CN106442108A - 废旧轮胎片体抗剪强度测试装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种废旧轮胎片体抗剪强度测试装置和方法，包括用于盛装试样的上部剪切箱和下部剪切箱，所述下部剪切箱设置于导轨上，所述上部剪切箱顶部设有对其施加竖向作用力的竖向力施加装置，所述下部剪切箱侧部设有对其施加横向作用力的横向力施加装置；所述上部剪切箱和竖向力施加装置之间设置第一压力检测元件，所述下部剪切箱和横向力施加装置之间设置第二压力检测元件，所述第一压力检测元件和第二压力检测元件均与数据采集系统通信。通过竖向力施加装置提供竖向作用力，通过横向力施加装置给试样提供剪切力，很方便的进行剪切试验，同时由压力监测元件和位移监测元件采集相关压力、位移数据，能更为准确的测出废旧轮胎片体的抗剪强度。
Description
技术领域
本发明属于土木工程领域，具体涉及一种废旧轮胎片体抗剪强度测试装置和方法。
背景技术
汽车工业蓬勃发展的今天，废旧轮胎污染问题正越来越严重地威胁着人类生存的环境。作为最大轮胎生产国及消费国之一，我国每年报废轮胎数量达2.5亿之多。其传统处理方式诸如：焚烧、填埋、堆存、土法炼油等。这不仅造成了大量资源浪费，也带来了环境污染、消防安全、疾病传播等诸多问题。橡胶材料具有寿命长、重量轻、透水性强、防冻、抗震性能好等工程特性，近年来，很多研究人员将废旧轮胎片体运用到土木工程领域，该方法能够改善土体透水性，通过增大土体内摩擦角，提高抗剪强度；同时减轻了土体自重，使得路基不均匀沉降问题得到缓解。该片体作为挡墙回填土填料时，能显著减小静止、被动土压力，优化土体结构。此外，不同于现有的橡胶胶粉应用技术，对轮胎片体的直接土工利用更具有施工工艺简单，生产、维修成本低廉等优点，具备更为广阔的发展与应用前景，将废旧轮胎运用到土木工程领域也可减少环境污染、循环利用，发展绿色经济。
目前没有直接对废旧轮胎片体的抗剪强度进行测试的装置或系统，无法对废旧轮胎片体的抗剪强度给出评价，无法将不同的废旧轮胎片体按需求应用到不同的状况中去，无法对废旧轮胎片体得到很好的利用。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种废旧轮胎片体抗剪强度测试装置，本装置是废旧轮胎片体大型直剪仪，能准确测出大尺寸废旧轮胎片体和混合砂、混凝土等材料的废旧轮胎片体混合物的抗剪强度。
本发明还提供一种废旧轮胎片体抗剪强度测试方法，采用本方法，可以方便、快速、准确的测试出废旧轮胎片体的抗剪强度。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
废旧轮胎片体抗剪强度测试装置，包括用于盛装试样的上部剪切箱和下部剪切箱，所述下部剪切箱设置于导轨上，所述上部剪切箱顶部设有对其施加竖向作用力的竖向力施加装置，所述下部剪切箱侧部设有对其施加横向作用力的横向力施加装置；所述上部剪切箱和竖向力施加装置之间设置第一压力检测元件，所述下部剪切箱和横向力施加装置之间设置第二压力检测元件，所述第一压力检测元件和第二压力检测元件均与数据采集系统通信。
将下部剪切箱设置于导轨上，在进行剪切试验时，横向力施加装置推动下部剪切箱， 下部剪切箱沿导轨移动，竖向力施加装置对上部剪切箱施加竖向作用力，第一压力检测元件和第二压力检测元件分别采集竖向作用力和下部剪切箱横向的抵抗力，最终获得试样的抗剪强度。
优选的，所述上部剪切箱顶部设置有承压板，所述竖向力施加装置放置于承压板上。竖向力施加装置通过承压板给上部剪切箱提供竖向作用力，避免竖向力施加装置直接给上部剪切箱施加力，而导致上部剪切箱受到的压力不均。
所述下部剪切箱侧部与位移监测元件连接，位移监测元件与数据采集系统通信。位移监测元件监测采集下部剪切箱的水平位移量。
所述上部剪切箱为下部开口的箱体结构，所述下部剪切箱为上部开口的箱体结构，所述上部剪切箱和下部剪切箱相对设置。上部剪切箱的下部开口和下部剪切箱的上部开口相对设置，构成整体剪切箱，在剪切试验时带动下部剪切箱移动，在上部剪切箱和下部剪切箱之间进行试样剪切。
优选的，所述上部剪切箱和下部剪切箱的箱体均为钢材制成。保证上部剪切箱和下部剪切箱能够承受较大的水平和垂直荷载。
进一步优选的，所述上部剪切箱和下部剪切箱的箱体外壁设置有胶合板。确保上部剪切箱和下部剪切箱的外壁不会发生扭曲。
进一步优选的，所述上部剪切箱和下部剪切箱的箱体内壁嵌有塑料平板。可以减少上部剪切箱和下部剪切箱内的垂直摩擦。
废旧轮胎片体抗剪强度测试方法，包括以下步骤：
(1)将上部剪切箱和下部剪切箱对应设置，并固定下部剪切箱；
(2)将被测试样分多次填满上部剪切箱和下部剪切箱，并分别压实；
(3)用竖向力施加装置对上部剪切箱施加设定竖向作用力；
(4)松开下部剪切箱，用横向力施加装置以恒定的设定速率移动下部剪切箱；
(5)测试结束，释放竖向作用力，将下部剪切箱返回至初始位置，并取出被测试样。
所述步骤(4)中，若出现实际竖向作用力值在设定竖向作用力值周围波动，则对横向力施加装置进行调整。
所述测试方法还包括以下步骤：以多个设定竖向作用力，进行多次测试，获得每次测试的最大剪切强度并记录。
本发明的有益效果为：
本发明的测试装置通过竖向力施加装置提供竖向作用力，通过横向力施加装置给试样提供剪切力，很方便的进行剪切试验，同时由压力监测元件和位移监测元件采集相关压力、 位移数据，能更为准确的测出废旧轮胎片体的抗剪强度。
本发明测试装置剪切箱的强度高，能够承受较大的水平和垂直载荷，且其内壁垂直摩擦小，外壁不会发生扭曲，更大程度的保证测试装置的安全性，保证测试结果的准确性。
本发明的测试方法，操作简单，同时可以自动监测采集相关数据，可以方便、准确的测试废旧轮胎片体的抗剪强度。
附图说明
图1为本发明实施例所提供的一种活塞销结构示意图；
图中，1为上部剪切箱，2为下部剪切箱，3为承压板，4为导轨，5为竖向力施加装置，6为压力监测元件，7为位移监测元件，8为数据采集系统，9为横向力施加装置。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，废旧轮胎片体抗剪强度测试装置，用于盛装试样的上部剪切箱1和下部剪切箱2，上部剪切箱1和下部剪切箱2的尺寸均为79cm宽，80cm长，61cm高。下部剪切箱2设置于导轨4上，上部剪切箱1顶部设有对其施加竖向作用力的竖向力施加装置5，下部剪切箱2侧部设有对其施加横向作用力的横向力施加装置9；上部剪切箱1和竖向力施加装置5之间设置压力检测元件6，测量垂直覆盖力；下部剪切箱2和横向力施加装置9之间设置压力检测元件6，测量剪切试验时的水平剪切抵抗力；压力检测元件6与数据采集系统8通信，能够在剪切试验中自动记录位移量，水平抗剪抵抗力和垂直覆盖力。本实施例中压力监测元件采用压力传感器，位移监测元件采用线性变量位移变压器，承压板采用混凝土承载板，竖向力施加装置和横向力施加装置均采用液压千斤顶。
将下部剪切箱2设置于导轨4上，在进行剪切试验时，横向力施加装置9推动下部剪切箱2，下部剪切箱2沿导轨4能在水平方向平稳滑动，竖向力施加装置5对上部剪切箱1施加竖向作用力，压力检测元件6分别采集竖向作用力和下部剪切箱横向的抵抗力，最终获得试样的抗剪强度。
上部剪切箱1顶部设置有承压板3，竖向力施加装置5放置于承压板3上。竖向力施加装置5通过承压板3给上部剪切箱1提供竖向作用力，避免竖向力施加装置5直接给上部剪切箱1施加力，而导致上部剪切箱1受到的压力不均。
下部剪切箱2侧部与位移监测元件7连接，位移监测元件7与数据采集系统8通信。位移监测元件7监测采集下部剪切箱2的水平位移量。
上部剪切箱1为下部开口的箱体结构，下部剪切箱2为上部开口的箱体结构，上部剪 切箱1和下部剪切箱2相对设置。上部剪切箱1的下部开口和下部剪切箱2的上部开口相对设置，构成整体剪切箱，在剪切试验时带动下部剪切箱移动，在上部剪切箱1和下部剪切箱2之间进行试样剪切。
上部剪切箱1和下部剪切箱2的箱体均为建筑钢材制成。保证上部剪切箱和下部剪切箱能够承受较大的水平和垂直荷载。
上部剪切箱1和下部剪切箱2的箱体外壁设置有胶合板。可以采用2.54mm的胶合板，确保上部剪切箱和下部剪切箱的外壁不会发生扭曲。
上部剪切箱1和下部剪切箱2的箱体内壁嵌有光滑的塑料平板。可以减少上部剪切箱和下部剪切箱内的垂直摩擦。
本发明的原理为：
当土体在外部荷载作用下发生剪切破坏时，作用在剪切面上的极限剪应力就称为土的抗剪强度。进行直剪试验时，先由加荷板施加法向压力P，土样产生相应的压缩ΔS，然后再在下盒施加水平向力，使其产生水平向位移ΔL，从而使土样沿着上盒和下盒之间预定的横截面承受剪切作用，直至土样破坏。假设这时土样所承受的水平向推力为T，土样的水平横断面面积为A，那么，作用在土样上的法向应力则为σ＝P/A，而土的抗剪强度就可以表示为τf＝T/A。然后，以τf作为纵坐标轴，以σ作为横坐标轴，就可绘制出土的抗剪强度τf和法向应力σ的关系曲线。
对于砂土而言，f与σ的关系曲线是通过原点的，而且，它是与横坐标轴呈角的一条直线。该直线方程为：
式中：τf——砂土的抗剪强度(kN/m2)；
σ——砂土试样所受的法向应力(kN/m2)；
——砂土的内摩擦角(°)。
对于粘性土和粉土而言，τf和σ之间的关系基本上仍呈一条直线，但是，该直线并不通过原点，而是与纵坐标轴形成一截距c，其方程为：
式中：c——粘性土或粉土的粘聚力(kN/m2)；
其余符号的意义与前相同。
本发明测试方法的具体实施步骤为：
砂的大型剪切试验：
(1)对齐上下剪切箱，并固定下部剪切箱。
(2)分3次填满并压实下部剪切箱，使其达到预定的干密度(1810kg/m3)。砂保持4％的含水率以便压缩。当试样分成压缩的时候，确保剪切箱的剪切面大约在压实层的中间。如果剪切面在两个压实层的交界面上的话，得到的剪切强度会偏小和不具有代表性。
(3)用第(2)步的方法填满并压实上部剪切箱。
(4)在上剪切箱中的砂上加载一个钢筋混凝土板，并将一个压力传感器放在钢筋混凝土板上，然后在压力传感器上的放置垂直液压活塞。液压油缸提供动力压动活塞获得想要得到的垂直压力，并记录垂直形变。在整个试验过程中，由垂直方向的液压千斤顶提供垂直压力。
(5)把水平压力传感器和线性变量位移变压器读数清零。
(6)解开下部剪切箱，用水平方向上的液压千斤顶以22mm/min的恒定速率移动下部剪切箱。水平方向上的抵抗力、下部剪切箱水平方向上位移量和垂直方向上的压力会自动被数据收集系统记录。数据采集速率大约为每水平位移1mm读40个读数。在每一次的剪切试验中，如发现实际的垂直压力在目标垂直压力周围浮动，应对水平液压活塞手动调整，使垂直压力接近目标压力。
(7)关注水平力的峰值，继续测试，直到观察到的剪切强度平稳或达到最大的剪切位移。
(8)试验结束后，抬起垂直活塞并释放垂直压力，将下剪切箱返回到原来的位置，并去除剪切箱中的材料。
(9)对于每一个新的剪切试验，材料不能重复使用。
试验采用3种垂直压力：24kN/m3、48kN/m3、96kN/m3。对于每一个荷载下，剪应力和剪切位移的关系图都是能绘制出来的，最大剪切强度都能从这个曲线中得到。
然后摩尔-库伦破坏包络线就可以得到。
轮胎片体的大型剪切试验：
和砂的大型剪切试验的步骤相同。每个剪切箱分3层压实，要达到的密度为673kg/m3。每次剪切试验后，剪切箱内的轮胎片体都要被清除，下次试验时需重新添加并压实。有3个垂直方向上的压力：24kN/m2、48kN/m2、96kN/m2。轮胎片体在垂直方向的荷载下压缩明显，且密度明显增加。
轮胎片体和砂的大型剪切试验：
和砂的大型剪切试验的步骤相同。下部剪切箱用砂填满，上部剪切箱用轮胎片体填满。两个剪切箱用相同的方法压实。每次试验结束后，剪切箱内的砂和轮胎片体都要被清除干净，下次试验重新压实。
轮胎片体和混凝土的大型剪切试验：
这个试验模拟的是轮胎片体和混凝土的接触面。混凝土板长79cm，宽78cm，厚15cm。混凝土板小心的放置在下部剪切箱里的预制混凝土块上，并确保其在整个试验中不会发生滑动。运用预制混凝土块是为了不需要让下部剪切箱完全用混凝土填满。上部剪切箱内的轮胎片体的压缩步骤和轮胎片体的剪切试验的步骤相同。每次试验结束后，上部剪切箱内的轮胎片体都要被清除干净，混凝土板也要清扫干净。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.废旧轮胎片体抗剪强度测试装置，其特征是，包括用于盛装试样的上部剪切箱和下部剪切箱，所述下部剪切箱设置于导轨上，所述上部剪切箱顶部设有对其施加竖向作用力的竖向力施加装置，所述下部剪切箱侧部设有对其施加横向作用力的横向力施加装置；所述上部剪切箱和竖向力施加装置之间设置第一压力检测元件，所述下部剪切箱和横向力施加装置之间设置第二压力检测元件，所述第一压力检测元件和第二压力检测元件均与数据采集系统通信。
2.如权利要求1所述的测试装置，其特征是，所述上部剪切箱顶部设置有承压板，所述竖向力施加装置放置于承压板上。
3.如权利要求1所述的测试装置，其特征是，所述下部剪切箱侧部与位移监测元件连接，位移监测元件与数据采集系统通信。
4.如权利要求1所述的测试装置，其特征是，所述上部剪切箱为下部开口的箱体结构，所述下部剪切箱为上部开口的箱体结构，所述上部剪切箱和下部剪切箱相对设置。
5.如权利要求1所述的测试装置，其特征是，所述上部剪切箱和下部剪切箱的箱体均为钢材制成。
6.如权利要求1所述的测试装置，其特征是，所述上部剪切箱和下部剪切箱的箱体外壁设置有胶合板。
7.如权利要求1所述的测试装置，其特征是，所述上部剪切箱和下部剪切箱的箱体内壁嵌有塑料平板。
8.废旧轮胎片体抗剪强度测试方法，其特征是，包括以下步骤：
(1)将上部剪切箱和下部剪切箱对应设置，并固定下部剪切箱；
(2)将被测试样分多次填满上部剪切箱和下部剪切箱，并分别压实；
(3)用竖向力施加装置对上部剪切箱施加设定竖向作用力；
(4)松开下部剪切箱，用横向力施加装置以恒定的设定速率移动下部剪切箱；
(5)测试结束，释放竖向作用力，将下部剪切箱返回至初始位置，并取出被测试样。
9.如权利要求8所述的测试方法，其特征是，所述步骤(4)中，若出现实际竖向作用力值在设定竖向作用力值周围波动，则对横向力施加装置进行调整。
10.如权利要求8所述的测试方法，其特征是，还包括以下步骤：以多个设定竖向作用力，进行多次测试，获得每次测试的最大剪切强度并记录。
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