CN106644727A - 一种刚柔复合试件沥青层回弹模量的测试装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种刚柔复合试件沥青层回弹模量的测试装置及方法，装置包括加载系统、夹持系统以及数据采集系统。所述的加载系统是MTS液压伺服材料试验机，所述的夹持系统从上至下分别包括联结轴、夹具、旋钮、压头、卡座和橡胶垫，通过联结轴与加载系统紧密啮合，通过刚柔复合试件及自然放置在试件下方的橡胶垫模拟真实道路结构，通过压头对复合试件进行加载，并夹持数据采集系统对加载过程中复合试件沥青层的应力和应变进行测量；通过对所测的应力、应变数据进行处理和计算，最终可以实现复合式结构沥青层回弹模量的测试。

Description

一种刚柔复合试件沥青层回弹模量的测试装置及方法
技术领域
本发明属于道路工程领域，涉及一种刚柔复合试件沥青层回弹模量的测试装置及方法。
背景技术
刚性基层沥青面层的组合是长寿命路面主要结构形式之一，由于面层和基层的刚度相差较大，因此也通常被称为刚柔复合式路面，存在于新建道路、旧路面加铺改造以及水泥混凝土桥面沥青面层铺装等工程中。
对于刚柔复合式路面结构，目前的研究侧重于对刚性基层进行力学分析和结构设计，对上部沥青层的研究较少，其设计和施工往往参照半刚性基层沥青路面的设计理论和方法，而对刚柔复合式路面结构的力学行为和结构特性研究不够深入也没有成熟的系统，这显然不符合刚性基层沥青路面的实际情况。事实上，刚性基层上的沥青面层有着其特有的力学响应和破坏机理，有必要针对刚性基层上的沥青面层进行专门的力学分析、结构设计和材料研发。
模量是道路工程力学分析计算、结构设计及材料研发的重要参数，受到温度、频率、加载方式、约束条件等因素的影响。考虑到行车荷载作用下的路面结构主要承受的是竖向荷载，国内外行业标准大多以抗压回弹模量作为指导道路设计和研究的模量参数，但遗憾的是，目前国内外诸多模量试验方法都是直接测量单一材料沥青混合料的回弹模量，这类试验方法没有考虑到层间结合状态、结构刚度组合和软弱土基等影响，不能准确反映沥青层回弹模量在荷载作用下的演变规律，不适合用于测量刚柔复合试件沥青面层的回弹模量。
因此，研发一种复合式路面结构上沥青层回弹模量的测试装置及方法，一方面准确测量沥青面层的变形，一方面分析刚性基层和软弱土基对沥青面层的结构影响，从而更准确地表征路面结构在实际行车荷载作用下的力学行为响应，更接近路面结构的实际受力情况和服役情况，对指导道路设计与施工，延长道路服役寿命有重要的现实意义和工程价值。
发明内容
本发明的目的在于利用现有技术，研制开发出一种刚柔复合试件沥青层回弹模量的测试装置及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种刚柔复合试件沥青层回弹模量的测试装置，其特征在于：包括加载系统(1)、夹持系统(2)、数据采集系统(3)；所述的加载系统(1)是液压伺服材料试验系统MTS；所述的夹持系统(2)从上至下分别包括联结轴(20)、夹具(21)、旋钮(22)、压头(23)、卡座(25)和橡胶垫(26)，其中，联结轴(20)作为中转装置通过螺纹与加载系统(1)、夹具(21)、压头(23)紧密啮合，旋钮(22)通过螺纹与夹具(21)紧密啮合，卡座(25)通过强力胶牢固粘贴在复合试件刚柔分界区往下1/3处，橡胶垫(26)自然放置在复合试件(24)下；所述数据采集系统(3)不仅包括MTS试验机自带的荷载传感器和位移传感器，还引入了夹具(21)和旋钮(22)所夹持的线性位移传感器(31)。
作为对上述装置的进一步改进：
所述的刚柔复合试件(24)为直径100±1mm刚性基层、柔性面层的试件，且基层和面层的厚度分别为50±0.5mm和40±0.5mm。
所述旋钮(22)为橡胶制品，且其与线性位移传感器(31)接触的一端为锯齿状凹面。
所述的压头(23)为直径25mm,厚度50mm的钢制圆柱体。
所述的橡胶垫(26)为直径100±1mm，厚度40±0.5mm的圆柱体，且其回弹模量为1000±200Mpa。
作为一种总的发明构思，除上述的一种刚柔复合试件沥青层回弹模量的测试装置外，本发明还提供其详细的测试方法，其步骤包括：
准备试件：对复合试件(24)端部处理，保持其光滑、平整。用强力胶将卡座(25)粘贴在复合试件(24)刚柔分界面往下1/3处，待粘贴牢固后，在试件底部垫一块橡胶垫(26)并自然放置于MTS加载设备上。
调整夹持系统：通过加载系统(1)上下调节联结轴(20)，使与之相连接的压头(23)与试件处于即将接触的临界状态。将线性位移传感器(31)垂直放入夹具(21)中，调节上下位置使传感器处于有效量程范围内，然后手动拧紧旋钮(22)，使其锯齿状凹面与线性位移传感器(31)充分接触、不产生相对变形。
回弹模量试验：操作加载系统(1)，将荷载和位移清零后，通过加载系统(1)的应力传感器控制加载荷载大小、作用频率、加载波形等一系列参数，并编写自保程序限制加载系统(1)的总位移不超过线性位移传感器(31)的有效量程，通过线性位移传感器(31)来采集复合式结构在相应加载条件下的变形响应。
结束试验：待加载结束后，导出数据采集系统(3)得到的荷载及对应变形数据，拧松旋钮(22)并取下线性位移传感器(31)。通过加载系统(1)进行卸载，抬升联结轴(20)及压头(23)，取出试件。
处理数据：利用数据采集系统(3)导出的荷载及对应变形，按10％容许误差剔除样本奇异值，并按如下公式进行计算，得到复合式路面结构沥青层的回弹模量值。
式中：
fmax与fmin为数据采集系统(3)应力传感器得到的荷载峰值与谷值；
lmax与lmin为线性位移传感器(31)得到的fmax与fmin对应的变形峰值与谷值；
l为复合试件(24)沥青层厚度、r为压头(23)半径。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
通过刚柔复合式试件和橡胶垫来模拟土基、刚性基层和柔性面层的真实路面结构,更能表征路面结构沥青层的真实力学响应行为；通过数据采集系统与橡胶垫的同步位移来消除橡胶垫的影响；引入独立的线性位移传感器来进行竖向变形的采集，避免了试验加载设备因疲劳损伤带来的精度误差。
附图说明
图1为本发明测试装置示意图；
图2为夹持系统示意图；
图3为夹具夹持传感器示意图。
附图标记说明：1加载系统、2夹持系统、3数据采集系统、20联结轴、21夹具、22旋钮、23压头、24复合试件、25卡座、26橡胶垫、31线性位移传感器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1、2和3所示，本发明包括包括加载系统(1)、夹持系统(2)、数据采集系统(3)；其具体实施步骤包括：
准备试件：对复合试件(24)端部处理，保持其光滑、平整。用强力胶将卡座(25)粘贴在复合试件(24)刚柔分界面往下1/3处，待粘贴牢固后，在试件底部垫一块橡胶垫(26)并自然放置于MTS加载设备上。
调整夹持系统：通过加载系统(1)上下调节联结轴(20)，使与之相连接的压头(23)与试件处于即将接触的临界状态。将线性位移传感器(31)垂直放入夹具(21)中，调节上下位置使传感器处于有效量程范围内，然后手动拧紧旋钮(22)，使其锯齿状凹面与线性位移传感器(31)充分接触、不产生相对变形。
回弹模量试验：操作加载系统(1),将荷载和位移清零后，通过加载系统(1)的应力传感器控制加载荷载大小、作用频率、加载波形等一系列参数，并编写自保程序限制加载系统(1)的总位移不超过线性位移传感器(31)的有效量程，通过线性位移传感器(31)来采集复合式结构在相应加载条件下的变形响应。
结束试验：待加载结束后，导出数据采集系统(3)得到的荷载及对应变形数据，拧松旋钮(22)并取下线性位移传感器(31)。通过加载系统(1)进行卸载，抬升联结轴(20)及压头(23)，取出试件。
处理数据：利用数据采集系统(3)导出的荷载及对应变形，按10％容许误差剔除样本奇异值，并按如下公式进行计算，得到复合式路面结构沥青层的回弹模量值。
式中：
fmax与fmin为数据采集系统(3)应力传感器得到的荷载峰值与谷值；
lmax与lmin为线性位移传感器(31)得到的fmax与fmin对应的变形峰值与谷值；
l为复合试件(24)沥青层厚度、r为压头(23)半径。
尽管已经示出和描述了本发明的一部分实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种刚柔复合试件沥青层回弹模量的测试装置，其特征在于：包括加载系统(1)、夹持系统(2)、数据采集系统(3)；所述的加载系统(1)是MTS液压伺服材料试验系统；所述的夹持系统(2)从上至下分别包括联结轴(20)、夹具(21)、旋钮(22)、压头(23)、卡座(25)和橡胶垫(26)，其中，联结轴(20)作为中转装置通过螺纹与加载系统(1)、夹具(21)、压头(23)紧密啮合，旋钮(22)通过螺纹与夹具(21)紧密啮合，卡座(25)通过强力胶牢固粘贴在复合试件刚柔分界区往下1/3处，橡胶垫(26)自然放置在复合试件(24)下；所述数据采集系统(3)不仅包括MTS试验机自带的荷载传感器和位移传感器，还包括夹具(21)和旋钮(22)所夹持的线性位移传感器(31)。
2.根据权利要求1所述的旋钮(22)，其特征在于：旋钮(22)为橡胶制品，且其与线性位移传感器(31)接触的一端为锯齿状凹面。
3.根据权利要求1所述的压头(23)，其特征在于：压头(23)为直径和厚度均为50±0.5mm的钢制圆柱体，且具有高强特性。
4.根据权利要求1所述的复合试件(24)，其特征在于：复合试件(24)为直径100±1mm的圆柱体，且刚性基层和沥青层的厚度分别为50±0.5mm和40±0.5mm。
5.根据权利要求1所述的橡胶垫(26)，其特征在于：橡胶垫(26)为直径100±1mm，厚度40±0.5mm的圆柱体，且其回弹模量为1000±200Mpa。
6.采用权利要求1至5任意一项所述的一种刚柔复合试件沥青层回弹模量的测试装置及方法进行试验测试的过程，其特征在于,包括以下步骤：
(1)、准备试件：对复合试件(24)端部处理，保持其光滑、平整，用强力胶将卡座(25)粘贴在复合试件(24)刚柔分界面往下1/3处，待粘贴牢固后，在试件底部垫一块橡胶垫(26)并自然放置于MTS加载设备上；
(2)、调整夹持系统：通过加载系统(1)上下调节联结轴(20)，使与之相连接的压头(23)与试件处于即将接触的临界状态，将线性位移传感器(31)垂直放入夹具(21)中，调节上下位置使传感器处于有效量程范围内，然后手动拧紧旋钮(22)，使其锯齿状凹面与线性位移传感器(31)充分接触、不产生相对变形；
(3)、回弹模量试验：操作加载系统(1),将荷载和位移清零后，通过加载系统(1)的应力传感器控制加载荷载大小、作用频率、加载波形等一系列参数，并编写自保程序限制加载系统(1)的总位移不超过线性位移传感器(31)的有效量程，通过线性位移传感器(31)来采集复合式结构在相应加载条件下的变形响应；
(4)、结束试验：待加载结束后，导出数据采集系统(3)得到的荷载及对应变形数据，拧松旋钮(22)并取下线性位移传感器(31)；通过加载系统(1)进行卸载，抬升联结轴(20)及压头(23)，取出试件；
(5)、处理数据：利用数据采集系统(3)导出的荷载及对应变形，按10％容许误差剔除样本奇异值，并按如下公式进行计算，得到复合式路面结构沥青层的回弹模量值；
E d = ( f m a x - f m i n ) × l π ( l max - l m i n ) × r 2
式中：
fmax与fmin为数据采集系统(3)应力传感器得到的荷载峰值与谷值；
lmax与lmin为线性位移传感器(31)得到的fmax与fmin对应的变形峰值与谷值；
l为复合试件沥青层厚度、r为压头半径。
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