CN110715866A - 沥青混凝土结构土工织物夹层剪切模量测试装置及测试方法 - Google Patents

沥青混凝土结构土工织物夹层剪切模量测试装置及测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一个用于沥青混凝土结构土工织物夹层剪切模量的测试装置及测试方法，测试剪切模量时，待测沥青混凝土结构试件位于两块侧夹板之间，通过固定于两侧夹板的加载弹簧对待测试件施加所需的侧压力，循环剪切荷载通过加载板施加，由循环剪切力产生的相对位移由四个位移传感器监测，整个测试装置由两根固定梁及固定螺栓实现与基座的连接。依据试件的尺寸，所施加的荷载，位移传感器所记录的相对位移可计算得出土工织物夹层在特定测试温度、加载频率、和侧压力条件下的剪切模量。所提出的测试装置结构简单，造价低，测试方法易于掌握。本发明解决了沥青混凝土结构中土工织物夹层在不同温度、侧压力、和加载频率条件下剪切模量测试方面的难题。

Description

沥青混凝土结构土工织物夹层剪切模量测试装置及测试方法
技术领域
本发明涉及土工织物性能测试技术领域，尤其涉及一种用于沥青混凝土结构土工织物夹层剪切模量测试装置及测试方法。
背景技术
沥青是一种普遍使用的道路结构面层胶结材料，其力学特性与温度密切相关。在寒区，沥青路面结构施工完成以后，随着时间和荷载次数的增加，沥青材料会逐渐老化，老化会导致沥青材料慢慢失去延展性。在冬季，由于低温和延展性的不足，沥青路面会出现有规律分布的横向收缩裂缝，横向裂缝的出现不但影响行车的舒适性，还会将地表水引入道路结构，并对不同结构层产生进一步的破坏。由于具有较高的抗拉性能，土工织物经常被用于沥青混凝土路面结构层中来预防或减缓温缩裂缝的产生。铺设土工织物时，通常需要在原路面结构层上喷洒液态沥青来加强土工织物与道路结构层的粘结和整体性。土工织物夹层的引入会改变道路的结构特性。因此，在某些需要频繁加减速的路段使用土工织物夹层时，道路结构的设计需要土工织物夹层的剪切模量。
剪切模量是沥青混凝土结构中土工织物夹层的重要力学指标。然而，目前为止，国内外还未有相应的装置以及方法能够测量沥青混凝土结构中土工织物夹层在不同温度、侧压力、和加载频率条件下的剪切模量。设计一种用于沥青混凝土结构土工织物夹层剪切模量测试装置及测试方法是土工织物测试技术领域亟待解决的问题之一。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单、造价低的测试装置及一个测试方法来解决沥青混凝土结构土土工织物夹层在不同温度、侧压力、和加载频率条件下的剪切模量测试方面的难题。
本发明的技术方案为：测试剪切模量时，待测沥青混凝土结构试件位于两块侧夹板之间，通过固定于两侧夹板的加载弹簧对待测试件施加实验所需的侧压力，循环剪切荷载通过与试件中间沥青混凝土块粘接的加载板施加，试验过程中由循环剪切力产生的相对位移由四个位移传感器监测，整个测试装置由两根固定梁及固定螺栓实现与基座的连接。
所述的沥青混凝土结构试件分五层，分别为沥青混凝土、土工织物夹层、沥青混凝土、土工织物夹层、和沥青混凝土，两个土工织物夹层为剪切模量待测层。
所述的两个侧夹板内表面刻有等间距、0.2～2mm深的凹槽，凹槽在侧夹板上的分布区域为试件的尺寸的100％～120％，侧夹板底部有板脚，两侧夹板边缘位置分别设有2个加载弹簧安装孔。
所述的加载弹簧末端配有固定螺栓，通过调节固定螺栓实现不同侧压力的施加。
所述的加载板两端设有螺纹导孔，下部与待测试件粘接，上部通过螺纹导孔实现与加载装置的连接。
所述的两根在中间位置设有导孔的固定梁，固定梁的两端分别压住两侧夹板的板脚，固定梁中部通过螺栓连接于基座。
所述的四个布设于试件表面的位移传感器用来量测试件中间沥青混凝土块相对于两侧沥青混凝土块的位移，位移传感器及其固定装置均布设于沥青混凝土块的边缘。
一种用于沥青混凝土结构土工织物夹层剪切模量的测试方法，通过沥青混凝土结构试件制备、试件与夹具的组合粘接、加载板和位移测量装置的安装、侧压力施加、循环荷载的施加、数据采集、和数据分析实现沥青混凝土结构土工织物夹层剪切模量的测试，具体包括以下步骤：
步骤一：制备沥青混凝土结构试件。
步骤二：将沥青混凝土结构试件用环氧树脂粘接于左侧夹板和右侧夹板上设有刻槽的中间位置；环氧树脂硬化过程中用两个加载弹簧及其固定螺栓施加5kPa的侧压力。
步骤三：将加载板用环氧树脂粘接于待测试件的中间沥青混凝土块部分，用环氧树脂将位移传感器接触板固定支架和位移传感器固定支架分别粘接于待测试件表面，安装位移传感器。
步骤四：将两根固定梁放置于用左侧夹板和右侧夹板的板脚并用固定螺栓将两个侧夹板及待测试件固定于底座。
步骤五：将加载板与力学试验机的压头用螺栓连接。
步骤六：调节加载弹簧固定螺栓来实现侧压力的施加。
步骤七：通过力学试验机的压头和加载板对待测试件的中间沥青混凝土块部分在特定频率(如：1Hz，0.5Hz，0.1Hz，0.05Hz，和0.01Hz等)下施加100个垂直循环荷载，试验过程中，压头所施加力的大小和待测试件的中间沥青混凝土块部分相对于两侧的位移由压力传感器和位移传感器实时记录并存储于数据采集仪中。
步骤八：根据实验结果计算土工织物夹层在特定温度、侧压力、和加载频率条件下的剪切模量，
Figure BSA0000192817270000021
式中：G为土工织物夹层的剪切模量，F为施加的竖向荷载，Δl为中间沥青混凝土块相对于两侧沥青混凝土块的位移，为所记录的100个循环中最后五个循环位移传感器所记录的平均相对位移，h为土工织物夹层的厚度，A为土工织物夹层的面积。
本发明提供了一种沥青混凝土结构土工织物夹层剪切模量测试装置及测试方法，实现了土工织物夹层在不同温度、侧压力、和加载频率条件下剪切模量的测试。其主要优点在于：一次试验可以对两个对称的土工织物夹层的剪切模量进行测试，对称的设置方法可以有效地抵消单个夹层剪切所带来的侧向作用力，提高了剪切模量的测试精度；四个位移传感器的布设可以有效的抵消相对位移的不均匀性对测量精度的影响；加载弹簧及其固定螺栓的使用可以在试验过程中模拟不同侧向荷载条件下土工织物夹层的剪切行为；测试装置小巧，且易于与其它传统的加载装置以及环境箱整合使用。
附图说明
图1为本发明的一种混凝土结构土工织物夹层剪切模量的测试装置结构示意图；
图2为本发明的一种混凝土结构土工织物夹层剪切模量的测试装置结构斜视图；
图3为本发明的一种混凝土结构土工织物夹层剪切模量的测试装置侧夹板示意图；
图4为本发明的一种混凝土结构土工织物夹层剪切模量的测试装置的沥青混合料结构试件加载前示意图；
图5为本发明的一种混凝土结构土工织物夹层剪切模量的测试装置的沥青混合料结构试件加载后示意图；
其中，1、加载板，2、左侧夹板，3、右侧夹板，4、沥青混凝土，5、位移传感器固定支架，6、塑胶螺丝，7、位移传感器，8、土工织物夹层，9、弹簧固定螺栓，10、加载弹簧，11、位移传感器接触板，12、位移传感器接触板固定支架，13、固定螺栓，14、固定梁，15、基座。
具体实施方式
下面，通过具体实施例并结合附图来对本发明的技术方案进行详细说明。
参照图1-3，本发明提出了一种沥青混凝土结构土工织物夹层剪切模量的测试装置及测试方法。测试装置包括：左侧夹板2、右侧夹板3和加载弹簧10及其固定螺栓9，混凝土结构试件4放置于左侧夹板2和右侧夹板3中间。
沥青混凝土结构试件从左到右依次分成五个部分，分别为：沥青混凝土4、土工织物夹层8、沥青混凝土4、土工织物夹层8、和沥青混凝土4。
沥青混凝土结构试件通过环氧树脂与左侧夹板2和右侧夹板3实现连接。设于侧夹板内表面的凹形刻槽可以提供较大的摩阻力来保证试件在剪切过程中不与左侧夹板2和右侧夹板3的接触面出现滑移。
加载板1与加载设备的压头通过螺栓连接，加载设备通过电机驱动，通过对待测试件中间沥青混凝土4部分施加使试件中部上下移动的垂直循环荷载来实现对土工织物夹层8的剪切。
与加载板1连接的压头进一步与压力传感器相连接，压力传感器将试验过程中所记录的力传送至数据采集仪。
四个加载弹簧固定螺栓9通过螺栓在两侧夹板边缘中间位置实现与两侧夹板的连接。为减少侧应力的不均匀性，侧夹板孔布设于试件高度方向的中间位置并对称分布。
两根加载弹簧10直接挂在固定螺栓9的端部，不同的侧应力可通过固定螺栓9来调节实现。
四个位移传感器固定支架5分别布设于待测试件的中间沥青混凝土4，为保证相对位移测量的精确性，位移传感器支架5应贴近中间沥青混凝土块的边缘，传感器支架6应对称布置。为提高相对位移的代表性，位移传感器固定支架5的安装位置应使位移量测部分位于试件的中间。
四个位移传感器7分别穿过其相应的固定支架5并通过固定支架上的塑胶螺丝6实现固定，固定位移传感器7前应适当调节位移传感器7的伸缩长度使其位于量程中间以便测量不同方向的位移。安装后的位移传感器7的伸缩方向应与竖向加载方向平行。
两个位移传感接触板11通过环氧树脂与位移传感器接触板固定支架12实现胶结，胶结可以保证在试验过程中，接触板11不会出现滑动，因此有利于提高位移的测量精度。
两根位于左侧夹板2和右侧夹板3脚上的固定梁14通过螺栓13与基座15实现刚性连接以确保垂直的循环荷载能够顺利施加。
依据试件的尺寸，所施加的荷载，位移传感器所记录的相对位移可计算得出土工织物夹层在特定测试温度、加载频率、和侧压力条件下的剪切模量。
实施例
如图1、图2所示，本发明提出的一种沥青混凝土结构土工织物夹层剪切模量的测试装置，实施剪切模量测量包括如下具体步骤：
1.量测待测试件中土工织物夹层的面积(0.0202m2)和厚度(1.89mm)。
2.将制备好的沥青混凝土结构试件的两侧沥青混凝土4分别用环氧树脂粘接于左侧夹板2和右侧夹板3上设有刻槽的中间位置；粘接和环氧树脂硬化过程中，需要注意左侧夹板2和右侧夹板3要始终保持对齐；待测试件的下方需放置支撑物以防止在环氧树脂没有完全硬化的条件下试件因自身重力作用而向下滑动；为保证待测试件与左侧夹板2和右侧夹板3的紧密贴合，环氧树脂硬化过程中还需安装两个加载弹簧10及其固定螺栓9并施加约5kPa的侧压力。
3.将加载板1用环氧树脂粘接于待测试件的中间沥青混凝土4。
4.待环氧树脂完全硬化后，将试件侧置，即图1迎面朝上，背面朝下；再用环氧树脂将位移传感器接触板固定支架12和位移传感器固定支架5分别粘接于待测试件的迎面。待环氧树脂完全硬化后，将试件倒置，即背面朝上，迎面朝下。再用环氧树脂将位移传感器接触板固定支架12和位移传感器固定支架5分别粘接于沥青混凝土结构试件的背面。
5.待环氧树脂完全硬化后，将待测试件如图2放置，将两个位移传感器接触板11分别用环氧树脂胶结于迎面和背面的位移传感器接触板固定支架12上方，在待测试件的迎面和背面安装两个位移传感器7并调节传感器7的位置使其位于量程中间以便测量不同方向的位移；伸长量调整好后，用塑胶螺丝6来固定位移传感器7的位置使其与不产生与其固定支架5的相对滑移。
6.将两根固定梁14放置于用左侧夹板2和右侧夹板3的板脚并用固定螺栓13将左侧夹板2和右侧夹板3固定于底座15。
7.调节力学试验机的压头高度使其底面与加载板1的顶面重合并用螺栓连接。
8.将环境箱的温度设定至试验温度(10℃)，待测试件置于环境箱8小时。
9.调节弹簧固定螺栓9的位置来改变加载弹簧10的长度来实现侧压力(10kPa)的施加。
10.通过力学试验机的压头和加载板1对待测试件的中间沥青混凝土块部分施加垂直循环荷载，试验可在不同加载频率下进行，试验过程中，压头所施加力的大小和待测试件的中间沥青混凝土4部分相对于两侧的位移由压力传感器和位移传感器7实时记录并存储于数据采集仪中。
11.分析数据计算得到土工织物夹层在10℃，10kPa侧压力、不同加载频率下的剪切模量。
加载频率 剪切力(N) 剪应变1 剪应变2 剪应变3 剪应变4 剪切模量(kPa)
1 350 0.0026 0.0015 0.0025 0.0027 7464
0.5 282 0.0031 0.0019 0.0033 0.0036 4724
0.1 247 0.0081 0.0048 0.0083 0.0079 1674
0.05 162 0.0053 0.0032 0.0057 0.0053 1646
0.01 96 0.0084 0.0072 0.0082 0.0090 578
上述说明是示例性的，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以同等替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。在不偏离所说明的实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说，许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (8)

1.一种用于沥青混凝土结构土工织物夹层剪切模量的测试装置，其特征在于待测沥青混凝土结构试件位于两块侧夹板之间，通过固定于两侧夹板的加载弹簧及其螺栓对待测试件施加实验所需的侧压力，循环剪切荷载通过与试件中间沥青混凝土块粘接的加载板施加，试验过程中由剪切产生的相对位移由四个位移传感器监测，整个测试装置由两根固定梁及固定螺栓实现与基座的连接。
2.根据权利要求1所述的沥青混凝土结构土工织物夹层剪切模量的测试装置，其特征在于，所使用的沥青混凝土结构试件分五层，分别为沥青混凝土、土工织物夹层、沥青混凝土、土工织物夹层、和沥青混凝土。
3.根据权利要求1所述的沥青混凝土结构土工织物夹层剪切模量的测试装置，其特征在于，两个侧夹板内表面刻有等间距、0.2～2mm深的凹槽，凹槽在侧夹板上的分布区域为试件的尺寸的100％～120％，侧夹板底部有板脚，两侧夹板边缘位置分别设有2个加载弹簧安装孔。
4.根据权利要求1所述的沥青混凝土结构土工织物夹层剪切模量的测试装置，其特征在于，加载弹簧末端配有固定螺栓，通过调节固定螺栓实现不同侧压力的施加。
5.根据权利要求1所述的沥青混凝土结构土工织物夹层剪切模量的测试装置，其特征在于，加载板两端设有螺纹导孔，下部与待测试件粘接，上部通过螺纹导孔实现与加载装置的连接。
6.根据权利要求1所述的沥青混凝土结构土工织物夹层剪切模量的测试装置，其特征在于，两根在中间位置设有导孔的固定梁，固定梁的两端分别压住两侧夹板的板脚，固定梁中部通过螺栓连接于基座。
7.根据权利要求1所述的沥青混凝土结构土工织物夹层剪切模量的测试装置，其特征在于，通过四个布设于试件表面的位移传感器来量测试件中间沥青混凝土块相对于两侧沥青混凝土块的位移，位移传感器及其固定装置均布设于沥青混凝土块的边缘。
8.一种用于沥青混凝土结构土工织物夹层剪切模量的测试方法，其特征在于通过沥青混凝土结构试件制备、试件与夹具的组合粘接、加载板和位移测量装置的安装、侧压力施加、循环荷载的施加、数据采集、和数据分析实现沥青混凝土结构土工织物夹层剪切模量的测试，具体包括以下步骤：
步骤一：制备沥青混凝土结构试件。
步骤二：将沥青混凝土结构试件用环氧树脂粘接于左侧夹板和右侧夹板上设有刻槽的中间位置；环氧树脂硬化过程中用两个加载弹簧及其固定螺栓施加5kPa的侧压力。
步骤三：将加载板用环氧树脂粘接于待测试件的中间沥青混凝土块部分，用环氧树脂将位移传感器接触板固定支架和位移传感器固定支架分别粘接于待测试件表面，安装位移传感器。
步骤四：将两根固定梁放置于用左侧夹板和右侧夹板的板脚并用固定螺栓将两个侧夹板及待测试件固定于底座。
步骤五：将加载板与力学试验机的压头用螺栓连接。
步骤六：调节加载弹簧固定螺栓来实现侧压力的施加。
步骤七：通过力学试验机的压头和加载板对待测试件的中间沥青混凝土块部分在特定频率(如：1Hz，0.5Hz，0.1Hz，0.05Hz，和0.01Hz等)下施加100个垂直循环荷载，试验过程中，压头所施加力的大小和待测试件的中间沥青混凝土块部分相对于两侧的位移由压力传感器和位移传感器实时记录并存储于数据采集仪中。
步骤八：根据实验结果计算土工织物夹层在特定温度、侧压力、和加载频率条件下的剪切模量，
Figure FSA0000192817260000021
式中：G为土工织物夹层的剪切模量，F为施加的竖向荷载，Δl为中间沥青混凝土块相对于两侧沥青混凝土块的位移，为所记录的100个循环中最后五个循环位移传感器所记录的平均相对位移，h为土工织物夹层的厚度，A为土工织物夹层的面积。
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