用角磨机磨出3-5mm深度深孔，在深孔处采用外径为r的第二芯筒取芯，将上层铺装试样制备为圆环状芯样和内圆柱试样，内圆柱试样的顶面低于圆环状芯样的顶面3-5mm；

（3）扭转剪切装置夹紧圆环状芯样的外侧壁，在扭转剪切装置与圆环状芯样的外侧壁的接触部位涂胶固化；

（4）垂直压力施加装置向所述铺装层试样施加垂直压力F，F通过有限元的理论计算得出，同时扭转剪切装置按照1.6°/min-2.0°/min的扭转速率扭转至≥90°，保证上层铺装试样与防水粘结层试样发生脱离破坏，记录扭转过程中的最大扭矩值T；

（5）根据最大扭矩值T计算出待测铺装层试样防水粘结层的抗剪强度，公式如下：

$A=\frac{\mathrm{\π}}{4}(R^2-r^2),{\mathrm{\σ}}_c=\frac{T}{A},$

式中：

σc—防水粘结层的抗剪强度，单位是MPa，T—最大扭矩值，单位是N·m，A—圆环截面面积，单位是mm²，R—第一芯筒的内径，单位是mm，r—第二芯筒的外径，单位是mm。

上述步骤（4）中，扭转剪切装置的扭转速率为1.8°/min。

本发明的优点是：

本发明将试验室内成型或现场切割的铺装结构层按规定尺寸加工成按原状连接的上层铺装层试样，采用环形夹具对上层铺装层试样进行粘结固定，上方施加可控垂直压力的同时，通过扭转剪切装置对上层铺装层试样施加扭矩从而在防水粘结层界面上产生扭转剪切应力，通过记录待测试件上层铺装层与下层铺装层之间发生扭转破坏时的最大值，计算不同正压力作用状态下，铺装层间的抗剪切强度，与传统的铺装层层间联接强度测试装置及方法相比，该测试装置和测试方法更符合铺装层在车辆荷载作用下层间联接破坏的实际，考虑尺寸效应及破坏均匀性，试件尺寸设计与加载方式更为合理，避免了直接剪切等加载方式因为在铺装层底部产生弯矩导致的“撕裂破坏”，测得的抗剪强度值更接近于实际值。

附图说明

图1为本发明中铺装层层间联接强度的测试装置的拆分结构图；

图2为本发明中铺装层层间联接强度的测试装置的组装结构图；

图3为图2中铺装层层间联接强度的测试装置的一侧视图；

图4为铺装层试样加工成型前的结构示意图；

图5为铺装层试样加工成型后的结构示意图；

图6为本发明垂直压力施加装置中顶板的结构示意图；

图7为本发明垂直压力施加装置中顶杆的结构示意图；

图8为本发明扭转剪切装置中第一紧固块的结构示意图；

图9为本发明扭转剪切装置中第二紧固块的结构示意图；

图10为本发明扭转剪切装置中铰接杆的结构示意图。

图中，1、下层铺装试样，2、上层铺装层试样，2-1、圆环状芯样，2-2、内圆柱试样，3、第一紧固块，4、第二紧固块，5、第一销轴，6、第二销轴，7、铰接杆，8、螺母，9、施力杆，10、顶板，11、顶杆，12-1、第一导向块，12-2、第二导向块，13、螺钉，14、防水粘结层试样。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

结合图1图9所示，一种铺装层层间联接强度的测试装置，包括铺装层试样、垂直压力施加装置和扭转剪切装置。垂直压力施加装置位于铺装层试样和扭转剪切装置的上方，垂直压力施加装置对铺装层试样施加垂直压力，如图1所示。

垂直压力施加装置包括顶杆11和顶板10，顶杆位于顶板上方并与顶板相连，顶杆的上部连接有精控的压力机，如UTM-100，为垂直压力施加装置提供精确的正向可变正压力。具体的，顶杆11的下部呈球形状，如图7所示，在顶杆11与顶板10之间设置导向固定机构。该导向固定机构包括第一导向块12-1和第二导向块12-2，第二导向块12-2与顶板10相连，如图6所示，在第二导向块12-2的中部设置有与所述顶杆的下部相适配的球形凹槽，第一导向块12-1位于第二导向块12-2的上方，在第一导向块的中部开设有顶杆穿孔，顶杆的下部位于球形凹槽内部并向上穿过顶杆穿孔，在第一导向块和第二导向块12-2上设置有固定螺孔并通过螺钉13固定，垂直压力施加装置能够保证为铺装层试样提供垂直正向压力。

铺装层试样由上层铺装试样2、防水粘结层试样14和下层铺装试样1组成。上层铺装层试样2，采用内径R的第一芯筒取芯，采用角磨机在沥青层中间用角磨机磨出3-5mm深度深孔，在深孔部处，采用外径r的第二芯筒取芯，将上层铺装层试样2制备为圆环状芯样2-1和内圆柱试样2-2，内圆柱试样2-2的顶面低于圆环状芯样2-1顶面3-5mm，如图5所示。铺装层试样可以在试验室内成型或由现场切割的铺装结构层形成。

扭转剪切装置一方面在水平面内夹紧上层铺装层试样，另一方面对上层铺装层试样施加扭矩，在扭转过程中记录待测试件上层铺装层与下层铺装层之间发生扭转破坏时的最大值，如图2所示。

扭转剪切装置包括环形夹具，在环形夹具的外侧壁上对称设置有两个施力杆，所述施力杆与扭力扳手测定仪相连。环形夹具，包括相互配合且均呈半圆环形状的第一紧固块3和第二紧固块4，第一紧固块和第二紧固块之间采用铰接连接，两个施力杆9分别设置在第一紧固块和第二紧固块上，在施力杆9上连接有扭力扳手测定仪，第一紧固块3和第二紧固块4的组合直径为R。如图8、图9、图10所示，为了实现第一紧固块3和第二紧固块4的连接，还需要第一销轴5、第二销轴6、铰接杆7和螺母8，铰接杆7和螺母8配合。

采用本发明中铺装层层间联接强度的测试装置的测试方法，步骤如下：

（1）在垂直方向上依次成型铺装层试样的三层结构，即由上而下依次是上层铺装试样、防水粘结层试样和下层铺装试样，上层铺装层试样为方形状；

（2）采用内径为R的第一芯筒对上层铺装试样取芯，在沥青层中间采用角磨机磨出3-5mm深度深孔，在深孔处采用外径为r的第二芯筒取芯，将上层铺装试样制备为圆环状芯样和内圆柱试样，内圆柱试样的顶面低于圆环状芯样的顶面3-5mm；

（3）扭转剪切装置夹紧圆环状芯样的外侧壁，在扭转剪切装置与圆环状芯样的外侧壁的接触部位涂胶固化；

（4）垂直压力施加装置向所述铺装层试样施加垂直压力F，F通过有限元的理论计算得出，同时扭转剪切装置按照1.6°/min-2.0°/min的扭转速率扭转至≥90°，保证上层铺装试样与防水粘结层试样发生脱离破坏，记录扭转过程中的最大扭矩值T；

（5）根据最大扭矩值T计算出待测铺装层试样防水粘结层的抗剪强度，公式如下：

$A=\frac{\mathrm{\π}}{4}(R^2-r^2),{\mathrm{\σ}}_c=\frac{T}{A},$

式中：

σc—防水粘结层的抗剪强度，单位是MPa，T—最大扭矩值，单位是N·m，A—圆环截面面积，单位是mm²，R—第一芯筒的内径，单位是mm，r—第二芯筒的外径，单位是mm。

上述步骤（4）中，扭转剪切装置的扭转速率为1.8°/min。

本发明可以实现可变正压力作用下的扭转剪切破坏，同时通过对测试试样的多次加工，消除了混合料尺寸与测试结果的影响。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (7)

1.一种铺装层层间联接强度的测试装置，其特征在于，包括铺装层试样、垂直压力施加装置和扭转剪切装置；垂直压力施加装置位于铺装层试样和扭转剪切装置的上方，垂直压力施加装置对所述铺装层试样施加垂直压力；铺装层试样由上层铺装试样、防水粘结层试样和下层铺装试样组成，上层铺装层试样包括一个圆环状芯样和一个内圆柱试样；扭转剪切装置在水平面内夹紧上层铺装层试样并对所述上层铺装层试样施加扭矩，在扭转剪切装置上连接有扭力扳手测定仪。

2.根据权利要求1所述的一种铺装层层间联接强度的测试装置，其特征在于，所述垂直压力施加装置包括顶杆和顶板，顶杆位于顶板上方并与顶板相连，顶杆的上部连接有压力机。

3.根据权利要求2所述的一种铺装层层间联接强度的测试装置，其特征在于，所述顶杆的下部呈球形状，在顶杆与顶板之间设置导向固定机构，该导向固定机构包括第一导向块和第二导向块，第二导向块与顶板相连，在第二导向块的中部设置有与所述顶杆的下部相适配的球形凹槽，第一导向块位于第二导向块的上方，在第一导向块的中部开设有顶杆穿孔，顶杆的下部位于球形凹槽内部并向上穿过顶杆穿孔，在第一导向块和第二导向块上设置有固定螺孔并通过螺钉固定。

4.根据权利要求1所述的一种铺装层层间联接强度的测试装置，其特征在于，所述扭转剪切装置包括环形夹具，在环形夹具的外侧壁上对称设置有两个施力杆，所述施力杆与扭力扳手测定仪相连。

5.根据权利要求1所述的一种铺装层层间联接强度的测试装置，其特征在于，所述环形夹具，包括相互配合且均呈半圆环形状的第一紧固块和第二紧固块，第一紧固块和第二紧固块之间采用铰接连接，两个施力杆分别设置在第一紧固块和第二紧固块上。

6.使用权利要求1所述的一种铺装层层间联接强度的测试装置的测试方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）在垂直方向上依次成型铺装层试样的三层结构，即由上而下依次是上层铺装试样、防水粘结层试样和下层铺装试样；

（2）采用内径为R的第一芯筒对上层铺装试样取芯，在沥青层中间采用角磨机磨出3-5mm深度深孔，在深孔处采用外径为r的第二芯筒取芯，将上层铺装试样制备为圆环状芯样和内圆柱试样，内圆柱试样的顶面低于圆环状芯样的顶面3-5mm；

（3）扭转剪切装置夹紧圆环状芯样的外侧壁，在扭转剪切装置与圆环状芯样的外侧壁的接触部位涂胶固化；

（4）垂直压力施加装置向所述铺装层试样施加垂直压力F，F通过有限元的理论计算得出，同时扭转剪切装置按照1.6°/min-2.0°/min的扭转速率扭转至≥90°，保证上层铺装试样与防水粘结层试样发生脱离破坏，记录扭转过程中的最大扭矩值T；

（5）根据最大扭矩值T计算出待测铺装层试样防水粘结层的抗剪强度，公式如下：

$A=\frac{\mathrm{\π}}{4}(R^2-r^2),{\mathrm{\σ}}_c=\frac{T}{A},$

式中：

σc—防水粘结层的抗剪强度，单位是MPa，T—最大扭矩值，单位是N·m，A—圆环截面面积，单位是mm²，R—第一芯筒的内径，单位是mm，r—第二芯筒的外径，单位是mm。

7.根据权利要求6所述的测试方法，其特征在于，所述步骤（4）中，扭转剪切装置的扭转速率为1.8°/min。

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