專利名稱：一種復(fù)合式瀝青路面層間剪切疲勞測試的裝置及方法
一種復(fù)合式瀝青路面層間剪切疲勞測試的裝置及方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于道路工程技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種復(fù)合式浙青路面層間剪切疲勞測試的裝置及方法。
背景技術(shù)：
在我國公路建設(shè)高速發(fā)展的同時，由于管理上的不完善及運(yùn)輸營運(yùn)利益的驅(qū)使， 汽車超載現(xiàn)象十分普遍。高速公路路面的使用壽命經(jīng)常低于設(shè)計(jì)使用期，路面的早期破壞給國家造成了極大的經(jīng)濟(jì)損失和資源浪費(fèi)，并引起了全社會的廣泛關(guān)注，迫切需要提高道路工程的耐久性，促進(jìn)我國交通運(yùn)輸事業(yè)更好地發(fā)展。在這種新形勢下，要求公路行業(yè)走可持續(xù)發(fā)展的道路，進(jìn)一步加大科技創(chuàng)新力度，建設(shè)運(yùn)輸安全型、質(zhì)量效益型、資源節(jié)約型、環(huán)境友好型的公路項(xiàng)目。
復(fù)合式浙青路面采用高強(qiáng)度的剛性基層與柔性的浙青混凝土面層進(jìn)行復(fù)合，剛性基礎(chǔ)主要起承重作用、表面浙青面層起功能作用；復(fù)合式浙青路面結(jié)合剛性路面和柔性路面的特點(diǎn)柔中有剛，剛?cè)嵯酀?jì)，是一種使用性能良好的結(jié)構(gòu)形式，具有整體強(qiáng)度高、行車舒適性好、使用壽命長、維修費(fèi)用小等優(yōu)點(diǎn)。復(fù)合式浙青路面能充分滿足重載交通條件下路面結(jié)構(gòu)的耐久性要求，是我國重載交通高速公路長壽命路面結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向。
工程實(shí)踐和研究表明，復(fù)合式浙青路面結(jié)構(gòu)的主要問題是層間滑移和反射裂縫。 國內(nèi)外目前對復(fù)合式浙青路面的研究雖然取得了一定的成果，但還是有一定的局限性，對反射裂縫研究較多，對層間剪切問題研究較少。對浙青路面剪切疲勞的研究，主要是針對浙青混合料本身的剪切疲勞性能，進(jìn)行了大量的剪切試驗(yàn)研究和計(jì)算分析。對復(fù)合式浙青路面層間剪切性能的研究主要是分析層間剪應(yīng)力的分布和進(jìn)行層間抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，目前還沒有評價復(fù)合式浙青路面層間剪切疲勞測試的裝置及方法。申請公開號為CN 102095680 A的中國發(fā)明專利，公開了一種用于測試路面層間剪切疲勞試件的夾具及其測試方法，該方法并沒有針對復(fù)合式浙青路面結(jié)構(gòu)且采用的是直接剪切的方法，而路面結(jié)構(gòu)除了受到由車輪對路面的水平摩擦力外還受車輛荷載的垂直壓力，這兩種力使路面結(jié)構(gòu)的層間產(chǎn)生了剪應(yīng)力，因此，如果只考慮路面結(jié)構(gòu)的水平面應(yīng)力而不考慮垂直壓應(yīng)力，顯然不符合路面實(shí)際受力狀態(tài)，所以直剪不能準(zhǔn)確評價路面結(jié)構(gòu)的層間抗剪強(qiáng)度和剪切疲勞性能。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提出一種復(fù)合式浙青路面層間剪切疲勞測試的裝置及方法，該復(fù)合式浙青路面層間剪切疲勞測試的裝置結(jié)構(gòu)簡單，該裝置及方法簡單易操作，能準(zhǔn)確地模擬復(fù)合式浙青路面的實(shí)際受力狀態(tài)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下
—種復(fù)合式浙青路面層間剪切疲勞測試的裝置，包括加載桿、荷載測試系統(tǒng)、壓塊、支撐塊和支撐平臺；加載桿的下端接壓塊，支撐塊設(shè)置在支撐平臺上；壓塊和支撐塊均設(shè)有一個凹陷部，在加載桿加載時，待測試的試件位于2個凹陷部對接形成的空間中；
所述的加載桿和荷載測試系統(tǒng)采用材料試驗(yàn)機(jī)中的加載桿和荷載測試系統(tǒng)；
所述的壓塊的凹陷部和支撐塊的凹陷部均向同一方向傾斜沈° 34'；
所述的試件為圓柱體形，所述的凹陷部的形狀為與圓柱體形的試件相適配的半圓柱體形。
復(fù)合式浙青路面層間剪切疲勞測試的裝置還包括環(huán)境箱，壓塊、支撐塊以及試件均設(shè)置在該環(huán)境箱中。
所述的試件為層疊結(jié)構(gòu)，從上至下依次為浙青混凝土面層、粘結(jié)層和水泥混凝土基層ο
采用前述的復(fù)合式浙青路面層間剪切疲勞測試的裝置；
抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)步驟為
先將壓塊和支撐塊之間的間距調(diào)整到試件恰好可以放進(jìn)去的位置，然后將試件置于支撐塊和壓塊的凹陷部中，啟動升降桿，使壓塊向下運(yùn)動，通過壓塊使得試件產(chǎn)生形變直至試件破壞，試件破壞時對應(yīng)的載荷值即最大破壞荷載，再求出復(fù)合式浙青路面層間抗剪強(qiáng)度；
剪切疲勞試驗(yàn)步驟為
先將壓塊和支撐塊之間的間距調(diào)整到試件恰好可以放進(jìn)去的位置，然后將試件置于支撐塊和壓塊的凹陷部中，通過材料試驗(yàn)機(jī)設(shè)定剪切疲勞試驗(yàn)的荷載，荷載為最大破壞荷載的0. 2 0. 8倍中的某一固定值，荷載采用半正弦矢波加載，重復(fù)多次加載，直到試件被破壞，試件破壞時的最大加載次數(shù)即為該應(yīng)力水平下的疲勞壽命。
在抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)中，壓塊下降速度為1. 5 2. 5mm/min，剪切疲勞試驗(yàn)時，半正弦矢波為正弦波，半正弦矢波加載的振幅為施加荷載的大小，頻率為10Hz。支撐塊底部設(shè)有一個支撐板，保障支撐塊傾斜而不會傾覆。
有益效果
本發(fā)明提供了一種復(fù)合式浙青路面層間剪切疲勞測試的裝置及方法，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)
1.壓塊和支撐塊的凹陷部采用34'，可以更好地模擬行車荷載在最不利條件下對路面結(jié)構(gòu)的剪切破壞狀態(tài)。壓塊和支撐塊的凹陷部采用26° 34'主要是因?yàn)樵诔鞘械缆分械墓卉囃？空?、交叉路口，車輛起動、制動頻繁；高速公路上的陡下坡段、收費(fèi)站前，車輛制動也較多。這些路段的路面受到的水平荷載較大，都易出現(xiàn)層間剪切疲勞破壞。 這些最不利復(fù)雜條件下進(jìn)行剪應(yīng)力計(jì)算時，應(yīng)按緊急制動的狀態(tài)來考慮。大量的研究及測試結(jié)果表明，緊急制動時，水平力系數(shù)(車輪與路面的摩擦系數(shù))取0. 5，即路面結(jié)構(gòu)所受的水平應(yīng)力為豎向應(yīng)力的0. 5倍，通過力的分解和數(shù)學(xué)計(jì)算可知，凹陷部的傾角α = arctan 0.5 = ° 34'，因此，本發(fā)明有一定的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)，更具科學(xué)性；
2.試驗(yàn)儀器結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，并充分利用現(xiàn)有的試驗(yàn)設(shè)備，便于在科研和實(shí)際工程中推廣、應(yīng)用；
3.實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)方法的真實(shí)性和科學(xué)性，現(xiàn)有復(fù)合式浙青路面層間剪切疲勞的試驗(yàn)大多是針對層間材料本身進(jìn)行的剪切疲勞試驗(yàn)，本發(fā)明則是對層間結(jié)構(gòu)進(jìn)行剪切疲勞試驗(yàn)，可以更真實(shí)地模擬路面結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)和剪切破壞模式，本發(fā)明還可以進(jìn)行不同溫度條件下的層間剪切疲勞試驗(yàn)；
4.可以按照試驗(yàn)要求進(jìn)行不同高度試件的剪切疲勞試驗(yàn)，模擬不同厚度的水泥混凝土基層和浙青混凝土面層的剪切疲勞試驗(yàn)。
本發(fā)明的裝置及方法簡單易操作，能準(zhǔn)確地模擬路面結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)，對復(fù)合式浙青路面層間剪切性能和層間結(jié)構(gòu)與材料的設(shè)計(jì)與評價、浙青層厚度的設(shè)計(jì)具有重要信息。
本發(fā)明與已公開專利(申請公開號為CN 102095680A)的測試夾具、試件制作、層間處理完全不同，另外在測試方法上也有所不同。此外，路面結(jié)構(gòu)的層間剪切破壞一般主要體現(xiàn)在復(fù)合式浙青路面中，因?yàn)椋瑥?fù)合式浙青路面層間主要靠浙青混合料與水泥混凝土表面的結(jié)合力來抵抗剪應(yīng)力，層間抗剪能力相對較弱，且浙青層一般較薄，易出現(xiàn)層間剪切疲勞破壞，所以層間剪切疲勞是層間結(jié)構(gòu)與材料設(shè)計(jì)和浙青層厚度設(shè)計(jì)要考慮的主要指標(biāo)， 其他路面結(jié)構(gòu)在其使用壽命周期內(nèi)層間剪切疲勞破壞并不是主要的破壞形式，因此，本發(fā)明更有針對性。


圖1為復(fù)合式浙青路面層間剪切疲勞測試的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為試件結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為壓塊水平放置時的三視圖，其中a為主視圖，b為右視圖，c為俯視圖。
附圖中標(biāo)示為1-材料試驗(yàn)機(jī)、2-支撐平臺、3-環(huán)境箱、4-支撐塊、5-水泥混凝土基層、6-粘結(jié)層、7-浙青混凝土面層、8-壓塊、9加載桿(又名升降桿)、10-控制臺。
具體實(shí)施方式
以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明
如圖1至3所示，一種復(fù)合式浙青路面層間剪切疲勞測試的裝置，包括加載桿、荷載測試系統(tǒng)、壓塊、支撐塊和支撐平臺、環(huán)境箱；加載桿的下端接壓塊，支撐塊設(shè)置在支撐平臺上；壓塊和支撐塊均設(shè)有一個凹陷部，在加載桿加載時，待測試的試件位于2個凹陷部對接形成的空間中。壓塊、支撐塊以及試件均設(shè)置在環(huán)境箱中。
所述的加載桿和荷載測試系統(tǒng)采用材料試驗(yàn)機(jī)中的加載桿和荷載測試系統(tǒng)。
所述的壓塊和支撐塊的凹陷部均向同一方向傾斜34'設(shè)置，壓塊和支撐塊的凹陷部形狀為與圓柱體形的試件相適配的半圓柱體形。
一種復(fù)合式浙青路面層間剪切疲勞測試的方法，包括以下步驟
(1)通過試驗(yàn)要求選擇所需半徑和高度的壓塊和支撐塊；
(2)制作試件可采用室內(nèi)成型法成型圓柱體試件或者采用現(xiàn)場鉆芯取得的圓柱體試件，然后切割成試驗(yàn)所需尺寸的試件。其中室內(nèi)成型法包括實(shí)施例中的在試模中直接成型成試驗(yàn)需求所需尺寸的試件，也可采用輪碾成型法成型為板式試件，然后通過鉆芯取得的圓柱體試件。
(3)保溫將已經(jīng)制作好的試件、支撐塊4和壓塊8置于環(huán)境箱3中，保溫時間4小時以上，具體溫度根據(jù)試驗(yàn)要求設(shè)定，一般為20°C 60°C。
(4)抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)先將壓塊和支撐塊之間的間距調(diào)整到試件恰好可以放進(jìn)去的位置，然后將試件置于支撐塊和壓塊的凹陷部中，通過啟動升降桿，使壓塊向下運(yùn)動，壓塊下降速度為1. 5 2. 5mm/min，通過壓塊使得試件產(chǎn)生形變直至試件破壞，試件破壞時對應(yīng)的載荷值即最大破壞荷載，再求出復(fù)合式浙青路面的層間抗剪強(qiáng)度；
(5)剪切疲勞試驗(yàn)先將壓塊和支撐塊之間的間距調(diào)整到試件恰好可以放進(jìn)去的位置，然后將試件置于支撐塊和壓塊的凹陷部中，通過材料試驗(yàn)機(jī)設(shè)定剪切疲勞試驗(yàn)的荷載，荷載為最大破壞荷載的0. 2 0. 8倍中的某一固定值，荷載采用半正弦矢波加載，重復(fù)多次加載，直到試件破壞，半正弦矢波加載的振幅為施加荷載的大小，頻率為10Hz，試件破壞時的最大加載次數(shù)即為該應(yīng)力水平下的疲勞壽命。
實(shí)施例1
1.根據(jù)試驗(yàn)要求選用半徑都為50. 8mm,高度都為50mm的壓塊和支撐塊。
2.試件的制備
2. 1水泥混凝土基層制作
在浙青混合料馬歇爾試模中澆筑C35水泥混凝土試件，澆筑水泥混凝土?xí)r必須振搗密實(shí)，然后對水泥混凝土基層的表面進(jìn)行裸化處理，接著將試件置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)24h后用木錘輕敲脫模，再將試件置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)到強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
2.2粘結(jié)層的制作
將步驟2. 1中強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求的試件表面清理干凈，在其表面均勻涂上SBS改性浙青，然后在浙青溫度降低之前在浙青表面灑布16mm 19mm單一粒徑的碎石，并立刻用力壓緊碎石，使碎石表面盡量多裹附浙青，灑布量為浙青表面面積的45%，在室溫下冷卻后再進(jìn)行下一步試驗(yàn)。
2.3浙青混凝土面層的制作
浙青混凝土面層的制作是在粘結(jié)層已冷卻至室溫以后。浙青混凝土級配采用 SMA-13，浙青采用SBS改性浙青。本次實(shí)例選用整個試件的高度為100mm。浙青混凝土面層的制作采用擊實(shí)法，先將步驟2.2中的試件重新裝入自制加高的馬歇爾試模(直徑為 101. 6mm，高度為120mm)中，接著將拌和好的浙青混合料也裝入試模中擊實(shí)成型，然后將試模橫向放置在室溫下冷卻，冷卻12小時后在脫模機(jī)上脫出試件。
3.保溫
將已經(jīng)制作好的試件、支撐塊和壓塊置于環(huán)境箱中，然后升溫到60°C，保溫5小時。
在本實(shí)施例中選用60°C的原因是夏季高溫季節(jié)，全國大部分地區(qū)復(fù)合式浙青路面的層間最高溫度可達(dá)到60°C左右，而溫度會對層間的剪切疲勞壽命產(chǎn)生直接影響，所以， 本發(fā)明選用60°C溫度來測試層間剪切疲勞壽命有其合理性，考慮了最不利氣溫狀況下復(fù)合式浙青路面層間的剪切疲勞壽命。
4.抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)
先將壓塊和支撐塊之間的間距調(diào)整到試件恰好可以放進(jìn)去的位置，然后將試件置于支撐塊和壓塊中，通過材料試驗(yàn)機(jī)啟動升降桿，使壓塊開始以2mm/min速度向下運(yùn)動，直至試件破壞，測出最大破壞荷載，再按照公式(1)求出復(fù)合式浙青路面層間抗剪強(qiáng)度。
Tmax =( 1)
式中τ max-最大剪應(yīng)力/MPa，即復(fù)合式浙青路面層間抗剪強(qiáng)度；6
P-最大破壞荷載/N ；
A-試件的橫截面積/mm2。
重復(fù)上述步驟，做4次平行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果取平行試驗(yàn)結(jié)果的平均值。試驗(yàn)結(jié)果見表1所示。
表1復(fù)合式浙青路面層間剪切強(qiáng)度
權(quán)利要求
1.一種復(fù)合式浙青路面層間剪切疲勞測試的裝置，其特征在于，包括加載桿、荷載測試系統(tǒng)、壓塊、支撐塊和支撐平臺；加載桿的下端接壓塊，支撐塊設(shè)置在支撐平臺上；壓塊和支撐塊均設(shè)有一個凹陷部，在加載桿加載時，待測試的試件位于2個凹陷部對接形成的空間中；所述的加載桿和荷載測試系統(tǒng)采用材料試驗(yàn)機(jī)中的加載桿和荷載測試系統(tǒng)；所述的壓塊的凹陷部和支撐塊的凹陷部均向同一方向傾斜26° 34'；所述的試件為圓柱體形，所述的凹陷部的形狀為與圓柱體形的試件相適配的半圓柱體形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合式浙青路面層間剪切疲勞測試的裝置，其特征在于，還包括環(huán)境箱，壓塊、支撐塊以及試件均設(shè)置在該環(huán)境箱中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1-2任一項(xiàng)所述的復(fù)合式浙青路面層間剪切疲勞測試的裝置，其特征在于，所述的試件為層疊結(jié)構(gòu)，從上至下依次為浙青混凝土面層、粘結(jié)層和水泥混凝土基層。
4.一種復(fù)合式浙青路面層間剪切疲勞測試的方法，其特征在于，采用權(quán)利要求3所述的復(fù)合式浙青路面層間剪切疲勞測試的裝置；抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)步驟為先將壓塊和支撐塊之間的間距調(diào)整到試件恰好可以放進(jìn)去的位置，然后將試件置于支撐塊和壓塊的凹陷部中，啟動升降桿，使壓塊向下運(yùn)動，通過壓塊使得試件產(chǎn)生形變直至試件破壞，試件破壞時對應(yīng)的載荷值即最大破壞荷載，再求出復(fù)合式浙青路面層間抗剪強(qiáng)度；剪切疲勞試驗(yàn)步驟為先將壓塊和支撐塊之間的間距調(diào)整到試件恰好可以放進(jìn)去的位置，然后將試件置于支撐塊和壓塊的凹陷部中，通過材料試驗(yàn)機(jī)設(shè)定剪切疲勞試驗(yàn)的荷載，荷載為最大破壞荷載的0. 2 0. 8倍中的某一固定值，荷載采用半正弦矢波加載，重復(fù)多次加載，直到試件被破壞，試件破壞時的最大加載次數(shù)即為該應(yīng)力水平下的疲勞壽命。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的浙青路面層間剪切疲勞測試的方法，其特征在于，在抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)中，壓塊下降速度為1. 5 2. 5mm/min，剪切疲勞試驗(yàn)時，半正弦矢波為正弦波，半正弦矢波加載的振幅為施加荷載的大小，頻率為10Hz。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種復(fù)合式瀝青路面層間剪切疲勞測試的裝置及方法，采用斜剪試驗(yàn)測定不同溫度條件下的復(fù)合式瀝青路面層間剪切疲勞壽命。該裝置包括加載桿、荷載測試系統(tǒng)、壓塊、支撐塊和支撐平臺；壓塊和支撐塊均設(shè)有一個凹陷部，在加載桿加載時，待測試的試件位于2個凹陷部對接形成的空間中。其測試方法為將試件置于支撐塊和壓塊中，通過試驗(yàn)機(jī)加載使試件發(fā)生斜剪破壞，得到最大破壞荷載，最后按照最大破壞荷載的0.2～0.8倍進(jìn)行重復(fù)荷載作用下的剪切疲勞試驗(yàn)。該裝置及方法簡單易操作，能準(zhǔn)確地模擬復(fù)合式瀝青路面的實(shí)際受力狀態(tài)，對復(fù)合式瀝青路面層間剪切性能和層間結(jié)構(gòu)與材料的設(shè)計(jì)與評價、瀝青層厚度的設(shè)計(jì)具有重要意義。
文檔編號G01N3/24GK102519808SQ20111044069
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月26日
發(fā)明者劉朝暉, 李盛, 秦仁杰, 鄒新特 申請人:長沙理工大學(xué)