CN110618033A - 一种道路材料拉伸性能的测试装置及测试方法 - Google Patents

一种道路材料拉伸性能的测试装置及测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种道路材料拉伸性能的测试装置及测试方法，其中，测试装置包括压力机，上、下加载板和上、下冲模压头，冲模压头为圆柱体冲模压头，上、下冲模压头之间放置有圆柱体试件，压力机设有底座，下加载板固定安装在底座上，压力机还设有用于测量冲模压头位移的千分表、用于设置加载速率的加油泵和用于显示荷载数据的显示面板；测试方法是将圆柱体试件垂直放置在上、下冲模压头之间，并使冲模压头与试件保持同轴，通过压力机施加荷载，使试件沿径向面劈裂拉伸破坏，且产生破坏锥体。与现有技术相比，本发明操作简单，不需要预先确定破坏面，能够得到道理材料的间接拉伸强度和应力应变破坏结果，从而真实反映道路材料的拉伸性能。

Description

一种道路材料拉伸性能的测试装置及测试方法
技术领域
本发明涉及道路材料性能测试领域，尤其是涉及一种道路材料拉伸性能的测试装置及测试方法。
背景技术
我国现行的公路工程行业标准包括《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20-2011)、《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTGE30-2005)、《公路工程土工合成材料试验规程》(JTGE50-2006)、《公路工程岩石试验规程》(JTGE 41-2005)、《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTGE51-2009)以及《公路工程土工合成材料试验规程》(JTGE50-2006)，上述行业标准中，对于道路材料的拉伸性能，多采用间接拉伸试验来测试沥青混合料抗拉性能。目前，间接拉伸试验通常采用劈裂试验，劈裂试验是在圆柱体试件的圆周侧面放入上下两根垫条，施加相对的线性荷载，沿试件直径方向产生破坏，由于劈裂试验采用的是上下垫条，试验时无法有效地确定好垫条与试件圆周侧面的抵触位置、不能有效地对试件施加荷载，从而对测试结果的准确性产生不良影响，而且在劈裂试验中，需要在试件中部划出劈裂面位置线，即试件的破裂面是预先确定的，因此传统的劈裂试验并不能反映道路材料真实的拉伸性能。
针对上述问题，本发明旨在提供一种道路材料拉伸性能的测试装置及测试方法，通过直观确定道路材料内部最薄弱的破裂面、测定道路材料的间接拉伸强度以及分析试件的应力应变破坏结果，以真实反映道路材料的拉伸性能。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种道路材料拉伸性能的测试装置及测试方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种道路材料拉伸性能的测试装置，包括压力机、加载板和冲模压头，所述冲模压头为圆柱体冲模压头，所述加载板包括上加载板和下加载板，所述冲模压头包括上冲模压头和下冲模压头，所述上、下冲模压头之间放置有圆柱体试件，所述压力机通过上加载板施加荷载给上冲模压头，所述压力机设有底座，所述下加载板固定安装在底座上，所述压力机还设有千分表、加油泵和显示面板，所述千分表用于测量冲模压头位移，所述加油泵用于设置加载速率，所述显示面板用于显示荷载数据。
进一步地，所述冲模压头的半径与试件半径的比值为ρa，其中，ρa＝1/4。
进一步地，所述试件高度与试件半径的比值为κ，其中，1≤κ≤2。
进一步地，所述冲模压头为钢冲模压头。
一种道路材料拉伸性能的测试方法，包括以下步骤：
S1、将试件垂直放置在下加载板上，之后在试件的底部与下加载板之间放入下冲模压头，在试件的顶部与上加载板之间放入上冲模压头，调整上、下冲模压头的位置，使上、下冲模压头与试件互相抵触、且对中保持同轴；
S2、设置压力机的加载速率，通过上加载板均匀施加荷载给上冲模压头，由上冲模压头将施加的荷载传递给试件；
S3、记录压力机加载过程中冲模压头位移数据以及对应的荷载数据，直至试件被破坏，此时记录的荷载数据呈现为逐渐减小的趋势；
S4、停止压力机加载，取出被破坏的试件，从被破坏的试件上取出破坏圆锥体，其中，破坏圆锥体位于试件与上、下冲模压头抵触的位置；
S5、根据记录的冲模压头位移数据以及对应的荷载数据，得到加载过程中最大荷载数据；
S6、根据最大荷载数据，计算得到试件的双冲模强度，即为试件的间接拉伸强度；
S7、测量破坏圆锥体的锥角角度，得到破坏锥角角度α，根据试件泊松比与破坏锥角的关系，分析得到试件的应力应变破坏结果，完成测试。
进一步地，所述步骤S6中双冲模强度的计算公式为：
其中，κ表示试件高度与试件半径的比值，v表示试件的泊松比，P表示最大荷载数据，R表示试件的半径。
进一步地，所述步骤S7中试件泊松比与破坏锥角的关系为：当α＞90°，随着泊松比增大，破坏锥角角度减小，表明试件剪应力破坏；
当60°＜α≤90°，随着泊松比增大，破坏锥角角度增大，表明试件拉应变破坏；
当α≤60°，随着泊松比增大，破坏锥角角度减小，表明试件拉应力破坏。
进一步地，所述步骤S2中压力机加载速率为2mm/min。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、本发明采用双冲模圆柱体压头，通过对试件的垂直方向施加荷载，能够方便快速地保证冲模压头与试件同轴，操作简单，不需要预先确定试件的破坏面，通过压力机加载使试件沿径向面劈裂拉伸破坏，加载后的破坏面即为试件的最弱面。
二、本发明基于双冲模压头贯入的测试方法，根据记录的最大荷载数据，能够计算得到试件的间接拉伸强度；根据测试得到的破坏圆锥体，能够得到试件的应力应变破坏结果，从而真实地反映出试件的拉伸性能。
附图说明
图1为本发明测试装置的部分结构示意图；
图2为本发明测试方法的流程示意图；
图3为实施例中测试简化模型图；
图4为实施例中测试得到的间接拉伸强度拟合值与传统理论计算值的对比示意图；
图5为实施例中试件破坏特征图；
图6为实施例中试件破坏三维结构示意图；
图7为泊松比与破坏锥角的关系示意图；
图8为实施例中荷载与冲模压头位移的曲线示意图。
图中标记说明：1、压力机，2、上冲模压头，3、下冲模压头，4、上加载板，5、下加载板，6、底座，7、试件。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示，一种道路材料拉伸性能的测试装置，包括压力机1、加载板和冲模压头，其中，冲模压头为圆柱体的钢冲模压头，加载板包括上加载板4和下加载板5，冲模压头包括上冲模压头2和下冲模压头3，上冲模压头2与下冲模压头3之间放置有圆柱体试件7，压力机1通过上加载板4施加荷载给上冲模压头2，压力机1设有底座6，下加载板5固定安装在底座6上，此外，压力机1还设有用于测量冲模压头位移的千分表、用于设置加载速率的加油泵和用于显示荷载数据的显示面板。
应用上述测试装置对道路材料进行拉伸性能进行测试的方法，如图2所示，包括以下步骤：
S1、将试件垂直放置在下加载板上，之后在试件的底部与下加载板之间放入下冲模压头，在试件的顶部与上加载板之间放入上冲模压头，调整上、下冲模压头的位置，使上、下冲模压头与试件互相抵触、且对中保持同轴；
S2、设置压力机的加载速率，通过上加载板均匀施加荷载给上冲模压头，由上冲模压头将施加的荷载传递给试件；
S3、记录压力机加载过程中冲模压头位移数据以及对应的荷载数据，直至试件被破坏，此时记录的荷载数据呈现为逐渐减小的趋势；
S4、停止压力机加载，取出被破坏的试件，从被破坏的试件上取出破坏圆锥体，其中，破坏圆锥体位于试件与上、下冲模压头抵触的位置；
S5、根据记录的冲模压头位移数据以及对应的荷载数据，得到加载过程中最大荷载数据；
S6、根据最大荷载数据，计算得到试件的双冲模强度，即为试件的间接拉伸强度；
S7、测量破坏圆锥体的锥角角度，得到破坏锥角角度α，根据试件泊松比与破坏锥角的关系，分析得到试件的应力应变破坏结果，完成测试。
本实施例中，圆柱体试件为混凝土试件，试件的直径和高度均为150mm，上冲模压头和下冲模压头的直径均为37.5mm，按现有规范(静压法、振动压实或者旋转压实法等)成型圆柱体试件，也可以从轮碾机成型的板块试件上用钻芯机取试件，试件尺寸应符合要求，试件成型后脱模，用游标卡尺量取试件4个对称位置的高度，最高部位与最低部位的高差超过2mm时，试件应作废。
将试件至于压力机底座上垂直放置，并在上、下加载板与圆柱体试件之间分别放置上、下钢冲模压头，冲模压头与圆柱体试件对中保持同轴，以2mm/min的加载速率均匀加载直至圆柱体试件破坏。
具体的，图3所示为本发明的测试简化模型示意图，冲模压头半径为a，圆柱体试件的半径为R，高度为2h。测试简化模型上下对称，以圆柱体试件的中心作为柱坐标原点，半径方向为r轴，垂直方向为z轴，ρ＝r/R，ψ＝z/h，κ＝h/R，ρa＝a/R，其中，κ称之为圆柱体试件高径比，ρa称之为压径比。圆柱体的外侧为自由边部，在不计冲模压头与试件间水平摩阻条件下，端面边界的一个条件为剪应力为零，另一为应力和位移混合边界条件，在冲模压头区内竖向位移为w0，冲模压头区外竖向应力为零。端面的第二个边界条件在解析解中难以明确，为此将竖向位移条件改用冲模压头的竖向分布荷载集度代替。并利用ψ＝0处的对称条件，双冲试件的边界条件可表示：
式(1)中冲模压头的竖向分布荷载集q(ρ)是未知的，假设其分布形式如下：
式(2)中P为冲模压头荷载总量，mq为荷载分布参数，荷载分布参数mq需要通过试算确定，试算条件为在ρ≤ρa范围内，试件表面竖向位移为一常量，即有w(ρ,1)＝w0。
可满足圆柱体试件外侧面及顶面应力边界，且ψ＝0具有对称性的圆柱体弹性问题乐甫位移函数如式(3)所示：
式(3)中ηm＝mπ/κ，λn＝ξnκ，其中，Jn(*)为n阶贝塞尔函数，In(*)为n阶虚贝塞尔函数，ξn为一阶贝塞尔函数的零点。
通过对式(3)求导，可得圆柱体试件的切向应力σr、切向应力σθ、竖向应力σz、径向位移u，竖向位移w的表达式。
将ψ＝1处边界条件展开为关于J0(ξnρ)的傅里叶-贝塞尔级数，ρ＝1处边界条件展开为正弦[sin(mπψ)]傅里叶级数，代入边界条件整理得到如下的等式：
其中：
当径向傅里叶-贝塞尔级数取m0项，竖向傅里叶级数取n0项，式(3)共有2(m0+n0+1)个待定常数：A0、A1、…、Am0，B1、…、Bm0，C0、C1、…、Cn0，D1、…、Dn0，式(4)则有2(m0+n0+1)个线性方程，因此，利用式(4)的线性方程组可解得式(3)中所有的待定常数。
在ρa＝0.25，κ＝1～2的范围内，泊松比v＝0.1～0.5的最大拉应力可以采用式(5)进行计算，实施例中测试得到的间接拉伸强度拟合值ft,1/4与传统理论计算结果的关系如图4所示，式(5)的拟合程度值为0.996，与传统理论计算结果的平均绝对误差为1.67％，误差范围在-6.7％～4.2％，其中，ft,1/4为圆柱体试件的双冲模强度，即圆柱体试件的间接拉伸强度：
测试之后，双冲破坏的圆柱体试件与冲模压头抵触的部位产生了破坏锥体，其破坏特征见图5，对破坏之后的圆柱体试件进行三维重构，结果如图6所示，测试结果为圆柱体试件沿几个径向面劈裂拉伸破坏，并在圆柱体试件与冲模压头相抵触的部位形成一个破坏锥体，破坏锥体的顶点位置即为破坏萌生位置，其可能出现在最大剪应力位置，亦可能出现在轴线上最大拉应变或最大拉应力的位置。
圆柱体试件破裂后形成的锥体的顶角为锥角，记为α。图7为压径比ρa＝1/4的条件下，不同高径比及不同破坏假设条件下，泊松比与破坏锥角大小的关系。从图7中可以看到不同的锥角顶点萌生破坏条件对锥角的影响较大，最大剪应力破坏形成的锥角大于拉应变破坏形成的锥角，拉应变破坏形成的锥角大于拉应力破坏形成的锥角。因此可以在测试中通过对破坏行成的锥角角度对锥角顶点形成的破坏机理进行判断。若破坏角度大于90°，可能是最大剪应力破坏，若破坏角度在60°到90°之间则可能是拉应变破坏，若破坏角度小于60°则可能为拉应力破坏。
本实施例的测试数据如表1所示：
表1
整理表1中的测试数据，得到图8所示的荷载与冲模压头位移的曲线示意图，从图中可知，随着压力机施加的荷载增大，冲模压头的贯入位移量逐渐增加，同时荷载急剧增加，达到峰值后荷载又急剧下降。记录的峰值荷载即为破坏极限荷载P，由式(5)即可计算得到圆柱体试件双冲模强度，即圆柱体试件的间接拉伸强度。
综上所述，本发明提出一种双冲模压头贯入的测试装置及测试方法，与普通圆柱劈裂测试相比，测试操作简单，且能得到真实可靠的道路材料拉伸强度。

Claims (8)

1.一种道路材料拉伸性能的测试装置，其特征在于，包括压力机、加载板和冲模压头，所述冲模压头为圆柱体冲模压头，所述加载板包括上加载板和下加载板，所述冲模压头包括上冲模压头和下冲模压头，所述上、下冲模压头之间放置有圆柱体试件，所述压力机通过上加载板施加荷载给上冲模压头，所述压力机设有底座，所述下加载板固定安装在底座上，所述压力机还设有千分表、加油泵和显示面板，所述千分表用于测量冲模压头位移，所述加油泵用于设置加载速率，所述显示面板用于显示荷载数据。
2.根据权利要求1所述的一种道路材料拉伸性能的测试装置，其特征在于，所述冲模压头的半径与试件半径的比值为ρa，其中，ρa＝1/4。
3.根据权利要求1所述的一种道路材料拉伸性能的测试装置，其特征在于，所述试件高度与试件半径的比值为κ，其中，1≤κ≤2。
4.根据权利要求1所述的一种道路材料拉伸性能的测试装置，其特征在于，所述冲模压头为钢冲模压头。
5.一种道路材料拉伸性能的测试方法，其特征在于，该方法应用权利要求1所述的测试装置，以测试道路材料拉伸性能，所述的方法包括以下步骤：
S1、将试件垂直放置在下加载板上，之后在试件的底部与下加载板之间放入下冲模压头，在试件的顶部与上加载板之间放入上冲模压头，调整上、下冲模压头的位置，使上、下冲模压头与试件互相抵触、且对中保持同轴；
S2、设置压力机的加载速率，通过上加载板均匀施加荷载给上冲模压头，由上冲模压头将施加的荷载传递给试件；
S3、记录压力机加载过程中冲模压头位移数据以及对应的荷载数据，直至试件被破坏，此时记录的荷载数据呈现为逐渐减小的趋势；
S4、停止压力机加载，取出被破坏的试件，从被破坏的试件上取出破坏圆锥体，其中，破坏圆锥体位于试件与上、下冲模压头抵触的位置；
S5、根据记录的冲模压头位移数据以及对应的荷载数据，得到加载过程中最大荷载数据；
S6、根据最大荷载数据，计算得到试件的双冲模强度，即为试件的间接拉伸强度；
S7、测量破坏圆锥体的锥角角度，得到破坏锥角角度α，根据试件泊松比与破坏锥角的关系，分析得到试件的应力应变破坏结果，完成测试。
6.根据权利要求5所述的一种道路材料拉伸性能的测试方法，其特征在于，所述步骤S6中双冲模强度的计算公式为：
其中，κ表示试件高度与试件半径的比值，v表示试件的泊松比，P表示最大荷载数据，R表示试件的半径。
7.根据权利要求5所述的一种道路材料拉伸性能的测试方法，其特征在于，所述步骤S7中试件泊松比与破坏锥角的关系为：当α＞90°，随着泊松比增大，破坏锥角角度减小，表明试件剪应力破坏；
当60°＜α≤90°，随着泊松比增大，破坏锥角角度增大，表明试件拉应变破坏；
当α≤60°，随着泊松比增大，破坏锥角角度减小，表明试件拉应力破坏。
8.根据权利要求5所述的一种道路材料拉伸性能的测试方法，其特征在于，所述步骤S2中压力机加载速率为2mm/min。
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