一種考慮局部軸向壓力的瀝青混合料水平抗剪性能試驗裝置及方法與流程
2023-05-10 11:15:51 1
本發明涉及公路工程技術領域，尤其是一種考慮局部軸向壓力的瀝青混合料水平抗剪性能試驗裝置及方法。
背景技術：
隨著我國道路建設的快速發展，瀝青路面以其表面平整、噪聲小、無接縫、行車舒適、建設快、維修簡便等優點而被人們廣泛接受，但瀝青路面對溫度的適應性較差，高溫或低溫時都容易出現路面病害，且隨著早期修築的瀝青路面使用性能的下降，我國逐步進入了養護與修建並重的時代。
目前，我國修築的瀝青路面大多採用半剛性基層，基層較面層剛度大，當夏季溫度較高時，瀝青混凝土路面在車輪荷載的反覆作用下，面層的瀝青混合料會因抗剪強度不足，而產生流動變形，進而累積形成車轍。正是由於這一原因，目前的抗剪切性能檢測試驗大多專注於瀝青混合料的豎向抗剪性能的評價，以預防車轍的產生。但車輛在向前行駛的過程中，不僅對瀝青路面有豎向的剪切作用，在平行路面方向也有剪切力的作用，特別是在啟動、剎車以及上下坡的過程中。瀝青路面水平抗剪能力不足，易造成路面混合料的推擠和擁包，進而產生更嚴重的路面病害，對行車不利，也增加了養護維修費用。
就目前的瀝青混合料抗剪性能試驗，大多是對碾壓面施加荷載進行的豎向抗剪性能檢測而忽略了瀝青混合料水平抗剪性能的測定，或者說沒有明確進行瀝青混合料在水平力作用下抗剪性能的評定，且很多試驗方法需要昂貴的成套設備，操作複雜，如superpave簡單剪切試驗、三軸壓縮試驗、直接剪切試驗、旋轉剪切試驗等；其他方法雖試驗設備相對簡易，如斜剪試驗和同軸剪切試驗等，但對瀝青混合料試件的形狀及尺寸要求特殊，不適用於現場的取芯檢測；而單軸貫入試驗，試件中應力狀態分布複雜，計算困難，且剛性壓頭的荷載分布與輪胎的非均勻荷載作用相差較大，不利於實際應用。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題在於，提供一種考慮局部軸向壓力的瀝青混合料水平抗剪性能試驗裝置及方法，能夠有效模擬輪載作用下路面結構中瀝青混合料的受力形式，通過改變局部軸向壓力的大小來研究不同壓力作用下對瀝青混合料抗剪性能的影響。
為解決上述技術問題，本發明提供一種考慮局部軸向壓力的瀝青混合料水平抗剪性能試驗裝置，包括：瀝青混合料圓柱體試件1、圓形鋼墊塊2、鋼套筒3、半圓環形壓頭4、凹形底座5、螺栓6和剪式千斤頂7；瀝青混合料圓柱體試件1直徑與鋼套筒3的內徑一致，且沿軸線方向水平置於兩鋼套筒3中央；兩個鋼套筒3用螺栓6固定於凹形底座5之上；左右兩圓形鋼墊塊2中心與試件中心對齊，瀝青混合料圓柱體試件1、圓形鋼墊塊2、鋼套筒3同軸；剪式千斤頂7用螺栓固定於凹形底座5之上，通過圓形鋼墊塊2對瀝青混合料圓柱體試件1施加局部軸向壓力；半圓環形壓頭4放於瀝青混合料圓柱體試件1中間，與左右等距，半圓環形壓頭4內半徑與瀝青混合料圓柱體試件1半徑一致，萬能材料試驗機的荷載通過半圓環形壓頭4均勻傳遞，施加到瀝青混合料圓柱體試件1上。
優選的，瀝青混合料圓柱體試件1的尺寸為：直徑100mm，高100～160mm。
優選的，圓形鋼墊塊2直徑為40～60mm；鋼套筒3內徑100mm，寬30～50mm；半圓環形壓頭4內半徑50mm，寬30～50mm。
優選的，軸向局部壓力大小為0.7mpa。
相應的，一種考慮局部軸向壓力的瀝青混合料水平抗剪性能試驗方法，包括如下步驟：
(1)根據所要檢測的瀝青混合料的級配組成與油石比，旋轉壓實成型φ150mm×100～160mm瀝青混合料試件，並通過切割得到固定尺寸的瀝青混合料圓柱體試件1，平行試驗試件個數不少於3個；
(2)將試驗裝置，即兩塊圓形鋼墊塊2、兩個鋼套筒3、一個半圓環形壓頭4，與試件一起放入目標溫度的環境箱內保溫不低於5小時，且不超過12小時；
(3)取出試件、圓形鋼墊塊、鋼套筒和壓頭；在鋼套筒3內壁塗抹隔離劑，將圓柱體試件裝入鋼套筒3中，使兩鋼套筒3位於試件兩側，並用螺栓6將其固定在放置於試驗臺上的凹形底座5上；試件兩側各放一個圓形鋼墊塊2，鋼墊塊2中心對準試件中間位置，用固定於凹形底座5上的剪式千斤頂7對鋼墊塊施加軸向力至目標值，圓形鋼墊塊2處的壓力傳感器實時顯示壓力大小；然後將半圓環形壓頭4對準試件的中間放置；啟動萬能材料試驗機，在規定的試驗溫度下以一定速率通過半圓環形壓頭4對試件施加荷載；
(4)在加載過程中，數據採集系統自動測定並繪製記錄荷載-變形曲線，根據荷載-變形曲線所讀取的峰值荷載q，用公式計算得到瀝青混合料的抗剪強度τ，r為瀝青混合料圓柱體試件半徑。
優選的，步驟(1)中，瀝青混合料圓柱體試件1的尺寸為：直徑100mm，高100～160mm。
優選的，步驟(2)的圓形鋼墊塊2直徑為40～60mm；鋼套筒3內徑100mm，寬30mm，寬30～50mm；半圓環形壓頭4內半徑50mm，寬30～50mm。
優選的，步驟(3)的軸向局部壓力大小為0.7mpa。
本發明的有益效果為：本發明開發了一種評價瀝青混合料水平抗剪性能的新方法，通過對圓柱形瀝青混合料試件施加局部軸向壓力，不僅有效的模擬了輪載作用下路面結構中瀝青混合料的受力形式，還可以通過改變局部軸向壓力的大小來研究不同壓力作用下對瀝青混合料抗剪性能的影響；且本發明採用平行於碾壓面的加載形式，能更加明確的評價瀝青混合料的水平抗剪性能，得到抗剪強度τ。此外，本試驗方法更加簡便，操作容易，成本低，適用性更強，利於推廣使用。
附圖說明
圖1為本發明的實驗裝置結構示意圖。
圖2為本發明的考慮局部軸向壓力的瀝青混合料水平抗剪性能試驗裝置剖面示意圖。
圖3為本發明的方法流程示意圖。
具體實施方式
如圖1和2所示，一種考慮局部軸向壓力的瀝青混合料水平抗剪性能試驗裝置，包括：瀝青混合料圓柱體試件1、圓形鋼墊塊2、鋼套筒3、半圓環形壓頭4、凹形底座5、螺栓6和剪式千斤頂7；瀝青混合料圓柱體試件1直徑與鋼套筒3的內徑一致，且沿軸線方向水平置於兩鋼套筒3中央；兩個鋼套筒3用螺栓6固定於凹形底座5之上；左右兩圓形鋼墊塊2中心與試件中心對齊，瀝青混合料圓柱體試件1、圓形鋼墊塊2、鋼套筒3同軸；剪式千斤頂7用螺栓固定於凹形底座5之上，通過圓形鋼墊塊2對瀝青混合料圓柱體試件1施加局部軸向壓力；半圓環形壓頭4放於瀝青混合料圓柱體試件1中間，與左右等距，半圓環形壓頭4內半徑與瀝青混合料圓柱體試件1半徑一致，萬能材料試驗機的荷載通過半圓環形壓頭4均勻傳遞，施加到瀝青混合料圓柱體試件1上。
如圖3所示，相應的，一種考慮局部軸向壓力的瀝青混合料水平抗剪性能試驗方法，包括如下步驟：
(1)使用瀝青混合料旋轉壓實儀成型瀝青混合料試件，通過切割得到固定尺寸的瀝青混合料圓柱體試件；
(2)將兩塊圓形鋼墊塊，兩個鋼套筒，一個半圓環形壓頭，與試件一起放入目標溫度的環境箱內保溫不低於5小時，且不超過12小時；
(3)在採用萬能材料試驗機準備加載前，先將壓頭、鋼墊塊、鋼套筒、試件和剪式千斤頂按相對位置準確組裝，放置在環境保溫箱中，溫度控制在目標值±0.5℃；
(4)啟動萬能材料試驗機進行加載，在加載過程中，數據採集系統自動測定並繪製記錄荷載-變形曲線，通過對所讀取荷載峰值計算得到瀝青混合料的抗剪強度。
步驟(1)中的瀝青混合料圓柱體試件1的尺寸為：直徑100mm，高100～160mm。
步驟(2)中的圓形鋼墊塊2直徑為40～60mm；鋼套筒3內徑100mm，寬30～50mm；半圓環形壓頭4內半徑50mm，寬30～50mm。
瀝青混合料試件的直徑保持100mm不變，考慮到製作和鑽芯取樣的方便性，試件的高度不用設固定值，初步選取了100～160mm；對於鋼墊塊的直徑，為了便於局部加載，初步選取了40～60mm，鋼墊塊厚度則沒有固定要求，10～20mm最好；鋼套筒和半圓環形壓頭的內徑則必須與瀝青混合料試件的直徑保持一致，所以仍採用100mm，鋼套筒外徑也沒有固定要求，可採用105～110mm；最後是鋼套筒和半圓環形壓頭的寬度，這個寬度也沒有具體尺寸，只要保證混合料試件處於受剪狀態，相對於試件不過窄或過寬即可，所以初步選取了30～50mm。
具體過程：
1.瀝青混合料試件的製備
根據需要評價的瀝青混合料的級配和油石比，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》jtge20-2011中的t0736-2011(sgc法)旋轉壓實成型瀝青混合料試件，試件的孔隙率為4％，把成型後的旋轉壓實試件切割成直徑為100mm，高為100mm的圓柱形試件。對圓柱體試件頂面和底面是否水平進行檢測，用遊標卡尺在十字對稱的4個方向量測圓柱體試件的高度，如兩側高度差大於2mm時，此試件作廢，平行試驗要求試件個數不少於3個。
2.試件的保溫
兩塊圓形鋼墊塊，兩個鋼套筒，一個半圓環形加載壓頭，與切割得到的試件一起放入60℃的環境箱內保溫不低於5小時，且不超過12小時，注意試件之間不能靠的太近，更不可疊加放置。
3、抗剪強度測試
取出試件、圓形鋼墊塊、鋼套筒和壓頭。在鋼套筒內壁塗抹隔離劑(防止瀝青混合料與內壁粘連)，將瀝青混合料圓柱體試件裝入鋼套筒中，使兩鋼套筒位於試件兩側，並用螺栓將其固定在放置於試驗臺上的凹形底座上；試件兩側各放一個圓形鋼墊塊，鋼墊塊中心對準試件中間位置，用剪式千斤頂對鋼墊塊施加0.7mpa的軸向力來壓緊試件；然後將半圓環形壓頭對準試件的中間放置(為避免半圓環形壓頭與鋼套筒的摩擦，可在鋼套筒和壓頭側壁上塗抹潤滑劑，或者安裝時在兩者間留出1～2mm間隙)，安裝完成後，調節萬能材料試驗機環境箱使溫度控制在60±0.5℃；最後，啟動萬能材料試驗機，在60℃的試驗溫度下以1mm/min速率通過壓頭對試件施加荷載，數據採集系統自動測定並繪製記錄荷載-變形曲線。
4.抗剪強度的計算
根據數據採集系統自動測定並繪製記錄荷載-變形曲線，得到峰值荷載q，按公式(1)計算瀝青混合料的抗剪強度τ。
其中：τ-抗剪強度；q-峰值荷載；r-試件半徑。
綜上，本發明公開了一種考慮局部軸向壓力的瀝青混合料水平抗剪性能試驗裝置及方法，有效的模擬了瀝青路面中混合料在車輪荷載作用下的局部受壓形式，且以平行於碾壓面的加載方式進行瀝青混合料的水平抗剪性能的檢測，受力形式更加明確，更能直觀的評價瀝青混合料在水平力作用下的抗剪性能，並且試驗設備簡單，操作簡易，成本低，便於推廣使用。
儘管本發明就優選實施方式進行了示意和描述，但本領域的技術人員應當理解，只要不超出本發明的權利要求所限定的範圍，可以對本發明進行各種變化和修改。