CN111398049A - 测试受冻含水沥青混合料的双向温缩应力和冻胀应力装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测试受冻含水沥青混合料的双向温缩应力和冻胀应力装置，包括钢筒，所述钢筒的中间位置放置了马歇尔试件，在所述钢筒的前、后、左、右四个侧面对称的设置了至少两组平行的调节螺杆，所述调节螺杆的中间位置通过螺母与所述钢筒的侧壁垂直相连，位于钢筒内部的一端与马歇尔试件的侧表面接触；还包括两组应力传递钢板组件和若干个压力传感器，所述应力传递钢板组件分别与马歇尔试件的上下表面和侧面连接，所述的压力传感器与应力传递钢板组件相连或设置在所述调节螺杆和马歇尔试件的接触面之间。通过采用本装置所获得的应力变化曲线，能够为混合料在受冻全过程的应力变化规律提供参考。

Description

测试受冻含水沥青混合料的双向温缩应力和冻胀应力装置

技术领域

本发明属于建筑材料工程测试装置领域，具体涉及一种测试受冻含水沥青混合料的双向温缩应力和冻胀应力装置。

背景技术

季节性冻土地区在我国有较大的面积分布，遍及我国北方10余个省，占国土面积的50％以上。在季冻区，随着大气温度的季节性变化，沥青路面反复经历冻融循环作用，极易出现开裂、坑槽等病害，导致其路用性能大大降低。

沥青混合料冻融破坏的实质是多因素综合作用下，空隙中水冰相变、水分迁移致使材料内部物理、宏观力学性能不断损伤劣化疲劳失效的结果。由于组成沥青混合料冻结和融化的含冰混合料、水、空气等多相介质具有不同的热物理特性和缩胀率，当温度降低时，饱水混合料体积收缩，而空隙水凝冰膨胀，易引起跨集料边界缩胀失调；由于混合料的非连续特性，在集料及微空隙间产生显著的冻胀力不能得到有效传递释放而在粗集料界面附近易发生应力集中，当冻胀力超过沥青-集料界面粘结力失效阈值时会迫使内部微裂纹萌生、扩展，损伤也相继形成；当温度上升时，混合料内部凝冰开始融化，同时伴随着冻胀力的消散和迁移水对沥青-集料界面的侵蚀剥落损伤。多次冻融循环之后，沥青混合料累积耗散能逐渐降低，导致其物理力学性能产生不可逆衰减，疲劳残余寿命也大打折扣。

发明内容

针对上述问题，本发明设计了一种同步测试受冻含水沥青混合料温度收缩应力和冻胀应力的装置，通过对沥青混合料竖向和水平向的应力的监测，得到含水沥青混合料受冻全过程双向的应力变化曲线，为季冻区沥青混合料的设计提供参考。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种测试受冻含水沥青混合料的双向温缩应力和冻胀应力装置，包括钢筒，所述钢筒的中间位置放置了马歇尔试件，所放置的马歇尔试件的顶面高于钢筒的顶面，在所述钢筒的前、后、左、右四个侧面对称的设置了至少两组平行的调节螺杆，所述调节螺杆的中间位置通过螺母与所述钢筒的侧壁垂直相连，位于钢筒内部的一端与马歇尔试件的侧表面接触；还包括两组应力传递钢板组件和若干个压力传感器，所述应力传递钢板组件分别与马歇尔试件的上下表面和侧面连接，所述的压力传感器与应力传递钢板组件相连或设置在所述调节螺杆和马歇尔试件的接触面之间。

作为本发明的进一步改进，所述应力传递钢板组件包括两条平行设置的传递钢板和与一根连接螺杆，所述的传递钢板一端与马歇尔试件的表面接触，另一端延伸至筒壁外侧与所述的连接螺杆垂直连接在所述连接螺杆的中间位置放置了压力传感器。

作为本发明的进一步改进，两组所述应力传递钢板与马歇尔试件之间采用点粘的方式接触。

作为本发明的进一步改进，所述马歇尔试件的侧面与所述传递钢板接触的位置被加工为矩形平面。

作为本发明的进一步改进，包括4个设置在所述调节螺杆和马歇尔试件的接触面之间的压力传感器，所述的4个压力传感器在空间上采用不对称的方式设置。

作为本发明的进一步改进，还包括设置在马歇尔试件的上表面与钢筒顶盖之间的压力传感器。

作为本发明的进一步改进，还包括静态应变测试仪，所述的静态应变测试仪与压力传感器相连，用于实时接收所监测的压力值。

作为本发明的进一步改进，所述压力传感器选自LY-350型电阻式土压力盒，所述的静态应变测试仪采用的型号为DH-3818。

作为本发明的进一步改进，所述的马歇尔试件通过各个调节螺杆的相互配合调节与钢筒的中心轴共线放置。

作为本发明的进一步改进，还包括垫块，所述的垫块设置在所述钢筒底面的中心，所述的马歇尔试件放置在所述的垫块上。

本发明的有益效果：本装置能够实现在室内实时同步测试含水沥青混合料受冻全过程双向的温度收缩应力和冻胀应力，分析沥青混合料受冻全程温缩应力和冻胀应力的方向差异性；根据本装置所获得的应力变化曲线，能够为混合料在受冻全过程的应力变化规律提供参考。

附图说明

图1为本发明装置的整体结构示意图；

图2为本发明装置在无顶盖状态下的俯视图；

图3为对实施例中的试件进行测试所得到的双向应力变化曲线；

其中：1-钢筒，2-垫块，3-马歇尔试件，4-调节螺杆，5-压力传感器，6-螺母，7-传递钢板，8-连接螺杆，9-顶盖。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1和2所示的本发明所设计的装置，包括钢筒1，所述钢筒1的中间位置放置了马歇尔试件3，所放置的马歇尔试件3的顶面高于钢筒1的顶面，可通过放置在钢筒1的底面上的垫块2调节马歇尔试件3的高度。

在所述钢筒1的前、后、左、右四个侧面对称的设置了至少两组在高度方向上平行的调节螺杆4，所述调节螺杆4的中间位置通过设置在筒壁两侧的螺母6与所述钢筒1的侧壁垂直相连，位于钢筒1内部的一端与马歇尔试件3的侧表面接触。所述的马歇尔试件3通过各个调节螺杆4的相互配合调节与钢筒1的中心轴共线放置。其中的4个调节螺杆4和马歇尔试件3的接触面之间设置了压力传感器5，用于检测温度降低时，试件因结冰体积膨胀而产生的冻胀应力。在实际测试时，考虑到马歇尔试件3冻胀力的对称性以及静态应变测试仪通道有限，故4个压力传感器5在空间上采用不对称的方式设置。

对于竖向的冻胀应力，通过设置在马歇尔试件3的上表面与钢筒1顶盖之间的压力传感器5进行测试，该压力传感器5放置在试件的中心位置。

还包括两组应力传递钢板组件，分别与马歇尔试件3的上下面和侧面相接触，用于测试试件因热胀冷缩效应在两个垂直方向上产生的温缩应力。所述传递钢板组件具体的结构为包括两条平行设置的传递钢板7和与一根连接螺杆8，所述的传递钢板7一端与马歇尔试件3的表面接触，另一端延伸至筒壁外侧与所述的连接螺杆8垂直连接，用于监测温缩应力变化的压力传感器5放置在所述连接螺杆8的中间位置。

在安装应力传递钢板组件时需要注意以下两点：第一：所述的传递钢板7与马歇尔试件3之间采用点粘的方式接触，以避免钢板与试件之间的连接影响马歇尔试件3膨胀时的应力。第二：由于马歇尔试件3的侧面为曲面，因此其侧面与所述传递钢板7的接触面被加工为矩形平面。

还包括静态应变测试仪，所述的静态应变测试仪与压力传感器5相连，用于实时接收所监测的应力值。

在本发明的一种实施例，所述压力传感器5选自LY-350型电阻式土压力盒，其适用于模型试验、软土路基、沥青浇注、桶体流沙、挡土墙、管道流体等各种界面处的接触压力和土中应力的测试。主要的技术指标包括：

①测量范围：可自定，本装置选用0～2MPa；

②分辨率：≤0.05％F·S；

③外形尺寸：包括28×10mm、17×8mm、15×4mm(直径×高度)三种，本装置选用尺寸为28×10mm；

④阻抗：350Ω；

⑤绝缘电阻：≥200MΩ。

所述的静态应变测试仪选用DH-3818型号静态应变测试仪，其主要技术指标包括：

①测量点数：每台静态应变测试仪有1—10个通道，最多可同时测10点。每台计算机可控制10台静态应变测试仪；

②程控状态下采集速度：10测点/秒；

③测试应变范围：±19999με；

④分辨率：1με；

⑤系统不确定度：小于0.5％±3με(程控状态)；

⑥零漂：≤4με/2h(程控状态)；

⑦自动平衡范围：±15000με，灵敏度系数K＝2、120Ω应变计阻值误差的1.5％；

⑧电源电压：220V±10％，50Hz±1％。

所述的静态应变测试仪采用的型号为DH-3818。

之后根据所监测的应力值，利用计算公式P＝με×K计算马歇尔试件3的冻胀应力，公式中με为静态应变测试仪的输出应变，K为率定系数，是土压力盒的基本系数，大小在1.04左右，为土压力盒出厂时的固定参数。

基于以上装置，在室内情况下对含水沥青混合料受冻时双向的冻胀应力与收缩温度应力进行测试的具体操作步骤为：

第1步，成型沥青混合料马歇尔试件3，试件是高度63.5mm，直径101.6mm的圆柱体，空隙率为21％，将侧面切割一部分得到矩形面，并采用真空饱水法得到所需孔隙水饱和度100％的马歇尔试件3。

第2步，将整个装置放入-20℃的环境下静置10min，将试件放入5℃的环境下静置10-20min，取出装置，将含水马歇尔试件3放置在垫块2的中心，调节装置筒壁的8个调节螺杆4固定马歇尔试件3，并在其中非对称的4个调节螺杆4与马歇尔试件3之间夹一土压力盒，调节调节螺杆4使马歇尔试件3与筒壁夹紧土压力盒，将土压力盒连接静态应变测试仪。

第3步，粘接马歇尔试件3与应力传递钢板7，调节两个方向应力传递钢板7与连接螺杆8连接处螺丝的位置，平行设置的两个传递钢板7将土压力盒夹紧，并连接静态应变测试仪。之后在马歇尔试件3的顶部中心放置一土压力盒，将顶盖9与筒壁通过螺丝固定为一体，并保证顶部的土压力盒处于挤紧状态，将土压力盒连接静态应变测试仪。

第4步，将试件和整个装置放入冰箱，调节温度至-20℃，模拟含水沥青混合料的冻胀过程，每间隔15min记录一次冻胀应变με。

第5步，待静态应变测试仪读数稳定，停止冻胀过程。调节温度至15°，模拟冻胀沥青混合料的的融化过程。每间隔15min记录一次应变量并计算应力。待静态应变测试仪读数不再变化时，停止试验。

第6步，通过公式P＝με×K计算得到含水沥青混合料受冻全过程双向的应力变化曲线。

如图3所示的对本实施例中的试件测试所获得数据，有图中数据可知沥青混合料空隙率21％，孔隙水完全饱和时，在冰冻时间初期，因为沥青混合料固体部分遇冷收缩，出现了收缩应力，随着冰冻时间的延长，孔隙水逐渐结冰，孔隙内冰体积膨胀，导致混合料出现膨胀，出现了冻胀应力，并逐渐增大至稳定，完全冻结时竖向和水平向冻胀应力分别达到了955Pa和560Pa，冻胀应力相当可观，由此引起的混合料冻胀损伤不容忽视。另一方面，混合料中竖直方向温缩应力和冻胀应力总体分别高于水平向温缩和冻胀应力，表现出显著的缩胀方向差异性。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种测试受冻含水沥青混合料的双向温缩应力和冻胀应力装置，其特征在于：包括钢筒，所述钢筒的中间位置放置了马歇尔试件，所放置的马歇尔试件的顶面高于钢筒的顶面，在所述钢筒的前、后、左、右四个侧面对称的设置了至少两组平行的调节螺杆，所述调节螺杆的中间位置通过螺母与所述钢筒的侧壁垂直相连，位于钢筒内部的一端与马歇尔试件的侧表面接触；还包括两组应力传递钢板组件和若干个压力传感器，所述应力传递钢板组件分别与马歇尔试件的上下表面和侧面连接，所述的压力传感器与应力传递钢板组件相连或设置在所述调节螺杆和马歇尔试件的接触面之间。

2.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于：所述应力传递钢板组件包括两组平行设置的传递钢板和与一根连接螺杆，所述的传递钢板一端与马歇尔试件的表面接触，另一端延伸至筒壁外侧与所述的连接螺杆垂直连接，并在所述连接螺杆的中间位置放置压力传感器。

3.根据权利要求2所述的测试装置，其特征在于：两组所述的应力传递钢板与马歇尔试件之间采用点粘的方式接触。

4.根据权利要求2所述的测试装置，其特征在于：所述马歇尔试件的侧面与所述应力传递钢板接触的位置被加工为矩形平面。

5.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于：包括4个设置在所述调节螺杆和马歇尔试件的接触面之间的压力传感器，所述的4个压力传感器在空间上采用不对称的方式设置。

6.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于：还包括设置在马歇尔试件的上表面与钢筒顶盖之间的压力传感器。

7.根据权利要求1，2，4，5或6任一项所述的测试装置，其特征在于：还包括静态应变测试仪，所述的静态应变测试仪与压力传感器相连，用于实时接收所监测的压力值。

8.根据权利要求7所述的测试装置，其特征在于：所述压力传感器选自LY-350型电阻式土压力盒，所述的静态应变测试仪采用的型号为DH-3818。

9.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于：所述的马歇尔试件通过各个调节螺杆的相互配合调节与钢筒的中心轴共线放置。

10.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于：还包括垫块，所述的垫块设置在所述钢筒的底面上，所述的马歇尔试件放置在所述的垫块上。

Images