CN104913984A - 路面材料双层圆柱体试件压扭组合疲劳试验方法和装置 - Google Patents
路面材料双层圆柱体试件压扭组合疲劳试验方法和装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种路面材料双层圆柱体试件压扭组合疲劳试验方法和装置,可对路面层间粘结层在压力作用下的抗剪强度和剪切疲劳寿命进行测试,该试验方法所需的试验装置包括机架和传动系统;双层圆柱体试件一端固定在机架的底座上,另一端固定在与传力系统中的竖向传力轴固定连接的加载板上,竖向传力轴可上下自由运动和自由转动;通过传动系统对加载板同时施加竖向压力和扭力,使双层圆柱体试件处于压剪组合受力状态,将双层圆柱体破坏;分析数据可以得到粘结层的剪切强度和疲劳寿命,并对粘结层疲劳性能对路面结构的永久变形和疲劳损伤等力学性能的影响进行分析与评价。本发明的试验装置设计简单、容易操作,便于推广使用。
Description
技术领域
本发明属于测试路面材料力学性能的技术领域,尤其涉及一种路面材料双层圆柱体试件压扭组合疲劳试验方法和装置。
背景技术
目前路面材料的室内小型疲劳试验主要有梁式试件的反复疲劳试验、悬臂梯形梁试件的端部正弦波荷载试验、圆柱体试件的间接拉伸疲劳试验。但这些疲劳试验方法都是研究单一沥青混合料的疲劳特性,而研究表明,层间粘结层是路面结构其中的一个薄弱环节,在重载车辆和高温的双重作用下会由于抗剪强度不足而损坏,并导致路面结构处于不利的受力状态甚至受到严重破坏,因此需要对路面结构层间粘结层的疲劳性能以及其对路面结构的力学性能的影响进行测试。
路面结构层间粘结层的疲劳试验方法主要是双层式试件直剪试验法和圆柱体试件的扭转剪切法,圆柱体扭转剪切法使得试件处于简单的应力状态,但没有考虑粘结层上压力的作用;双层式试件的直剪法使得试件处于更接近路面实际工作状态的应力状态,但是剪切破坏面固定、且破坏面上剪应力为名义平均剪应力;并且该两种试验方法不能模拟粘结层的疲劳损伤对路面结构变形和疲劳等力学特性的影响规律;因此需要研发一种复杂加载下路面层间粘结层的疲劳特性及其对路面结构力学性能影响的试验方法和装置。
发明内容
为克服上述缺点,本发明提供了一种路面材料双层圆柱体试件压扭组合疲劳试验方法和装置。本发明能够很好地模拟压扭组合作用下层间粘结层的剪切强度和疲劳寿命,而且本发明的试验装置设计简单、容易操作,便于推广使用。
为达到上述技术效果,本发明的技术方案是:
一种路面材料双层圆柱体试件压扭组合疲劳试验方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤一)双层圆柱体试件的制作,包括如下步骤:
1.1下层圆柱体试件制作:利用新拌沥青混合料,在圆筒型模具中通过压实法成型沥青混合料下层圆柱体试件;或利用新拌制的水泥混凝土,通过插入式振捣棒振实成型混凝土下层圆柱体试件;或通过现场钻芯获取沥青混合料下层圆柱体试件或混凝土下层圆柱体试件;
1.2粘结层制作:在下层圆柱体试件上部表面直接洒布透层材料形成粘结层或采用物理方法使下层圆柱体试件表面具有一定纹理,再在下层圆柱体试件表面上洒布粘结材料形成粘结层,所述粘结材料为SBS改性沥青、SBR改性乳化沥青和掺加水泥的乳化沥青之一或任意几种混合;
1.3上层圆柱体试件制作:当粘结层冷却至室温以后,在粘结层上部利用新拌沥青混合料通过压实法成型沥青混合料上层圆柱体试件,即制得双层圆柱体试件;
步骤二)安装试件:在加载板和金属底座上涂抹环氧树脂,将双层圆柱体试件的底部粘结金属底座上,并调整加载板的高度,将双层圆柱体试件的顶部粘结在加载板上,并使双层圆柱体试件的轴线与竖向传力轴(9)的轴线处于同一直线;
步骤三)试件保温:将已经制作好的双层圆柱体试件和压力传动系统置于环境箱中,然后升温环境箱到试验所需温度,将环境箱内的温度控制在试验温度±0.1℃范围内,然后保温,保温时间为4小时以上,所述试验温度为30℃~60℃;
步骤四)进行粘结层抗剪强度试验:压力伺服机通过助动器对竖向传力轴施加预定压力,所述预定压力为0.1~0.4MPa,竖向传力轴通过加载板对双层圆柱体施加匀布压力;然后压力伺服机通过另外一个助动器对齿条施加水平荷载,加载速率2~10mm/min,齿条通过齿轮向双层圆柱体试件施加剪力,直至双层圆柱体试件粘结层发生剪切破坏,数据收集系统采集到数据,得到破坏荷载,求出抗剪强度;重复试验,得到平均值作为预定压力下的双层圆柱体试件粘结层抗剪强度;
步骤五)进行粘结层疲劳试验:重新安装新的双层圆柱体试件,通过竖向传力轴和加载板对双层圆柱体试件施加与步骤四)相同的预定压力;然后通过助动器对齿条施加水平荷载,齿条通过齿轮向双层圆柱体试件施加往复剪切应力;通过数据收集系统采集多次加载的次数和双层圆柱体试件粘结层的变形数据;多次试验取平均值,得到粘结层剪切疲劳寿命。
进一步的改进,所述步骤一)中,双层圆柱体试件的整个试件高度为100-200mm,直径为150mm。
进一步的改进,所述步骤五)中,所述水平荷载为往复波形形式,往复波形为正弦变化或半正弦变化形式,往复波的峰值为步骤四)中所述破坏荷载的0.1~0.9倍。
一种路面材料双层圆柱体试件压扭组合疲劳试验装置,包括压力伺服机和实验平台,其特征在于,所述实验平台包括机架和传动系统,所述机架包括固定有金属底座的底板、顶板、左端板、右端板和通过滑槽安装在左端板和右端板之间的隔板;所述传动系统包括竖向传力轴、加载板、齿轮、齿条、保护盒;所述竖向传力轴下端依次穿过顶板和隔板与加载板连接,竖向传力轴上设有齿轮,齿轮处于顶板和隔板之间,齿条穿过右端板与齿轮连接在一起,在齿轮和齿条连接的位置设置有保护盒;加载板和金属底座中心位于同一直线上,加载板和金属底座之间为放置双层圆柱体试件的空间;所述竖向传力轴和齿条分别通过助动器与压力伺服机连接。
进一步的改进,所述竖向传力轴与顶板和隔板的连接处设有竖向限位套管。
进一步的改进,所述齿轮的直径为150mm~200mm,加载板的直径为150mm~250mm,滑槽的长度为50mm;双层圆柱体试件的高度为100-200mm。
进一步的改进,所述左端板和右端板通过螺栓与底板和顶板连接,左端板和右端板上设有螺栓孔。
本发明的优点:
1、现有的疲劳试验装置与方法无法测试路面层间粘结层在复杂应力状态下的剪切强度及其疲劳寿命,而本发明提供的路面材料双层圆柱体试件压扭组合疲劳试验方法,能够很好地模拟压扭组合作用下层间粘结层的剪切强度和疲劳寿命;
2、本发明提供的路面材料双层圆柱体试件压扭组合疲劳试验方法和装置,还能对层间粘结层的疲劳性能对路面结构的永久变形和疲劳损伤等力学性能的影响进行分析与评价;而且该试验装置设计简单、容易操作,便于推广使用。
附图说明
图1为实验平台的正面示意图;
图2为左端板和右端板的结构示意图;
图3为齿轮和齿条的连接示意图。
具体实施方式
实施例1
一种路面材料双层圆柱体试件压扭组合疲劳试验方法,包括如下步骤:
步骤一)双层圆柱体试件16的制作,包括如下步骤:
1.1下层圆柱体试件制作:利用新拌沥青混合料,在圆筒型模具中通过压实法成型沥青混合料下层圆柱体试件;
1.2粘结层制作:在下层圆柱体试件上部表面直接洒布透层材料形成粘结层;
1.3上层圆柱体试件制作:当粘结层冷却至室温以后,在粘结层上部利用新拌沥青混合料通过压实法成型沥青混合料上层圆柱体试件,即制得双层圆柱体试件16;双层圆柱体试件高度为150mm。
步骤二安装试件:在加载板10和金属底座11上涂抹环氧树脂,将双层圆柱体试件16的底部粘结金属底座11上,并调整加载板10的高度,将双层圆柱体试件16的顶部粘结在加载板10上,并使双层圆柱体试件16的轴线与竖向传力轴9的轴线处于同一直线;
步骤三)试件保温:将已经制作好的双层圆柱体试件16和压力传动系统置于环境箱中,然后升温环境箱到试验所需温度,将环境箱内的温度控制在试验温度±0.1℃范围内,然后保温,保温时间为4小时以上,所述试验温度为30℃~60℃;
步骤四)进行粘结层抗剪强度试验:压力伺服机通过助动器对竖向传力轴9施加预定压力,所述预定压力为0.1~0.4MPa,竖向传力轴9通过加载板10对双层圆柱体施加匀布压力;然后压力伺服机通过另外一个助动器对齿条13施加水平荷载,加载速率2~10mm/min,齿条13通过齿轮12向双层圆柱体试件16施加剪力,直至双层圆柱体试件16粘结层发生剪切破坏,数据收集系统采集到数据,得到破坏荷载,求出抗剪强度;重复试验,得到平均值作为预定压力下的双层圆柱体试件16粘结层抗剪强度;
步骤五)进行粘结层疲劳试验:重新安装新的双层圆柱体试件16,通过竖向传力轴9和加载板10对双层圆柱体试件16施加与步骤四)相同的预定压力;然后通过助动器对齿条13施加水平荷载,齿条13通过齿轮12向双层圆柱体试件16施加往复剪切应力;通过数据收集系统采集多次加载的次数和双层圆柱体试件16粘结层的变形数据;多次试验取平均值,得到粘结层剪切疲劳寿命。
本实施例步骤三)中的试验温度梯度为10℃,即分别检测30℃、40℃、50℃、60℃情况下粘结层的剪切疲劳寿命;步骤四)中预定压力的梯度为0.1MP,即分别测得预定压力为0.1MP、0.2MP、0.3MP、0.4MP时粘结层的抗剪切强度;步骤五)中往复波的峰值的分别为步骤四)中所述破坏荷载的0.1倍、0.2倍、0.3倍、0.4倍、0.5倍、0.6倍、0.7倍、0.8倍、0.9倍的情况下测定粘结层的疲劳寿命。
本发明能够很好地模拟压扭组合作用下层间粘结层的剪切强度和疲劳寿命;还能对层间粘结层的疲劳性能对路面结构的永久变形和疲劳损伤等力学性能的影响进行分析与评价,测得的结果更接近于实际情况。
本发明的双层圆柱体试件的整个试件高度可为100-200mm,直径150mm;下层圆柱体试件还可以利用下述方法制作:利用新拌制的水泥混凝土,通过插入式振捣棒振实成型混凝土下层圆柱体试件;或通过现场钻芯获取沥青混合料下层圆柱体试件或混凝土下层圆柱体试件。
粘结层的制作还可以采用铣刨、喷砂等物理方法使其表面具有一定纹理,再在其表面上洒布SBS改性沥青、SBR改性乳化沥青和掺假水泥的乳化沥青等粘结材料之一或任意几种混合形成粘结层。
步骤四)中齿条13的加载速率可为2~10mm/min;步骤五)中的往复波形还可为半正弦变化形式,使用往复波形的水平荷载更接近路面的实际工作情况,峰值为步骤四)中所述水平破坏荷载的0.1~0.9倍。
实施例2
如图1-3所示的一种路面材料双层圆柱体试件压扭组合疲劳试验装置,包括压力伺服机和实验平台1,其特征在于,所述实验平台1包括机架2和传动系统,所述机架2包括固定有金属底座11的底板3、顶板4、左端板5、右端板6和通过滑槽7安装在左端板5和右端板6之间的隔板8;所述传动系统包括竖向传力轴9、加载板10、齿轮12、齿条13和保护盒15;所述竖向传力轴9下端依次穿过顶板4和隔板8与加载板10连接,竖向传力轴9上设有齿轮12,齿轮12处于顶板4和隔板8之间,齿条13穿过右端板6与齿轮12连接在一起,在齿轮12和齿条13连接的位置设置有保护盒15;加载板10和金属底座11中心位于同一直线上,加载板10和金属底座11之间为放置双层圆柱体试件16的空间;所述竖向传力轴9和齿条13分别通过助动器与压力伺服机连接。所述竖向传力轴9与顶板4和隔板8的连接处设有竖向限位套管14。所述齿轮12的直径为150mm,加载板10的直径为150mm,滑槽7的长度为50mm;所述双层圆柱体试件16的高度为150mm。所述左端板5和右端板6通过螺栓17与底板3和顶板4连接,左端板5和右端板6上设有螺栓孔18。
双层圆柱体试件16的高度范围可在100-200mm之间调整;所述齿轮12的直径可在150mm~200mm之间调整,加载板10的直径可在150mm~250mm之间调整。
以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处,综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (7)
1.一种路面材料双层圆柱体试件压扭组合疲劳试验方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤一)双层圆柱体试件(16)的制作,包括如下步骤:
1.1下层圆柱体试件制作:利用新拌沥青混合料,在圆筒型模具中通过压实法成型沥青混合料下层圆柱体试件;或利用新拌制的水泥混凝土,通过插入式振捣棒振实成型混凝土下层圆柱体试件;或通过现场钻芯获取沥青混合料下层圆柱体试件或混凝土下层圆柱体试件;
1.2粘结层制作:在下层圆柱体试件上部表面直接洒布透层材料形成粘结层或采用物理方法使下层圆柱体试件表面具有一定纹理,再在下层圆柱体试件表面上洒布粘结材料形成粘结层,所述粘结材料为SBS改性沥青、SBR改性乳化沥青和掺加水泥的乳化沥青之一或任意几种混合;
1.3上层圆柱体试件制作:当粘结层冷却至室温以后,在粘结层上部利用新拌沥青混合料通过压实法成型沥青混合料上层圆柱体试件,即制得双层圆柱体试件(16);
步骤二)安装试件:在加载板(10)和金属底座(11)上涂抹环氧树脂,将双层圆柱体试件(16)的底部粘结金属底座(11)上,并调整加载板(10)的高度,将双层圆柱体试件(16)的顶部粘结在加载板(10)上,并使双层圆柱体试件(16)的轴线与竖向传力轴(9)的轴线处于同一直线;
步骤三)试件保温:将已经制作好的双层圆柱体试件(16)和压力传动系统置于环境箱中,然后升温环境箱到试验所需温度,将环境箱内的温度控制在试验温度±0.1℃范围内,然后保温,保温时间为4小时以上,所述试验温度为30℃~60℃;
步骤四)进行粘结层抗剪强度试验:压力伺服机通过助动器对竖向传力轴(9)施加预定压力,所述预定压力为0.1~0.4MPa,竖向传力轴(9)通过加载板(10)对双层圆柱体施加匀布压力;然后压力伺服机通过另外一个助动器对齿条(13)施加水平荷载,加载速率2~10mm/min,齿条(13)通过齿轮(12)向双层圆柱体试件(16)施加剪力,直至双层圆柱体试件(16)粘结层发生剪切破坏,数据收集系统采集到数据,得到破坏荷载,求出抗剪强度;重复试验,得到平均值作为预定压力下的双层圆柱体试件(16)粘结层抗剪强度;
步骤五)进行粘结层疲劳试验:重新安装新的双层圆柱体试件(16),通过竖向传力轴(9)和加载板(10)对双层圆柱体试件(16)施加与步骤四)相同的预定压力;然后通过助动器对齿条(13)施加水平荷载,齿条(13)通过齿轮(12)向双层圆柱体试件(16)施加往复剪切应力;通过数据收集系统采集多次加载的次数和双层圆柱体试件(16)粘结层的变形数据;多次试验取平均值,得到粘结层剪切疲劳寿命。
2.如权利要求1所述的路面材料双层圆柱体试件压扭组合疲劳试验方法,其特征在于,所述步骤一)中,双层圆柱体试件(16)的整个试件高度为100-200mm,直径为150mm。
3.如权利要求1所述的路面材料双层圆柱体试件压扭组合疲劳试验方法,其特征在于,所述步骤五)中,所述水平荷载为往复波形形式,往复波形为正弦变化或半正弦变化形式,往复波的峰值为步骤四)中所述破坏荷载的0.1~0.9倍。
4.一种路面材料双层圆柱体试件压扭组合疲劳试验装置,包括压力伺服机和实验平台(1),其特征在于,所述实验平台(1)包括机架(2)和传动系统,所述机架(2)包括固定有金属底座(11)的底板(3)、顶板(4)、左端板(5)、右端板(6)和通过滑槽(7)安装在左端板(5)和右端板(6)之间的隔板(8);所述传动系统包括竖向传力轴(9)、加载板(10)、齿轮(12)、齿条(13)、保护盒(15);所述竖向传力轴(9)下端依次穿过顶板(4)和隔板(8)与加载板(10)连接,竖向传力轴(9)上设有齿轮(12),齿轮(12)处于顶板(4)和隔板(8)之间,齿条(13)穿过右端板(6)与齿轮(12)连接在一起,在齿轮(12)和齿条(13)连接的位置设置有保护盒(15);加载板(10)和金属底座(11)中心位于同一直线上,加载板(10)和金属底座(11)之间为放置双层圆柱体试件(16)的空间;所述竖向传力轴(9)和齿条(13)分别通过助动器与压力伺服机连接。
5.如权利要求4所述的路面材料双层圆柱体试件压扭组合疲劳试验装置,其特征在于,所述竖向传力轴(9)与顶板(4)和隔板(8)的连接处设有竖向限位套管(14)。
6.如权利要求4所述的路面材料双层圆柱体试件压扭组合疲劳试验装置,其特征在于,所述齿轮(12)的直径为150mm~200mm,加载板(10)的直径为150mm~250mm,滑槽(7)的长度为50mm;双层圆柱体试件(16)的高度为100-200mm。
7.如权利要求4所述的路面材料双层圆柱体试件压扭组合疲劳试验装置,其特征在于,所述左端板(5)和右端板(6)通过螺栓(17)与底板(3)和顶板(4)连接,左端板(5)和右端板(6)上设有螺栓孔(18)。
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