CN109187225A - 一种多用途界面剪切性能测试装置及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多用途界面剪切性能测试装置及其测试方法，包括环境箱和设置在环境箱内部的试验试件，其特征在于：所述试验试件四周设置有固定装置，所述试验试件水平面上设置有水平加载设备和水平位移传感器，试验试件垂直面上设置有竖向加载设备，所述水平加载设备与试验试件之间设置有水平力压头和水平应力传感器；所述竖向加载设备与试验试件之间设置有竖向力压头和竖向应力传感器，所述环境箱外部设置有控制器，所述控制器与水平应力传感器、竖向应力传感器和水平位移传感器之间电连接。本装置可实现剪切界面极限破坏与疲劳破坏性能数据的实时记录与监测从而完成测试。本发明可用于剪切界面力学性能的测试，试验数据可有效地评价路面铺装层间界面、不同介质材料剪切界面等多种复合结构的抗剪强度与剪切疲劳性能。

Description

一种多用途界面剪切性能测试装置及其测试方法

技术领域

本发明属于混凝土材料与结构性能研究领域，特别涉及一种多用途界面剪切性能测试装置及其测试方法。

背景技术

路面结构是由不同层次结构按照层状体系组合而成，界面抗剪切性能是确保多层复合结构力学性能的关键指标，良好的层间抗剪强度与抗剪耐久性对提高结构使用寿命发挥着至关重要的作用。在土木工程领域，特别是道路铺装结构方面，通过洒布粘结材料将不同结构体粘为整体，如通过洒布乳化沥青将沥青路面上、下层粘为整体，或通过洒布环氧沥青将钢桥面板与沥青铺装层粘为整体。然而，由于重载、气候环境及材料自身性能的影响，界面粘结层往往较易出现裂缝，从而导致沥青路面或桥面沥青铺装脱层病害。

现阶段对道路结构不同层次抗剪性能的测试方法较为单一，主要集中于采用拉拔试验与直剪、斜剪试验确定粘结层材料的极限破坏强度，在测试过程中往往忽视了环境温度与疲劳荷载作用的影响，导致抗剪切性能优异的复合结构在实际使用过程中过早出现层间断裂的情况。由此可见，设计一种新型界面剪切性能测试设备能有效地评价不同外界环境下的层间粘结状况。该设备需要具备以下优势：可调节的加载方式，能提供极限强度加载与疲劳性能加载两种模式，确保全方位地评估层间粘结状况；根据实际情况调整的竖向压力，用于模拟荷载作用过程中所造成的剪应力；用于模拟不同温度的加热装置，评估温度改变对层间粘结性能的影响。

发明内容

发明目的：针对现有技术中界面性能测试设备测试模式单一的的问题，提供一种有效地评价了铺装结构层间界面的抗剪切性能、抗疲劳性能，并实现不同环境温度的模拟，为评估普通路面结构与钢桥面铺装结构的层间粘结性能提供了有效测试技术的多用途界面剪切性能测试装置及其测试方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供一种多用途界面剪切性能测试装置，包括环境箱和设置在环境箱内部的试验试件，所述试验试件四周设置有固定装置，所述试验试件水平面上设置有水平加载设备和水平位移传感器，试验试件垂直面上设置有竖向加载设备，所述水平加载设备与试验试件之间设置有水平力压头和水平应力传感器；所述竖向加载设备与试验试件之间设置有竖向力压头和竖向应力传感器，所述环境箱外部设置有控制器，所述控制器与水平应力传感器、竖向应力传感器和水平位移传感器之间电连接。

进一步的，所述环境箱内设置有加热管和温度传感器，所述温度传感器与控制器之间电连接。

进一步的，所述固定装置包括底板和侧向支撑板，所述底板设置在试验试件底部，所述侧向支撑板通过紧固螺母固定设置在试验试件两侧，所述侧向支撑板与试验试件之间设置有试件固定杆。

进一步的，所述水平加载设备与水平力压头之间设置有水平杆，所述水平杆上设置有水平力传感器。

进一步的，所述竖向加载设备与竖向力压头之间设置有竖杆，所述竖杆上设置有竖向应力传感器。

进一步的，所述试验试件设置在底板正中。

进一步的，所述加热管固定于距离环境箱顶部2cm的位置。

一种如上所述的多用途界面剪切性能测试装置的测试方法，包括如下步骤：

(1)制备试验试件：制备复合结构试验试件，若测试混凝土层间剪切性能，采用车辙板模具首先碾压成型2.5cm厚度的下部结构，在下部结构表面涂抹粘结材料后，再于其上碾压成型2.5cm厚度的上部结构，待养生结束后切割为长5cm、宽5cm、高5cm的正方体复合结构试件；若测试混凝土与钢结构间的剪切性能，选取尺寸为长5cm、宽5cm、高2.5cm的钢块，其表面需喷涂环氧富锌漆，在其表面涂抹粘结材料后，置于车辙板模具中并于其上碾压成型2.5cm厚度的上部结构，待养生结束后切割为长5cm、宽5cm、高5cm的正方体复合结构试件。

(2)剪切性能测试准备：将制备好的试验试件置于底板正中位置，调节紧固螺母以确保试验试件完全固定；分别调节水平加载设备与竖向加载设备，使得水平压头、竖向压头与试验试件相接触，同时将水平位移传感器探针与试验试件上部结构相接触；通过加热管设定所需试验温度，并保持恒定。

(3)抗剪切性能测试：调节竖向加载设备向试验试件顶部施加规定恒定压力，通过控制器设置水平加载设备的加载方式并开始试验，通过水平应力传感器与水平位移传感器实时记录界面剪切破坏过程中的力学状况，获取粘结材料的极限抗剪强度、疲劳抗剪寿命与剪切断裂能的性能参数。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)本发明有效地评价了路面或钢桥面铺装结构层间抗剪性能，为层状体系结构的受力优化提供了测试方案与依据；

2)本发明实现极限强度加载与疲劳加载模式，可用于评估层间结构在复杂受力环境下的抗剪强度与抗剪切疲劳性能。

3)本发明可根据实际情况模拟不同环境温度，有利于评价不同温度对层间粘结材料性能的影响。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为固定装置的结构示意图；

图3为具体实施例中“力-位移”的变化曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。本发明描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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的前提下所得到的其他实施例，都属于本发明所保护的范围。

如图1-2所示，一种多用途界面剪切性能测试设备及其测试方法，该设备包括了加载系统、测试系统与控制系统，设备依次布置有水平加载设备1、环境箱2、竖向加载设备3、水平应力传感器4、竖向应力传感器5、加热管6、水平力压头7、竖向力压头8、紧固螺母9、试件固定杆10、底板11、试验试件12、水平位移传感器13、温度传感器14、侧向支撑板1与控制器16；

其中水平加载设备1固定于环境箱2外部，通过水平力压头7对试验试件12施加水平压力，并由水平应力传感器4实时记录试验数据；竖向加载设备固定于环境箱2上方或采用反力架置于环境箱2上方，通过竖向力压头8对试验试件12施加竖向压力，并由竖向应力传感器5控制竖向力保持恒定；测试系统置于环境箱2内部，底板11固定于环境箱2底部，并在底板11上设置侧向支撑板15，通过调节紧固螺母9使得试件固定杆10将试验试件12夹紧；试验试件12上部结构采用水平位移传感器13测定其在水平压力作用下的相对位移情况，以此作为层间相对位移；环境箱2中设置加热管6，并通过温度传感器14实时监控环境箱2内部的温度状况，以此模拟试验试件12在不同温度环境下界面剪切性能的变化情况；水平应力传感器4、竖向应力传感器5、水平位移传感器13与温度传感器14在试验中均与控制器16相连接，控制器16用于控制试验加载设备与温度设备的运行情况，并实时记录试验数据。

水平加载设备1置于环境箱2的外部，其加载量程为0-100kN，加载方式分为线性加载、1-100Hz频率半正弦波加载与1-100Hz频率脉冲加载，分别用于测试极限抗剪强度与疲劳抗剪强度。水平加载设备1通过直径为1.5cm的钢制水平杆与水平应力传感器4和水平力压头7相连，水平应力传感器4量程为0-100kN，精度为0.5N，水平力压头7为长、宽、厚分别为5cm、2.5cm、1cm的钢制矩形块。

竖向加载设备3加载量程为0-100kN，可通过直径为1.5cm的钢制竖杆与竖向应力传感器5和竖向力压头8相连，施加恒定的竖向固定压力，竖向应力传感器5量程0-100kN，精度为0.5N，竖向力压头8为长、宽、厚分别为5cm、5cm、1cm的钢制矩形块。

环境箱2为长20cm、宽20cm、高15cm的长方体容器，内部底部固定试验用尺寸为长15cm、宽15cm、厚1cm的底板11，试验试件12放置于底板11正中，并通过调节紧固螺母9使得试件固定杆10将试验试件12完全固定。试验试件12为双层结构，每层结构长5cm、宽5cm、高2.5cm，结构层间采用拟测试的剪切料进行剪切。

底板11上设置对称两组侧向支撑板15，间隔为8cm；侧向支撑板15为高2.5cm，长7cm、厚1.5cm的长方体钢块，并焊接间隔2cm的三角形加劲块，如图2所示。

水平位移传感器13固定于底板11上，其量程为0-10mm，精度为0.1mm。

加热管6固定于距离环境箱2顶部2cm位置，其最大功率2000W，可实现最高环境温度200℃的模拟；所述温度传感器14设置与环境箱2侧壁，可实时监控环境箱内温度的变化状况，并与控制器16相连接，实现对加热管6的控制以确保试验温度恒定。控制器16可进行试验条件预设与试验数据采集功能。

本发明方法在对路面复合结构进行层间抗剪切性能测试时，采用上述的测试设备。通过轮碾试验成型双层复合结构，并在其层间采用拟测试粘结材料进行涂抹。待养生结束后，脱模并切割为长、宽、厚分别为5cm、5cm与5cm的试验试件(每层结构厚度控制为2.5cm)，每组复合结构最少制备三个试验试件。将试验试件固定于环境箱内部底板，并将加热管加热到规定试验温度，待试验试件与环境箱温度稳定后即可调整加载状况进行试验。下述实例采用钢桥面铺装常用环氧沥青混凝土EA-10与改性沥青玛蹄脂碎石混凝土SMA-13作为复合结构沥青混凝土，两者层间采用热拌环氧树脂进行粘结，测试该复合结构层间抗剪性能，具体测试方法结合下述实施例阐述如下：

首先采用马歇尔设计法完成环氧沥青混凝土EA-10与改性沥青玛蹄脂碎石混凝土SMA-13的配合比设计，级配状况及油石比分别列于表1所示。

表1 EA-10与SMA-13沥青混凝土级配

根据上述级配与油石比，采用轮碾法成型沥青铺装层复合结构。首先，根据EA-10的筛孔百分率与油石比准备12000g左右的EA-10沥青混合料，均匀倒入复合结构的车辙板模具中并采用轮碾仪进行压实成型，其压实后的厚度控制为2.5cm。其次，将成型后的EA-10沥青铺装层连同车辙板模具置于25℃条件下养护24h，在其表面按照0.5kg/m²用量均匀涂刷热拌环氧树脂粘结料。最后，根据SMA-13的筛孔百分率与油石比准备12000g左右的SMA-13沥青混合料，均匀倒入涂有热拌环氧沥青粘结料的EA-10铺装结构上方，并继续采用轮碾法压实成型，获得“下面层2.5cm EA-10+热拌环氧树脂粘结层+上面层2.5cm SMA-13”复合铺装结构。

养生结束后，将复合结构进行脱模，并采用切割机切割为长5cm、宽5cm、高5cm的正方体复合结构试验试件12，每组结构至少准备3个复合结构试件作为试验对象。将试验试件12置于底板11正中，调整紧固螺母9使试件固定杆10将试验试件12牢牢固定。开启控制器16电源，调节水平加载设备1使得水平压头7与试验试件12上部结构相接触，调节竖向加载设备3使得竖向压头7与试验试件12表面相接触，同时将水平位移传感器13的探针与试验试件12上部结构想接触。打开加热管，条件温度恒定为60℃并将试验试件置于试验温度下2h，测试高温环境下铺装结构的层间抗剪切性能。

待试验试件12达到试验温度并保持稳定后，调节竖向加载设备3施加恒定压力，使试验试件12表面承受0.7MPa恒压。设定水平加载设备1施加水平方向恒定位移，记录“力-位移”变化曲线，如图3所示。

据此，可以得到铺装复合结构在高温条件下层间抗剪性能，从而为复合结构层间粘结性能的评估提供依据。

Claims (8)

1.一种多用途界面剪切性能测试装置，包括环境箱和设置在环境箱内部的试验试件，其特征在于：所述试验试件四周设置有固定装置，所述试验试件水平面上设置有水平加载设备和水平位移传感器，试验试件垂直面上设置有竖向加载设备，所述水平加载设备与试验试件之间设置有水平力压头和水平应力传感器；所述竖向加载设备与试验试件之间设置有竖向力压头和竖向应力传感器，所述环境箱外部设置有控制器，所述控制器与水平应力传感器、竖向应力传感器和水平位移传感器之间电连接。

2.根据权利要求1所述的一种多用途界面剪切性能测试装置，其特征在于：所述环境箱内设置有加热管和温度传感器，所述温度传感器与控制器之间电连接。

3.根据权利要求1所述的一种多用途界面剪切性能测试装置，其特征在于：所述固定装置包括底板和侧向支撑板，所述底板设置在试验试件底部，所述侧向支撑板通过紧固螺母固定设置在试验试件两侧，所述侧向支撑板与试验试件之间设置有试件固定杆。

4.根据权利要求1所述的一种多用途界面剪切性能测试装置，其特征在于：所述水平加载设备与水平力压头之间设置有水平杆，所述水平杆上设置有水平力传感器。

5.根据权利要求1所述的一种多用途界面剪切性能测试装置，其特征在于：所述竖向加载设备与竖向力压头之间设置有竖杆，所述竖杆上设置有竖向应力传感器。

6.根据权利要求1所述的一种多用途界面剪切性能测试装置，其特征在于：所述试验试件设置在底板正中。

7.根据权利要求1所述的一种多用途界面剪切性能测试装置，其特征在于：所述加热管固定于距离环境箱顶部2cm的位置。

8.一种如权利要求1-7所述的多用途界面剪切性能测试装置的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)制备试验试件：制备复合结构试验试件，若测试混凝土层间剪切性能，采用车辙板模具首先碾压成型2.5cm厚度的下部结构，在下部结构表面涂抹粘结材料后，再于其上碾压成型2.5cm厚度的上部结构，待养生结束后切割为长5cm、宽5cm、高5cm的正方体复合结构试件；若测试混凝土与钢结构间的剪切性能，选取尺寸为长5cm、宽5cm、高2.5cm的钢块，其表面需喷涂环氧富锌漆，在其表面涂抹粘结材料后，置于车辙板模具中并于其上碾压成型2.5cm厚度的上部结构，待养生结束后切割为长5cm、宽5cm、高5cm的正方体复合结构试件。

(2)剪切性能测试准备：将制备好的试验试件置于底板正中位置，调节紧固螺母以确保试验试件完全固定；分别调节水平加载设备与竖向加载设备，使得水平压头、竖向压头与试验试件相接触，同时将水平位移传感器探针与试验试件上部结构相接触；通过加热管设定所需试验温度，并保持恒定。

(3)抗剪切性能测试：调节竖向加载设备向试验试件顶部施加规定恒定压力，通过控制器设置水平加载设备的加载方式并开始试验，通过水平应力传感器与水平位移传感器实时记录界面剪切破坏过程中的力学状况，获取粘结材料的极限抗剪强度、疲劳抗剪寿命与剪切断裂能的性能参数。