CN110057674B - 一种无机结合料稳定材料静态直接拉伸回弹模量测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种无机结合料稳定材料静态直接拉伸回弹模量测试方法，属于公路材料检测领域。本发明采用直接拉伸实验，通过拉伸荷载与拉伸强度之间的正比关系，在试验中得到最大拉伸荷载，求得直接拉伸强度；采用直接拉伸强度数值分级数作用于试件中测定拉伸变形回弹量，绘制“回弹变形—拉应力”曲线，拟合得到一元二次函数，再通过计算得到静态直接拉伸回弹模量。本发明的方法能更直接反映静态直接拉伸回弹模量，为路面结构设计提供更直接的参考数据。
Description
技术领域
本发明涉及道路工程技术领域，特别涉及一种无机结合料稳定材料的静态直接拉伸回弹模量测试方法。
背景技术
无机结合料稳定材料主要用于道路工程中的路面基层，在路面结构设计中，基层的抗拉伸能力十分关键，往往控制并主导着设计结果。直接拉伸试验是一种准确获取无机结合料稳定材料拉伸回弹模量的重要方法，但由于我国现行无机结合料稳定材料试验规程中缺少直接拉伸回弹模量试验方法，路面设计时只能采用劈裂或弯曲试验等间接拉伸试验的回弹模量结果来代替，会导致设计结果出现较大偏差。此外，由于无机结合料稳定材料的特殊性，无法直接使用沥青混合料和水泥混凝土的直接拉伸回弹模量试验方法，需要针对无机结合料稳定材料的特点重新研究提出相应的试验方法。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种无机结合料稳定材料静态直接拉伸回弹模量试验方法，采用静态加载方式，用于获取无机结合料稳定材料的拉伸回弹模量，比现有的间接拉伸试验的回弹模量结果更能接近真实的拉伸回弹模量。
一种无机结合料稳定材料的静态直接拉伸回弹模量测试方法，包括如下顺序步骤：
(1)成型无机结合料稳定材料圆柱体试件，养生90或180天，在标准养生室中养生至规定龄期的前一天，测定圆柱体试件直径；
(2)采用胶黏剂将上加载板黏贴在试件的顶部，下加载板黏贴在试件的底部，
(3)将试件饱水养生24小时后取出擦干，将3或3个以上直线位移传感器分别固定于试件侧面中部位置得到待测试件，直线位移传感器在圆柱体试件径向等角度分布，且直线位移传感器测定位移方向为圆柱体试件的高度方向；
(4)确定无机结合料稳定材料的直接拉伸强度
1)将材料试验机与待测试件的上加载板连接，下加载板固定于基座上，调节直线位移传感器并清零，选择加载速率，施加拉伸试验荷载，直至试件破坏；
2)记录试件在整个拉伸试验过程中所承受的拉伸荷载F和产生的拉伸位移d，记录“荷载—位移”曲线；
3)根据“荷载—位移”曲线得到试件直接拉伸试验的最大荷载Fr，按式(1)计算待测试件的直接拉伸强度Rt；
式中：Rt——直接拉伸强度(MPa)；
Fr——最大拉伸荷载(N)；
D——试件直径(mm)；
(5)测定无机结合料稳定材料静态直接拉伸回弹模量
①.另取待测试件，将材料试验机与该待测试件的上加载板连接，下加载板固定于基座上，调节直线位移传感器并清零，
②.从零至Rt之间取不同值作为静态直接拉伸回弹模量试验的拉应力；
③.施加第1级静态直接拉伸试验的拉应力，待荷载作用一定时间记录传感器产生的拉伸变形l1a；卸去荷载，让试件的弹性变形恢复，记录卸载一定时间传感器的拉伸变形l1b；计算第1级直接拉伸试验荷载下的拉伸回弹变形l1＝l1a-l1b；同方法，记录多级拉应力与对应的拉伸回弹变形；
④.以拉应力为横坐标，以回弹变形为纵坐标，绘制“回弹变形—拉应力”曲线，
⑤.采用式(2)中的一元二次函数对该曲线进行拟合。
l＝ap2+bp+c (2)
式中：p——静态直接拉伸回弹模量试验的拉应力(MPa)；
l——静态直接拉伸回弹模量试验的拉伸回弹变形(mm)；
a、b、c——回归参数；
⑥.采用式(3)确定静态直接拉伸回弹模量Et；
式中：Et——静态直接拉伸回弹模量(MPa)；
Rt——直接拉伸强度(MPa)；
H——试件高度(mm)。
所述步骤(4)中待测试件有多个，步骤3)中计算多个待测试件的直接拉伸强度的平均值pr；所述步骤②中的拉应力值为从零至pr之间的不同值；所述步骤(5)中待测试件有多个，静态直接拉伸回弹模量计算为平均值。
所述步骤②中的拉应力分别为0.1pr、0.2pr、0.3pr、0.4pr、0.5pr、0.6pr。
所述步骤③中拉应力荷载作用60s记录传感器产生的拉伸变形l1a；卸去荷载，让试件的弹性变形恢复，记录卸载30s传感器的拉伸变形l1b。
所述直线位移传感器包括连接杆两端的接收器和固定块，所述接收器和固定块固定于试件侧面上、下垂直正对位置。
所述试件饱水前，在试件表面上、下各垂直正对位置黏贴一个U形钢帽，上、下U形钢帽之间的间距应大于集料最大粒径的4倍，所述接收器卡接于下U形钢帽内并通过固定螺丝与下钢帽固定连接，所述固定块沿连接杆移动到上钢帽位置并通过插销将连接杆与固定块固定连接，所述固定块卡接于U形钢帽内并与上钢帽通过固定螺丝固定。
所述直线位移传感器有三个均布于试件侧面中部，各直线位移传感器之间在试件径向呈120°夹角。
所述步骤(2)之前采用水泥净浆将试件顶部和底部抹平,所述步骤(3)中的饱水为将试件放在水槽中浸泡24h，使水面高出试件顶面25mm以上。
所述无机结合料稳定材料圆柱体试件中含水率4-7％，水泥含量4-6％，其它为碎石。
所述无机结合料稳定材料中碎石为细粒材料、中粒材料或粗粒材料，所述圆柱体试件直径×高度分别为φ100mm×200mm、φ100mm×200mm、φ150mm×300mm。
所述无机结合料稳定材料中碎石为细粒材料、中粒材料，制备试件个数为9个，部分试件用于直接拉伸强度测试，另一部分用于静态直接拉伸回弹模量测试；所述无机结合料稳定材料中碎石为粗粒材料制备试件个数为15个，部分试件用于直接拉伸强度测试，另一部分用于静态直接拉伸回弹模量测试。
本发明与现有技术采用间接拉伸方式测试无机结合料稳定材料静态拉伸回弹模量的劈裂实验不同，通过在试件轴向施加直接拉伸荷载的方式开展拉伸模量测定，与劈裂试验相比，本发明中试件的受力模式更加清晰，能够更加匹配无机结合料稳定材料在实际路面结构中的拉伸破坏模式。本发明采用直接拉伸实验，通过拉伸荷载与拉伸强度之间的正比关系，在试验中得到最大拉伸荷载，求得直接拉伸强度；采用直接拉伸强度数值分级数作用于试件中测定拉伸变形回弹值，绘制“回弹变形—拉应力”曲线，拟合得到一元二次函数，再通过计算得到静态直接拉伸回弹模量。与其他路面材料相比，无机结合料稳定材料具有抗压强度大、拉伸强度小、变形能力弱、易脆断等特殊性，无法直接使用沥青混合料和水泥混凝土的直接拉伸回弹模量测试方法，本发明针对无机结合料稳定材料的特点提出了一种直接拉伸回弹模量测试方法，进一步完善了无机结合料稳定材料的力学性能试验，可为我国现行规范的修订工作提供一定的参考和依据。
本发明的方法能更直接反映静态直接拉伸回弹模量，为路面结构设计提供更直接的参考数据。
附图说明
图1试件在测试过程中的连接示意图(主视图)，
图2试件在测试过程中的连接示意图(俯视图)，
图中各标号列示如下：
1—试件，2—下加载板，3—上加载板，4—连接螺杆，5—固定螺母，6—拉伸杆，7—钢帽，8—固定块，9—接收器，10—直线位移传感器，11—固定螺丝，12—插销，13-连接杆；
图3“荷载—位移”曲线，
图4“回弹变形—拉应力”曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明。
实施例1
以水泥稳定级配碎石为例，说明无机结合料稳定材料静态直接拉伸回弹模量试验方法的实施方式。
1)选择表1中的水泥稳定级配碎石CBG25级配开展重型击实试验，确定最佳含水率为5.5％，水泥剂量为6％。
表1水泥稳定级配碎石CBG25级配组成
| 筛孔(mm) | 26.5 | 19 | 13.2 | 9.5 | 4.75 | 2.36 | 1.18 | 0.6 | 0.3 | 0.15 | 0.075 |
| 通过率(％) | 99.9 | 83.4 | 68.1 | 57.9 | 40.2 | 24.9 | 16.6 | 10.7 | 6.9 | 5.5 | 4.1 |
2)成型15个直径×高度为φ150mm×300mm的圆柱体试件。
3)将步骤2)中试件放在标准养生室中进行养生，养生龄期为90d。
4)在第89d，将试件从标准养生室中取出，测量试件直径和高度。
5)采用水泥净浆将试件顶部和底部抹平。
6)采用胶黏剂将上加载板3黏贴在试件1的顶部，下加载板2黏贴在试件1的底部。
7)在位于试件侧面中部3条偏移角度为120°的平行直线上，沿竖直方向上、下各黏贴一个U形钢帽7，上、下钢帽之间的间距应大于集料最大粒径的4倍。
8)将7)中试件放在水槽中饱水24h。
9)将饱水24h的试件从水中取出，用布擦干后放置在材料试验机上，将3个直线位移传感器10分别安装于试件侧面中部3条偏移角度为120°的平行直线上的钢帽之间。
所述直线位移传感器包括连接杆13两端的接收器9和固定块8，所述接收器9卡接于下U形钢帽7内并通过固定螺丝11与下钢帽7固定连接，所述固定块8沿连接杆13上下移动至上钢帽7的位置并通过插销12将连接杆13与固定块8固定连接，所述固定块8卡接于U形钢帽7内并与上钢帽7通过固定螺丝11固定。如图1、2所示。
10)确定水泥稳定级配碎石CBG25的直接拉伸强度。
①.随机选取6个试件进行直接拉伸强度试验，
②.材料试验机的拉伸杆6通过固定螺母5与连接螺杆4的一端相连，连接螺杆4的另一端通过固定螺母5与上加载板3连接，下加载板2固定于基座上。调节直线位移传感器并清零，施加1mm/min的拉伸试验荷载，直至试件破坏。
③.采用计算机记录试件在整个拉伸试验过程中所承受的拉伸荷载F和产生的拉伸位移d，记录“荷载—位移”曲线。(图3)
④.根据“荷载—位移”曲线得到每个试件直接拉伸试验的最大荷载，计算直接拉伸强度，结果见表2。
表2直接拉伸强度试验结果
| 试件编号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | p<sub>r</sub> |
| 强度/MPa | 0.85 | 0.87 | 0.78 | 0.98 | 0.88 | 1.01 | 0.90 |
⑤.计算6个试件直接拉伸强度的平均值pr＝0.95MPa。
10)确定水泥稳定级配碎石CBG25的静态直接拉伸回弹模量。
①.从剩余的9个试件中任选一个，
②.将材料试验机与试件的上加载板连接，下加载板固定于基座上。调节直线位移传感器并清零。
③.取0.09MPa、0.18MPa、0.27MPa、0.36MPa、0.45MPa、0.54MPa作为静态直接拉伸回弹模量试验的拉应力。
④.施加第1级静态直接拉伸试验的拉应力0.09MPa，待荷载作用达60s时记录传感器产生的拉伸变形l1a＝0.53mm；卸去荷载，让试件的弹性变形恢复，记录卸载30s时传感器的拉伸变形l1b＝0.50mm；计算第1级直接拉伸试验荷载下的拉伸回弹变形l1＝l1a-l1b＝0.03mm。
⑤.重复步骤④的方法继续施加第2至第6级拉应力，计算得到第2至第6级拉应力下的拉伸回弹变形l2、l3、l4、l5、l6。
⑥.以拉应力为横坐标，以回弹变形为纵坐标，绘制“回弹变形—拉应力”曲线。(图4)
⑦.采用式(2)中的一元二次函数对该曲线进行拟合，拟合参数分别为：a＝-0.2315、b＝0.2871、c＝0.0075。
⑧.采用式(3)确定第1个试件的静态直接拉伸回弹模量E＝677MPa。
⑨.按照步骤①至步骤⑧确定其余8个试件的静态直接拉伸回弹模量，结果见表3。
表3静态直接拉伸回弹模量试验结果
| 试件编号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | E<sub>t</sub> |
| 模量/MPa | 677 | 630 | 711 | 701 | 725 | 655 | 696 | 712 | 778 | 698 |
⑩.计算9个试件静态直接拉伸回弹模量的平均值
标准差为：42MPa，变异系数为：6.1％，95％保证率下的静态直接拉回弹伸模量代表值为：698MPa-1.645×42MPa＝628MPa。
利用本发明可以通过实验测得水泥稳定级配碎石CBG25的静态直接拉伸回弹模量，可为路面设计与结构分析提供相应的材料参数。
Claims (8)
1.一种无机结合料稳定材料静态直接拉伸回弹模量测试方法，包括如下顺序步骤：
(1)成型无机结合料稳定材料圆柱体试件，养生90或180天，在标准养生室中养生至规定龄期的前一天，测定圆柱体试件直径；
(2)采用胶黏剂将上加载板黏贴在试件的顶部，下加载板黏贴在试件的底部，
(3)将试件饱水养生24小时后取出擦干，将3或3个以上直线位移传感器分别固定于试件侧面中部位置得到待测试件，直线位移传感器在圆柱体试件径向等角度分布，且直线位移传感器测定位移方向为圆柱体试件的高度方向；
(4)确定无机结合料稳定材料的直接拉伸强度
1)将材料试验机与待测试件的上加载板连接，下加载板固定于基座上，调节直线位移传感器并清零，选择加载速率，施加拉伸试验荷载，直至试件破坏；
2)记录试件在整个拉伸试验过程中所承受的拉伸荷载F和产生的拉伸位移d，记录“荷载—位移”曲线；
3)根据“荷载—位移”曲线得到试件直接拉伸试验的最大荷载Fr，按式(1)计算待测试件的直接拉伸强度Rt；
式中：Rt——直接拉伸强度(MPa)；
Fr——最大拉伸荷载(N)；
D——试件直径(mm)；
(5)测定无机结合料稳定材料静态直接拉伸回弹模量
①.另取待测试件，将材料试验机与该待测试件的上加载板连接，下加载板固定于基座上，调节直线位移传感器并清零，
②.从零至Rt之间取不同值作为静态直接拉伸回弹模量试验的拉应力；
③.施加第1级静态直接拉伸试验的拉应力，待荷载作用一定时间记录传感器产生的拉伸变形l1a；卸去荷载，让试件的弹性变形恢复，记录卸载一定时间传感器的拉伸变形l1b；计算第1级直接拉伸试验荷载下的拉伸回弹变形l1＝l1a-l1b；同方法，记录多级拉应力与对应的拉伸回弹变形；
④.以拉应力为横坐标，以回弹变形为纵坐标，绘制“回弹变形—拉应力”曲线，
⑤.采用式(2)中的一元二次函数对该曲线进行拟合，
l＝ap2+bp+c (2)
式中：p——各级静态直接拉伸回弹模量试验的拉应力(MPa)；
l——各级静态直接拉伸回弹模量试验的拉伸回弹变形(mm)；
a、b、c——回归参数；
⑥.采用式(3)确定静态直接拉伸回弹模量Et，
式中：Et——静态直接拉伸回弹模量(MPa)；
Rt——直接拉伸强度(MPa)；
H——试件高度(mm)；
所述直线位移传感器包括连接杆两端的接收器和固定块，所述接收器和固定块固定于试件侧面上、下垂直正对位置；
所述试件饱水前，在试件表面上、下各垂直正对位置黏贴一个U形钢帽，上、下U形钢帽之间的间距应大于集料最大粒径的4倍，所述接收器卡接于下U形钢帽内并通过固定螺丝与下钢帽固定连接，所述固定块沿连接杆上下移动至上钢帽位置并通过插销将连接杆与固定块固定连接，所述固定块卡接于U形钢帽内并与上钢帽通过固定螺丝固定。
2.根据权利要求1所述的测试方法，所述步骤(4)中待测试件有多个，步骤3)中计算多个待测试件的直接拉伸强度的平均值pr；所述步骤②中的拉应力值为从零至pr之间的不同值；所述步骤(5)中待测试件有多个，静态直接拉伸回弹模量计算为平均值。
3.根据权利要求2所述的测试方法，所述步骤②中的拉应力分别为0.1pr、0.2pr、0.3pr、0.4pr、0.5pr、0.6pr。
4.根据权利要求1所述的测试方法，所述步骤③中拉应力荷载作用60s记录传感器产生的拉伸变形l1a；卸去荷载，让试件的弹性变形恢复，记录卸载30s传感器的拉伸变形l1b。
5.根据权利要求1所述的测试方法，所述直线位移传感器有三个均布于试件侧面中部，各直线位移传感器之间在试件径向呈120°夹角。
6.根据权利要求1所述的测试方法，所述步骤(2)之前采用水泥净浆将试件顶部和底部抹平,所述步骤(3)中的饱水为将试件放在水槽中浸泡24h，使水面高出试件顶面25mm以上。
7.根据权利要求1所述的测试方法，所述无机结合料稳定材料圆柱体试件中含水率4-7％，水泥含量4-6％，其它为碎石。
8.根据权利要求7所述的测试方法，所述无机结合料稳定材料中碎石为细粒材料、中粒材料，所述圆柱体试件直径×高度为φ100mm×200mm，制备试件个数为9个，部分试件用于直接拉伸强度测试，另一部分用于静态直接拉伸回弹模量测试；所述无机结合料稳定材料中碎石为粗粒材料，所述圆柱体试件直径×高度为φ150mm×300mm，制备试件个数为15个，部分试件用于直接拉伸强度测试，另一部分用于静态直接拉伸回弹模量测试。
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