CN107884294A - 一种路面材料疲劳性能测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种路面结构性能的测试方法，尤其涉及一种基于小型加速加载试验装置的路面材料疲劳性能测试方法，包括以下步骤：制备试验所需的各结构组合的复合疲劳试件；将复合疲劳试件放置于试验槽内，对复合疲劳试件进行加热并保温；通过加载的轮胎对加热完成的复合疲劳试件进行不同压强和行走速率下的加载，并记录加载过程中复合疲劳试件的应变、荷载与加载时间。本发明中的技术方案克服了现有的疲劳性能测试存在的缺陷，提高了检测精度，从而更加适于实用，且具有产业上的利用价值。

Description

一种路面材料疲劳性能测试方法

技术领域

本发明涉及一种路面结构性能的测试方法，尤其涉及一种基于小型加速加载试验装置的路面材料疲劳性能测试方法。

背景技术

沥青路面疲劳问题是我国沥青路面存在的主要问题，研究者们通过室内疲劳试验和加速加载试验，来对路面的抗疲劳性能进行研究。目前，用于评价路面材料抗疲劳性能的室内试验方法较多，主要有弯曲疲劳试验、直接拉伸疲劳试验和间接拉伸疲劳试验等，然而运用这些设备，只能对沥青混合料试件的疲劳性能进行研究，不能反映出路面结构的实际状态；并且这些设备加载方式与实际路面荷载作用相差较大，因此不能真实反映沥青路面的抗疲劳性能。

为了能更加真实模拟路面实际受力状态，国内外学者对加速加载试验展开了研究。到目前为止，加速加载试验系统主要分为两大类：足尺加速加载试验系统和小型加速加载设备。

足尺加速加载试验系统，能够直接与实际路面行车状态建立联系，从而真实反映交通荷载作用下路面性能的变化规律。然后足尺设备耗时较长，研究周期较长，并且试验的成本较高，需要投入大量的资金，并且使用过程复杂，不便于操作，因此无法得到广泛的运用和推广。

小型加速加载试验系统能够对实际沥青路面和室内沥青混合料试件进行性能研究。目前具有代表性的小型加速加载试验系统是由南非茨瓦尼理工大学Hugo院士于1993年研制开发的MMLS3加速加载试验系统，其设备的体积小，轻巧方便且易于操作。然而这种运用这种试验系统进行疲劳性能研究时，存在以下不足：只能对单一沥青混合料圆柱形试件进行研究，无法对沥青路面结构层进行疲劳性能研究，且无法实时监测路面结构层中的应变变化情况，因此不能精确确定沥青路面疲劳应变。

有鉴于上述现有的沥青路面材料与结构性能测试所存在的缺陷，本发明人基于从事此类产品设计制造多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以期创设一种基于小型加速加载试验装置的路面材料疲劳性能测试方法，使其更具有实用性。经过不断的研究、设计，并经反复试作样品及改进后，终于创设出确具实用价值的本发明。

发明内容

本发明的主要目的在于，克服现有的疲劳性能测试存在的缺陷，而提供一种基于小型加速加载试验的路面材料疲劳性能测试方法，提高检测精度，从而更加适于实用，且具有产业上的利用价值。

本发明解决其技术问题的技术方案是：一种路面材料疲劳性能测试方法，包括以下步骤：

1.1制备试验所需的各结构组合的复合疲劳试件；所述复合疲劳试件的制备过程包括步骤实现：

1.1.1成型各结构层的沥青混合料；

1.1.2在各层沥青混合料试件底部布设应变片，底层板除外；

1.1.3在各层沥青混合料表面涂刷黏结层，顶面层除外；

1.1.4将各层沥青混合料，按照自上而下的方式，依次组合，形成各结构组合的复合疲劳试件；

1.2将复合疲劳试件放置于试验槽内，对复合疲劳试件进行加热并保温；

1.3通过加载的轮胎对步骤1.2中加热完成的复合疲劳试件进行不同压强和行走速率下的加载，并记录加载过程中复合疲劳试件的应变、荷载与加载时间。

进一步地，各结构层的沥青混合料通过轮碾法成型，当对复合疲劳试件进行加载时轮胎的行走方向与轮碾法成型时碾压方向一致。

进一步地，步骤1.1.2中，在各层沥青混合料试件底部布设应变片前，需在室温下静置24小时。

进一步地，步骤1.1.3中，黏结层为乳化沥青层。

进一步地，步骤1.2中，加热温度范围为-15℃~70℃。

进一步地，步骤1.3中，压强设置范围为0~0.95Mpa。

进一步地，步骤1.3中，行走速率范围为0-30次/min。

进一步地，步骤1.1.1中，各结构层的沥青混合料试件的长宽均为300mm，厚度为40~100mm。

进一步地，步骤1.2中，保温时间为4~6小时。

进一步地，试验槽侧面及底面通过隔热层包裹。

采用了上述技术方案后，本发明具有以下的有益效果：

1、本发明中的路面材料疲劳性能测试方法能够测定不同温度条件下的路面材料的抗疲劳性能；

2、本发明中采用复合疲劳试件来进行模拟，能够较为真实地反映实际路面结构的疲劳性能；

3、本发明中通过在各结构层层底设置的应变片，可实现各层沥青混合料试件应变值的实时采集，便于分析路面材料的疲劳性能；

4、本发明中能够实现多组试件的同时试验，能够同时模拟多种不同路面结构组合形式；

5、本发明中通过采用小汽车充气轮胎作为试验轮，能够较为真实的模拟实际路面上的荷载作用情况；

6、本发明中采用隔热层包裹试验槽侧面及底面，使热量从试件上部向下传递，能够真实模拟路面在实际使用中的热量传递方式。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例中小型曲柄式路面加速加载试验设备的结构主视图；

图2为图1中小型曲柄式路面加速加载试验的结构左视图；

图3为图1中小型曲柄式路面加速加载试验的结构右视图；

图4为实施例中小型曲柄式路面加速加载试验设备中试验轮组与气动悬浮结构的连接示意图；

图5为实施例中小型曲柄式路面加速加载试验设备中气动悬浮结构的结构示意图；

图6为实施例中小型曲柄式路面加速加载试验设备中保护装置张开时的结构示意图；

图7为实施例中小型曲柄式路面加速加载试验设备中保护装置闭合时的结构示意图；

附图标记：整体框架1、顶部框架11、底部框架12、立柱13、动力装置2、电机21、涡轮减速器22、传动装置3、试验轮组4、支撑结构41、轮体42、导向轴43、纵向加载机构5、气动悬浮结构6、外壳体61、内壁62、进气腔体63、保护装置7、左抱箍71、右抱箍72、转轴73、环状体74、承载带75、卡合结构76、控制箱8、支座9。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。

实施例一

一种路面材料疲劳性能测试方法，包括以下步骤：

1.1采用轮碾成型仪制备试验所需的各结构组合的复合疲劳试件，具体制备步骤如下：

1.1.1采用试验特制的试模，按照规范规定的轮碾法成型各结构层的沥青混合料，分别成型4cmSMA-13、6cmAC-20和8cmAC-25型沥青混合料；

1.1.2室温下静置24小时后，设置数据采集区间，在SMA-13和AC-20沥青混合料试件底部中央位置布设应变片；

1.1.3在AC-20和AC-25沥青混合料试件表面涂刷黏结层，其中，黏结层为乳化沥青层；

1.1.4将各层沥青混合料，按照自上而下的方式，依次组合，形成4cmSMA-13+6cmAC-20+8cmAC-25复合疲劳试件；

1.2重复上述步骤，制备4个平行试件，将复合疲劳试件放置于试验槽内，并调节设备底座进行调平，对复合疲劳试件进行加热并保温，设定加热温度为15℃，保温时间为6小时，为使热量从试件上部向下传递，能够真实模拟路面在实际使用中的热量传递方式，试验槽侧面及底面通过隔热层包裹；

1.3通过加载的轮胎对步骤1.2中加热完成的复合疲劳试件进行加载；加载初始，使轮胎与试件中央部位接触，对复合疲劳试件进行加载时轮胎的行走方向与轮碾法成型时碾压方向一致，其中，压强值为0.7MPa，行走速率范围为30次/min；

1.4开始运行，在加载过程中记录复合疲劳试件的应变、荷载与加载时间，并计算荷载作用次数n，例如当作用时间为1000min时，n=30*1000=30000（次）；最后绘制应变ε-荷载作用次数n曲线，对各试件进行疲劳性能分析。

实施例二

一种路面材料疲劳性能测试方法，包括以下步骤：

1.1采用轮碾成型仪制备试验所需的各结构组合的复合疲劳试件，具体制备步骤如下：

1.1.1采用试验特制的试模，按照规范规定的轮碾法成型各结构层的沥青混合料，分别成型4cmAC-13和10cmEME-14型沥青混合料；

1.1.2室温下静置24小时后，设置数据采集区间，在AC-13沥青混合料试件底部中央位置布设应变片；

1.1.3在EME-14沥青混合料试件表面涂刷黏结层，其中，黏结层为乳化沥青层；

1.1.4将各层沥青混合料，按照自上而下的方式，依次组合，形成4cmAC-13+10cmEME-14复合疲劳试件；

1.2重复上述步骤，制备4个平行试件，将复合疲劳试件放置于试验槽内，并调节设备底座进行调平，对复合疲劳试件进行加热并保温，设定加热温度为15℃，并进行保温6小时，为使热量从试件上部向下传递，能够真实模拟路面在实际使用中的热量传递方式，试验槽侧面及底面通过隔热层包裹；

1.3通过加载的轮胎对步骤1.2中加热完成的复合疲劳试件进行加载；加载初始，使轮胎与试件中央部位接触，通过压力传感器了解接触压力大小，当接触压力显示示数时，则表明接触成功，然后进行置零，其中，对复合疲劳试件进行加载时轮胎的行走方向与轮碾法成型时碾压方向一致，压强值为0.95MPa，行走速率范围为30次/min；

1.4开始运行，在加载过程中记录复合疲劳试件的应变、荷载与加载时间，并计算荷载作用次数n，例如当作用时间为1000min时，n=30*1000=30000（次）；最后绘制应变ε-荷载作用次数n曲线，对各试件进行疲劳性能分析。

实施例三

一种路面材料疲劳性能测试方法，包括以下步骤：

1.1采用轮碾成型仪制备试验所需的各结构组合的复合疲劳试件，具体制备步骤如下：

1.1.1采用试验特制的试模，按照规范规定的轮碾法成型各结构层的沥青混合料，分别成型4cmSMA-13、6cmAC-20和8cmAC-25型沥青混合料；

1.1.2室温下静置24小时后，设置数据采集区间，在SMA-13和AC-20沥青混合料试件底部中央位置布设应变片；

1.1.3在AC-20和AC-25沥青混合料试件表面涂刷黏结层，其中，黏结层为乳化沥青层；

1.1.4将各层沥青混合料，按照自上而下的方式，依次组合，形成4cmSMA-13+6cmAC-20+8cmAC-25复合疲劳试件；

1.2重复上述步骤，制备4个平行试件，将复合疲劳试件放置于试验槽内，并调节设备底座进行调平，对复合疲劳试件进行加热并保温，设定加热温度为45℃，并进行保温6小时；

1.3通过加载的轮胎对步骤1.2中加热完成的复合疲劳试件进行加载；加载初始，使轮胎与试件中央部位接触，通过压力传感器了解接触压力大小，当接触压力显示示数时，则表明接触成功，然后进行置零，其中，对复合疲劳试件进行加载时轮胎的行走方向与轮碾法成型时碾压方向一致，压强值为0.7MPa，行走速率范围为30次/min，即1.8m/s；

1.4开始运行，在加载过程中记录复合疲劳试件的应变、荷载与加载时间，并计算荷载作用次数n，例如当作用时间为1000min时，n=30*1000=30000（次）；最后绘制应变ε-荷载作用次数n曲线，对各试件进行疲劳性能分析。

实施例四

一种路面材料疲劳性能测试方法，包括以下步骤：

1.1采用轮碾成型仪制备试验所需的各结构组合的复合疲劳试件，具体制备步骤如下：

1.1.1采用试验特制的试模，按照规范规定的轮碾法成型各结构层的沥青混合料，分别成型4cmAC-13、6cmAC-20和6cmAC-25型沥青混合料；

1.1.2室温下静置24小时后，在AC-13和AC-20沥青混合料试件底部中央位置布设应变片；

1.1.3在AC-20和AC-25沥青混合料试件表面涂刷黏结层，其中，黏结层为乳化沥青层；

1.1.4将各层沥青混合料，按照自上而下的方式，依次组合，形成4cmSMA-13+6cmAC-20+6cmAC-25复合疲劳试件；

1.2重复上述步骤，制备4cmSMA-13+6cmAC-20+6cmAC-25、4cmSMA-13+6cmEME-14+6cmAC-25以及4cmAC-13+10cmEME-14的3种路面结构的复合疲劳试件，将上述3种复合疲劳试件放置于试验槽内，并调节设备底座进行调平，对复合疲劳试件进行加热并保温，设定加热温度为15℃，并进行保温6小时；

1.3通过加载的轮胎对步骤1.2中加热完成的复合疲劳试件进行加载；加载初始，使轮胎与试件中央部位接触，通过压力传感器了解接触压力大小，当接触压力显示示数时，则表明接触成功，然后进行置零，其中，对复合疲劳试件进行加载时轮胎的行走方向与轮碾法成型时碾压方向一致，压强值为0.7MPa，行走速率范围为30次/min，即1.8m/s；

1.4开始运行，在加载过程中记录复合疲劳试件的应变、荷载与加载时间，并计算荷载作用次数n，例如当作用时间为1000min时，n=30*1000=30000（次）；最后绘制应变ε-荷载作用次数n曲线，对各试件进行疲劳性能分析。

本发明中的路面材料疲劳性能测试方法基于以下小型曲柄式路面加速加载试验装置实现，如图1~3所示，上述小型曲柄式路面加速加载试验装置包括整体框架1、动力装置2、传动装置3、试验轮组4和纵向加载机构5；整体框架1用于对动力装置2进行支撑，动力装置2通过传动装置3带动试验轮组4沿整体框架1水平往复运动，纵向加载机构5用于在加载轮组4往复运动中，对其提供向下的纵向力，从而对复合疲劳试件进行不同压强下的加载；其中，传动装置3为曲柄连杆结构，曲柄连杆机构由曲柄、连杆组和曲轴等零部件组成，曲柄共4根，两两相连，两根曲柄中间采用曲轴连杆进行活动连接，可以环绕360度，曲柄连杆机构分别与动力装置2以及试验轮组4连接，采用螺栓固定，可拆卸，从而牵引轮胎的运行。

整体框架1包括水平设置的顶部框架11和底部框架12，以及竖直设置的立柱13，立柱13用于连接顶部框架11和底部框架12，且其顶部超出顶部框架11顶部。其中顶部框架11横向纵向各两根，共四根，横向框架长3145mm，纵向框架为695mm，位于动力装置2顶部；立柱13共4根，长为1040mm，，其高出顶部框架1的设置便于设备提拉；底部框架12与顶部框架11相同，横向纵向各两根，共四根；为了便于动力装置2的安装，还设置有中部横梁，共有两根，长为1265mm，位于动力装置2一侧，用来固定动力装置2；底部框架12的4个角设有底座9，底座9尺寸为75mm*75mm*58.88mm，便于调平和安放设备；整体框架1均采用80mm*120mm的方管，壁厚4mm，上述框架采用焊接的方式构成整体；整体框架1还设有配重添加处，可以通过设置立柱和添加铁块来增加额外配重。

纵向加载机构5包括电动泵以及千斤顶，试验轮组4包括与整体框架1滑动连接的支撑结构41，以及安装于支撑结构41上的轮体42；其中，电动泵与加载轮组4的支撑结构41固定连接，千斤顶与电动泵固定连接，用于通过电动泵的控制来调节轮体42相对于支撑结构41的竖直距离，从而调节轮体42对于被测试件表面施加的压力值，轮体42为小汽车充气轮胎，轮胎有花纹，内径72mm，宽度为220mm，能够较为真实的模拟实际汽车轮胎在路面上的作用。

曲柄式路面加速加载试验装置还包括控温装置，用于对疲劳试件进行不同温度下的加载，控温装置与整体框架1固定连接，用于对待加载试件进行温度控制；控温装置包括暖风机和保温结构，暖风机共四个，用螺钉安装于纵向加载机构5一侧，纵向加载机构5前后各安装两个，用于对待加载试件进行加热，保温结构用于对暖风机所释放的热量进行保温，保温结构直接与整体框架1连接，采用密封材料进行密封，保温结构采用耐火、耐高温、保温效果好的硬质泡沫塑料板，保温结构围设成用于放置符合疲劳试件的试验槽。

动力装置2包括电机21和涡轮减速器22；其中涡轮减速器22由蜗轮、蜗轮箱、滚珠轴承、出入轴、马达连续盘、蜗杆和出力轴盖等构成，其它小配件包括油封、油栓、扣环、密式油封、O型环、六角承窝头螺丝、双圆键和牛皮纸垫片等；涡轮减速器22安装于中部横梁上，采用焊接加螺栓的组合方式进行安装，并且与曲柄采用轴承连杆的方式连接，电机21外接电源线。

试验轮组4与整体框架1滑动连接，试验轮组4上固定设置有导向轴43，整体框架1上设置有气动悬浮结构6，气动悬浮结构6分别设置于导向轴43两端，用于对导向轴43在竖直平面内的位置进行限位；其中，气动悬浮结构6包括外壳体61和内壁62，外壳体61和内壁62之间设置有进气腔体63，内壁62围设成供导向轴43穿设的出气腔体，通过出气腔体的设置，使得导向轴43沿周向受力均匀，当轮体42受到任意方向的力时，均可以通过环状的气体进行抵消，保证了导向轴43的对中性，同时避免了因为轮体42的颠簸而造成的连接件损坏，出气腔体与导向轴43之间所形成的气体环为导向轴43的运动提供的缓冲空间，其中，内壁62上并列设置有若干出气环64，出气环64由聚拢型导向部65自进气腔体63引出，多条并列设置的出气环64使得对导向轴43的力更加均匀，即使其中个别出气环64堵塞时仍能保证导向轴43的有效支撑，通过聚拢型的结构可增出风压力，增加稳定效果。

为了防止气动悬浮结构6失效时因导向轴43的坠落所引起的设备损坏；导向轴43两端设置有保护装置7，保护装置7包括左抱箍71和右抱箍72，二者关于转轴73转动，且闭合后形成用于将导向轴43外围抱死的环状体74；其中，左抱箍71和右抱箍72中用于形成环状体74的两曲面通过承载带75连接，左抱箍71和右抱箍72顶部设置有卡合结构76；当气动悬浮结构6失效时，导向轴43因重力下落，在下落的过程中被承载带75所阻挡，承载带75因受到导向轴43向下的力而拉动左抱箍71和右抱箍72相向运动，二者靠拢，因惯性的存在，卡合结构76在此过程中闭合，从而环状体74将导向轴43抱死，为了保证抱死的稳定性，在环状体74内壁上可设置弹性材料，增加抱紧力，当解除抱死时，只需打开卡合结构76即可，其中，卡合结构76可采用多种卡扣类形式，易于实现。

曲柄式路面加速加载试验装置还包括控制箱8，控制箱8与整体框架1固定连接，控制箱8分别与动力装置2、纵向加载机构5和控温装置电连接；控制箱8主要包括集成电路，信号接收器与触屏控制面板等，外置于整体框架，设有位移、温度传感线接口，且触屏控制面板可用于设置控温装置的加热温度、纵向加载机构5施加的压力值和动力装置2的工作频率等。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种路面材料疲劳性能测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

1.1制备试验所需的各结构组合的复合疲劳试件；所述复合疲劳试件的制备过程包括步骤实现：

1.1.1成型各结构层的沥青混合料；

1.1.2在各层沥青混合料试件底部布设应变片，底层板除外；

1.1.3在各层沥青混合料表面涂刷黏结层，顶面层除外；

1.1.4将各层沥青混合料，按照自上而下的方式，依次组合，形成各结构组合的复合疲劳试件；

1.2将所述复合疲劳试件放置于试验槽内，对所述复合疲劳试件进行加热并保温；

1.3通过加载的轮胎对步骤1.2中加热完成的所述复合疲劳试件进行不同压强和行走速率下的加载，并记录加载过程中复合疲劳试件的应变、荷载与加载时间。

2.根据权利要求1所述的路面材料疲劳性能测试方法，其特征在于，各结构层的沥青混合料通过轮碾法成型，当对所述复合疲劳试件进行加载时所述轮胎的行走方向与轮碾法成型时碾压方向一致。

3.根据权利要求1所述的路面材料疲劳性能测试方法，其特征在于，步骤1.1.2中，在各层沥青混合料试件底部布设应变片前，需在室温下静置24小时。

4.根据权利要求1所述的路面材料疲劳性能测试方法，其特征在于，步骤1.1.3中，所述黏结层为乳化沥青层。

5.根据权利要求1所述的路面材料疲劳性能测试方法，其特征在于，步骤1.2中，所述加热温度范围为-15℃~70℃。

6.根据权利要求1所述的路面材料疲劳性能测试方法，其特征在于，步骤1.3中，所述压强设置范围为0~0.95Mpa。

7.根据权利要求1所述的路面材料疲劳性能测试方法，其特征在于，步骤1.3中，所述行走速率范围为0-30次/min。

8.根据权利要求1所述的路面材料疲劳性能测试方法，其特征在于，步骤1.2中，保温时间为4~6小时。

9.根据权利要求1所述的路面材料疲劳性能测试方法，其特征在于，步骤1.2中，所述试验槽侧面及底面通过隔热层包裹。