CN201149565Y - 一种沥青路面反射裂缝扩展模拟试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种沥青路面反射裂缝扩展模拟试验装置，其包括环境箱，以及放置在环境箱内的沥青路面模拟平台和反射裂缝测试仪，所述反射裂缝测试仪包括水平方向张拉疲劳试验部件、竖向剪切疲劳试验部件和数据采集部件；所述沥青路面模拟平台，包括焊接为一体的固定试验料车(1)与料车机座(3)，以及可在料车机座(3)上水平移动的活动试验料车(2)。该装置可进行张拉型和剪切型反射裂缝扩展大比例尺寸路面结构试验，分析比较不同沥青路面结构或材料的防裂效果，获取相关的计算参数并验证理论计算结果，为沥青路面结构设计提供可靠的试验依据。

Description

一种沥青路面反射裂缝扩展模拟试验装置

技术领域

本实用新型涉及公路工程沥青路面的抗裂性研究领域，特别涉及提出一种沥青路面反射裂缝扩展模拟试验装置。

背景技术

自20世纪70年代起，国内外道路工程界对沥青路面反射裂缝的研究一直十分活跃，弄清反射裂缝的产生过程和提出有效的防治措施是解决反射裂缝的两个核心问题。因此，对这两个问题的研究是提高沥青路面耐久性的关键所在。尽管静力分析法、断裂及损伤力学和有限元方法为分析沥青面层的反射裂缝提供了理论基础，但由于路面结构的复杂性及材料参数的变异性等因素，仅从理论分析并不能完全解决反射裂缝的研究课题，理论分析与实际工程应用存在一定差距，为了把两者联系起来，必须通过室内试验，在较短时间内，控制主要试验因素进行试验分析研究，评价不同结构沥青路面的抗裂性能。

近年来，国内外科研机构已进行了许多针对于沥青路面反射裂缝的室内试验，开发了相应的试验设备和试验方法，主要可分为以下几类：1)直接拉伸试验。如加拿大渥太华学者A.Shalaby采用重复液压加荷机对现场摊铺、碾压后的沥青混凝土切块(尺寸为45cm×15cm×7cm，包括有缺口及无缺口两种)进行重复拉伸疲劳试验；荷兰H.V.Duijn在小块混凝土板上铺筑了纯沥青混凝土、无纺聚丙稀格栅PP、聚酯格栅PET和玻璃纤维毡Glasphalt等几种沥青加铺层结构进行直接拉伸试验，对比各种材料的抗拉伸能力。2)间接拉伸试验。奥地利维也纳大学E.K.Tschegg等人采用劈裂试验来评定层间粘结强度和单位断裂能。3)弯曲一拉伸疲劳试验。意大利Bologna大学的G.Dondi采用无加筋沥青混凝土、无纺土工布、聚丙稀土工格栅和土工织网等几种材料的沥青加铺层进行三点弯曲疲劳试验，对不同夹层的沥青加铺结构抗裂性能进行评价。法国Limoges土木工程实验室进行了有跨中槽口试件的三点弯曲试验，获取了计算应力强度因子K及Paris规律的系数C和P值，从而利用da/dN＝C(ΔK)p式计算疲劳破坏寿命。同济大学采用无切口有加筋层试件，加铺层结构分别为含聚乙稀网层、无纺土工布、特种钢丝格栅夹层的试件和普通沥青混凝土，在温度为-3℃、15℃和60℃条件下进行静载试验。4)剪切疲劳试验。华南建设学院采用自制的剪切装置模拟了II型裂缝的剪切疲劳破坏。葡萄牙J.B.Sousa采用了Cox&Sons公司生产的反射裂缝仪(CS7000和CS7200系统)对试件进行了剪切和拉裂重复加载试验，模拟了I型及II型裂缝的联合作用。5)试板疲劳试验。日本NAGATO.ABC及英国诺丁汉大学均采用了试板轮迹疲劳试验，采用滚动的轮子模拟接缝两侧的偏荷载及中荷载作用对沥青路面所产生的疲劳作用。

纵观以上各种针对沥青路面反射裂缝疲劳试验，主要基于现象学法或力学近似法。从现象学法的角度，分析了沥青或夹层材料对混合料抗裂性的影响，未涉及路面结构变化导致整个路面抗裂性能的差异性；从力学近似法的角度，视沥青混合料为均质、弹性、各向同性，分析了沥青混合料裂缝扩展规律，但其计算结果与工程实际存在较大差别，因此，两种方法均未彻底揭示沥青混合料在荷载作用下的损伤、疲劳及断裂机理。

沥青混合料集粘弹塑性和非均质性等为一体，已有的试验方法或计算模型不能全面真实地反映路面结构反射裂缝形成、扩展及断裂规律，开发一种较真实地反映沥青路面结构在荷载作用下其反射裂缝形成、扩展的试验仪，具有非常重要的现实意义。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种沥青路面反射裂缝扩展模拟试验装置，该装置可进行张拉型和剪切型反射裂缝扩展大比例尺寸试验，分析比较不同沥青路面结构或材料的防裂效果，获取相关的计算参数并验证理论计算结果，为沥青路面结构设计提供可靠的试验依据。

为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案，包括环境箱，以及放置在环境箱内的沥青路面模拟平台和反射裂缝测试仪，其特征在于，所述反射裂缝测试仪包括通过微机控制的水平方向张拉疲劳试验部件、竖向剪切疲劳试验部件和数据采集部件；所述沥青路面模拟平台，包括焊接为一体的固定试验料车与料车机座，以及可在料车机座导轨上水平移动的活动试验料车。

所述料车机座上设置有导轨，导轨上设置有滚轴，活动试验料车可在该导轨上水平移动，所述活动试验料车还具有连接横梁，所述固定试验料车和活动试验料车分别设置有料车挡板和挡板插槽。

所述水平方向张拉疲劳试验部件包括通过连接横梁及连接销与活动试验料车相连接的电液伺服执行机，所述电液伺服执行机由伺服液压油站提供动力源。

所述竖向剪切疲劳试验部件包括依次垂直连接的滑动反压横梁、脉动疲劳试验机、竖向荷载压头。

所述数据采集部件包括测试路面结构试验层的温度传感器、应力应变数据采集仪和安装在脉动疲劳试验机上的竖向荷载传感器、安装在滑动反压横梁上的摄像机。

所述环境箱包括安装在其内的热循环管与安装在其外的温度调节器相连接，温度调控箱通过控制线与温度调节器连接。

采用沥青路面反射裂缝扩展模拟试验装置，一方面，进行水平方向张拉疲劳试验，模拟沥青路面基层和路面因温度或湿度变化产生收缩及翘曲变形，导致形成张拉型反射裂缝；另一方面，进行竖向剪切疲劳试验，模拟在车轮偏荷载的作用下，由于接缝两侧的弯沉差过大而引起沥青路面的剪切型反射裂缝；两者均为动态连续疲劳试验，通过室内试验模拟，分析不同路面结构的张开型、剪切型反射裂缝的产生、扩展机理与疲劳规律，检验各种不同沥青路面结构或材料的防裂效果，以及基层裂缝的尺寸效应对反射裂缝扩展的影响。

本实用新型技术突出的优点在于：

1)选用大比例尺寸路面结构试验层，采用小型压路机碾压，确保其接近工程实际路面的成型效果，可进行张拉型和剪切型反射裂缝扩展模拟试验；

2)路面结构试验层裂缝区布置应力片与应变片，记录裂缝区的应力场和应变场，反映了混合料在疲劳损伤过程中的应力、应变变化规律以及应力与应变之间的响应关系，探索沥青路面反射裂缝形成、扩展的机理。

3)路面结构试验层的厚度可根据试验要求变化，便于研究不同路面结构或材料的抗裂性能；

4)竖向和水平方向荷载既可独立运行，也可同时运行，便于进行耦合应力的近似模拟。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型的内容做进一步详细说明。

图1为试验料车俯视图

图2为沥青路面模拟平台结构图；

图3为反射裂缝测试仪结构图；

图4为温度调控箱结构图；

具体实施方式

本实用新型主要包括温度调控箱，放置在温度调控箱内的沥青路面模拟平台和反射裂缝测试仪。

参见图1、2，沥青路面模拟平台包括固定试验料车1与料车机座3焊接为一体，机座3上设有导轨8，活动试验料车2可通过滚轴6在导轨8上移动，活动试验料车2还具有连接横梁7，以便与水平传动装置连接。固定试验料车1和活动试验料车2分别设置有料车挡板4和挡板插槽5，当成型路面试验结构层时，料车挡板4插在料车挡板插槽5中，其高度可根据路面试验结构层9的厚度进行调节。每个试验料车长1.2m，宽1.5m，料车挡板4高度可在40cm以内变化，料车机座用1cm厚钢板焊接而成，保证足够的结构强度和刚度，两车底板缝隙可在0～10mm之间变化。

参见图3，反射裂缝测试仪包括通过微机控制的水平方向张拉疲劳试验部件、竖向剪切疲劳试验部件和数据采集部件。水平方向张拉疲劳试验部件包括通过连接横梁7及连接销10与活动试验料车2相连接的电液伺服执行机18，电液伺服执行机18由受微机20控制的伺服液压油站19提供动力源。竖向剪切疲劳试验部件包括依次垂直连接的滑动反压横梁11、受微机20控制的脉动疲劳试验机14、竖向荷载压头13，该竖向荷载压头13作用在路面结构试验层9上。数据采集部件包括埋入路面结构试验层9的温度传感器17、应力应变数据采集仪16和安装在脉动疲劳试验机14上的竖向荷载传感器15、安装在滑动反压横梁11的摄像机12，微机20接收相应的温度、应力、应变、荷载和图像信号。

参照图4，环境箱21内的热循环管22与温度调节器23连接，温度调节器23通过控制线与温度调控箱24连接，温度调控箱24与外接电源连接。环境箱21设有隔热保温门和门锁，沥青路面模拟平台和反射裂缝测试仪组成的试验系统置于环境箱21内，试验准备阶段，打开环境箱门，铺筑路面结构试验层，然后关闭，通过温度调控箱24设置所需温度条件，启动温度调节器23，让试验系统处于设定的环境温度条件下。环境箱21长2.5m，宽1.8m，高2m，温度调节器23的制冷量为15000大卡，箱内环境温度调控范围在-20～60℃之间，温度误差为±1℃。

在环境箱设定的温度条件下，本实用新型可同时或独立进行两个方面的反射裂缝扩展模拟试验，一方面，进行水平方向张拉疲劳试验，试验料车内填装好路面结构试验层9，埋入温度传感器17、应力应变数据采集仪16中的应力片和应变片，经碾压成型后，启动环境箱控温装置保温，试验过程中，温度传感器17监控试验结构层温度是否符合规定要求，活动试验料车2通过连接横梁7及连接销10与电液伺服执行机18连接，电液伺服执行机18由伺服液压油站19提供动力源，控制活动试验料车2按照试验要求水平运动，微机20监控伺服液压油站19运行并输出来自摄像机12的图像；另一方面，进行竖向剪切疲劳试验时，脉动疲劳试验机14上与滑动反压横梁11接触，下与竖向荷载压头13连接，并作用在路面结构试验层9上，荷载信息通过传感器15传入微机20。试验时应力应变数据采集仪16采集来自应力片和应变片的数据。

水平液压传动装置包括伺服液压油站19和电液伺服执行机18，施加荷载的频率和位移大小均可按实际试验要求和目的设定，既可实现间断加载，又可进行连续往复运动，加载频率范围为1次/分钟～10次/分钟，位移范围为0～10mm。伺服液压油站采用电子卸荷、蓄能器智能供油回路系统，启动系统，卸荷电磁阀通电，油泵输出高压油经过单向阀向蓄能器补油，当压力传感器检测达到系统工作压力时，卸荷电磁阀断电，让油泵卸荷，依靠蓄能器的储能，维持、供给外油路压力油源，当外油路压力降至系统工作压力的回差下限时，卸荷电磁阀通电，使油泵加载，向蓄能器充油。油源经过内置的比例伺服阀，步进电机控制其阀芯的位移，向执行机供油，控制执行机的行走方向及位移量，光栅位移检测装置实时跟踪检测执行机构的位移量。

竖向剪切疲劳试验中的动态加载使用济南试验机厂生产的WPS-500型脉动疲劳试验机，最大的加载能力为500kN，加载频率为60次/min～540次/min。施加荷载大小可按需要调整，数字显示，加载次数自动显示并记录。疲劳试验机由主机、控制柜和施力锤三部分组成。附属设备有滑动反压横梁11、荷载压头13、传感器15等。

在裂缝扩展区埋设了应力片、应变片，应力测试中使用BX120-40AA型应变片，长度40mm，阻值120Ω，应变测试装置有P20R-17型预调平衡箱，KH-17型切换控制器和YJ-16型电阻应变仪，记录沥青面层结构裂缝区在竖直或水平荷载作用下的应力、应变变化情况，为裂缝扩展的力学分析提供试验依据。

微机控制与数据输出系统装有专用监控动力系统运行的软件，可在WINDOWS98/2000/XP等环境下运行，进行水平张拉疲劳试验时，首先进行系统清零，根据试验要求设置张拉位移、频率，试验时界面显示试验料车的水平位移、推力和拉力曲线、张拉频率与运行次数，可进行油压报警事件以及试验数据查询，外接打印机可立即打印各试验数据；进行竖向剪切疲劳试验时，根据试验要求设置荷载大小、频率，控制微机界面显示荷载峰值与谷值、频率及荷载作用次数。同时微机与高像素摄像机连接，可在界面上实时观察裂缝的扩展情况，当路面结构试验层表面裂缝完全贯通时，对应的荷载作用次数即为疲劳寿命。

该试验装置较好地模拟沥青路面的实际受力状况和环境温度变化对其的影响，整个试验结构采用大尺寸的路面结构，尽可能真实地反映实际路面结构状况，表征沥青路面结构抗裂性能，保证试验结果的可靠性，其实际应用效果显著。

Claims (7)

1、一种沥青路面反射裂缝扩展模拟试验装置，包括环境箱，以及放置在环境箱内的沥青路面模拟平台和反射裂缝测试仪，其特征在于，所述反射裂缝测试仪包括水平方向张拉疲劳试验部件、竖向剪切疲劳试验部件和数据采集部件；

所述沥青路面模拟平台，包括焊接为一体的固定试验料车(1)与料车机座(3)，以及可在料车机座(3)上水平移动的活动试验料车(2)。

2、如权利要求1所述的沥青路面反射裂缝扩展模拟试验装置，其特征在于，所述料车机座(3)上设置有导轨(8)，活动试验料车(2)可在导轨(8)上水平移动，所述活动试验料车(2)还具有连接横梁(7)，所述固定试验料车(1)和活动试验料车(2)分别设置有料车挡板(4)和挡板插槽(5)。

3、如权利要求2所述的沥青路面反射裂缝扩展模拟试验装置，其特征在于，所导轨(8)上设置有滚轴(6)。

4、如权利要求2所述的沥青路面反射裂缝扩展模拟试验装置，其特征在于，所述水平方向张拉疲劳试验部件包括通过连接横梁(7)及连接销(10)与活动试验料车(2)相连接的电液伺服执行机(18)，所述电液伺服执行机(18)由伺服液压油站(19)提供动力源。

5、如权利要求4所述的沥青路面反射裂缝扩展模拟试验装置，其特征在于，所述竖向剪切疲劳试验部件包括依次垂直连接的滑动反压横梁(11)、脉动疲劳试验机(14)、竖向荷载压头(13)。

6、如权利要求5所述的沥青路面反射裂缝扩展模拟试验装置，其特征在于，所述数据采集部件包括测试路面结构试验层的温度传感器(17)、应力应变数据采集仪(16)和安装在脉动疲劳试验机(14)上的竖向荷载传感器(15)、安装在滑动反压横梁(11)上的摄像机(12)。

7、如权利要求1所述的沥青路面反射裂缝扩展模拟试验装置，其特征在于，所述环境箱(21)包括安装在其内的热循环管(22)与安装在其外的温度调节器(23)相连接，温度调控箱(24)通过控制线与温度调节器(23)连接。

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