CN103940674B - 沥青混合料圆柱体试件多轴加载试验装置及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种沥青混合料圆柱体试件多轴加载试验装置及其试验方法，其装置包括水平轴、水平加载板、水平导杆、水平加载油缸、橡胶轮胎、液压马达、铅垂方向加载装置、机架，水平轴的一端通过轴承联结在机架的第一端板上，其另一端通过轴承联结在水平加载板上；沥青混合料圆柱体试件固定在水平轴上；水平加载板滑动安装在固定于机架上的水平导杆上，可由水平加载油缸对其加载；橡胶轮胎设置在水平轴的上方，由液压马达驱动通过摩擦力推动沥青混合料圆柱体试件随水平轴转动；铅垂方向加载装置设置在橡胶轮胎的上方，可对所述橡胶轮胎施加铅垂方向荷载。本发明能很好地模拟实际路面材料多轴受力状态，使得试件承受压缩、拉伸、剪切的交互作用。

Description

沥青混合料圆柱体试件多轴加载试验装置及其试验方法

技术领域

本发明涉及测试道路材料力学性能的技术领域，尤其是指一种沥青混合料圆柱体试件多轴加载试验装置及其试验方法。

背景技术

目前最新版的《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20-2011)中沥青混合料的试验方法主要包括：单轴压缩、单轴拉伸、小梁弯曲和劈裂试验等。试验过程中，沥青混合料试件处于单轴或双轴应力状态。而实际沥青路面中，沥青混合料处于多轴受力状态，承受压缩、拉伸、剪切的交互作用。因此，现有沥青混合料的试验装置与方法无法模拟实际沥青路面材料的多轴受力状态。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足与缺点，提供一种沥青混合料圆柱体试件多轴加载试验装置及其试验方法，能模拟车轮荷载对实际路面材料的作用力，使得试件处于多轴受力状态，承受压缩、拉伸、剪切的交互作用。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案其沥青混合料圆柱体试件多轴加载试验装置，包括有水平轴、水平加载板、水平导杆、水平加载油缸、橡胶轮胎、液压马达、铅垂方向加载装置以及机架，其中，所述水平轴的一端通过轴承联结在机架的第一端板上，其另一端通过轴承联结在水平加载板上，可自由转动；所述沥青混合料圆柱体试件固定在水平轴上，并可随水平轴转动，其轴线与水平轴的轴线在同一方向上；所述水平加载板滑动安装在固定于机架上的水平导杆上，可沿水平导杆做水平方向运动，并可由水平加载油缸对其加载，使其对水平轴上的沥青混合料圆柱体试件施加水平方向拉伸或压缩荷载；所述水平导杆的轴线与水平轴的轴线在同一方向上；所述橡胶轮胎设置在水平轴的上方，可接触水平轴上的沥青混合料圆柱体试件的外表面，由液压马达驱动通过摩擦力推动沥青混合料圆柱体试件随水平轴转动；所述铅垂方向加载装置设置在橡胶轮胎的上方，可对所述橡胶轮胎施加铅垂方向荷载，从而实现对水平轴上的沥青混合料圆柱体试件施加铅垂方向荷载。

所述机架包括有第一端板、第二端板、第三端板、顶板、底板，其中，所述第一端板、第二端板、第三端板竖直摆放，并在水平轴的轴线方向上依次间隔排开；所述第一端板和第二端板之间连接有顶板和底板，并组合形成有一容置空间，所述水平轴、橡胶轮胎、液压马达分别置于该容置空间内，且所述水平轴的一端通过轴承联结在第一端板上，其另一端穿过第二端板后通过轴承联结在竖直的水平加载板上；所述铅垂方向加载装置的下部穿过顶板来对橡胶轮胎施加铅垂方向荷载；所述第二端板和第三端板之间连接有上下对置的水平导杆，所述水平加载板滑动安装在该上下对置的水平导杆上，并由固定在第二端板和第三端板上的多个水平加载油缸对其加载。

所述沥青混合料圆柱体试件的直径D为100mm～200mm，其长度L为直径D的1.0～4.0倍。

所述橡胶轮胎的直径为沥青混合料圆柱体试件直径的0.5～4倍，轮胎压力为0.5～1.5MPa，胎面宽度为5～50mm。

所述沥青混合料圆柱体试件的两端分别通过抱箍固定在水平轴上。

所述橡胶轮胎为充气的橡胶轮胎。

所述水平加载板的两端通过采用水平限位套管滑动安装在上下对置的水平导杆上，以使其能在水平导杆上做水平方向运动。

所述第二端板上安装有供水平轴穿过的水平限位套管；所述顶板上安装有供铅垂方向加载装置下部穿过的铅垂方向限位套管。

所述沥青混合料圆柱体试件采用击实法、静压法或旋转压实法制作；或是采用在轮碾法制作的板块状试件中钻取的圆柱体试件；或是采用在路面中钻取圆柱体的芯样。

本发明所述沥青混合料圆柱体试件多轴加载试验装置的试验方法，包括以下步骤：

1)测定沥青混合料圆柱体试件所能承受的最大拉伸或压缩荷载，试验温度为0℃～30℃，采用与多轴加载试验相同直径和长度的沥青混合料圆柱体试件，测定其能承受的最大拉伸和压缩荷载M；

2)在水平轴上安装沥青混合料圆柱体试件，采用与步骤1)相同的试验温度，将试验室的环境温度控制在试验温度±0.1℃范围内，加载前，保温时间为90min～120min；

3)通过水平加载油缸对水平加载板加载，从而通过水平轴对沥青混合料圆柱体试件施加水平方向拉伸或压缩荷载Q，Q的取值为M的0.1～0.8倍；

4)通过铅垂方向加载装置在橡胶轮胎上施加铅垂方向荷载P，从而使施加的铅垂方向荷载P能够作用在沥青混合料圆柱体试件的中部，P的取值为Q的0.1～0.7倍；

5)启动液压马达，使橡胶轮胎随水平轴单向旋转，转速为1r/s～100r/s；

6)当沥青混合料圆柱体试件转动预设圈数后，测量所述沥青混合料圆柱体试件中部加载位置的直径，计算直径变化率，而加载后试件中部直径的变化百分率计算公式为：100％×加载预设次数后加载位置试件直径/加载前试件直径；同时，测量所述沥青混合料圆柱体试件长度，计算加载后试件长度的变化率，而加载后试件长度变化百分率计算公式为：100％×加载预设次数后试件长度/加载前试件长度。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、现有沥青混合料的试验装置与方法无法模拟实际沥青路面材料的多轴受力状态，而本发明提供的沥青混合料圆柱体试件多轴加载试验装置和方法，能够很好地模拟实际路面材料多轴受力状态，使得试件承受压缩、拉伸、剪切的交互作用；

2、现有试验装置与方法无法模拟一定气压的车辆轮胎对路面同时施加的压力和摩擦力，而本发明采用充气的橡胶轮胎在试件中部旋转加载，同时施加压力和摩擦力，更接近作用于实际路面的车轮荷载。

附图说明

图1为所述沥青混合料圆柱体试件多轴加载试验装置的结构示意图。

图2为所述沥青混合料圆柱体试件的受力示意图之一。

图3为所述沥青混合料圆柱体试件的受力示意图之二。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

如图1所示，本实施例所述的沥青混合料圆柱体试件多轴加载试验装置，包括有水平轴1、水平加载板2、水平导杆3、水平加载油缸4、橡胶轮胎5、液压马达6、铅垂方向加载装置7以及机架，其中，所述水平轴1的一端通过轴承联结在机架的第一端板8上，其另一端通过轴承联结在水平加载板2上，可自由转动；所述沥青混合料圆柱体试件16的两端分别通过抱箍15固定在水平轴1上，并可随水平轴1转动，其轴线与水平轴1的轴线在同一方向上，即处于水平位置；所述水平加载板2滑动安装在固定于机架上的水平导杆3上，可沿水平导杆3做水平方向运动，并可由水平加载油缸4对其加载，使其对水平轴1上的沥青混合料圆柱体试件施加水平方向拉伸或压缩荷载；所述水平导杆3的轴线与水平轴1的轴线在同一方向上；所述橡胶轮胎5为充气的橡胶轮胎，其对应设置在水平轴1的上方，可接触水平轴1上的沥青混合料圆柱体试件16中部的外表面，由液压马达6驱动通过摩擦力推动沥青混合料圆柱体试件16随水平轴1转动；所述铅垂方向加载装置7对应设置在橡胶轮胎5的上方，可对所述橡胶轮胎5施加铅垂方向荷载P，从而实现对水平轴1上的沥青混合料圆柱体试件施加铅垂方向荷载P。

所述机架包括有第一端板8、第二端板9、第三端板10、顶板11、底板12，其中，所述第一端板8、第二端板9、第三端板10竖直摆放，并在水平轴1的轴线方向上依次间隔排开；所述第一端板8和第二端板9之间连接有顶板11和底板12，所述第一端板8、第二端板9、顶板11、底板12组合形成有一容置空间，所述水平轴1、橡胶轮胎5、液压马达6分别置于该容置空间内，且所述水平轴1的一端通过轴承联结在第一端板8上，其另一端穿过第二端板9后通过轴承联结在竖直的水平加载板2上，所述第二端板9上安装有供水平轴1穿过的水平限位套管13；所述铅垂方向加载装置7的下部穿过顶板11后接触橡胶轮胎5的转轴17，可通过对该转轴17施加铅垂方向荷载，进而实现对橡胶轮胎5施加铅垂方向荷载，同时所述顶板11上安装有供铅垂方向加载装置7下部穿过的铅垂方向限位套管14，以确保铅垂方向加载装置7在铅垂方向运动；所述第二端板9和第三端板10之间连接有上下对置的水平导杆3，所述水平加载板2的两端通过采用水平限位套管13滑动安装在上下对置的水平导杆3上，以确保水平加载板2能在水平导杆16上做水平方向运动，同时所述水平加载板2由固定在第二端板9和第三端板10上的各两个水平加载油缸4对其加载，实现对水平轴1上的沥青混合料圆柱体试件16施加水平方向拉伸或压缩荷载。

所述沥青混合料圆柱体试件的直径D可以为100mm～200mm(在本实施例中具体为100mm)，其长度L可以为直径D的1.0～4.0倍(在本实施例中其长度L为D的1.0倍)。

所述橡胶轮胎5的直径可以为沥青混合料圆柱体试件直径的0.5～4倍(在本实施例中为0.5倍)，轮胎压力为0.5～1.5MPa(在本实施例中具体为0.5MPa)，胎面宽度为5～50mm(在本实施例中具体为5mm)。

所述沥青混合料圆柱体试件可以采用击实法、静压法或旋转压实法制作；或是采用在轮碾法制作的板块状试件中钻取的圆柱体试件；或是采用在路面中钻取圆柱体的芯样。而在本实施例中是具体采用旋转压实法制作而成。

如图2和图3所示，所述橡胶轮胎5带动沥青混合料圆柱体试件16转动，所述沥青混合料圆柱体试件16受到橡胶轮胎5的表面摩擦力和铅垂方向的压力P作用，同时，沥青混合料圆柱体试16受到水平方向压缩或拉伸荷载Q作用；所述橡胶轮胎5对沥青混合料圆柱体试件16施加压力P、水平轴1、橡胶轮胎5的转轴17均在同一平面内。其中，橡胶轮胎5的转轴17与水平轴1平行；压力P垂直于水平轴1。

以下为本实施例所述沥青混合料圆柱体试件多轴加载试验装置的试验方法，其具体情况如下：

1)测定沥青混合料圆柱体试件所能承受的最大拉伸或压缩荷载，试验温度为0℃～30℃(在本实施例中具体为0℃)，采用与多轴加载试验相同直径和长度的沥青混合料圆柱体试件，测定其能承受的最大拉伸和压缩荷载M，其中，最大拉伸荷载为38kN，最大压缩荷载为97kN。

2)在水平轴1上安装沥青混合料圆柱体试件16，采用与步骤1)相同的试验温度，将试验室的环境温度控制在试验温度±0.1℃范围内，加载前，保温时间为90min～120min(在本实施例中具体为90min)。

3)通过水平加载油缸4对水平加载板2加载，从而通过水平轴1对沥青混合料圆柱体试件16施加水平方向拉伸或压缩荷载Q(在本实施例具体是施加水平方向拉伸)，Q的取值为M的0.1～0.8倍(在本实施例中具体为0.1倍)。

4)通过铅垂方向加载装置7在橡胶轮胎5上施加铅垂方向荷载P，从而使施加的铅垂方向荷载P能够作用在沥青混合料圆柱体试件16的中部位置，P的取值为Q的0.1～0.7倍(在本实施例中具体为0.1倍)。

5)启动液压马达6，使橡胶轮胎5随水平轴1单向旋转，转速为1r/s～100r/s(在本实施例中具体为1r/s)。

6)当沥青混合料圆柱体试件16转动10000圈数后，测量所述沥青混合料圆柱体试件中部加载位置的直径，计算直径变化率，而加载后试件中部直径的变化百分率计算公式为：100％×加载预设次数后加载位置试件直径/加载前试件直径；同时，测量所述沥青混合料圆柱体试件长度，计算加载后试件长度的变化率，而加载后试件长度变化百分率计算公式为：100％×加载预设次数后试件长度/加载前试件长度，试验结果如见下表1所示。

实施例2

与实施例1不同的是本实施例所述沥青混合料圆柱体试件的直径D为200mm，其长度L为D的4.0倍。所述橡胶轮胎5的直径为沥青混合料圆柱体试件直径的4倍，轮胎压力为1.5MPa，胎面宽度为50mm。所述沥青混合料圆柱体试件采用在轮碾法制作的板块状试件中钻取的圆柱体试件。

本实施例所述沥青混合料圆柱体试件多轴加载试验装置的试验方法，其具体情况如下：

1)测定沥青混合料圆柱体试件所能承受的最大拉伸或压缩荷载，试验温度为30℃，采用与多轴加载试验相同直径和长度的沥青混合料圆柱体试件，测定其能承受的最大拉伸和压缩荷载M，其中，最大拉伸荷载为521N；最大压缩荷载为1654N。

2)在水平轴1上安装沥青混合料圆柱体试件16，采用与步骤1)相同的试验温度，将试验室的环境温度控制在试验温度±0.1℃范围内，加载前，保温时间为120min。

3)通过水平加载油缸4对水平加载板2加载，从而通过水平轴1对沥青混合料圆柱体试件16施加水平方向拉伸荷载Q，Q的取值为M的0.8倍。

4)通过铅垂方向加载装置7在橡胶轮胎5上施加铅垂方向荷载P，从而使施加的铅垂方向荷载P能够作用在沥青混合料圆柱体试件16的中部位置，P的取值为Q的0.7倍。

5)启动液压马达6，使橡胶轮胎5随水平轴1单向旋转，转速为100r/s。

6)当沥青混合料圆柱体试件16转动5000圈数后，测量所述沥青混合料圆柱体试件中部加载位置的直径，计算直径变化率，而加载后试件中部直径的变化百分率计算公式为：100％×加载预设次数后加载位置试件直径/加载前试件直径；同时，测量所述沥青混合料圆柱体试件长度，计算加载后试件长度的变化率，而加载后试件长度变化百分率计算公式为：100％×加载预设次数后试件长度/加载前试件长度，试验结果如见下表1所示。

实施例3

与实施例1不同的是本实施例所述沥青混合料圆柱体试件的直径D为100mm，其长度L为D的4.0倍。所述橡胶轮胎5的直径为沥青混合料圆柱体试件直径的0.5倍，轮胎压力为1.5MPa，胎面宽度为5mm。所述沥青混合料圆柱体试件采用在路面中钻取圆柱体的芯样。

本实施例所述沥青混合料圆柱体试件多轴加载试验装置的试验方法，其具体情况如下：

1)测定沥青混合料圆柱体试件所能承受的最大拉伸或压缩荷载，试验温度为30℃，采用与多轴加载试验相同直径和长度的沥青混合料圆柱体试件，测定其能承受的最大拉伸和压缩荷载M。

2)在水平轴1上安装沥青混合料圆柱体试件16，采用与步骤1)相同的试验温度，将试验室的环境温度控制在试验温度±0.1℃范围内，加载前，保温时间为90min。

3)通过水平加载油缸4对水平加载板2加载，从而通过水平轴1对沥青混合料圆柱体试件16施加水平方向拉伸荷载Q，Q的取值为M的0.1倍。

4)通过铅垂方向加载装置7在橡胶轮胎5上施加铅垂方向荷载P，从而使施加的铅垂方向荷载P能够作用在沥青混合料圆柱体试件16的中部位置，P的取值为Q的0.7倍。

5)启动液压马达6，使橡胶轮胎5随水平轴1单向旋转，转速为1r/s。

6)当沥青混合料圆柱体试件16转动2000圈数后，测量所述沥青混合料圆柱体试件中部加载位置的直径，计算直径变化率，而加载后试件中部直径的变化百分率计算公式为：100％×加载预设次数后加载位置试件直径/加载前试件直径；同时，测量所述沥青混合料圆柱体试件长度，计算加载后试件长度的变化率，而加载后试件长度变化百分率计算公式为：100％×加载预设次数后试件长度/加载前试件长度，试验结果如见下表1所示。

表1-各实施例的试验结果

以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.沥青混合料圆柱体试件多轴加载试验装置，其特征在于：包括有水平轴(1)、水平加载板(2)、水平导杆(3)、水平加载油缸(4)、橡胶轮胎(5)、液压马达(6)、铅垂方向加载装置(7)以及机架，其中，所述水平轴(1)的一端通过轴承联结在机架的第一端板(8)上，其另一端通过轴承联结在水平加载板(2)上，能够自由转动；所述沥青混合料圆柱体试件固定在水平轴(1)上，并能够随水平轴(1)转动，其轴线与水平轴(1)的轴线在同一方向上；所述水平加载板(2)滑动安装在固定于机架上的水平导杆(3)上，能够沿水平导杆(3)做水平方向运动，并能够由水平加载油缸(4)对其加载，使其对水平轴(1)上的沥青混合料圆柱体试件施加水平方向拉伸或压缩荷载；所述水平导杆(3)的轴线与水平轴(1)的轴线在同一方向上；所述橡胶轮胎(5)设置在水平轴(1)的上方，能够接触水平轴(1)上的沥青混合料圆柱体试件的外表面，由液压马达(6)驱动通过摩擦力推动沥青混合料圆柱体试件随水平轴(1)转动；所述铅垂方向加载装置(7)设置在橡胶轮胎(5)的上方，能够对所述橡胶轮胎(5)施加铅垂方向荷载，从而实现对水平轴(1)上的沥青混合料圆柱体试件施加铅垂方向荷载。

2.根据权利要求1所述的沥青混合料圆柱体试件多轴加载试验装置，其特征在于：所述机架包括有第一端板(8)、第二端板(9)、第三端板(10)、顶板(11)、底板(12)，其中，所述第一端板(8)、第二端板(9)、第三端板(10)竖直摆放，并在水平轴(1)的轴线方向上依次间隔排开；所述第一端板(8)和第二端板(9)之间连接有顶板(11)和底板(12)，并组合形成有一容置空间，所述水平轴(1)、橡胶轮胎(5)、液压马达(6)分别置于该容置空间内，且所述水平轴(1)的一端通过轴承联结在第一端板(8)上，其另一端穿过第二端板(9)后通过轴承联结在竖直的水平加载板(2)上；所述铅垂方向加载装置(7)的下部穿过顶板(11)来对橡胶轮胎(5)施加铅垂方向荷载；所述第二端板(9)和第三端板(10)之间连接有上下对置的水平导杆(3)，所述水平加载板(2)滑动安装在该上下对置的水平导杆(3)上，并由固定在第二端板(9)和第三端板(10)上的多个水平加载油缸(4)对其加载。

3.根据权利要求1所述的沥青混合料圆柱体试件多轴加载试验装置，其特征在于：所述沥青混合料圆柱体试件的直径D为100mm～200mm，其长度L为直径D的1.0～4.0倍。

4.根据权利要求1所述的沥青混合料圆柱体试件多轴加载试验装置，其特征在于：所述橡胶轮胎(5)的直径为沥青混合料圆柱体试件直径的0.5～4倍，轮胎压力为0.5～1.5MPa，胎面宽度为5～50mm。

5.根据权利要求1所述的沥青混合料圆柱体试件多轴加载试验装置，其特征在于：所述沥青混合料圆柱体试件的两端分别通过抱箍(15)固定在水平轴(1)上。

6.根据权利要求1或4所述的沥青混合料圆柱体试件多轴加载试验装置，其特征在于：所述橡胶轮胎(5)为充气的橡胶轮胎。

7.根据权利要求2所述的沥青混合料圆柱体试件多轴加载试验装置，其特征在于：所述水平加载板(2)的两端通过采用水平限位套管(13)滑动安装在上下对置的水平导杆(3)上，以使其能在水平导杆(3)上做水平方向运动。

8.根据权利要求2所述的沥青混合料圆柱体试件多轴加载试验装置，其特征在于：所述第二端板(9)上安装有供水平轴(1)穿过的水平限位套管(13)；所述顶板(11)上安装有供铅垂方向加载装置(7)下部穿过的铅垂方向限位套管(14)。

9.根据权利要求1所述的沥青混合料圆柱体试件多轴加载试验装置，其特征在于：所述沥青混合料圆柱体试件采用击实法、静压法或旋转压实法制作；或是采用在轮碾法制作的板块状试件中钻取的圆柱体试件；或是采用在路面中钻取圆柱体的芯样。

10.一种权利要求1所述沥青混合料圆柱体试件多轴加载试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)测定沥青混合料圆柱体试件所能承受的最大拉伸或压缩荷载，试验温度为0℃～30℃，采用与多轴加载试验相同直径和长度的沥青混合料圆柱体试件，测定其能承受的最大拉伸和压缩荷载M；

2)在水平轴上安装沥青混合料圆柱体试件，采用与步骤1)相同的试验温度，将试验室的环境温度控制在试验温度±0.1℃范围内，加载前，保温时间为90min～120min；

3)通过水平加载油缸对水平加载板加载，从而通过水平轴对沥青混合料圆柱体试件施加水平方向拉伸或压缩荷载Q，Q的取值为M的0.1～0.8倍；

4)通过铅垂方向加载装置在橡胶轮胎上施加铅垂方向荷载P，从而使施加的铅垂方向荷载P能够作用在沥青混合料圆柱体试件的中部，P的取值为Q的0.1～0.7倍；

5)启动液压马达，使橡胶轮胎随水平轴单向旋转，转速为1r/s～100r/s；

6)当沥青混合料圆柱体试件转动预设圈数后，测量所述沥青混合料圆柱体试件中部加载位置的直径，计算直径变化率，而加载后试件中部直径的变化百分率计算公式为：100％×加载预设次数后加载位置试件直径/加载前试件直径；同时，测量所述沥青混合料圆柱体试件长度，计算加载后试件长度的变化率，而加载后试件长度变化百分率计算公式为：100％×加载预设次数后试件长度/加载前试件长度。