CN105891017B - 一种桥面铺装层现场剪切试验的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种钢桥面与铺装层界面剪切试验的装置及方法，有一铺装层，铺装层上钻取圆柱形铺装层试件；试件夹具与铺装层试件固连；扭矩传感器水平固定于试件夹具上；扭转平台可转动连接其下部的扭矩传感器及其上部的测力环；所述测力环由外圈及外圈中部的测力计组成，外圈底部设置底座，顶部通过螺钉固定一液压千斤顶；液压千斤顶上端架立反力架，反力架依靠自身重力与铺装层相对固定，反力架底部中空，露出铺装层试件的上表面。能够兼容多种试验条件，该铺装层整体结构剪切试验装置结构简单，试验方法易操作，采用铺装层剪应力和剪切破坏能评价桥面铺装层整体结构的抗剪性能。

Description

一种桥面铺装层现场剪切试验的装置及方法
技术领域
本发明属于公路桥梁桥面铺装技术领域，特别涉及一种桥面铺装层现场剪切试验测试装置及方法。
背景技术
随着我国经济快速发展，公路桥梁建设行业得到了长足的发展，桥梁建设已经达到了世界领先水平。桥面铺装层作为桥梁结构的重要组成部分，在外界综合因素作用下，出现因铺装层整体结构抗剪能力不足而引发的铺装层病害，具体表现为推挤永久变形和脱层、裂缝等。因此，桥面铺装结构的整体抗剪性能是桥面铺装结构的重要力学指标，需要准确测定。
目前国内外针对桥面铺装层界面抗剪性能研究较多，但还没有形成标准的试验方法，缺乏相关的试验设备，对桥面铺装层结构整体抗剪能力研究较少。铺装层界面剪切试验通常采用室内直接剪切和斜剪方式，现有技术中公开了一种用于测试铺装层层间剪切性能试件的夹具及方法，该方法并没有针对铺装层整体结构且采用的是室内试验，无法准确测得桥面铺装层整体结构受剪时的实际的破坏情况。因此，目前现有试验装置不能准确测得桥面铺装层整体结构的剪切特性，存在试验偏差。
发明内容
为解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种桥面铺装层现场剪切试验的方法及装置，能够兼容多种试验条件，该铺装层整体结构剪切试验装置结构简单，试验方法易操作，采用剪切破坏能评价桥面铺装层整体结构的抗剪性能。
为达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种钢桥面与铺装层界面剪切试验装置，有一铺装层，铺装层上钻取铺装层试件；
试件夹具与铺装层试件固连；
扭矩传感器水平固定于试件夹具上；
扭转平台上有一圆形凸起与测力环底部的凹部配合连接，液压千斤顶所施加的压力通过测力环与扭转平台5的凹凸结合部向下传递到试件夹具与铺装层试件，扭转平台可转动连接其下部的扭矩传感器并将扭矩传递到试件夹具与铺装层试件，并由于测力环与扭转平台的凹凸结合部的润滑作用，扭矩不会向上传递。所述测力环由外圈及外圈中部的测力计组成，外圈底部设置底座，顶部通过螺钉固定一液压千斤顶；
液压千斤顶上端架立反力架，反力架依靠自身重力与铺装层相对固定，反力架底部中空，露出铺装层试件的上表面。
进一步的，所述扭矩传感器还连接有显示扭矩的显示平台。
进一步的，所述铺装层试件为从铺装层采用钻心取样的方法隔离出的一圆柱体其底面与铺装层一体连接。
进一步的，所述试件夹具上下端为圆盘，扭矩传感器通过螺栓与其顶面固连。
进一步的，所述铺装层试件厚度为3-10cm。
一种钢桥面与铺装层界面剪切试验方法，步骤为：
步骤一，制作试件：
1)钻孔，采用道路钻孔取芯机钻取直径为10cm的圆柱体试件，厚度为3-10cm；
步骤二，剪切装置的安装：
1)粘结试件，采用高强环氧树脂粘结试件夹具与钻取的圆柱体铺装层试件，使试件夹具与铺装层试件表面紧密贴合；
2)安装扭矩传感器，扭矩传感器上安装扭转平台；
3)将测力环下端底面中部凹处放置在扭转平台中部涂抹黄油的球形凸出处，测力环上端放置液压千斤顶，千斤顶上方架立反力架；
步骤三，剪切试验：启动液压千斤顶，通过测力计读数达到规范要求的标准轴载所对应的胎压或超载状态下对应的胎压后，荷载保持不变，转动扭转平台，直至试件破坏，通过扭矩传感器生成扭矩和角位移的关系曲线图；
步骤四，将测得扭矩最大值按公式(1)可求得铺装层整体结构的最大剪应力；通过扭矩与角位移关系曲线图根据公式(2)可求得铺装层整体结构剪切破坏能。
公式(1)：τ＝16T/πd3；
式中：τ为铺装层整体结构剪应力，d为试件圆截面直径，T为扭矩；
公式(2)：
式中：Vε为铺装层剪切破坏能；A为圆柱体试件的横截面面积；l为试件长；为扭转角；
进一步的，所述步骤一中，圆柱体试件的直径为10cm。
进一步的，所述步骤二中，铺装层试件与试件夹具通过高强环氧树脂粘结固定，所述高强环氧树脂剪切强度大于12MPa，拉拔强度大于20MPa。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：
1、本发明桥面现场剪切试验的方法，采用现场整体结构剪切方式，符合实际桥面铺装结构，受力比直接剪切试验和压剪试验更接近于车辆匀速行驶状态。
2、本发明钢桥面与铺装层界面剪切试验装置，试验仪器结构简单，操作方便，能兼容多种交通荷载作用下的试验要求，能准确测试桥面铺装层整体结构的扭矩和角位移，继而推导出铺装层的扭矩和角位移的关系，采用多指标(包含铺装层剪应力、铺装层剪切破坏能)评价铺装层抗剪能力，使剪切试验结果准确反应铺装层整体结构的剪切特性，完善现有试验装置的不足。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明铺装层扭矩-扭转角理论关系图。
图3为本发明高粘度改性沥青SMA铺装层扭矩-扭转角关系图。
其中，1.铺装层；2.铺装层试件；3.试件夹具；4.扭矩传感器；5.扭转平台；6.测力环；7.液压千斤顶；8.反力架；9.显示平台。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明技术方案做进一步详细描述：
如图1所示，一种钢桥面与铺装层界面剪切试验装置，有一铺装层1，铺装层1上钻取有铺装层试件2；
试件夹具3与铺装层试件2固连；
扭矩传感器4水平固定于试件夹具3上；
扭转平台5上有一圆形凸起与测力环6底部的凹部配合连接，液压千斤顶7所施加的压力通过测力环6与扭转平台5的凹凸结合部向下传递到试件夹具3与铺装层试件2，扭转平台5可转动连接其下部的扭矩传感器4并将扭矩传递到试件夹具3与铺装层试件2，并由于测力环6与扭转平台5的凹凸结合部的润滑作用，扭矩不会向上传递。所述测力环6由外圈及外圈中部的测力计组成，外圈底部设置底座，顶部通过螺钉固定一液压千斤顶7；
液压千斤顶7上端架立反力架8，反力架8依靠自身重力与铺装层1相对固定，反力架8底部中空，露出铺装层试件2的上表面。
进一步的，所述扭矩传感器4还连接有显示扭矩的显示平台9。
进一步的，所述铺装层试件2为从铺装层1采用钻心取样的方法隔离出的一圆柱体其底面与铺装层1一体连接。
进一步的，所述试件夹具3上下端为圆盘，扭矩传感器4通过螺栓与其顶面固连。
进一步的，所述铺装层试件2厚度为3-10cm。
一种钢桥面与铺装层界面剪切试验方法，步骤为：
步骤一，制作试件：
2)钻孔，采用道路钻孔取芯机钻取直径为10cm的圆柱体试件，厚度为3-10cm；
步骤二，剪切装置的安装：
1)粘结试件，采用高强环氧树脂粘结试件夹具与钻取的圆柱体铺装层试件，使试件夹具与铺装层试件表面紧密贴合；
2)安装扭矩传感器，扭矩传感器上安装扭转平台；
3)将测力环下端底面中部凹处放置在扭转平台中部涂抹黄油的球形凸出处，测力环上端放置液压千斤顶，千斤顶上方架立反力架；
步骤三，剪切试验：启动液压千斤顶，通过测力计读数达到规范要求的标准轴载所对应的胎压或超载状态下对应的胎压后，荷载保持不变，转动扭转平台，直至试件破坏，通过扭矩传感器生成扭矩和角位移的关系曲线图。
步骤四，将测得扭矩最大值按公式(1)可求得铺装层整体结构的最大剪应力；通过扭矩与角位移关系曲线图如图2所示，根据公式(2)可求得铺装层整体结构剪切破坏能。
公式(1)：τ＝16T/πd3；
式中：τ为铺装层整体结构剪应力，d为试件圆截面直径，T为扭矩；
公式(2)：
式中：Vε为铺装层剪切破坏能；A为圆柱体试件的横截面面积；l为试件长；为扭转角；
进一步的，所述步骤一中，圆柱体试件的直径为10cm。
进一步的，所述步骤二中，铺装层试件与试件夹具通过高强环氧树脂粘结固定，所述高强环氧树脂剪切强度大于12MPa，拉拔强度大于20MPa。
本发明的工作原理为：
通过液压千斤顶7加载荷载，待测力环6读数达到试验所设定行车荷载对应值后，转动扭转平台5，带动扭矩传感器4、试件夹具3及铺装层试件2一起转动，扭矩传感器4将扭矩及角位移数据实时在显示平台9绘制成扭矩-角位移关系图。并可由扭矩值计算铺装层剪切应力和剪切破坏能。
整套试验设备各部分紧密接触，由反力架8重力维持平衡。
实施例1：
一种桥面现场剪切试验的方法，包括以下步骤：
1、钻孔，采用道路钻孔取芯机在高粘度改性沥青SMA铺装层上钻取直径为10cm的圆柱体试件，厚度为7cm；
2、剪切装置的安装：
1)安装试件夹具，保证试件夹具与钻取的圆柱体铺装层试件紧密贴合；
2)安装扭矩传感器，扭矩传感器上安装扭转平台；
3)将测力环下端底面中部凹处放置在扭转平台中部涂抹黄油的球形凸出处，测力环上端放置液压千斤顶，千斤顶上方架立反力架；
3、剪切试验：启动液压千斤顶，通过测力计读数观察达到标准轴载所对应的0.7MPa胎压后，保持荷载不变，转动扭转平台，直至试件破坏，通过扭矩传感器生成扭矩和角位移的关系曲线图。
4.试验结果处理：
将测得扭矩最大值按公式(1)可求得铺装层整体结构的最大剪应力；通过扭矩与角位移关系曲线图根据公式(2)可求得铺装层整体结构剪切破坏能。
公式(1)：τ＝16T/πd3；
式中：τ为铺装层整体结构剪应力，d为试件圆截面直径；
公式(2)：
式中：：Vε为铺装层剪切破坏能；A为圆柱体试件的横截面面积；l为试件长；为扭转角；
将扭矩与角位移关系绘制成图，如图3所示：
依据公式(1)可求得高粘度改性沥青SMA铺装结构破坏时剪应力τ＝1.01MPa，公式(2)求得剪切破坏能为Vε＝2.97J。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种钢桥面与铺装层界面剪切试验装置，其特征在于，有一铺装层(1)，铺装层(1)上钻取铺装层试件(2)；
试件夹具(3)与铺装层试件(2)固连；
扭矩传感器(4)水平固定于试件夹具(3)上；
扭转平台(5)上有一圆形凸起与测力环(6)底部的凹部配合连接，液压千斤顶(7)所施加的压力通过测力环(6)与扭转平台(5)的凹凸结合部向下传递到试件夹具(3)与铺装层试件(2)，扭转平台(5)可转动连接其下部的扭矩传感器(4)并将扭矩传递到试件夹具(3)与铺装层试件(2)，并由于测力环(6)与扭转平台(5)的凹凸结合部的润滑作用，扭矩不会向上传递，所述测力环(6)由外圈及外圈中部的测力计组成，外圈底部设置底座，顶部通过螺钉固定一液压千斤顶(7)；
液压千斤顶(7)上端架立反力架(8)，反力架(8)依靠自身重力与铺装层(1)相对固定，反力架(8)底部中空，露出铺装层试件(2)的上表面。
2.根据权利要求1所述的一种钢桥面与铺装层界面剪切试验装置，其特征在于，所述扭矩传感器(4)还连接有显示扭矩的显示平台(9)。
3.根据权利要求1所述的一种钢桥面与铺装层界面剪切试验装置，其特征在于，所述铺装层试件(2)为从铺装层(1)采用钻心取样的方法隔离出的一圆柱体其底面与铺装层(1)一体连接。
4.根据权利要求1所述的一种钢桥面与铺装层界面剪切试验装置，其特征在于，所述试件夹具(3)上下端为圆盘，扭矩传感器(4)通过螺栓与其顶面固连。
5.根据权利要求1所述的一种钢桥面与铺装层界面剪切试验装置，其特征在于，所述铺装层试件(2)厚度为3-10cm。
6.基于权利要求1-5任一所述装置的一种钢桥面与铺装层界面剪切试验方法，步骤为：
步骤一，制作试件：
1)钻孔，采用道路钻孔取芯机钻取一定直径的圆柱体试件，厚度为3-10cm；
步骤二，剪切装置的安装：
1)粘结试件，采用高强环氧树脂粘结试件夹具与钻取的圆柱体铺装层试件，使试件夹具与铺装层试件表面紧密贴合；
2)安装扭矩传感器，扭矩传感器上安装扭转平台；
3)将测力环下端底面中部凹处放置在扭转平台中部涂抹黄油的球形凸出处，测力环上端放置液压千斤顶，千斤顶上方架立反力架；
步骤三，剪切试验：启动液压千斤顶，通过测力计读数达到规范要求的标准轴载所对应的胎压或超载状态下对应的胎压后，荷载保持不变，转动扭转平台，直至试件破坏，通过扭矩传感器生成扭矩和角位移的关系曲线图；
步骤四，将测得扭矩最大值按公式(1)可求得铺装层整体结构的最大剪应力；通过扭矩与角位移关系曲线图根据公式(2)可求得铺装层整体结构剪切破坏能；
公式(1)：τ＝16T/πd3；
式中：τ为铺装层整体结构剪应力，d为试件圆截面直径，T为扭矩；
公式(2)：
式中：Vε为铺装层剪切破坏能；A为圆柱体试件的横截面面积；l为试件长；为扭转角。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤一中，圆柱体试件的直径为10cm。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤二中，铺装层试件与试件夹具通过高强环氧树脂粘结固定，所述高强环氧树脂剪切强度大于12MPa，拉拔强度大于20MPa。
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