CN114235542B - 一种纤维增强沥青胶浆多孔板带拉伸与剪切试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纤维增强沥青胶浆多孔板带拉伸与剪切试验方法，包括如下步骤：设置八字形模具；多孔板带拉伸试件制备及成型；试件脱模；试件安装及加载；试验结果分析。本发明设置了一种用于成型纤维沥青胶浆多孔板带拉伸试件的模具，通过万能材料试验机UTM进行拉伸和剪切加载，可以实现多种不同模式的开裂，并用极限荷载、断裂能、应力强度因子等指标对试验结果进行分析。该试验方法可以用于研究纤维对沥青胶浆抗裂性能和抗剪切破坏的增强效果，为纤维沥青混合料的优化设计提供参考，从而提高沥青路面抗裂性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种纤维增强沥青胶浆多孔板带拉伸与剪切试验方法，属于道路工程技术领域。
背景技术
近年来我国不断增加对基础设施建设的投入，对路面材料的要求愈加严格。沥青路面在道路建设中被广泛采用，因此沥青混合料的抗裂性能也受到重视。沥青胶浆作为沥青混合料的组成部分，对于沥青混合料的性能具有很大影响，两者的抗裂性能紧密相关。纤维作为一种新型材料，对沥青胶浆及沥青混合料的低温抗裂性能有改善效果。部分学者采用直接拉伸试验对纤维沥青胶浆的抗裂性能进行研究，但直接拉伸试验的开裂位置比较随机，试验结果离散性较大，对结果分析存在一定影响。同时，在外部荷载作用下沥青路面的开裂形式并不是单一的，存在抗拉、抗弯和抗剪破坏，因此在沥青胶浆抗裂试验中有必要同时考虑其张开型开裂及剪切型开裂。
发明内容
本发明的目的是提供一种纤维增强沥青胶浆多孔板带拉伸与剪切试验方法适用于UTM试验机的纤维增强沥青胶浆多孔板带拉伸与剪切试验方法，以研究不同开裂形式下纤维对沥青胶浆抗裂性能的增强效果。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种纤维增强沥青胶浆多孔板带拉伸与剪切试验方法，包括如下步骤：
(1)八字型模具设置：包括一个底座，底座上分别对称放置完全相同的上块、下块以及完全相同的右块、左块。上块和下块上分别设置三个等间距的圆孔，将上、下、左、右四块模具紧密拼接，将螺纹钉在底座上拧紧，保持四块均无法移动，形成八字型凹槽，即可浇注纤维沥青胶浆八字模试件；
(2)多孔板带拉伸试件制备及成型：分别将沥青与矿粉在175±5℃保温2-3h，纤维常温保存。先将纤维加入沥青中用电动搅拌器搅拌3-5min，然后将矿粉加入其中搅拌5-8min，即制备完毕。在模具底座、左块、右块与沥青胶浆的接触面上涂抹脱模剂后，将制备好的沥青胶浆浇注于拼接好的模具凹槽内，在-10℃保存4-6min即可成型；
(3)试件脱模：试件成型后，先将底座上部整体推出底座，然后将右块15与左块脱离试件，上块与下块保留在试件上，并在试件中部设置预切缝；
(4)试件安装及加载：将脱膜后的试件在-10℃下保温3h后，用上、下两个完全相同的圆柱型连接块与万能材料试验机UTM相连，在上块与下块上分别选择一个合适的孔位套在上、下连接块上，即可用UTM对其加载，加载模式包括直拉Ⅰ型加载、直拉Ⅱ型加载、斜拉型加载、直剪型加载、斜剪型加载；
(5)试验结果分析：根据试验数据获取力-位移曲线，得到纤维沥青胶浆的极限荷载、顶点位移、曲线峰前斜率、曲线峰后斜率、曲线包络面积等曲线特征参数，计算纤维沥青胶浆的断裂能、柔性指数及应力强度因子等指标，以此评价纤维对沥青胶浆抗裂及抗剪性能的增强效果。通过对八字模沥青胶浆进行变角度的拉伸，模拟路面不同点位的沥青混合料在服役过程中所受的拉伸与剪切荷载作用，并实时监测沥青胶浆在拉伸过程中的颈缩现象。
与现有技术相比，本发明的纤维沥青胶浆板带拉伸与剪切试验方法，所设计的模具能够使试件在中间位置产生应力集中，能够实现多种开裂形式下的拉伸和剪切破坏；提出的几个力学指标能够有效评价试验结果；该试验方法有助于研究纤维对沥青胶浆抗裂性能的影响，为沥青混合料优化设计提供参考，从而提高沥青路面抗裂性能。
附图说明
图1为本发明试验方法的流程图。
图2为本发明试验方法的上块模具图。
图3为本发明试验方法的右块模具图。
图4为本发明试验方法的底座模具图。
图5为本发明试验方法的整体模具图。
图6为本发明试验方法的连接块图。
图7为本发明试验方法的三种拉伸断裂模式试验装置图。
图8为本发明试验方法的两种剪切断裂模式试验装置图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。
如图1～图7所示，一种适用于UTM试验机的纤维增强沥青胶浆多孔板带拉伸与剪切试验方法，包括如下步骤：
(1)八字型模具设计：包括一个底座16，底座16上分别对称放置完全相同的上块13、下块18以及完全相同的右块15、左块20。上(下)块13(18)的弧形面上做粗糙纹理，加大与沥青胶浆之间的摩擦力，使其不易脱落。上块13和下块18上分别设置三个等间距的圆孔(1、2、3和7、8、9)，将上、下、左、右四块模具紧密拼接，将螺纹钉4在底座16上拧紧，保持四块均无法移动，形成八字型凹槽12，即可浇注纤维沥青胶浆八字模试件。
(2)多孔板带拉伸试件制备及成型：以质量百分比计，该纤维沥青胶浆包括45％～55％的矿粉、45％～55％的SBS改性沥青以及0％～5％的纤维。
分别将沥青与矿粉在175±5℃保温2-3h，纤维常温保存。先将纤维加入沥青中用电动搅拌器搅拌3-5min，然后将矿粉加入其中搅拌5-8min，即制备完毕。在模具底座16、左块20、右块15与沥青胶浆的接触面上涂抹脱模剂后，将制备好的沥青胶浆浇注于拼接好的模具凹槽12内，在-10℃保存4-6min即可成型。
(3)试件脱模：试件成型完毕后拧松螺丝4，先将底座上部整体推出底座16，然后将右块15与左块20脱离试件，并在试件中部设置预切缝，上块13与下块18保留在试件上用于后续拉伸。
(4)试件安装及加载：将脱膜后的试件在-20℃下保温3h后，用上、下两个完全相同的圆柱形连接块17与UTM万能材料试验机相连，在上块13与下块18上分别选择一个合适的孔位套在上、下连接块上，即可用UTM对其加载，加载模式包括直拉Ⅰ型加载、直拉Ⅱ型加载、斜拉型加载、直剪型加载、斜剪型加载。加载速度采用5mm/min，温度为-10℃，当达到极限拉力后，力-位移曲线开始下降，此时可以停止试验。
三种拉伸断裂模式如图7所示。当选择上块13的2号孔、下块18的8号孔与连接块相连时可实现直拉Ⅰ型断裂，当选择上块13的1号孔、下块18的7号孔与连接块相连时可实现直拉Ⅱ型断裂，当选择上块13的1号孔、下块18的9号孔与连接块相连时可实现斜拉型断裂。两种剪切断裂模式如图8所示，将试件水平放置时，当选择上块13的2号孔、下块18的8号孔与连接块相连时可实现直剪型断裂，当选择上块13的1号孔、下块18的9号孔与连接块相连时可实现斜剪型断裂。
(5)试验结果分析：根据试验数据获取力-位移曲线，得到纤维沥青胶浆的极限荷载、顶点位移、曲线峰前斜率、曲线峰后斜率、曲线包络面积等曲线特征参数，计算纤维沥青胶浆的断裂能、柔性指数及应力强度因子等指标，以此评价纤维对沥青胶浆抗裂及抗剪性能的增强效果。
极限荷载F为力-位移曲线的最高点所对应的力，断裂功Wf为力-位移曲线下所包络的面积，计算公式如下：
式中：F为试验某一点的拉力或剪应力(kN)；u为某时刻的位移(mm)；uf为试验结束时的位移(mm)。
断裂能Gf为裂缝扩展单位面积所需的能量，即单位横截面面积下的断裂功。断裂能的计算公式如下：
式中：Alig为试件开裂断面横截面面积(mm2)；
柔性指数FI综合考虑了断裂能和荷载-位移曲线峰后斜率，用于评价纤维沥青胶浆的裂纹扩展平均速率，无量纲，计算公式如下：
式中：|m|为峰后斜率绝对值(kN/mm)；a为单位转换和缩放，等于0.01。
临界应力强度因子KIC可描述导致裂纹扩展的局部应力状态，表示材料在不发生断裂时所能承受的应力强度因子的最高值，计算公式如下：
式中：Fmax为试验中的极限荷载(MN)；r为试件中部宽度(m)；t为开裂横截面的厚度(m)；c为预切缝长度(m)；YI(0.8)为归一化应力强度因子(无量纲)。
本发明同时考虑其开裂位置及开裂形式，设计一种简易可行的纤维增强沥青胶浆板带拉伸与剪切试验，并采用合适的指标对其进行评价分析，将有助于研究纤维对沥青胶浆抗裂性能的增强效果，为沥青混合料设计提供参考，从而提高沥青路面的抗裂性能。
实施例1：
该实施例不掺加纤维，采用50％的矿粉和50％的SBS改性沥青制备试件。加载时采用直拉Ⅰ型加载，选择上块13的2号孔、下块18的8号孔与连接块相连。试验结果见表1～表2。
实施例2：
该实施例采用49％的矿粉和49％的SBS改性沥青以及2％的玄武岩纤维制备试件。加载时采用直拉Ⅰ型加载，选择上块13的2号孔、下块18的8号孔与连接块相连。试验结果见表1～表2。
表1力-位移曲线特征参数
表2试验数据计算结果
由表可以看出，加入玄武岩纤维后沥青胶浆的断裂能、柔性指数以及临界应力强度因子都明显增加，因此玄武岩纤维对沥青胶浆抗裂性能的增强效果显著。
该试验方法提供了一种简易可行的纤维沥青胶浆直接拉伸试验方法，所设计的模具能够使试件在中间位置产生应力集中，能够实现多种开裂形式下的拉伸和剪切破坏。所提出的两个力学指标能够有效评价试验结果。该试验方法适用于所有类型沥青胶浆的拉伸试验，具有广泛的适用性与可行性。该试验方法有助于研究纤维对沥青胶浆低温抗裂性能的影响，为沥青混合料设计提供参考，从而提高沥青路面抗裂性能。
Claims (4)
1.一种纤维增强沥青胶浆多孔板带拉伸与剪切试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)设置模具：
在底座(16)上，将相同的上块(13)、下块(18)以及完全相同的右块(15)、左块(20)四块模具紧密拼接，保持四块均无法移动，形成八字型凹槽(12)，用于成型纤维沥青胶浆试件；上块(13)、下块(18)均设有三个大小相同的孔位；所述的上块(13)、下块(18)设有三个大小相同的孔位，分别为1(7)号孔、2(8)号孔、3(9)号孔，各孔之间间距相同；当选择上块(13)的2号孔、下块(18)的8号孔与连接块相连时可实现直拉I型断裂，当选择上块(13)的1号孔、下块(18)的7号孔与连接块相连时可实现直拉II型断裂，当选择上块(13)的1号孔、下块(18)的9号孔与连接块相连时可实现斜拉型断裂；两种剪切断裂方式如下：将试件水平放置时，当选择上块(13)的2号孔、下块(18)的8号孔与连接块相连时可实现直剪型断裂，当选择上块(13)的1号孔、下块(18)的9号孔与连接块相连时可实现斜剪型断裂；
上块(13)、下块(18)的弧形面上做粗糙纹理，加大与沥青胶浆之间的摩擦力，使其不易脱落；
(2)沥青胶浆成型：在八字型凹槽(12)内成型沥青胶浆；沥青胶浆成型过程如下：将沥青与矿粉在175±5℃保温2-3h，纤维常温保存，先将纤维加入沥青中用电动搅拌器搅拌3-5min，然后将矿粉加入其中搅拌5-8min，即制备完毕，在模具的底座以及左块、右块与沥青胶浆的接触面上涂抹脱模剂后，将制备好的沥青胶浆浇注于拼接好的模具凹槽(12)内，在-10℃保存4-6min即可成型；
(3)试件脱模：试件成型后，将底座上部整体推出底座(16)，然后将右块(15)与左块(20)模具脱离试件，上块(13)与下块(18)保留在试件上，并在试件中部设置预切缝；
(4)试件安装及加载：设置完全相同的两块连接块(17)与万能材料试验机UTM相连，在上块(13)与下块(18)上分别选择孔位套在上、下连接块上，即可用UTM对其加载；加载模式包括直拉I型加载、直拉II型加载、斜拉型加载、直剪型加载、斜剪型加载；
(5)结果分析：根据试验数据做出力-位移曲线，计算得到纤维沥青胶浆的断裂能、柔性指数及应力强度因子等指标，以此评价纤维对沥青胶浆抗裂性能的增强效果；通过对八字模沥青胶浆进行变角度的拉伸，模拟路面不同点位的沥青混合料在服役过程中所受的拉伸与剪切荷载作用，并监测沥青胶浆在拉伸过程中的颈缩现象。
2.如权利要求1所述的一种纤维增强沥青胶浆多孔板带拉伸与剪切试验方法，其特征在于，底座(16)两侧设有挡板，其中一侧装有螺丝(4)，螺丝(4)拧紧可用于固定上块(13)、下块(18)、右块(15)、左块(20)四块模具。
3.如权利要求1所述的一种纤维增强沥青胶浆多孔板带拉伸与剪切试验方法，其特征在于，将脱膜后的试件在-10℃下保温3h后。
4.如权利要求1所述的一种纤维增强沥青胶浆多孔板带拉伸与剪切试验方法，其特征在于，连接块(17)具有螺纹柱(5)和光滑柱(6)，螺纹柱(5)用于与UTM万能材料试验机连接，光滑柱(6)用于与试件两侧的右块(15)、左块(20)连接。
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| CN114235542A (zh) | 2022-03-25 |
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