CN106153462B - 一种沥青混合料压扭剪切破坏性能试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于沥青混合料抗剪性能测试技术领域，涉及一种沥青混合料压扭剪切破坏性能试验装置。该装置采用外循环保温系统提供恒温环境，对沥青混合料试件独立或组合施加轴压与扭转荷载。设置双层平面滚珠轴承，将轴压传递至左固定板的同时释放扭转荷载；在轴压加载轴右端设置方形截面段，通过右固定板的方孔承受扭转荷载；设置弹簧以缓冲轴压荷载。采用空间完全分离的扭矩、压力传感器，两者量程无需匹配、两者作用互不影响。本发明可模拟沥青混合料在中高温环境及复杂扭剪应力状态下的破坏过程，当扭转荷载连续变化时，试件主应力轴方向将连续变化，符合路面真实受力状态的变化特点。
Description
技术领域
本发明属于沥青混合料抗剪力学性能试验测试技术领域，涉及到一种沥青混合料压扭剪切破坏性能试验装置，是一种沥青混合料在压扭复杂应力状态及中高温环境下的剪切破坏强度性能试验装置。
背景技术
道路使用过程中面临着交通量和超载现象不断增加的情况，沥青混合料在高温时的剪切强度不足以抵抗车轮荷载的反复作用，使沥青混凝土产生塑性剪切变形，产生车辙破坏病害，其直接原因是沥青混合料高温稳定性不足，而抗剪性能是影响沥青混合料热稳定性的重要因素。而研究压力作用下的扭转剪切破坏性能试验测试能较为真实的反映路面使用的情况，对沥青混合料的评价与设计都具有重要意义。
目前用于测试沥青混合料抗剪强度性能的试验方法有单轴贯入试验、同轴剪切试验、简单剪切试验SST、旋转压实及剪切性能试验等。
单轴贯入试验、同轴剪切试验方法近年来由同济大学提出、发展并得以应用。单轴贯入抗剪强度试验的理论基础是基于单圆均布荷载作用下弹性半无限体的最大剪应力，通过力学分析获得该方法的剪应力参数；其试验方法是利用特定直径的钢柱压头对沥青混合料圆柱体试件进行加压直至破坏，获得最大加压压力P，再结合理论计算结果采用计算公式得到沥青混合料的粘结力c、内摩擦角材料参数。试验证明，该试验得到的剪切强度与三轴试验结果及规律基本一致。单轴贯入试验的主要问题是缺乏对实际交通荷载水平力作用的模拟；与三轴试验相似，试件整体受力状态特点是主应力方向保持不变。
同轴剪切试验采用外径Φ150mm、内径Φ55mm的中空圆柱体沥青混合料试件，用环氧树脂将试件粘贴在外钢筒和内钢柱之间；试验时将外钢筒固定，对钢柱施加轴向荷载，通过钢柱环形粘结面将剪切力作用于试件内侧柱面，而试件外侧柱面受限，试件受剪切力作用而破坏。试验加载可在材料试验机上完成，试验控制、数据采集较为方便，具有较好试验精度及稳定性，且静态、动态试验均可方便进行。同轴剪切试验的主要问题是，通过施加压力使试件内侧面受到剪切作用，试件整体缺少受压作用，与实际沥青路面受力状态差异较大。
简单剪切试验SST是美国公路战略研究计划SHRP Superpave路面设计相应的剪切性能试验方法，采用悬臂梁力学模型，沥青混合料试件底端面固定，顶端面承受水平剪切荷载作用，可进行静、动态试验。与前述同轴剪切试验类似，简单剪切试验SST主要模拟沥青混合料的纯剪切作用，另外因试验设备非常昂贵，在国内外应用很少。
旋转压实及剪切性能试验GTM方法是在试验室制作沥青混合料或在拌合厂、施工现场取样获得混合料；调试并设定GTM旋转压实过程中的垂直压力p，设置试验机初始旋转角θα；根据试模直径的不同，选择对应的金属标定块，对高度传感器进行标定；设定试验温度，并进行加热保温。
GTM可通过设定的平衡状态、转数、试件高度及试件密度中的一种方式来自动控制试验进程。一般选择平衡状态为试验方式GTM每旋转50次沥青混合料试件密度变化小于0.008g/cm3，试验过程中计算机显示不同旋转压实次数对应的沥青混合料试件密度、高度、轮压、温度等变化曲线，试件达到预先设定的平衡状态后GTM自动停机，最后需要进行摩擦力测定。通过计算获得不同旋转压实次数下的试件密度、旋转压实指数GCI、旋转稳定指数GSI、旋转剪切强度、沥青混合料抗剪强度因子GSF等。
沥青混合料旋转剪切破坏性能测定试验装置是申请者已获得的授权发明专利ZL201310159058.6，采用该试验装置可进行沥青混合料扭转剪切破坏性能试验，获得沥青混合料最大剪切强度。其特点是：1作用于轴对称截面试件上的扭矩只产生纯剪切变形，可获得纯剪切简单应力状态，便于测量；2相比于拉压变形，扭转变形理论上可为无限大而基本上不受试验空间的限制，试验占用较小的测试空间。其主要缺点是：因缺少轴向压力，试验试件处于纯剪切应力状态，其最大拉应力与最大剪应力相等，对于抗拉强度小于抗剪强度的材料，试件将受拉破坏而非受剪破坏。
在实际交通荷载移动车辆作用下，沥青路面结构层内任意点存在连续变化的剪切应力作用，处于复杂的三轴应力状态，应力路径呈“心形”连续曲线、主应力轴连续旋转变化。显然，为真实模拟交通荷载作用下的路面材料受力状态，试验中必须考虑直接施加可控制的连续剪切应力荷载。目前的试验装置及试验方法，均不能实现对交通荷载作用下路面材料受力状态的真实模拟。
发明内容
本发明提供了一种沥青混合料压扭剪切破坏性能试验装置，本试验装置用于沥青混合料试件在扭剪复杂应力状态及指定温度环境下的压扭剪切性能试验。
本发明试验装置设置保温箱及外循环保温系统，提供中、高温恒温环境。可独立或组合施加轴压及扭转荷载，试验试件处于复杂压扭应力状态，主应力连续旋转。至少包括3种荷载组合施加方式：恒定轴压，再施加扭转荷载；恒定扭转荷载，再施加轴压；按比例施加轴压和扭转荷载。在施加扭矩荷载一侧试件试模端与左固定板之间，设置双层平面滚珠轴承，在传递轴压荷载的同时释放扭转荷载，不传递、不承受扭转荷载；在轴压加载轴右端设置方形截面段，通过右固定板的方孔承受扭转荷载。采用非复合传感器，扭矩传感器、轴力传感器完全分离，扭矩、轴载作用互不影响，两者无量程匹配。采用弹簧作为轴向荷载施加的缓冲装置。
本发明采用的技术方案如下：
一种沥青混合料压扭剪切破坏性能试验装置，包括试验框架、扭矩加载系统、轴力加载系统、保温控制系统和试验控制系统。
试验框架由基础平台、底座、平面滑轨、电机平台、一号钢垫板、立式轴承座、左固定板、橡胶垫板、右固定板、二号钢垫板组成；其中电机平台用于固定一号变速电机，一号钢垫板固定于基础平台上，用于支撑和固定立式轴承座，左固定板固定于基础平台上，用于承受轴压加载轴施加的轴力作用；轴压加载轴通过二号变速电机、二号电机刹车器、二号电机垂直螺杆对试件施加轴载；右固定板起着支撑和防止其扭转的作用。
扭矩加载系统由一号电机、扭矩测量装置、扭转角测量装置、扭矩加载轴及扭矩释放装置组成；一号电机由一号变速电机、一号电机刹车器、一号电机输出轴组成，其中一号变速电机固定于电机平台上，一号电机刹车器固定于一号变速电机上；扭矩测量装置由一号连接块、扭矩传感器组成，其中一号连接块的圆轴通过联轴器与一号变速电机的输出轴可拆卸固定连接，扭矩传感器与一号连接块可拆卸固定连接；扭转角测量装置由门式支架、一号拉线式位移传感器、二号拉线式位移传感器组成，其中门式支架可拆卸固定于一号钢垫板上；扭矩释放装置由一号平面滚珠轴承、二号连接块、弹簧、三号连接块、二号平面滚珠轴承、一号柱面轴承座、二号柱面轴承座组成，其中一号柱面轴承座、二号柱面轴承座用来分别用来支撑二号连接块、三号连接块；二号平面滚珠轴承的右面板嵌于试件左试模的左端凹槽内，二号平面滚珠轴承的左面板以及弹簧的右端分别嵌于三号连接块的两端凹槽内，弹簧的左端以及一号平面滚珠轴承右面板分别嵌于二号连接块的两端凹槽内，一号平面滚珠轴承的左面板嵌于保温箱左侧壁的凹槽内；扭矩加载轴由扭矩加载轴方形凹槽、扭矩加载轴圆轴段、扭矩加载轴方形榫头组成，其中扭矩加载轴方形凹槽与扭矩传感器的方轴插入式连接，扭矩加载轴圆轴段依次穿过立式轴承座、门式支架、固定刚板、橡胶垫板、保温室左侧壁活塞套、保温室、一号平面滚珠轴承、二号连接块、弹簧、三号连接块、二号平面滚珠轴承，最后通过扭矩加载轴方形榫头与试件左试模左端的凹槽插入式连接。
轴力加载系统由二号变速电机、二号电机刹车器、二号电机垂直螺杆、五号连接块、压力传感器、四号连接块、轴压加载轴组成；其中二号变速电机水平固定于二号钢垫板上，二号电机刹车器安装在二号变速电机上，二号电机垂直螺杆与二号变速电机的旋转齿轮连接，二号电机垂直螺杆左端与五号连接块右端可拆卸固定连接；压力传感器嵌于五号连接块及四号连接块的凹槽内；轴压加载轴由轴压加载轴方形段、轴压加载轴圆轴段及轴压加载轴方形榫头组成，轴压加载轴穿过右固定板、保温室右侧活塞套、保温室，最后轴压加载轴方形榫头与试件右试模右端的方形凹槽可拆卸式固定连接；其中，轴压加载轴方形段与方形固定刚板上的方形槽孔为插入式连接，轴压加载轴方形段可在方形孔内左右移动，但不能扭转。
温度控制系统由程控式高低温试验箱、恒温水槽、循环泵、保温进液管、保温出液管、压力密封阀、上层温度传感器、下层温度传感器组成；压力密封阀分别位于保温箱上；其中保温箱固定于基础平台上；保温进液管、保温出液管、分别与循环泵连接，循环泵通过进、出液管与恒温水槽连接，恒温水槽安装于程控式高低温试验箱内。
试验控制系统由计算机、USB/RS232/485集成转换器、一号变频器、二号变频器、程控继电器、一号位移器、二号位移器组成；计算机通过信号线与USB/RS232/485集成转换器连接，USB/RS232/485集成转换器通过信号线分别与一号变频器、二号变频器、程控继电器、一号位移器、二号位移器、温度传感器、温度传感器以及程控式高低温试验箱连接；程控继电器通过信号线与一号电机刹车器、二号电机刹车器连接。一号轴向位移传感器(62)、二号轴向位移传感器(63)为预留的测量轴向位移的传感器，分别与USB/RS232/485集成转换器相连接。
本发明装置在对试验试件施加扭转荷载产生扭转剪切应力的同时，施加轴向荷载，使试验试件处于主应力轴方向连续旋转的应力状态，同时控制环境测试温度，可真实模拟交通荷载作用下沥青混合料的实际受力状态与破坏过程。
附图说明
附图1是本发明装置的结构示意图。
图中：1基础平台；2底座；3平面滑轨；4电机平台；5一号电机刹车器；6一号电机输出轴；7一号变速电机；8一号连接块；9联轴器；10扭矩加载轴圆轴段；11立式轴承座；12左固定板；13门式支架；14保温箱左侧壁活塞套；15一号平面滚珠轴承；16弹簧；17二号平面滚珠轴承；18试件；19二号连接块；20三号连接块；21左试模；22橡胶垫板；23右试模；24保温箱顶盖；25保温箱；26下层温度传感器；27上层温度传感器；28保温箱右侧壁活塞套；29轴压加载轴方形段；30轴压加载轴圆形段；31轴压加载轴方形榫头；32右固定板；33四号连接块；34压力传感器；35五号连接块；36二号变速电机37二号电机刹车器；38二号电机垂直螺杆；39二号刚垫块；40程控式高低温试验箱41恒温水槽；42保温出液管；43保温进液管；44循环泵；45压力密封阀46方形槽孔；47一号变频器；48程控继电器；49一号位移器；50二号位移器51USB/RS232/485集成转换器；52二号变频器；53计算机；54一号柱面轴承座；55二号柱面轴承座；56扭矩传感器；57扭矩加载轴方形槽孔；58二号拉线式位移传感器；59一号拉线式位移传感器；60一号刚垫块；61扭矩加载轴方形榫头；62一号轴向位移传感器；63二号轴向位移传感器。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。
如图1所示，一种沥青混合料压扭剪切破坏性能试验装置。该装置工作时，启动程控式高低温试验箱40，使恒温水槽41内保温液的温度达到试验规定要求；连同沥青混合料制作的试件左试模21、试件右试模23置于恒温水槽41中，按试验规定温度及时间进行养护。
在基础平台上1上安装左固定板12，在左固定板12右侧固定橡胶垫板22，在橡胶垫板22的右侧放置保温室25，在电机平台4上安装固定一号电机，在二号刚垫块39上安装固定二号电机及垂直螺杆，在基础平台1上固定安装方形刚板32。
安装五号连接块35与二号电机垂直螺杆36固定连接；由计算机53控制二号变频器52的输出工作频率，使二号电机垂直螺杆36移动，将五号连接块35移动到合适位置。
将轴压加载轴方形段45向左穿过方形槽孔39，轴压加载轴圆轴段30穿过保温箱右侧壁活塞套28并进入保温室25，使轴压加载轴方形段45右端插入四号连接块33的左端凹槽内并固定连接；并将压力传感器35放置在四号连接块33右侧和五号连接块35左侧的凹槽内连接。
取出沥青混合料试件18及试件左试模21、试件右试模23，将试件右试模23下端的凹槽与轴压加载轴方形榫头31固定连接；在试件左试模21左侧依次安装二号平面滚珠轴承17、三号连接块20、弹簧16、二号连接块19、一号平面滚珠轴承15，然后将一号柱面轴承座54、二号柱面轴承座55分别放置在二号连接块19和三号连接块20下方；盖上保温室顶盖24，保温箱安装完成。
由计算机53控制二号变频器52的输出工作频率，使二号电机垂直螺杆38左移，从而推动轴压加载轴左移，同时推动试件右试模23、沥青混合料试件18、试件左试模21及扭矩释放装置上升，直至扭矩释放装置的一号平面滚珠轴承23左面板与保温室左侧壁的凹槽刚好接触，计算机53控制二号电机垂直螺杆38停止左移，同时通过程控继电器48控制二号电机刹车器37工作，二号电机垂直螺杆38抱死，轴压加载轴固定。
启动循环泵44，通过保温进液管43、保温出液管42向保温箱内灌注保温液，沥青混合料试件18通过保温箱进行保温，要求保温箱内注满保温液。
移动电机平台4，带动一号变速电机7移动至合适位置；将一号刚垫块60固定安装在基础平台1上。在一号刚垫块上固定连接立式轴承座11及门式支架13。
将扭矩加载轴圆轴段10向右依次穿过立式轴承座11、门式支架13、左固定板12、橡胶垫板20、保温室左侧壁活塞套14、一号平面滚珠轴承15、二号连接块19、弹簧16、三号连接块20、二号平面滚珠轴承17，最后使扭矩加载轴方形榫头61与试件左试模21左端的方形凹槽插入式连接。
将一号拉线式位移传感器59和二号拉线式位移传感器58可拆卸连接在门式支架13上。然后将拉线套在扭矩加载轴圆轴段10上并使拉线垂直；将扭矩传感器56的测量方轴插入扭矩加载轴方形凹槽57内，在扭矩传感器56上安装一号连接块8并固定连接；通过电机平台4调整一号变速电机7的位置，使得将一号电机输出轴6与一号连接块8的圆轴处于同一水平位置，采用联轴器9将一号电机输出轴6与一号连接块8的圆轴固定连接。
由计算机53控制二号变频器52的输出工作频率，使二号电机垂直螺杆38左移，从而推动轴压加载轴、试件右试模23、沥青混合料试件16、试件左试模21、二号平面滚珠轴承17、三号连接块20左移，弹簧16被压缩，同时沥青混合料试件18受到轴压荷载作用，直至达到试验规定的轴压荷载时二号电机垂直螺杆38左移停止，此时要求轴压加载轴方形段29必须位于方形槽孔46内；在轴压施加过程中，伴随弹簧16被压缩及试件左试模19逐渐上升，扭矩加载轴方形榫头61端面与试件左试模21左端方形凹槽逐渐靠近，根据需要适时关闭电机平台4的水平限位装置；当轴压加载结束时，要求扭矩加载轴方形榫头61与试件左试模21左端方形凹槽刚好插入式连接，并启动电机平台4的水平限位装置，固定一号电机及扭矩加载轴的水平位置。
通过计算机53控制一号变频器47的输出工作频率，自动操控一号变速电机7的输出轴旋转方向与旋转速度，通过扭矩加载轴方形榫头61将扭转荷载作用于试件左试模21上端的方形凹槽，再通过试件左试模21将扭转荷载作用于沥青混合料试件18，直至沥青混合料试件18破坏时一号变速电机7的输出轴停止转动；扭矩荷载施加过程中，因轴压加载轴方形段29嵌于方形槽孔46内，轴压加载轴的转动自动度被约束，与轴压加载轴方形段29固定连接的试件右试模23扭转自由度相应受到约束，从而使得沥青混合料试件18下端的扭转自由度被固定。
计算机53实时监测、记录扭矩传感器56、压力传感器34、上层温度传感器27、下层温度传感器26、角位移测量装置的位移器等测量数据，以及各测量数据相应的获取时刻；计算机53可实时绘制时间-扭矩曲线图、时间-扭转角位移图、时间-轴力图，并自动整理形成扭转角位移-扭矩曲线图、扭转应变-扭转剪应力图等。
Claims (3)
1.一种沥青混合料压扭剪切破坏性能试验装置，其特征在于，包括试验框架、扭矩加载系统、轴力加载系统、保温控制系统和试验控制系统；
试验框架由基础平台(1)、底座(2)、平面滑轨(3)、电机平台(4)、一号钢垫板(60)、立式轴承座(11)、左固定板(12)、橡胶垫板(22)、右固定板(32)、二号钢垫板(39)组成；其中电机平台(4)用于固定一号变速电机(7)，一号钢垫板(60)固定于基础平台(1)上，用于支撑和固定立式轴承座(11)，左固定板(12)固定于基础平台上，用于承受轴压加载轴施加的轴力作用；轴压加载轴通过二号变速电机、二号电机刹车器、二号电机垂直螺杆对试件施加轴载；右固定板(32)起着支撑和防止其扭转的作用；
扭矩加载系统由一号电机、扭矩测量装置、扭转角测量装置、扭矩加载轴及扭矩释放装置组成；一号电机由一号变速电机(7)、一号电机刹车器(5)、一号电机输出轴(6)组成，其中一号变速电机(7)固定于电机平台(4)上，一号电机刹车器(5)固定于一号变速电机(7)上；扭矩测量装置由一号连接块(8)、扭矩传感器(56)组成，其中一号连接块(8)的圆轴通过联轴器(9)与一号变速电机(7)的输出轴(6)可拆卸固定连接，扭矩传感器(56)与一号连接块(8)可拆卸固定连接；扭转角测量装置由门式支架(13)、一号拉线式位移传感器(59)、二号拉线式位移传感器(58)组成，其中门式支架(13)可拆卸固定于一号钢垫板(60)上；扭矩释放装置由一号平面滚珠轴承(15)、二号连接块(19)、弹簧(16)、三号连接块(20)、二号平面滚珠轴承(17)、一号柱面轴承座(54)、二号柱面轴承座(55)组成，其中一号柱面轴承座(54)、二号柱面轴承座(55)用来分别用来支撑二号连接块(19)、三号连接块(20)；二号平面滚珠轴承(17)的右面板嵌于试件左试模(21)的左端凹槽内，二号平面滚珠轴承(17)的左面板以及弹簧(16)的右端分别嵌于三号连接块(20)的两端凹槽内，弹簧(16)的左端以及一号平面滚珠轴承(15)右面板分别嵌于二号连接块(19)的两端凹槽内，一号平面滚珠轴承(15)的左面板嵌于保温箱(25)左侧壁的凹槽内；扭矩加载轴由扭矩加载轴方形凹槽(57)、扭矩加载轴圆轴段(10)、扭矩加载轴方形榫头(61)组成，其中扭矩加载轴方形凹槽(57)与扭矩传感器(56)的方轴插入式连接，扭矩加载轴圆轴段(10)依次穿过立式轴承座(11)、门式支架(13)、固定刚板(12)、橡胶垫板(22)、保温室左侧壁活塞套(14)、保温室(25)、一号平面滚珠轴承(15)、二号连接块(19)、弹簧(16)、三号连接块(20)、二号平面滚珠轴承(17)，最后通过扭矩加载轴方形榫头(61)与试件左试模(21)左端的凹槽插入式连接；
轴力加载系统由二号变速电机(36)、二号电机刹车器(37)、二号电机垂直螺杆(38)、五号连接块(35)、压力传感器(34)、四号连接块(33)、轴压加载轴组成；其中二号变速电机(36)水平固定于二号钢垫板(39)上，二号电机刹车器(37)安装在二号变速电机(36)上，二号电机垂直螺杆(38)与二号变速电机(36)的旋转齿轮连接，二号电机垂直螺杆(38)左端与五号连接块(35)右端可拆卸固定连接；压力传感器(34)嵌于五号连接块(35)及四号连接块(33)的凹槽内；轴压加载轴由轴压加载轴方形段(29)、轴压加载轴圆轴段(30)及轴压加载轴方形榫头(31)组成，轴压加载轴穿过右固定板(32)、保温室右侧活塞套(28)、保温室(25)，轴压加载轴方形榫头(31)与试件右试模(23)右端的方形凹槽可拆卸式固定连接；其中，轴压加载轴方形段(29)与方形固定刚板上的方形槽孔(46)为插入式连接，轴压加载轴方形段(29)在方形孔(46)内左右移动，但不能扭转；
温度控制系统由程控式高低温试验箱(40)、恒温水槽(41)、循环泵(44)、保温进液管(43)、保温出液管(44)、压力密封阀(45)、上层温度传感器(27)、下层温度传感器(26)组成；压力密封阀(45)分别位于保温箱(25)上；其中保温箱(25)固定于基础平台(1)上；保温进液管(43)、保温出液管(42)分别与循环泵(44)连接，循环泵(44)通过进、出液管与恒温水槽(41)连接，恒温水槽(41)安装于程控式高低温试验箱(40)内；
试验控制系统由计算机(53)、USB/RS232/485集成转换器(51)、一号变频器(47)、二号变频器(52)、程控继电器(48)、一号位移器(49)、二号位移器(50)组成；计算机(53)通过信号线与USB/RS232/485集成转换器(51)连接，USB/RS232/485集成转换器(51)通过信号线分别与一号变频器(47)、二号变频器(52)、程控继电器(48)、一号位移器(49)、二号位移器(50)、上层温度传感器(27)、下层温度传感器(26)以及程控式高低温试验箱(40)连接；程控继电器(48)通过信号线与一号电机刹车器(5)、二号电机刹车器(37)连接；一号轴向位移传感器(62)、二号轴向位移传感器(63)为预留的测量轴向位移的传感器，分别与USB/RS232/485集成转换器相连接。
2.如权利要求1所述的一种沥青混合料压扭剪切破坏性能试验装置，其特征在于，施加扭矩荷载一侧的试件试模端部与左固定板之间，设置双层平面滚珠轴承；轴压加载轴的右端设置方形截面段，通过右固定板的方孔承受扭转荷载。
3.如权利要求2所述的一种沥青混合料压扭剪切破坏性能试验装置，其特征在于，双层平面滚珠轴承之间，设置弹簧作为施加轴压荷载的缓冲装置。
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