本發(fā)明屬于瀝青混合料抗剪力學(xué)性能試驗(yàn)測試技術(shù)領(lǐng)域，涉及到一種瀝青混合料壓扭剪切破壞性能試驗(yàn)裝置，是一種瀝青混合料在壓扭復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)及中高溫環(huán)境下的剪切破壞強(qiáng)度性能試驗(yàn)裝置。
背景技術(shù)：
道路使用過程中面臨著交通量和超載現(xiàn)象不斷增加的情況，瀝青混合料在高溫時(shí)的剪切強(qiáng)度不足以抵抗車輪荷載的反復(fù)作用，使瀝青混凝土產(chǎn)生塑性剪切變形，產(chǎn)生車轍破壞病害，其直接原因是瀝青混合料高溫穩(wěn)定性不足，而抗剪性能是影響瀝青混合料熱穩(wěn)定性的重要因素。而研究壓力作用下的扭轉(zhuǎn)剪切破壞性能試驗(yàn)測試能較為真實(shí)的反映路面使用的情況，對瀝青混合料的評價(jià)與設(shè)計(jì)都具有重要意義。
目前用于測試瀝青混合料抗剪強(qiáng)度性能的試驗(yàn)方法有單軸貫入試驗(yàn)、同軸剪切試驗(yàn)、簡單剪切試驗(yàn)SST、旋轉(zhuǎn)壓實(shí)及剪切性能試驗(yàn)等。
單軸貫入試驗(yàn)、同軸剪切試驗(yàn)方法近年來由同濟(jì)大學(xué)提出、發(fā)展并得以應(yīng)用。單軸貫入抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)的理論基礎(chǔ)是基于單圓均布荷載作用下彈性半無限體的最大剪應(yīng)力，通過力學(xué)分析獲得該方法的剪應(yīng)力參數(shù)；其試驗(yàn)方法是利用特定直徑的鋼柱壓頭對瀝青混合料圓柱體試件進(jìn)行加壓直至破壞，獲得最大加壓壓力P，再結(jié)合理論計(jì)算結(jié)果采用計(jì)算公式得到瀝青混合料的粘結(jié)力c、內(nèi)摩擦角材料參數(shù)。試驗(yàn)證明，該試驗(yàn)得到的剪切強(qiáng)度與三軸試驗(yàn)結(jié)果及規(guī)律基本一致。單軸貫入試驗(yàn)的主要問題是缺乏對實(shí)際交通荷載水平力作用的模擬；與三軸試驗(yàn)相似，試件整體受力狀態(tài)特點(diǎn)是主應(yīng)力方向保持不變。
同軸剪切試驗(yàn)采用外徑Φ150mm、內(nèi)徑Φ55mm的中空圓柱體瀝青混合料試件，用環(huán)氧樹脂將試件粘貼在外鋼筒和內(nèi)鋼柱之間；試驗(yàn)時(shí)將外鋼筒固定，對鋼柱施加軸向荷載，通過鋼柱環(huán)形粘結(jié)面將剪切力作用于試件內(nèi)側(cè)柱面，而試件外側(cè)柱面受限，試件受剪切力作用而破壞。試驗(yàn)加載可在材料試驗(yàn)機(jī)上完成，試驗(yàn)控制、數(shù)據(jù)采集較為方便，具有較好試驗(yàn)精度及穩(wěn)定性，且靜態(tài)、動態(tài)試驗(yàn)均可方便進(jìn)行。同軸剪切試驗(yàn)的主要問題是，通過施加壓力使試件內(nèi)側(cè)面受到剪切作用，試件整體缺少受壓作用，與實(shí)際瀝青路面受力狀態(tài)差異較大。
簡單剪切試驗(yàn)SST是美國公路戰(zhàn)略研究計(jì)劃SHRP Superpave路面設(shè)計(jì)相應(yīng)的剪切性能試驗(yàn)方法，采用懸臂梁力學(xué)模型，瀝青混合料試件底端面固定，頂端面承受水平剪切荷載作用，可進(jìn)行靜、動態(tài)試驗(yàn)。與前述同軸剪切試驗(yàn)類似，簡單剪切試驗(yàn)SST主要模擬瀝青混合料的純剪切作用，另外因試驗(yàn)設(shè)備非常昂貴，在國內(nèi)外應(yīng)用很少。
旋轉(zhuǎn)壓實(shí)及剪切性能試驗(yàn)GTM方法是在試驗(yàn)室制作瀝青混合料或在拌合廠、施工現(xiàn)場取樣獲得混合料；調(diào)試并設(shè)定GTM旋轉(zhuǎn)壓實(shí)過程中的垂直壓力p，設(shè)置試驗(yàn)機(jī)初始旋轉(zhuǎn)角θα；根據(jù)試模直徑的不同，選擇對應(yīng)的金屬標(biāo)定塊，對高度傳感器進(jìn)行標(biāo)定；設(shè)定試驗(yàn)溫度，并進(jìn)行加熱保溫。
GTM可通過設(shè)定的平衡狀態(tài)、轉(zhuǎn)數(shù)、試件高度及試件密度中的一種方式來自動控制試驗(yàn)進(jìn)程。一般選擇平衡狀態(tài)為試驗(yàn)方式GTM每旋轉(zhuǎn)50次瀝青混合料試件密度變化小于0.008g/cm3，試驗(yàn)過程中計(jì)算機(jī)顯示不同旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)對應(yīng)的瀝青混合料試件密度、高度、輪壓、溫度等變化曲線，試件達(dá)到預(yù)先設(shè)定的平衡狀態(tài)后GTM自動停機(jī)，最后需要進(jìn)行摩擦力測定。通過計(jì)算獲得不同旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)下的試件密度、旋轉(zhuǎn)壓實(shí)指數(shù)GCI、旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定指數(shù)GSI、旋轉(zhuǎn)剪切強(qiáng)度、瀝青混合料抗剪強(qiáng)度因子GSF等。
瀝青混合料旋轉(zhuǎn)剪切破壞性能測定試驗(yàn)裝置是申請者已獲得的授權(quán)發(fā)明專利ZL201310159058.6，采用該試驗(yàn)裝置可進(jìn)行瀝青混合料扭轉(zhuǎn)剪切破壞性能試驗(yàn)，獲得瀝青混合料最大剪切強(qiáng)度。其特點(diǎn)是：1作用于軸對稱截面試件上的扭矩只產(chǎn)生純剪切變形，可獲得純剪切簡單應(yīng)力狀態(tài)，便于測量；2相比于拉壓變形，扭轉(zhuǎn)變形理論上可為無限大而基本上不受試驗(yàn)空間的限制，試驗(yàn)占用較小的測試空間。其主要缺點(diǎn)是：因缺少軸向壓力，試驗(yàn)試件處于純剪切應(yīng)力狀態(tài)，其最大拉應(yīng)力與最大剪應(yīng)力相等，對于抗拉強(qiáng)度小于抗剪強(qiáng)度的材料，試件將受拉破壞而非受剪破壞。
在實(shí)際交通荷載移動車輛作用下，瀝青路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)任意點(diǎn)存在連續(xù)變化的剪切應(yīng)力作用，處于復(fù)雜的三軸應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力路徑呈“心形”連續(xù)曲線、主應(yīng)力軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)變化。顯然，為真實(shí)模擬交通荷載作用下的路面材料受力狀態(tài)，試驗(yàn)中必須考慮直接施加可控制的連續(xù)剪切應(yīng)力荷載。目前的試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法，均不能實(shí)現(xiàn)對交通荷載作用下路面材料受力狀態(tài)的真實(shí)模擬。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明提供了一種瀝青混合料壓扭剪切破壞性能試驗(yàn)裝置，本試驗(yàn)裝置用于瀝青混合料試件在扭剪復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)及指定溫度環(huán)境下的壓扭剪切性能試驗(yàn)。
本發(fā)明試驗(yàn)裝置設(shè)置保溫箱及外循環(huán)保溫系統(tǒng)，提供中、高溫恒溫環(huán)境?？瑟?dú)立或組合施加軸壓及扭轉(zhuǎn)荷載，試驗(yàn)試件處于復(fù)雜壓扭應(yīng)力狀態(tài)，主應(yīng)力連續(xù)旋轉(zhuǎn)。至少包括3種荷載組合施加方式：恒定軸壓，再施加扭轉(zhuǎn)荷載；恒定扭轉(zhuǎn)荷載，再施加軸壓；按比例施加軸壓和扭轉(zhuǎn)荷載。在施加扭矩荷載一側(cè)試件試模端與左固定板之間，設(shè)置雙層平面滾珠軸承，在傳遞軸壓荷載的同時(shí)釋放扭轉(zhuǎn)荷載，不傳遞、不承受扭轉(zhuǎn)荷載；在軸壓加載軸右端設(shè)置方形截面段，通過右固定板的方孔承受扭轉(zhuǎn)荷載。采用非復(fù)合傳感器，扭矩傳感器、軸力傳感器完全分離，扭矩、軸載作用互不影響，兩者無量程匹配。采用彈簧作為軸向荷載施加的緩沖裝置。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
一種瀝青混合料壓扭剪切破壞性能試驗(yàn)裝置，包括試驗(yàn)框架、扭矩加載系統(tǒng)、軸力加載系統(tǒng)、保溫控制系統(tǒng)和試驗(yàn)控制系統(tǒng)。
試驗(yàn)框架由基礎(chǔ)平臺、底座、平面滑軌、電機(jī)平臺、一號鋼墊板、立式軸承座、左固定板、橡膠墊板、右固定板、二號鋼墊板組成；其中電機(jī)平臺用于固定一號變速電機(jī)，一號鋼墊板固定于基礎(chǔ)平臺上，用于支撐和固定立式軸承座，左固定板固定于基礎(chǔ)平臺上，用于承受軸壓加載軸施加的軸力作用；軸壓加載軸通過二號變速電機(jī)、二號電機(jī)剎車器、二號電機(jī)垂直螺桿對試件施加軸載；右固定板起著支撐和防止其扭轉(zhuǎn)的作用。
扭矩加載系統(tǒng)由一號電機(jī)、扭矩測量裝置、扭轉(zhuǎn)角測量裝置、扭矩加載軸及扭矩釋放裝置組成；一號電機(jī)由一號變速電機(jī)、一號電機(jī)剎車器、一號電機(jī)輸出軸組成，其中一號變速電機(jī)固定于電機(jī)平臺上，一號電機(jī)剎車器固定于一號變速電機(jī)上；扭矩測量裝置由一號連接塊、扭矩傳感器組成，其中一號連接塊的圓軸通過聯(lián)軸器與一號變速電機(jī)的輸出軸可拆卸固定連接，扭矩傳感器與一號連接塊可拆卸固定連接；扭轉(zhuǎn)角測量裝置由門式支架、一號拉線式位移傳感器、二號拉線式位移傳感器組成，其中門式支架可拆卸固定于一號鋼墊板上；扭矩釋放裝置由一號平面滾珠軸承、二號連接塊、彈簧、三號連接塊、二號平面滾珠軸承、一號柱面軸承座、二號柱面軸承座組成，其中一號柱面軸承座、二號柱面軸承座用來分別用來支撐二號連接塊、三號連接塊；二號平面滾珠軸承的右面板嵌于試件左試模的左端凹槽內(nèi)，二號平面滾珠軸承的左面板以及彈簧的下端分別嵌于三號連接塊的左、右端凹槽內(nèi)，彈簧的左端以及一號平面滾珠軸承右面板分別嵌于二號連接塊的左、右端凹槽內(nèi)，一號平面滾珠軸承的左面板嵌于保溫箱左側(cè)壁的凹槽內(nèi)；扭矩加載軸由扭矩加載軸方形凹槽、扭矩加載軸圓軸段、扭矩加載軸方形榫頭組成，其中扭矩加載軸方形凹槽與扭矩傳感器的方軸插入式連接，扭矩加載軸圓軸段依次穿過立式軸承座、門式支架、固定剛板、橡膠墊板、保溫室左側(cè)壁活塞套、保溫室、一號平面滾珠軸承、二號連接塊、彈簧、三號連接塊、二號平面滾珠軸承，最后通過扭矩加載軸方形榫頭與試件左試模左端的凹槽插入式連接。
軸力加載系統(tǒng)由二號變速電機(jī)、二號電機(jī)剎車器、二號電機(jī)垂直螺桿、五號連接塊、壓力傳感器、四號連接塊、軸壓加載軸組成；其中二號變速電機(jī)水平固定于二號鋼墊板上，二號電機(jī)剎車器安裝在二號變速電機(jī)上，二號電機(jī)垂直螺桿與二號變速電機(jī)的旋轉(zhuǎn)齒輪連接，二號電機(jī)垂直螺桿左端與五號連接塊右端可拆卸固定連接；壓力傳感器嵌于五號連接塊及四號連接塊的凹槽內(nèi)；軸壓加載軸由軸壓加載軸方形段、軸壓加載軸圓軸段及軸壓加載軸方形榫頭組成，軸壓加載軸穿過右固定板、保溫室右側(cè)活塞套、保溫室，最后軸壓加載軸方形榫頭與試件右試模右端的方形凹槽可拆卸式固定連接；其中，軸壓加載軸方形段與方形固定剛板上的方形槽孔為插入式連接，軸壓加載軸方形段可在方形孔內(nèi)左右移動，但不能扭轉(zhuǎn)。
溫度控制系統(tǒng)由程控式高低溫試驗(yàn)箱、恒溫水槽、循環(huán)泵、保溫進(jìn)液管、保溫出液管、壓力密封閥、上層溫度傳感器、下層溫度傳感器組成；壓力密封閥分別位于保溫箱上；其中保溫箱固定于基礎(chǔ)平臺上；保溫進(jìn)液管、保溫出液管、分別與循環(huán)泵連接，循環(huán)泵通過進(jìn)、出液管與恒溫水槽連接，恒溫水槽安裝于程控式高低溫試驗(yàn)箱內(nèi)。
試驗(yàn)控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、USB/RS232/485集成轉(zhuǎn)換器、一號變頻器、二號變頻器、程控繼電器、一號位移器、二號位移器組成；計(jì)算機(jī)通過信號線與USB/RS232/485集成轉(zhuǎn)換器連接，USB/RS232/485集成轉(zhuǎn)換器通過信號線分別與一號變頻器、二號變頻器、程控繼電器、一號位移器、二號位移器、溫度傳感器、溫度傳感器以及程控式高低溫試驗(yàn)箱連接；程控繼電器通過信號線與一號電機(jī)剎車器、二號電機(jī)剎車器連接。一號軸向位移傳感器(62)、二號軸向位移傳感器(63)為預(yù)留的測量軸向位移的傳感器，分別與USB/RS232/485集成轉(zhuǎn)換器相連接。
本發(fā)明裝置在對試驗(yàn)試件施加扭轉(zhuǎn)荷載產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力的同時(shí)，施加軸向荷載，使試驗(yàn)試件處于主應(yīng)力軸方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)的應(yīng)力狀態(tài)，同時(shí)控制環(huán)境測試溫度，可真實(shí)模擬交通荷載作用下瀝青混合料的實(shí)際受力狀態(tài)與破壞過程。
附圖說明
附圖1是本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中：1基礎(chǔ)平臺；2底座；3平面滑軌；4電機(jī)平臺；5一號電機(jī)剎車器；6一號電機(jī)輸出軸；7一號變速電機(jī)；8一號連接塊；9聯(lián)軸器；10扭矩加載軸圓軸段；11立式軸承座；12左固定板；13門式支架；14保溫箱左側(cè)壁活塞套；15一號平面滾珠軸承；16彈簧；17二號平面滾珠軸承；18試件；19二號連接塊；20三號連接塊；21左試模；22橡膠墊板；23右試模；24保溫箱頂蓋；25保溫箱；26下層溫度傳感器；27上層溫度傳感器；28保溫箱右側(cè)壁活塞套；29軸壓加載軸方形段；30軸壓加載軸圓形段；31軸壓加載軸方形榫頭；32右固定板；33四號連接塊；34壓力傳感器；35五號連接塊；36二號變速電機(jī)37二號電機(jī)剎車器；38二號電機(jī)垂直螺桿；39二號剛墊塊；40程控式高低溫試驗(yàn)箱41恒溫水槽；42保溫出液管；43保溫進(jìn)液管；44循環(huán)泵；45壓力密封閥46方形槽孔；47一號變頻器；48程控繼電器；49一號位移器；50二號位移器51USB/RS232/485集成轉(zhuǎn)換器；52二號變頻器；53計(jì)算機(jī)；54一號柱面軸承座；55二號柱面軸承座；56扭矩傳感器；57扭矩加載軸方形槽孔；58二號拉線式位移傳感器；59一號拉線式位移傳感器；60一號剛墊塊；61扭矩加載軸方形榫頭；62一號軸向位移傳感器；63二號軸向位移傳感器。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施例。
如圖1所示，一種瀝青混合料壓扭剪切破壞性能試驗(yàn)裝置。該裝置工作時(shí)，啟動程控式高低溫試驗(yàn)箱40，使恒溫水槽41內(nèi)保溫液的溫度達(dá)到試驗(yàn)規(guī)定要求；連同瀝青混合料制作的試件左試模21、試件右試模23置于恒溫水槽41中，按試驗(yàn)規(guī)定溫度及時(shí)間進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。
在基礎(chǔ)平臺上1上安裝左固定板12，在左固定板12右側(cè)固定橡膠墊板22，在橡膠墊板22的右側(cè)放置保溫室25，在電機(jī)平臺4上安裝固定一號電機(jī)，在二號剛墊塊39上安裝固定二號電機(jī)及垂直螺桿，在基礎(chǔ)平臺1上固定安裝方形剛板32。
安裝五號連接塊35與二號電機(jī)垂直螺桿36固定連接；由計(jì)算機(jī)53控制二號變頻器52的輸出工作頻率，使二號電機(jī)垂直螺桿36移動，將五號連接塊35移動到合適位置。
將軸壓加載軸方形段45向左穿過方形槽孔39，軸壓加載軸圓軸段30穿過保溫箱右側(cè)壁活塞套28并進(jìn)入保溫室25，使軸壓加載軸方形段45右端插入四號連接塊33的左端凹槽內(nèi)并固定連接；并將壓力傳感器35放置在四號連接塊33右側(cè)和五號連接塊35左側(cè)的凹槽內(nèi)連接。
取出瀝青混合料試件18及試件左試模21、試件右試模23，將試件右試模23下端的凹槽與軸壓加載軸方形榫頭31固定連接；在試件左試模21左側(cè)依次安裝二號平面滾珠軸承17、三號連接塊20、彈簧16、二號連接塊19、一號平面滾珠軸承15，然后將一號柱面軸承座54、二號柱面軸承座55分別放置在二號連接塊19和三號連接塊20下方；蓋上保溫室頂蓋24，保溫箱安裝完成。
由計(jì)算機(jī)53控制二號變頻器52的輸出工作頻率，使二號電機(jī)垂直螺桿38左移，從而推動軸壓加載軸左移，同時(shí)推動試件右試模23、瀝青混合料試件18、試件左試模21及扭矩釋放裝置上升，直至扭矩釋放裝置的一號平面滾珠軸承23左面板與保溫室左側(cè)壁的凹槽剛好接觸，計(jì)算機(jī)53控制二號電機(jī)垂直螺桿38停止左移，同時(shí)通過程控繼電器48控制二號電機(jī)剎車器37工作，二號電機(jī)垂直螺桿38抱死，軸壓加載軸固定。
啟動循環(huán)泵44，通過保溫進(jìn)液管43、保溫出液管42向保溫箱內(nèi)灌注保溫液，瀝青混合料試件18通過保溫箱進(jìn)行保溫，要求保溫箱內(nèi)注滿保溫液。
移動電機(jī)平臺4，帶動一號變速電機(jī)7移動至合適位置；將一號剛墊塊60固定安裝在基礎(chǔ)平臺1上。在一號剛墊塊上固定連接立式軸承座11及門式支架13。
將扭矩加載軸圓軸段10向右依次穿過立式軸承座11、門式支架13、左固定板12、橡膠墊板20、保溫室左側(cè)壁活塞套14、一號平面滾珠軸承15、二號連接塊19、彈簧16、三號連接塊20、二號平面滾珠軸承17，最后使扭矩加載軸方形榫頭61與試件左試模21左端的方形凹槽插入式連接。
將一號拉線式位移傳感器59和二號拉線式位移傳感器58可拆卸連接在門式支架13上。然后將拉線套在扭矩加載軸圓軸段10上并使拉線垂直；將扭矩傳感器56的測量方軸插入扭矩加載軸方形凹槽57內(nèi)，在扭矩傳感器56上安裝一號連接塊8并固定連接；通過電機(jī)平臺4調(diào)整一號變速電機(jī)7的位置，使得將一號電機(jī)輸出軸6與一號連接塊8的圓軸處于同一水平位置，采用聯(lián)軸器9將一號電機(jī)輸出軸6與一號連接塊8的圓軸固定連接。
由計(jì)算機(jī)53控制二號變頻器52的輸出工作頻率，使二號電機(jī)垂直螺桿38左移，從而推動軸壓加載軸、試件右試模23、瀝青混合料試件16、試件左試模21、二號平面滾珠軸承17、三號連接塊20左移，彈簧16被壓縮，同時(shí)瀝青混合料試件18受到軸壓荷載作用，直至達(dá)到試驗(yàn)規(guī)定的軸壓荷載時(shí)二號電機(jī)垂直螺桿38左移停止，此時(shí)要求軸壓加載軸方形段29必須位于方形槽孔46內(nèi)；在軸壓施加過程中，伴隨彈簧16被壓縮及試件左試模19逐漸上升，扭矩加載軸方形榫頭61端面與試件左試模21左端方形凹槽逐漸靠近，根據(jù)需要適時(shí)關(guān)閉電機(jī)平臺4的水平限位裝置；當(dāng)軸壓加載結(jié)束時(shí)，要求扭矩加載軸方形榫頭61與試件左試模21左端方形凹槽剛好插入式連接，并啟動電機(jī)平臺4的水平限位裝置，固定一號電機(jī)及扭矩加載軸的水平位置。
通過計(jì)算機(jī)53控制一號變頻器47的輸出工作頻率，自動操控一號變速電機(jī)7的輸出軸旋轉(zhuǎn)方向與旋轉(zhuǎn)速度，通過扭矩加載軸方形榫頭61將扭轉(zhuǎn)荷載作用于試件左試模21上端的方形凹槽，再通過試件左試模21將扭轉(zhuǎn)荷載作用于瀝青混合料試件18，直至瀝青混合料試件18破壞時(shí)一號變速電機(jī)7的輸出軸停止轉(zhuǎn)動；扭矩荷載施加過程中，因軸壓加載軸方形段29嵌于方形槽孔46內(nèi)，軸壓加載軸的轉(zhuǎn)動自動度被約束，與軸壓加載軸方形段29固定連接的試件右試模23扭轉(zhuǎn)自由度相應(yīng)受到約束，從而使得瀝青混合料試件18下端的扭轉(zhuǎn)自由度被固定。
計(jì)算機(jī)53實(shí)時(shí)監(jiān)測、記錄扭矩傳感器56、壓力傳感器34、上層溫度傳感器27、下層溫度傳感器26、角位移測量裝置的位移器等測量數(shù)據(jù)，以及各測量數(shù)據(jù)相應(yīng)的獲取時(shí)刻；計(jì)算機(jī)53可實(shí)時(shí)繪制時(shí)間-扭矩曲線圖、時(shí)間-扭轉(zhuǎn)角位移圖、時(shí)間-軸力圖，并自動整理形成扭轉(zhuǎn)角位移-扭矩曲線圖、扭轉(zhuǎn)應(yīng)變-扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力圖等。