CN105445119A - 一种沥青混合料抗扭转和剪切性能的测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种沥青混合料抗扭转和剪切性能的测试装置及方法，包括底座，底座上垂直设置支撑架，支撑架上设置有与底座平行的顶板，顶板可在支撑架上滑动；顶板底部设置有测力装置，测力装置底部安装有测扭矩装置，测扭矩装置底部通过扭矩转轴安装有一个水平连杆，水平连杆上设置有第一控制模具，水平连杆下方的底座上设置有第二控制模具，第一控制模具和第二控制模具共同用于固定试件。利用本装置和方法进行的试验，试验得到的数据结果以及分析得到的规律，均为混合料的设计与施工时混合料性能的检验提供了有力的依据。

Description

一种沥青混合料抗扭转和剪切性能的测试装置及方法

技术领域

本发明涉及道路工程沥青混合料设计与施工中的性能研究与检验、结构验证与检测技术领域，具体涉及一种沥青混合料抗扭转和剪切性能的测试装置及方法。

背景技术

对沥青路面进行设计时，混合料性能的好坏是保证道路质量的重要部分，矿料级配不准确、沥青用量不当以及材料质量较低等导致的沥青混合料性能不能满足要求将直接导致道路病害。在实际的设计与施工检测中，混合料性能的评价不全面，尤其是混合料抗剪强度的测试与实际的道路工作状态不相符。在这种情况下，沥青路面设计与施工时混合料的高温性能、低温性能以及水稳定性和抗老化性能均满足要求，但路面却在使用初期出现了小面积的整体松散破坏，局部甚至出现一小块混合料整体脱落。这种路面病害在汽车转向较为频繁的路段较为集中，如城市道路上交叉口汽车停止线附近、道路的进出口、停车位出入口、立交上下坡段、匝道转弯处，机场沥青道面，长大纵坡路段等等，病害将会进一步发展成坑槽，严重影响路面路容，随着荷载和水的作用会影响路面结构轻度，进而导致道路整体破坏。如何施加实际路面沥青混合料剪切所受的复杂荷载成为关键要考虑的问题，也成为实验和检测能否反映问题的症结所在。

实际道路在汽车转向处，路面表层除受到轮胎因摩擦而导致的剪应力外，往往还受到了强大的扭转作用，这种轮胎转动带来的扭矩会大大降低沥青混合料的最大抗剪强度，加大了沥青路面被剪切破坏的可能。国内规范对于沥青混合料的抗剪强度试验采用的是三轴压缩法。三轴压缩试验存在着试验设备与操作较为复杂，难以保证混合料的受力状态与实际受力状态相符的问题。此外，测试抗剪强度还有直接剪切法、单轴贯入法等，但这些方法的试验条件与参数不能较好反映实际路面所受的状况，因而并不能有效的检测与反映路面剪切破坏。

由于上述问题的出现，就有可能使对工程质量的控制出现偏差。甚至有时，明明沥青混合料各种性能满足设计与施工规范的要求，但是可能由于抗剪强度的测试与实际不符，导致路面出现早期病害。此种问题如果能在沥青混合料设计与施工检测中予以重视，并对其指标进行研究，则可以有效的减少沥青路面初期因抗剪强度不足导致的病害，进而节约路面养护维修费用，延长道路使用寿命。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于，从沥青混合料在实验过程中同时受到扭矩作用和水平剪应力作用进行考虑，提供一种沥青混合料抗扭转和剪切性能测试装置以及对应的测试方法，使混合料试件的受力状况更加合理，有代表性。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种沥青混合料抗扭转和剪切性能的测试装置，包括底座，底座上垂直设置支撑架，支撑架上设置有与底座平行的顶板，顶板可在支撑架上滑动；顶板底部设置有测力装置，测力装置底部安装有测扭矩装置，测扭矩装置底部通过扭矩转轴安装有一个水平连杆，水平连杆上设置有第一控制模具，水平连杆下方的底座上设置有第二控制模具，第一控制模具和第二控制模具共同用于固定试件。

进一步地，所述的第一控制模具包括一对固定件，每个固定件均包括固定板、卡板、安装块以及顶块，卡板和安装块同高且均固结在顶块的下部，在卡板上开设有半圆形槽，半圆形槽的直径线位于卡块底面所在平面上；所述的卡板设置一对，对称固结在卡板的两侧，并在卡板上开设有通孔；所述的顶块呈四面体状，顶块的顶部加工为平滑的圆面；在顶块上贯穿开设有安装孔。

进一步地，所述的底座上设置有温度控制桶，温度控制桶中设置有加热棒。

进一步地，所述的第二控制模具位于温度控制桶中，第二控制模具包括一对“凹”形卡夹，两个卡夹对称设置，在每个卡夹的两端均设置有一段横杆；卡夹通过调节旋钮装配在温度控制桶上，调节旋钮包括带有外螺纹的调节杆，温度控制桶的侧壁上开设有螺孔，调节杆装配在螺孔中，并在调节杆的端部设置有旋钮。

进一步地，所述的测扭矩装置采用扭矩加载器，扭矩加载器的输出轴与扭矩转轴同轴固结，在扭矩加载器的输出轴上安装有扭矩传感器。

进一步地，所述的测力装置采用液压装置，液压装置上安装有压力传感器，该液压装置固定在一个安装板上，安装板上设置有滑块，在顶板底部开设有与滑块配合的滑槽，安装板通过滑块装配在滑槽中。

进一步地，所述的顶板的底部安装有测位移装置，测位移装置的一端连接在安装板上。

进一步地，所述的支撑架上沿长度方向铺设有齿条，所述的顶板通过齿轮与所述的齿条配合装配在支撑架上；顶板与支撑架连接的一端设置有调位电机，通过调位电机改变顶板在支撑架上的位置。

进一步地，所述的底座的侧面设置有控制面板和显示屏，控制面板上设置有用于操控测力装置、测扭矩装置以及控制顶板运动的键盘。

一种利用上述装置进行沥青混合料抗扭矩和剪切性能测试的方法，包括以下步骤：

步骤一，检查装置各部件是否完好，在控制面板上设置好试验参数，包括试验时剪切应力大小的设定、扭矩大小的设定、水浴温度值的设定；

步骤二，按照试验要求确定是否对制备好的沥青混合料马歇尔试件进行预处理，预处理过程为冷藏、加热或水浴；

步骤三，使顶板升高至支撑架的顶部位置，将制好的沥青混合料马歇尔试件的上半部分固定在第一控制模具中，利用螺栓和螺帽将第一控制模具中两个固定件进行固定，使试件牢固地固定在第一控制模具中；使顶板下降，下降的过程中微调第一控制模具在水平连杆上的位置，使试件落在第二控制模具的两个卡夹之间；利用旋钮调整卡夹的位置，使试件的下部被两个卡夹固定住；

步骤三，按照试验要求确定是否向温度控制桶中加水，如需要则加水并对水温进行调整，使水温达到实验要求；

步骤四，利用控制面板打开测力装置、测扭矩装置，对试件开始加载，观察试件的破坏情况，当时间发生破坏时，停止对试件的加载，从显示屏上记录试验过程中的最大剪应力、最大扭矩、以及最大位移，完成。

本发明具有以下技术特点：

1、本发明试验装置能够单独施加剪应力使试件破坏，从而可以测出试件的抗剪强度，同时该装置能够单独施加扭矩使试件破坏，从而可以测出试件在扭转作用下破坏时的强度；

2.本装置能够同时施加扭矩和剪应力，从而更加真实地模拟实际路面受力状态，可以测出在一定扭矩作用下混合料试件的抗剪强度，以及在一定剪应力作用下混合料试件抗扭转剪切的强度，进而可以分析扭转作用对抗剪强度的影响；

3.本装置安装有位移传感器，从而能够测试试件在剪切破坏时破坏处的相对位移值；本装置可以对常温、高温和低温的混合料试件进行试验，从而可以测出不同温度下试件的抗扭转剪切强度；

4.本装置安装有温度控制桶，从而可以在不同温度的水浴中进行扭转剪切强度试验；

5.本装置在显示屏上有试验时间显示区，从而可以记录试件在设定的剪应力和扭矩作用下从开始剪切到最终破坏的时间。

附图说明

图1为本发明装置的整体结构示意图；

图2为第一控制模具的结构示意图；

图3为第二控制模具部分的结构示意图；

图4为滑槽部分的结构示意图；

图中标号代表：1—底座，2—温度控制桶，3—控制面板，4—显示屏，5—顶板，6—支撑架，7—安装板，8—扭矩转轴，9—调位电机，10—测力装置，11—测扭矩装置，12—测位移装置，13—第一控制模具，14—第二控制模具，15—水平连杆，16—固定板，17—安装孔，18—调节杆，19—滑槽，20—顶块，21—安装块，22—半圆形槽，23—卡块，24—旋钮，25—卡夹，26—滑块。

具体实施方式

遵从上述技术方案，如图1所示，本发明提供了一种沥青混合料抗扭转和剪切性能的测试装置，包括底座1，底座1上垂直设置支撑架6，支撑架6上设置有与底座1平行的顶板5，顶板5可在支撑架6上滑动；顶板5底部设置有测力装置10，测力装置10底部安装有测扭矩装置11，测扭矩装置11底部通过扭矩转轴8安装有一个水平连杆15，水平连杆15上设置有第一控制模具13，水平连杆15下方的底座1上设置有第二控制模具14，第一控制模具13和第二控制模具14共同用于固定试件。

如图1所示，本发明的基本结构包括一个底座1和装配在底座1上的支撑架6，支撑架6用来安装顶板5，而用于测试试件性能的装置就固定在顶板5上。在本方案中，用于测量试件性能的有：

测力装置10。测力装置10主要用于通过对试件表面施加荷载，以在试件表面产生剪切力，用来测试试件的抗剪性能。

测扭矩装置11。测扭矩装置11组要用于通过对试件产生扭转力，用来测试试件的抗扭转性能。

具体地说，测力装置10采用液压装置，液压装置上安装有压力传感器，该液压装置固定在一个安装板7上，安装板7上设置有滑块26，在顶板5底部开设有与滑块26配合的滑槽19，安装板7通过滑块26装配在滑槽19中。

液压装置能稳定地输出直线方向的力度，用以作用在试件表面，且其可施加的力度大，完全能满足试件的测试要求。整个测力装置10以及其下方的部件是可以移动的，其主要为了配合测试试件在被破坏过程中产生的位移。为此，在顶板5的底部开设有滑槽19，滑槽19为T形滑槽19，滑块26为T形滑块26，使整个测力装置10及其下部的部分能在顶板5的底部移动；液压装置的输出轴上安装有压力传感器，用以记载剪切力的大小。

测扭矩装置11采用扭矩加载器，扭矩加载器的输出轴与扭矩转轴8同轴固结，在扭矩加载器的输出轴上安装有扭矩传感器。

测扭矩装置11需要是通过其输出轴给试件施加扭转力，其安装在测力装置10的下方，具体说是在测力装置10的输出轴上，测力装置10通过测扭矩装置11间接地将剪切力施加在试件上。试件固定在控制模具中，而控制模具安装在水平连杆15上，为此需要将扭矩测试装置的输出轴与扭矩转轴8同轴固结，以使扭转力通过水平连杆15施加到试件上。

另外，本方案还能测定试件在测试过程中产生的位移：

顶板5的底部安装有测位移装置12，测位移装置12的一端连接在安装板7上。

测位移装置12采用直线位移传感器，将直线位移传感器固定在底板底部，并把测试端连接安装板7上。当测力装置10、测扭矩装置11对试件进行作用时，试件发生破坏的过程中，会在水平方向上产生一定的位移，促使测力装置10及测扭矩装置11整体在水平方向运动，此时测位移装置12根据安装板7的移动即可得到试件在破坏过程中发生的位移。

安装板7的高度是可以调节的，以配合对试件的固定过程。具体地，支撑架6上沿长度方向铺设有齿条，所述的顶板5通过齿轮与所述的齿条配合装配在支撑架6上；顶板5与支撑架6连接的一端设置有调位电机9，通过调位电机9改变顶板5在支撑架6上的位置。启动调位电机9，控制电机的正反转可使顶板5在支撑架6上位置得到调节。

底座1上设置有温度控制桶2，温度控制桶2中设置有加热棒，可使试件在一定的温度条件下进行性能的测试。

为了配合本方案上述的测试过程，需要对试件进行有效的固定，同时要考虑到对试件同时施加扭转力和剪切力时试件的安装姿态等问题。为此，本装置中配合设置了一套控制模具：

控制模具包括第一控制模具13和第二控制模具14，第一控制模具13固定试件的上半部分，第二控制模具14固定试件的下半部分。

如图1、图2所示，第一控制模具13包括一对固定件，每个固定件均包括固定板16、卡板、安装块21以及顶块20，卡板和安装块21同高且均固结在顶块20的下部，在卡板上开设有半圆形槽22，半圆形槽22的直径线位于卡块23底面所在平面上；所述的卡板设置一对，对称固结在卡板的两侧，并在卡板上开设有通孔；所述的顶块20呈四面体状，顶块20的顶部加工为平滑的圆面；在顶块20上贯穿开设有安装孔17，水平连杆15穿过安装孔17设置。

两个固定件的结构完全相同，只是在将两个固定件套装在水平连杆15上时，将两个固定件相对设置。扭矩转轴8固定在水平连杆15的中部，将两个固定件从水平连杆15的两端套上。

卡板上设置半圆形槽22，当两个卡板相对拼合后，相当于改变了半圆形槽22的长度。设置成半圆形槽22的考虑是，一般测试的试件为圆柱试件，两个固定件在相对运动时，能通过卡板上的卡槽对试件的上半部进行卡合，而半圆形槽22这种形状正好与试件外表面贴合，对试件的上半部进行有效的固定。在安装试件时，先将试件顶在一个固定件的卡板中半圆形槽22里，再将另一端卡到另一个半圆形槽22中，此时将螺栓穿过两个固定件上同一侧的固定板16上通孔中，用螺栓进行固定，这样就把试件牢固地固定在了两个固定件之间。完成了上部的固定后，再进行试件的下部固定。

第二控制模具14位于温度控制桶2中，第二控制模具14包括一对“凹”形卡夹25，两个卡夹25对称设置，在每个卡夹25的两端均设置有一段横杆；卡夹25通过调节旋钮24装配在温度控制桶2上，调节旋钮24包括带有外螺纹的调节杆18，温度控制桶2的侧壁上开设有螺孔，调节杆18装配在螺孔中，并在调节杆18的端部设置有旋钮24。

试件上半部分固定好之后，调节顶板5的高度，使其高度降低，进而使试件的下半部分进入到温度控制桶2中；调节安装板7的水平位置，使试件下半部分对准第二控制模具14，然后继续降低顶板5高度，使试件下半部分进入到第二控制模具14中。然后扭动两个旋钮24，这样两个卡夹25就将试件的下半部分牢牢地固定住，这样就完成了试件的固定过程，可以开始对试件的加载过程。

本方案中对试件性能的测试过程可利用电控的方式进行：

底座1的侧面设置有控制面板3和显示屏4，控制面板3上设置有用于操控测力装置10、测扭矩装置11以及控制顶板5运动的键盘。

在控制面板3中集成有控制器，统一处理各装置传递来的信息。测力装置10、测扭矩装置11、调位电机9、加热棒均与控制器连接，启停均可通过键盘输入参数。而测位移装置12也与控制器连接，将测量的位移信息传递给控制器，并显示在显示屏4上。温度控制桶2中设置有温度传感器，将温度信息实时反馈给控制器，以调控桶中温度。

试验开始时，利用键盘输入参数，然后开始对试件的加载过程。

一种利用上述装置进行沥青混合料抗扭转和剪切性能测试的方法，包括以下步骤：

本装置试验所采用的试件为标准马歇尔试件，尺寸为Φ101.6mm╳63.5mm。若进行常温试验，则试件可在常温状况下直接进行固定和试验。若测试混合料试件高温条件下的抗剪强度，则试件在固定与试验前需在给定温度的烘箱中放置一定时间，在试验前取出，并迅速进行固定和试验。若要测试混合料试件低温条件下的抗剪强度，则试件在固定与试验前需在设定温度的冰箱中放置一定时间，在试验前取出，迅速进行固定和试验。若测试沥青混合料在水中的抗剪强度，则试件在试验前要在设定温度的水浴中放置一定时间，在试验前取出进行固定。固定完成后，向温度控制桶内加入水并且启动控制面板上温度控制按钮，直至显示屏上出现的桶内水浴温度与之前放置的水浴中设定温度一致，过2～3min后，开始进行下一步操作。

步骤一，检查装置各部件是否完好，在控制面板上设置好试验参数，包括试验时剪切应力大小的设定、扭矩大小的设定、水浴温度值的设定；

步骤一为实验前的工作，剪切力的设定参数、扭矩大小、水浴温度值分别对应测力装置、测扭矩装置以及温度控制桶。另外，还需要清理温度控制桶中的废弃物、将第一控制模具在水平连杆上套装好等。

步骤二，按照试验要求确定是否对制备好的沥青混合料马歇尔试件进行预处理，预处理过程为冷藏、加热或水浴；

步骤三，使顶板升高至支撑架的顶部位置，将制好的沥青混合料马歇尔试件的上半部分固定在第一控制模具中，利用螺栓和螺帽将第一控制模具中两个固定件进行固定，使试件牢固地固定在第一控制模具中；使顶板下降，下降的过程中微调第一控制模具在水平连杆上的位置，使试件落在第二控制模具的两个卡夹之间；利用旋钮调整卡夹的位置，使试件的下部被两个卡夹固定住；

步骤三，按照试验要求确定是否向温度控制桶中加水，如需要则加水并对水温进行调整，使水温达到实验要求；

步骤四，利用控制面板打开测力装置、测扭矩装置，对试件开始加载，观察试件的破坏情况，当时间发生破坏时，停止对试件的加载，从显示屏上记录试验过程中的最大剪应力、最大扭矩、以及最大位移，完成。

试验完成后，先松开第二控制模具，使试件下部脱离模具的固定，然后使顶板上升，至合适位置时，打开第一控制模具，取出破坏的试件。试验结束后将顶板放至最低处，并清理温度控制桶内的水和杂物等。

最大剪应力、最大扭矩以及最大位移分别通过压力传感器、扭矩传感器以及直线位移传感器来获取。在对试件的加载过程中，每经过单位时间，这些传感器就将当前测得的数值传递给处理器，处理器显示在显示屏上。因此当加载停止时，显示屏上将产生三条曲线，分别为应力变化曲线、扭矩变化曲线以及位移变化曲线。分别从三条曲线上读出最大值，即为需要的试验结果，进行后续的分析与评价。

根据得到的试验结果，即可分析扭转作用对抗剪强度的影响，并得出沥青混合料在扭矩作用下，抗剪强度的变化规律，以及沥青混合料在剪应力作用下，抗扭转剪切强度的变化规律。试验得到的数据结果以及分析得到的规律，均为混合料的设计与施工时混合料性能的检验提供了有力的依据。

Claims (10)

1.一种沥青混合料抗扭转和剪切性能的测试装置，包括底座(1)，其特征在于，所述的底座(1)上垂直设置支撑架(6)，支撑架(6)上设置有与底座(1)平行的顶板(5)，顶板(5)可在支撑架(6)上滑动；顶板(5)底部设置有测力装置(10)，测力装置(10)底部安装有测扭矩装置(11)，测扭矩装置(11)底部通过扭矩转轴(8)安装有一个水平连杆(15)，水平连杆(15)上设置有第一控制模具(13)，水平连杆(15)下方的底座(1)上设置有第二控制模具(14)，第一控制模具(13)和第二控制模具(14)共同用于固定试件。

2.如权利要求1所述的沥青混合料抗扭转和剪切性能的测试装置，其特征在于，所述的第一控制模具(13)包括一对固定件，每个固定件均包括固定板(16)、卡板、安装块(21)以及顶块(20)，卡板和安装块(21)同高且均固结在顶块(20)的下部，在卡板上开设有半圆形槽(22)，半圆形槽(22)的直径线位于卡块(23)底面所在平面上；所述的卡板设置一对，对称固结在卡板的两侧，并在卡板上开设有通孔；所述的顶块(20)呈四面体状，顶块(20)的顶部加工为平滑的圆面；在顶块(20)上贯穿开设有安装孔(17)。

3.如权利要求1所述的沥青混合料抗扭转和剪切性能的测试装置，其特征在于，所述的底座(1)上设置有温度控制桶(2)，温度控制桶(2)中设置有加热棒。

4.如权利要求3所述的沥青混合料抗扭转和剪切性能的测试装置，其特征在于，所述的第二控制模具(14)位于温度控制桶(2)中，第二控制模具(14)包括一对“凹”形卡夹(25)，两个卡夹(25)对称设置，在每个卡夹(25)的两端均设置有一段横杆；卡夹(25)通过调节旋钮(24)装配在温度控制桶(2)上，调节旋钮(24)包括带有外螺纹的调节杆(18)，温度控制桶(2)的侧壁上开设有螺孔，调节杆(18)装配在螺孔中，并在调节杆(18)的端部设置有旋钮(24)。

5.如权利要求1所述的沥青混合料抗扭转和剪切性能的测试装置，其特征在于，所述的测扭矩装置(11)采用扭矩加载器，扭矩加载器的输出轴与扭矩转轴(8)同轴固结，在扭矩加载器的输出轴上安装有扭矩传感器。

6.如权利要求1所述的沥青混合料抗扭转和剪切性能的测试装置，其特征在于，所述的测力装置(10)采用液压装置，液压装置上安装有压力传感器，该液压装置固定在一个安装板(7)上，安装板(7)上设置有滑块(26)，在顶板(5)底部开设有与滑块(26)配合的滑槽(19)，安装板(7)通过滑块(26)装配在滑槽(19)中。

7.如权利要求6所述的沥青混合料抗扭转和剪切性能的测试装置，其特征在于，所述的顶板(5)的底部安装有测位移装置(12)，测位移装置(12)的一端连接在安装板(7)上。

8.如权利要求1所述的沥青混合料抗扭转和剪切性能的测试装置，其特征在于，所述的支撑架(6)上沿长度方向铺设有齿条，所述的顶板(5)通过齿轮与所述的齿条配合装配在支撑架(6)上；顶板(5)与支撑架(6)连接的一端设置有调位电机(9)，通过调位电机(9)改变顶板(5)在支撑架(6)上的位置。

9.如权利要求1所述的沥青混合料抗扭转和剪切性能的测试装置，其特征在于，所述的底座(1)的侧面设置有控制面板(3)和显示屏(4)，控制面板(3)上设置有用于操控测力装置(10)、测扭矩装置(11)以及控制顶板(5)运动的键盘。

10.一种利用如权利要求9所述的装置进行沥青混合料抗扭矩和剪切性能测试的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，检查装置各部件是否完好，在控制面板上设置好试验参数，包括试验时剪切应力大小的设定、扭矩大小的设定、水浴温度值的设定；

步骤二，按照试验要求确定是否对制备好的沥青混合料马歇尔试件进行预处理，预处理过程为冷藏、加热或水浴；

步骤三，使顶板升高至支撑架的顶部位置，将制好的沥青混合料马歇尔试件的上半部分固定在第一控制模具中，利用螺栓和螺帽将第一控制模具中两个固定件进行固定，使试件牢固地固定在第一控制模具中；使顶板下降，下降的过程中微调第一控制模具在水平连杆上的位置，使试件落在第二控制模具的两个卡夹之间；利用旋钮调整卡夹的位置，使试件的下部被两个卡夹固定住；

步骤三，按照试验要求确定是否向温度控制桶中加水，如需要则加水并对水温进行调整，使水温达到实验要求；

步骤四，利用控制面板打开测力装置、测扭矩装置，对试件开始加载，观察试件的破坏情况，当时间发生破坏时，停止对试件的加载，从显示屏上记录试验过程中的最大剪应力、最大扭矩、以及最大位移，完成。