路面與橋面變形力學特性的多功能綜合測試儀的製作方法

2023-06-09 09:59:21 1

專利名稱：路面與橋面變形力學特性的多功能綜合測試儀的製作方法
技術領域：
本發明屬於路面和橋面力學特性設備，用於再現和觀測路面和橋面變形穩定性、靜動力響應，是一種包括局部加載壓入、局部加載蠕變、局部循環加載動力響應測試項目的多功能綜合測試儀，並能基於試驗經驗和力學分析原理實現工程現場的變形力學特性綜合檢測與評價。

背景技術：
目前，國內外道路路面與橋面面層變形力學特性試驗研究的主要方法有馬歇爾法、三軸試驗法、蠕變試驗法、車轍試驗法和剪切試驗法等。美國、日本等許多國家以及我國評價高溫穩定性的指標是馬歇爾法的穩定度和流值，以及車轍試驗的動穩定度。
馬歇爾試驗是純經驗性方法，最早由密西西比州公路局的Bruce Marshell於1946年發明，並於1949年正式為美國陸軍採用，要求試件在60℃條件下進行試驗，並且不能有效的模擬路面或橋面受壓剪切破壞的完整過程。
車轍試驗採用膠輪的往復運動來模擬行車荷載的作用，具有一定的仿真性，所以，在道路工程中得到廣泛的應用。但是由於車轍試件輪碾成型方法，各組試件的復現性較差，加之膠輪在不平整試件上往復滾動，進行豎向變形測試時將會導致很大的誤差，因此，車轍試驗的離散性較大。此外，動穩定度是一個間接指標，動穩定度與車轍試驗總變形之間沒有嚴格的對應關係。
眾所周知，瀝青混合料是一種典型的粘彈性材料。混合料的變形隨荷載的作用時間的長短而不同，因而在研究其變形性質時必須說明變形所處的時間；另一方面，瀝青混合料的變形隨溫度的變化而變化，高溫時其彈性效應降低，粘性性質增強；低溫時剛度增大，彈性效應明顯，粘性性質減弱，故評價瀝青混合料的力學性質必須說明其所處的條件。蠕變試驗可以模擬瀝青混合料發生蠕變破壞的全過程，通過測定試驗過程中瀝青混合料的應力、應變而得到的蠕變曲線來檢驗瀝青混合料的粘彈性特性，進而分析瀝青混合料的高溫穩定性。現有的蠕變試驗的加載方式普遍採用的液壓式或氣壓式，試驗設備較大，成本較高；蠕變試驗儀器對荷載的控制能力較差，並且每次只有一個試件(沒有平行試件)，所得到的結果變異性很大，不利於評價路面與橋面的變形力學特性，並且目前蠕變試驗儀器對整個試件施加均布荷載，與實際路面或橋面的局部受載的情況相差較大。
混合料剪切試驗通常應用土工試驗剪切儀原理，或者套用針對兩層材料之間的粘結界面性能試驗裝置，對路面和橋面混合料的適用性有待提高。
三軸試驗主要用於測試在圍壓狀態下，瀝青混合料的軸向變形狀況，目前常規的三軸試驗儀沒有保溫裝置，並且通常僅要求在室溫(常溫)條件下進行試驗，因此，瀝青混合料在不同溫度條件下的軸向變形特性測試有待進一步研究，並且目前三軸試驗儀也同樣對整個試件施加均布荷載，與實際路面或橋面的局部受載的情況相差較大。
此外，歐美等發達國家開發的大型材料試驗系統主要以三點彎曲或四點彎曲小梁試件為試驗對象，研究循環動荷載下材料的疲勞特性。這些設備價格昂貴，能源消耗巨大，不適合現場試驗。
然而路面和橋面材料特性較為複雜，不可能儀依靠以上某一種試驗來確定其變形規律，因此需要基於試驗經驗和力學分析原理，儘可能模擬實際狀況的綜合測試評價方法和設備。
日前國內外沒有系統的用於工程現場的道路路面變形穩定性檢測設備，而在橋面面層領域更是空白。
綜上所述，研發溫度條件可控，設備簡單，能耗較小，能夠模擬行車循環動荷載作用，還可以應用於工程現場檢測的多功能測試儀在路面和橋面領域具有良好的發展前景，不僅能夠節約設備製造和使用成本，而且可以降低能耗適應環境要求，同時還可以應用於理論研究和工程現場檢測，為實際工程質量控制提供保障。


發明內容
本發明的目的在於提供一種路面與橋面變形力學特性的多功能綜合測試儀，能夠完整的獲得路面及橋面的相關動靜態力學特性、抗變形能力指標以及材料抗剪性能的重要參數，並解決目前工程現場無法進行變形穩定性綜合測試與綜合評價的問題。所述多功能測試儀包括支架、可調溫度域、豎向加載系統、豎向荷載邊界平衡系統、機械式曲柄連杆循環加載系統、荷載位移傳感器、綜合控制顯示系統。其特徵在於 1、該設備可以提供以下功能①基於模擬實際行車動態荷載作用下的路面或橋面的受力狀況，獲得累計軸載次數與豎向變形的發展規律以及動態模量|E*|。②採用局部靜態加載蠕變試驗得到路面或橋面材料的蠕變勁度δmix，即為在給定溫度和靜載時間下應力與應變的比值，其值越大，材料的高溫穩定性越好。③採用局部壓入方法更加有效的模擬現場荷載情況，並且僅通過多次局部壓入試驗就可以得到路面或橋面材料抗剪性能的重要參數C、

的方程組，進而可以求得C、

為力學模擬分析提供有效參數取值。結合以上多項綜合測試結果，並進一步利用獲取的力學參數進行理論模擬分析，就可以基於試驗經驗和力學分析原理，綜合分析和評價路面或橋面的變形力學特性。
2、設備具備進行多項測試項目的能力，根據不同的研究、應用目的，既可以選擇單項測試，也可以進行綜合測試、系統分析路面或橋面的變形力學特性。
3、採用曲柄連杆循環加載系統，有效的模擬行車作用下產生的循環簡諧波荷載。簡化了大型材料試驗設備複雜的液壓或氣壓伺服系統，大大降低了製造成本。
4、本設備採用可調溫度域(水浴或油浴)，溫度可設在範圍(-20～80℃)，溫度設定後，溫度域的恆溫精度為±1℃。採用本設備可以模擬各種不同環境溫度條件下道路路面和橋面面層的使用狀態。
5、試件除了標準的10cm×10cm×10cm外，還可以採用尺寸不超過25cm×25cm×25cm的長方體、圓柱體試件，以及帶鋼板的橋面複合結構試件，試件臺根據最大試件尺寸設計，試件的固定依靠自身重力以及試件與試件臺的接觸摩擦阻力，因此採用不同試件進行試驗時無需外加夾具或專用支承裝置。同時配套有直徑為5mm～50mm的多種壓力柱供選擇，以滿足不同公稱粒徑混合料加載時的最小接觸面積的要求。該測試設備能夠分析不同成型方式(如試驗室靜壓成型、馬歇爾擊實成型、旋轉壓實成型，現場取芯等)的試件，以及帶鋼板的橋面複合結構試件的力學變形特性。
6、通過豎向加載系統、豎向荷載邊界平衡系統，以及機械式柄連杆系統，可以實現A.進行單軸局部加載壓入試驗；B.進行單軸局部加載蠕變試驗；C.進行單軸局部循環加載試驗。本設備採用多套平行加載測試系統(圖1中，以左、右兩套平行加載測試系統為例)，可以在同一次試驗中採用多個平行試件，有效的控制試驗精度。
7、荷載控制單元、豎向荷載邊界平衡控制單元、溫度控制單元、數據信號處理單元、信息顯示單元的集成，形成該設備的綜合控制顯示系統。
8、豎向荷載邊界平衡系統，不僅可以便於壓力柱和試件良好接觸，確保加載時荷載均勻，並能通過其相應的控制單元，實現等剛度、等位移等接觸邊界條件。
9、豎向荷載加載系統、曲柄連杆循環加載系統、權利要求7的綜合控制顯示系統，權利要求8所述的豎向荷載邊界平衡系統、共同組成循環簡諧荷載加載系統。
10、由於採用機械式曲柄連杆循環加載系統代替大型液壓或氣壓伺服循環加載裝置，綜合控制顯示系統的集成設計，試件臺和壓力柱設計時考慮不同尺寸試件的影響，本設備實現了小型化、簡易化，便於搬運攜帶，因此適合於試驗室和道路或橋面施工現場使用並且體現了節能、環保的特點。對比表明車轍試驗儀(以EHSY Lab L1730105為例)其加熱功率為2kW，MTS-810環境箱(以型號651.06E-03為例)功率為4kW，而本設備的溫度控制功率為1000W；並且車轍試驗的試件為30cm×30cm×5cm，三軸試驗π(7.5cm)2×15cm，而本設備的標準試件為10cm×10cm×10cm。試件增大，不僅顯著增加了材料成本，試件能耗，並且試驗後的廢棄瀝青混合料試件大大增加了對環境的危害。



圖1為分析路面及橋面變形力學特性的多功能測試儀結構組成示意圖 圖2為綜合控制顯示系統示意圖 圖3為機械式曲柄連杆循環加載系統示意圖 圖4為循環荷載下路面或橋面材料的應力應變關係圖
具體實施例方式 圖1所示為分析路面及橋面變形力學特性的多功能測試儀組成示意圖，該設備由支架(2)、固定在支架(2)上的豎向加載系統(1)、豎向荷載邊界平衡系統(3)、位移傳感器(4)、荷載傳感器(17)，壓力柱(6)，機械式曲柄連杆循環加載系統(7)，可調溫度域(10)，試件臺(12)等組成。
試件置於溫度域(10)中的試驗臺(12)上，豎向加載系統(1)通過豎向荷載邊界平衡系統(3)與下方的壓力柱(6)相連接。機械式曲柄連杆循環加載系統(7)中的連杆上端與其上的豎向荷載邊界平衡系統(3)連接。通過豎直位置調節器(18)可以手動調節豎向加載系統(1)的豎向位置；通過垂直調節器(19)可以調節豎向加載系統(1)的垂直度。通過調節支座水平調節器(14)，可以將整個設備調至水平狀態。位移傳感器支座(5)固定於支架(2)側面，豎向位移傳感器(4)上端固定於傳感器支座(5)上，下端探頭則與固定於壓力柱(6)的引伸片接觸。
豎向加載系統(1)、豎向荷載平衡系統(3)、機械式曲柄連杆循環加載系統(7)、位移傳感器(4)、荷載傳感器(17)、循環回流泵(8)，溫度域加熱冷制系統(9)、溫度傳感器(11)、攪拌器(13)等分別通過各自信號控制數據採集傳輸線(15)與綜合控制顯示系統(16)相連接。其中，綜合控制顯示系統(圖2所示)包括荷載控制單元(20)，豎向荷載邊界控制單元(21)，曲柄連杆運動控制單元(22)，數據信號處理單元(24)，信息顯示系統(25)組成；機械式曲柄連杆循環加載系統(如圖3所示)包括旋轉電機(26)，變速箱(27)和曲柄連杆(28)組成。
其主要工作原理為 1、本路面與橋面變形力學特性多功能測試儀，可以通過對豎向加載系統(1)，豎向荷載邊界平衡系統(3)及機械式曲柄連杆循環加載系統(7)的調節與控制實現A、B、C功能 A項試驗內容此時將機械式曲柄連杆循環加載系統(7)置於分離狀態；控制豎向加載系統(1)記錄變形隨時間的變化規律，加載至設定的荷載，並在設定的時間內保持荷載不變。
B項試驗內容此時將機械式曲柄連杆循環加載系統(7)置於分離狀態；控制豎向加載系統(1)記錄變形隨時間的變化規律，按照設定的加載速率或位移速率進行加載，同時記錄變形，直至試件破壞或產生加載力峰值停止試驗，加載過程中可以控制豎向荷載邊界平衡系統以達到壓力柱荷載的均勻性和穩定性。
C項試驗內容此時，將機械式曲柄連杆循環加載系統(7)置於閉合狀態；控制豎向加載系統(1)，加載至設定的荷載(亦可為零)，保持不變，根據實際需要，確定簡諧荷載的頻率。經過換算，設置機械式曲柄連杆循環加載系統(7)中變速箱(27)的檔位，以確保曲柄連杆(28)在設定的轉速下運轉，模擬荷載頻率。簡諧荷載的大小可以通過調節勻速電機(26)的輸出功率和豎向荷載邊界平衡系統(3)的剛度來控制。
2、路面和橋面材料的重要力學參數C、

的求解原理 根據摩爾庫倫原理
其中σ1、σ3分別為第一、第三主應力；C、

為路面或橋面材料的重要力學參數。
採用不同尺寸的壓力柱，進行局部壓入試驗，得到荷載峰值，然後通過對壓入試驗的理論分析(或有限元計算)，計算得到對應加載面積和荷載峰值條件下的多組σ1、σ3，代入上式可以得到以C、

為參數的方程組，採用最小二乘法求解可以得到C、

值。
3、路面或橋面材料動模量|E*|的求解原理 對於線性粘彈性材料，如路面及橋面材料，在連續正弦循環荷載作用下的應力-應變關係定義為複合模量(E*)，它是線性粘彈性材料強度的基本表徵。複合模量定義為任意給定時間t和荷載角速度ω下的正弦應力振幅δ＝δ0sin(ωt)與相同時間和頻率下的正弦應變振幅ε＝ε0sin(ωt-φ)的比值，它確定了穩定的狀態反應(如圖4所示) E*＝δ/ε＝δ0sin(ωt)/ε0sin(ωt-φ) 其中δ0為應力峰值；ε0為應變峰值；φ為相位角；ω為角速度；t為時間.通常，複合模量指的是E*是個複數，包括實部和虛部，與應力同相的實數部分模量E』指的是複合模量的存儲或彈性模量部分；與應力相差90°的虛數部分模量E」指的是損失或粘性模量；因此E*能全面反映瀝青混合料的粘彈性，可以作為評價其性能的指標。定義相位角φ為荷載作用下瀝青混合料所產生的應變ε0落後於試驗中所施加的應力σ0的相位角，上述複合模量可以表示為 E*＝|E*|cosφ+i|E*|sinφ 其中i為複合模量的虛部。
動態模量定義為複合模量的模，反映了材料抵抗變形的能力，動態模量的定義如下 動態模量也可以通過試驗達到穩定狀態時的應力幅值和應變幅值的比值來確定即 |E*|＝δ0/ε0 4、可調溫度域溫度控制原理 通過加熱液體或冷卻液體在溫度域加熱冷制系統(9)導管中的循環流動，與溫度域(10)中的水浴(或油浴)發生熱交換。溫度域(10)中的水浴(或油浴)通過攪拌器(13)以及循環回流泵(8)產生對流，使溫度域(10)試件臺(12)周圍溫度分布均勻。溫度控制單元，根據水浴(或油浴)中溫度傳感器(11)採集的實時溫度，自動控制加熱液體或冷卻液體的循環流動，以及攪拌器(13)及循環回流泵(8)的工作狀態。
5、接觸邊界條件控制原理 豎向荷載邊界平衡系統包括多組可控的彈簧單元、滑動阻尼但運、摩擦單元，不僅可以便於壓力柱和試件良好接觸，確保加載時荷載均勻，並能通過相應的控制單元控制彈簧單元、滑動阻尼但運、摩擦單元的斷開和閉合以及狀態參數，實現等剛度、等位移等接觸邊界條件。
6、多功能綜合測試系統設計原理 採用系統功能模塊設計方法，共用豎向加載系統和溫度域加熱冷制系統，大大簡化了設備，並且根據綜合分析設計了試件臺，試件除了標準的10cm×10cm×10cm外，還可以採用尺寸不超過25cm×25cm×25cm的長方體、圓柱體試件，以及帶鋼板的橋面複合結構試件，而無需外加夾具或專用支承裝置；為模擬反覆作用於道路面層及橋面的行車荷載設計了機械式曲柄連杆循環加載系統產生的簡諧荷載，並設計了豎向荷載平衡系統以保證動荷載的均勻性和穩定性，通過機械式曲柄連杆循環加載系統的閉合可開啟實現簡單豎向加載試驗(局部加載壓入試驗、局部加載蠕變試驗等)與局部循環加載試驗之間的切換；荷載控制單元(20)，豎向荷載邊界控制單元(21)，曲柄連杆運動控制單元(22)，數據信號處理單元(24)，信息顯示系統(25)組成綜合控制顯示系統，實現數據採集、信號控制及綜合分析的功能。通過系統簡化設計，不需改變夾具和支承裝置就可以實現多項試驗的功能，以及集成的綜合系統控制系統，實現了設備的小型化和節能化，可以改變工程現場缺少變形力學性能綜合評價測試設備的現狀。
權利要求
1、一種路面與橋面變形力學特性的多功能綜合測試儀，包括支架、可調溫度域、豎向加載系統、豎向荷載邊界平衡系統、機械式曲柄連杆循環加載系統、荷載位移傳感器、綜合控制顯示系統，其特徵在於通過豎向加載系統和豎向荷載邊界平衡系統可以實現靜態加載和逐級加載，包括A.進行單軸局部加載壓入試驗，B.進行單軸局部加載蠕變試驗，得到蠕變勁度δmix；通過開啟專門設計的機械式曲柄連杆循環加載系統，可以實現動態循環加載，包括C.進行單軸局部循環加載試驗模擬實際行車動態荷載作用下的路面或橋面的受力狀況，獲得累計軸載次數與豎向變形的發展規律以及動態模量|E*|；試件臺和壓力柱設計時考慮不同尺寸試件的影響，可以不改變夾具和支承裝置實現以上測試功能，並且由於小型化設計，該設備不僅可用於理論研究還可用於工程現場的多種測試項目綜合檢測，這些測試項目不是簡單的組合，不僅提供測試指標值，而且可以得到重要的材料力學參數，進而可以進行綜合分析和綜合評價。
2、根據權利要求1所述的路面與橋面變形力學特性的多功能綜合測試儀，其特徵在於僅通過多次不同加載面積的局部壓入試驗就可以得到路面與橋面材料的抗剪性能的重要參數C、
的方程組，進而可以求得C、
為力學模擬分析提供有效參數取值。
3、根據權利要求1所述的路面與橋面變形力學特性的多功能綜合測試儀，其特徵在於運用權利要求1和權利要求2所述的方法可以獲得所述的力學參數，進一步利用這些力學參數進行理論模擬分析並結合以上所述的多項綜合測試結果，就可以基於試驗經驗和力學分析原理，實現對路面或橋面的變形穩定性綜合分析和評價。
4、根據權利要求1所述的路面與橋面變形力學特性的多功能綜合測試儀，其特徵在於可以根據預設的溫度和溫度傳感器採集的溫度域實時溫度，通過溫度控制單元自動控制加熱液體或冷卻液體在溫度域加熱冷制系統管中的循環流動，以及攪拌器和循環回流泵的工作狀態，使試件臺周圍溫度分布均勻，從而可以實現低溫、室溫、高溫等不同氣溫條件的模擬。
5、根據權利要求1所述的路面與橋面變形力學特性的多功能綜合測試儀，其特徵在於試件除了標準的10cm×10cm×10cm外，還可以採用尺寸不超過25cm×25cm×25cm的長方體、圓柱體試件，以及帶鋼板的橋面複合結構試件，試件臺根據最大試件尺寸設計，試件的固定依靠自身重力以及試件與試件臺的接觸摩擦阻力，因此採用不同試件進行試驗時無需外加夾具或專用支承裝置。同時配套有直徑為5mm～50mm的多種壓力柱供選擇，以滿足不同公稱粒徑混合料加載時的最小接觸面積的要求。該測試設備能夠分析不同成型方式(如試驗室靜壓成型、馬歇爾擊實成型、旋轉壓實成型，現場取芯等)的試件，以及帶鋼板的橋面複合結構試件的力學變形特性。
6、根據權利要求1所述的路面與橋面變形力學特性的多功能綜合測試儀，其特徵在於同一次試驗採用兩個(或多個平行)試件，可以減小試驗環境差別，降低測試數離散性。
7、根據權利要求1所述的路面與橋面變形力學特性的多功能綜合測試儀，其特徵在於荷載控制單元、豎向荷載邊界平衡控制單元、溫度控制單元、數據信號處理單元、信息顯示單元的集成，形成該設備的綜合控制顯示系統。
8、根據權利要求1所述的路面與橋面變形力學特性的多功能綜合測試儀，其特徵在於豎向荷載邊界平衡系統，不僅可以便於壓力柱和試件良好接觸，確保加載時荷載均勻，並能通過其相應的控制單元，實現等剛度、等位移等接觸邊界條件。
9、根據權利要求1所述的路面與橋面變形力學特性的多功能綜合測試儀，其特徵在於豎向荷載加載系統、曲柄連杆循環加載系統、權利要求7的綜合控制顯示系統，權利要求8所述的豎向荷載邊界平衡系統、共同組成循環簡諧荷載加載系統。
10、根據權利要求1所述的路面與橋面變形力學特性的多功能綜合測試儀，其特徵在於由於採用機械式曲柄連杆循環加載系統代替大型液壓或氣壓伺服循環加載裝置，綜合控制顯示系統的集成設計，試件臺和壓力柱設計時考慮不同尺寸試件的影響，本設備實現了小型化、簡易化，便於搬運攜帶，因此適合於試驗室和道路或橋面施工現場使用並且體現了節能、環保的特點。
全文摘要
本發明公開了屬於力學特性試驗設備的一種路面與橋面變形力學特性的多功能綜合測試儀，主要由支架、可調溫度域、豎向加載系統、豎向荷載邊界平衡系統、機械式曲柄連杆循環加載系統、荷載位移傳感器、綜合控制顯示系統組成。測試開始後記錄荷載與變形隨時間的變化。該設備可以實現局部加載壓入試驗和局部加載蠕變試驗，還能利用機械式曲柄連杆循環加載系統產生的簡諧荷載模擬反覆作用的行車荷載，進行局部循環加載試驗。不改變夾具，通過該設備完成以上多項系統測試內容，可以完整的獲得路面及橋面的相關動靜態力學特性、抗變形能力指標以及材料抗剪性能的重要參數C、φ，可解決工程現場無法進行變形穩定性綜合測試與綜合評價的問題。
文檔編號G01M99/00GK101349624SQ20081002081
公開日2009年1月21日 申請日期2008年8月1日 優先權日2008年8月1日
發明者張其踐 申請人:張 磊, 王建偉