专利名称：：沥青混合料剪切性能试验装置及方法
技术领域：
：本发明属于道路工程领域，涉及一种沥青混合料剪切性能试验装置及方法，用于测定沥青混合料的抗剪强度和剪切疲劳寿命。
背景技术：
：随着经济建设的发展，我国的道路基础设施建设得到了迅猛发展，沥青混凝土路面由于具有诸多优点，在道路工程建设中得到了广泛的采用，我国已建、在建和拟建的高等级道路大多数为沥青混凝土路面。我国大部分地区在炎热季节里，沥青路面的路表温度可达到6(TC以上，在轮载作用下，非均布荷载将在混凝土面层产生较大的剪应力。而沥青路面设计过程中，并没有考虑沥青混合料的抗剪能力，一旦材料承受的剪应力大于或接近抗剪强度，路面将会出现剪切破坏。因此，研究沥青混合料的抗剪性能，对沥青混合料的设计具有重要意义。目前，用于研究沥青混合料抗剪强度的试验方法，主要有三轴试验、恒高度重复剪切试验和单轴贯入试验等常规试验方法。一方面，三轴试验设备和恒高度重复剪切试验设备造价昂贵，不便于工程推广。另一方面，这些试验方法往往不能形成明显的剪切破坏面，仅通过理论分析证明试件属于剪切破坏，而无法从直观上判断试件属于剪切破坏。在实际工作条件下，路面经受车轮荷载的反复作用，长期处于受力交迭变化状态，面层内部在车轮驶过后会有剪应力产生，在夏季高温条件和重复车载的作用下，沥青路面发生剪切疲劳破坏。因此，有必要设计出一种简易试验方法，对静态和动态荷载作用下沥青混合料的剪切性能进行研究，并综合抗剪强度和剪切疲劳寿命来评价沥青混合料的抗剪性
发明内容本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种简单易行，便于推广，且可很好模拟路面实际破坏点位的复杂受力状态，并可直观判断最终材料是剪切受力破坏，能测定沥青混合料抗剪强度和剪切疲劳寿命的试验方法。本发明的另一目的在于提供实现上述方法的沥青混合料剪切性能试验装置。本发明的目的通过下述技术方案予以实现—种沥青混合料剪切性能试验装置，包括材料试验机，所述材料试验机包括机架、环境箱、升降杆、底座、动力装置、圆环支撑、控制台，所述动力装置安装在机架底部的底座内，所述圆环支撑安装在所述底座上，由动力装置提供动力的所述升降杆安装在所述机架的上侧，与所述圆环支撑的位置相对应，所述升降杆的末端连接压头，所述圆环支撑上放置有定制的圆环。所述压头直径为40mm120mm，所述圆环尺寸为外径150mm、内径为40mm140mm。所述圆环由至少两个空心环套相互套装而成。所述压头下和所述圆环上放置有橡皮垫。3—种沥青混合料剪切性能试验方法，包括以下步骤(1)确定压头尺寸、圆环尺寸和试件尺寸组合，通过理论计算确定荷载压应力与试件内最大剪应力之间的转换系数；(2)制作试件可采用静压法、振动成型或旋转压实室内成型圆柱体沥青混合料试件；也可采用现场钻心取得的圆柱体试件；(3)保温将试件、压头和圆环置于环境箱中保温；(4)进行抗剪强度试验将试件置于圆环上，通过压头对试件加载，试验结束，试件出现锥形剪切破坏面，分析试验过程中材料试验机采集的荷载压力和变形数据，得到破坏荷载，求出抗剪强度，进行平行试验，将平行试验测得的抗剪强度平均值作为沥青混合料的抗剪强度；(5)剪切疲劳试验可在步骤(4)中材料试验机测得破坏荷载的0.10.9倍范围内取荷载值，对平行试件重复加载进行重复加载疲劳试验，读出材料试验机采集试验过程中的加载次数和变形数据，确定沥青混合料的剪切疲劳寿命。试验步骤(1)中所述试件尺寸为直径100150mm，高40100mm，所述压头直径为40120mm，所述圆环尺寸为外径150mm、内径为40140mm。试验步骤(3)中将试件、压头和圆环置于10°C6(TC环境箱中，保温时间在6小时以上再进行试验，以确保试件内外温度一致。试验步骤(4)中通过压头对试件进行加载，加载速率为lmm/min，试验时间为8分钟，试验时，数据采集频率为100Hz。试验步骤(5)中根据需要在0.10.9倍破坏荷载内选取具体荷载对平行试件进行重复加载疲劳试验，得到设定温度和应力水平下的，沥青混合料的剪切疲劳寿命。试验步骤(4)需确保压头位置居中，且在压头下和圆环上加垫橡皮垫。本发明通过圆环和压头加载的共同作用，将圆柱体沥青混合料试件破坏，分析试验数据，得到沥青混合料的抗剪强度和剪切疲劳寿命，再综合抗剪强度和剪切疲劳寿命来评价沥青混合料的抗剪性能。本发明1、试验设备简单便宜，只需要在MTS或其它材料试验机上安装圆环和压头即可进行试验；2、圆环可以自由拆卸，从而可以根据试件尺寸变化，调整圆环和压头的尺寸组合进行试验，不需要反复制作圆环模具。3、试验结束，形成锥形剪切破坏面，可直观判断试件是剪切破坏。4、试验过程简单，可操作性强。5、试验测试结果稳定，平行试验结果离散性小。6、试验能较好的模拟路面典型破坏点位的复杂压剪和拉剪受力状态。7、当压头外径和圆环内径基本一致时，圆环剪切试验便转换为直剪试验。综上所述，本发明一一种沥青混合料剪切性能试验装置及方法具有简单易行，可操作性强，便于推广，能同时测定沥青混合料抗剪强度和剪切疲劳寿命的优点。试验结束后，形成明显的锥形剪切破坏面。该试验方法对研究沥青混合料的抗剪性能及沥青混合料的材料设计与评价具有重要意义。图1为本发明装置的结构示意图。图2为本发明装置套环的结构示意图。图3为本发明装置套环的正视图。图4为荷载_变形关系曲线图。图5为锥形剪切破坏面示意图。图6为剪切疲劳试验的变形_荷载作用次数关系图。图7为剪切疲劳试验的剪切疲劳寿命与应力比关系图。附图l-3中l-升降杆、2-压头、3-环境箱、4-橡皮垫、5-圆环、6-圆环支撑、7-底座，8-动力装置、9-试件、10-空心环套、11-机架、12_控制台。具体实施例方式下面结合附图，说明沥青混合料剪切性能试验装置及方法的具体实施方式。如图1至3所示，一种沥青混合料剪切性能试验装置，包括材料试验机，所述材料试验机包括机架11、环境箱3、升降杆1、底座7、动力装置8、圆环支撑6、控制台12，所述动力装置8安装在机架11底部的底座7内，所述圆环支撑6安装在所述底座7上，由动力装置8提供动力的所述升降杆1安装在所述机架11的上侧，与所述圆环支撑6的位置相对应，所述升降杆1的末端连接有压头2，所述圆环支撑6上放置有定制的圆环5。所述压头2直径可选40mm、60mm、80mm、100mm、120mm，根据需要选用，所述圆环5尺寸为外径150mm、内径可选40mm、60mm、80mm、100mm、120mm、140mm，根据需要选用。所述圆环5由至少两个空心环套10相互套装而成。所述压头2下和所述圆环5上放置有橡皮垫4。—种沥青混合料剪切性能试验方法，包括以下步骤(1)根据需要选用相应的压头尺寸、圆环尺寸和试件尺寸组合，通过理论计算确定荷载压应力与试件内最大剪应力之间的转换系数；(2)制作试件可采用静压法、振动成型或旋转压实室内成型圆柱体沥青混合料试件；也可采用现场钻心取得的圆柱体试件。(3)保温将试件、压头和圆环置于10°C6(TC环境箱中保温；(4)进行抗剪强度试验将试件置于圆环上，通过压头对试件加载，试验结束，试件出现锥形剪切破坏面，分析试验过程中材料试验机采集的荷载压力和变形数据，得到破坏荷载，求出抗剪强度，进行平行试验，将平行试验测得的抗剪强度平均值作为沥青混合料的抗剪强度；(5)剪切疲劳试验可在步骤(4)中材料试验机测得破坏荷载的0.10.9倍范围内取荷载值，对平行试件进行重复加载疲劳试验，加载波形为正弦波，频率为IOHZ，得到沥青混合料的剪切疲劳寿命。试验步骤(1)中所述试件尺寸为直径100150mm，高40100mm，所述压头直径可选40mm、60mm、80mm、100mm、120mm，所述圆环尺寸为外径150mm、内径可选40mm、60mm、80mm、100mm、120mm、140mm。试验步骤(3)中将试件、压头和圆环置于设定温度的环境箱中，保温时间在6小时以上再进行试验，以确保试件内外温度一致。试验步骤(4)中通过压头对试件进行加载，加载速率为lmm/min，试验时间为8分钟，试验时，数据采集频率为100Hz。试验步骤(5)中根据需要在0.10.9倍破坏荷载内选取具体荷载对平行试件进行重复加载疲劳试验，得到设定温度和应力水平下的，沥青混合料的剪切疲劳寿命。试验步骤(4)需确保压头位置居中，且在压头下和圆环上加垫橡皮垫。实施例1、选用压头直径为40mm;试件尺寸为沥青混合料试件直径150mm，高95mm;圆环尺寸为外径150mm，内径80mm。利用计算机通用有限元程序建立力学模型进行计算分析。荷载为作用于压头处的荷载压应力P=1Mpa;边界条件为试件底端竖直方向固定，试件四周无侧向约束。利用有限元程序计算出试件中各个点位的第一主应力^和第三主应力03，根据第三强度理论，得出最大剪应力、ax。最大剪应力与荷载压应力的转换关系式为tmax=荷载压应力XO.52。圆环剪切试验的压剪转换系数见表1。表1圆环剪切试验的压剪转换系数参数类型o,/po3/p所乘系数-0.092-1.1240.522、采用静压法成型12个平行试件，平行试件为圆柱体沥青混合料试件。试件尺寸为直径150mm，高95mm;3、将试件、压头和圆环置于6(TC的环境箱中，保温时间在6小时以上再进行试验，以确保试件内外温度一致。4、将圆柱体沥青混合料试件置于圆环上，通过压头对试件加载，加载速率为lmm/min，试验时间为8分钟。试验时，数据采集频率为100Hz。加载时，需确保压头和试件位置居中，并在压头下和圆环上垫橡皮垫以消除压头外径和圆环内径处的应力集中。试验结束，试件出现锥形剪切破坏面。分析材料试验机采集试验过程中的压力和变形数据，得到如图4所示的荷载_变形关系曲线，试件的破坏荷载为荷载_变形关系曲线的试验转点B。根据材料的剪应力计算公式，见式(1)，求出该次试验测得沥青混合料的抗剪强度。试验结束，试件出现如图5所示的锥形剪切破坏面。、ax=(P/A)X0.52;(式l)tmax-最大剪应力/Mpa;P-破坏荷载/N;A-压头的横截面积/mm2;重复上述步骤，进行六次平行试验，将平行试验测得的抗剪强度平均值作为沥青混合料的抗剪强度，试验结果见表2。表2圆环剪切试验测定沥青混合料的抗剪强度值6<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>权利要求沥青混合料剪切性能试验装置，包括材料试验机，所述材料试验机包括机架(11)、环境箱(3)、升降杆(1)、底座(7)、动力装置(8)、圆环支撑(6)、控制台(12)，所述动力装置(8)安装在机架(11)底部的底座(7)内，所述圆环支撑(6)安装在所述底座(7)上，由动力装置(8)提供动力的所述升降杆(1)安装在所述机架(11)的上侧，与所述圆环支撑(6)的位置相对应，其特征在于所述升降杆(1)的末端连接有压头(2)，所述圆环支撑(6)上放置有定制的圆环(5)。2.根据权利要求1所述的沥青混合料剪切性能试验装置，其特征在于所述压头(2)直径为40mm120mm，所述圆环(5)外径为150mm，内径为40mm140mm。3.根据权利要求l所述的沥青混合料剪切性能试验装置，其特征在于所述圆环(5)由至少两个空心环套(10)相互套装而成。4.根据权利要求l所述的沥青混合料剪切性能试验装置，其特征在于所述压头(2)下和所述圆环(5)上放置有橡皮垫(4)。5.沥青混合料剪切性能试验方法，其特征在于包括以下步骤(1)确定压头尺寸、圆环尺寸和试件尺寸组合，通过理论计算确定荷载压应力与试件内最大剪应力之间的转换系数；(2)制作试件可采用静压法、振动成型或旋转压实室内成型圆柱体沥青混合料试件；也可采用现场钻心取得的圆柱体试件；(3)保温将试件、压头和圆环置于环境箱中保温；(4)进行抗剪强度试验将试件置于圆环上，通过压头对试件加载，试验结束，试件出现锥形剪切破坏面，分析试验过程中材料试验机采集的荷载压力和变形数据，得到破坏荷载，求出抗剪强度，进行平行试验，将平行试验测得的抗剪强度平均值作为沥青混合料的抗剪强度；(5)剪切疲劳试验可在步骤(4)中材料试验机测得破坏荷载的0.10.9倍范围内取荷载值，对平行试件进行重复加载疲劳试验，读出材料试验机采集试验过程中的加载次数和变形数据，确定沥青混合料的剪切疲劳寿命。6.根据权利要求5所述的剪切性能试验方法，其特征在于试验步骤(1)中所述试件尺寸为直径100150mm，高40100mm，所述压头直径为40mm120mm，所述圆环尺寸为外径150mm、内径为40mm140mm。7.根据权利要求5所述的沥青混合料剪切性能试验方法，其特征在于试验步骤(3)中将试件、压头和圆环置于1(TC6(TC环境箱中，保温时间在6小时以上再进行试验，以确保试件内外温度一致。8.根据权利要求5所述的沥青混合料剪切性能试验方法，其特征在于试验步骤(4)中通过压头对试件进行加载，加载速率为lmm/min，试验时间为8分钟。9.根据权利要求7所述的沥青混合料剪切性能试验方法，其特征在于试验步骤(5)中根据需要在0.10.9倍破坏荷载内选取具体荷载对平行试件进行重复加载疲劳试验，得到设定温度和应力水平下的沥青混合料的剪切疲劳寿命。10.根据权利要求5所述的沥青混合料剪切性能试验方法，其特征在于试验步骤(4)需确保压头位置居中，且在压头下和圆环上加垫橡皮垫。全文摘要一种确定沥青混合料抗剪强度和剪切疲劳寿命的试验装置及方法，采用圆环剪切试验测定不同温度条件下的沥青混合料的抗剪强度和剪切疲劳寿命。方法为测试之前，将沥青混合料试件放在温控箱内在设定的试验温度下保温6小时以上。试验时，将沥青混合料试件置于圆环上，通过压头对试件加载，使其发生剪切破坏，形成锥形剪切破坏面，求出沥青混合料的抗剪强度；根据需要在0.1～0.9倍破坏荷载内选取具体荷载对平行试件进行重复加载疲劳试验，加载波形为正弦波，频率为10Hz，读出不同应力比时沥青混合料的剪切疲劳寿命，该试验方法对研究沥青混合料的抗剪性能及沥青混合料的材料设计与评价具有重要意义。文档编号G01N3/24GK101788431SQ201010110130公开日2010年7月28日申请日期2010年2月10日优先权日2010年2月10日发明者郑健龙,钱国平,黄拓申请人:长沙理工大学
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