本發(fā)明涉及一種抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)裝置及方法，具體涉及一種測(cè)試瀝青材料抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)裝置及方法。

背景技術(shù)：

在道路工程中，瀝青路面的破壞形式多種多樣，原因不盡相同，其中瀝青混合料的強(qiáng)度和穩(wěn)定性起了至關(guān)重要的作用，在因混合料破壞而引起的路面損壞中，主要?dú)w結(jié)于混合料的剪切破壞，其中混合料的剪切破壞主要是瀝青本身的剪切破壞以及瀝青與集料接觸表面的剪切剝落。

瀝青混凝土是由瀝青、集料和空隙組成的復(fù)雜體系，引入瀝青砂概念之后，該體系則可簡(jiǎn)化成粗集料、瀝青砂和空隙，其中，瀝青砂由瀝青基體和2.36mm以下細(xì)集料組成，因此研究瀝青及瀝青砂的抗剪強(qiáng)度對(duì)于分析瀝青混合料性能有重大意義。

現(xiàn)有的剪切裝置和方法主要針對(duì)于瀝青混合料，并且側(cè)重于剪應(yīng)力和變形的研究，目前常見(jiàn)的剪切試驗(yàn)有三軸試驗(yàn)、Superpave剪切試驗(yàn)、斜剪試驗(yàn)、單軸貫入試驗(yàn)、中空?qǐng)A柱體剪切試驗(yàn)和同軸剪切試驗(yàn)等。在研究瀝青混合料剪應(yīng)力與變形時(shí)，上述方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，上述方法并不適用于單純研究瀝青和瀝青砂材料的抗剪強(qiáng)度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供了一種測(cè)試瀝青材料抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)裝置及方法，該裝置及方法能夠準(zhǔn)確的測(cè)量出瀝青及瀝青砂材料的抗剪強(qiáng)度。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所述的測(cè)試瀝青材料抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)裝置包括控制器、環(huán)境箱以及設(shè)于環(huán)境箱內(nèi)的支撐板、立柱、試模、動(dòng)力箱、傳動(dòng)軸、伸縮套管及剪切頭；

支撐板固定于環(huán)境箱的底部，立柱的下端及試模固定于支撐板上，動(dòng)力箱固定于立柱的上端，待試驗(yàn)瀝青材料填充于試模內(nèi)，傳動(dòng)軸的上端與動(dòng)力箱的輸出軸相連接，傳動(dòng)軸的下端插入于待試驗(yàn)瀝青材料內(nèi)，且剪切頭固定于傳動(dòng)軸的下端，動(dòng)力箱內(nèi)設(shè)有用于測(cè)量剪切頭受到的剪切力矩的檢測(cè)系統(tǒng)，伸縮套管套接于傳動(dòng)軸的外壁上，控制器與動(dòng)力箱的控制端及檢測(cè)系統(tǒng)的輸出端相連接。

所述控制器包括顯示器及控制臺(tái)，控制臺(tái)與顯示器、檢測(cè)系統(tǒng)及動(dòng)力箱相連接。

伸縮套管的上端與動(dòng)力箱的底部通過(guò)螺紋連接。

傳動(dòng)軸下端的側(cè)面設(shè)有針狀的凸起，伸縮套管的外壁上設(shè)有與所述凸起相配合的通孔，凸起內(nèi)嵌于所述通孔內(nèi)，伸縮套管的外壁上設(shè)有用于封堵所述通孔的孔塞。

所述剪切頭為十字形剪切頭、圓錐形剪切頭或紡錘形剪切頭。

剪切頭與傳動(dòng)軸之間通過(guò)螺紋連接。

立柱通過(guò)底座固定于支撐板上。

本發(fā)明所述的測(cè)試瀝青材料抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)方法包括以下步驟：

控制器控制動(dòng)力箱進(jìn)行工作，動(dòng)力箱帶動(dòng)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，傳動(dòng)軸帶動(dòng)剪切頭在待試驗(yàn)瀝青材料內(nèi)進(jìn)行剪切，檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)剪切頭受到的剪切力矩及剪應(yīng)力，并將剪切頭受到的剪切力矩發(fā)送至控制器中，控制器根據(jù)剪切頭受到的剪切力矩繪制剪切頭的扭矩曲線，當(dāng)剪切頭的扭矩曲線出現(xiàn)峰值，控制器控制動(dòng)力箱停止工作，控制器根據(jù)剪切頭的扭矩曲線出現(xiàn)峰值時(shí)的剪切力矩計(jì)算待試驗(yàn)瀝青材料的抗剪強(qiáng)度。

本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明所述的測(cè)試瀝青材料抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)裝置及方法在具體操作時(shí)，采用主動(dòng)剪切的方法，利用動(dòng)力箱通過(guò)傳動(dòng)軸帶動(dòng)剪切頭在待測(cè)試瀝青材料內(nèi)進(jìn)行剪切，同時(shí)通過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)剪切頭受到的剪切力矩，并繪制剪切頭的扭矩曲線，然后控制器根據(jù)剪切頭的扭矩曲線達(dá)到峰值時(shí)對(duì)應(yīng)的剪切力矩計(jì)算待試驗(yàn)瀝青材料的抗剪強(qiáng)度，操作簡(jiǎn)單，能夠適用于包括瀝青及瀝青砂材料在內(nèi)的各種瀝青材料，應(yīng)用較為廣泛。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明中控制器的結(jié)構(gòu)示意圖。

其中，1為動(dòng)力箱、2為傳動(dòng)軸、3為伸縮套管、4為待試驗(yàn)瀝青材料、5為剪切頭、6為數(shù)據(jù)線、7為立柱、8為試模、9為底座、10為支撐板、11為環(huán)境箱、12為控制臺(tái)、13為顯示器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述：

參考圖1，本發(fā)明所述的測(cè)試瀝青材料抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)裝置包括控制器、環(huán)境箱11以及設(shè)于環(huán)境箱11內(nèi)的支撐板10、立柱7、試模8、動(dòng)力箱1、傳動(dòng)軸2、伸縮套管3及剪切頭5；支撐板10固定于環(huán)境箱11的底部，立柱7的下端及試模8固定于支撐板10上，動(dòng)力箱1固定于立柱7的上端，待試驗(yàn)瀝青材料4填充于試模8內(nèi)，傳動(dòng)軸2的上端與動(dòng)力箱1的輸出軸相連接，傳動(dòng)軸2的下端插入于待試驗(yàn)瀝青材料4內(nèi)，且剪切頭5固定于傳動(dòng)軸2的下端，動(dòng)力箱1內(nèi)設(shè)有用于測(cè)量剪切頭5受到的剪切力矩的檢測(cè)系統(tǒng)，伸縮套管3套接于傳動(dòng)軸2的外壁上，控制器與動(dòng)力箱1的控制端及檢測(cè)系統(tǒng)的輸出端相連接。

所述控制器包括顯示器13及控制臺(tái)12，控制臺(tái)12與顯示器13、檢測(cè)系統(tǒng)及動(dòng)力箱1相連接；伸縮套管3的上端與動(dòng)力箱1的底部通過(guò)螺紋連接；傳動(dòng)軸2下端的側(cè)面設(shè)有針狀的凸起，伸縮套管3的外壁上設(shè)有與所述凸起相配合的通孔，凸起內(nèi)嵌于所述通孔內(nèi)，伸縮套管3的外壁上設(shè)有用于封堵所述通孔的孔塞；剪切頭5為十字形剪切頭、圓錐形剪切頭或紡錘形剪切頭；剪切頭5與傳動(dòng)軸2之間通過(guò)螺紋連接；立柱7通過(guò)底座9固定于支撐板10上。

本發(fā)明所述的測(cè)試瀝青材料抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)方法包括以下步驟：

控制器控制動(dòng)力箱1進(jìn)行工作，動(dòng)力箱1帶動(dòng)傳動(dòng)軸2轉(zhuǎn)動(dòng)，傳動(dòng)軸2帶動(dòng)剪切頭5在待試驗(yàn)瀝青材料4內(nèi)進(jìn)行剪切，檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)剪切頭5受到的剪切力矩，并將剪切頭5受到的剪切力矩發(fā)送至控制器中，控制器根據(jù)剪切頭5受到的剪切力矩繪制剪切頭5的扭矩曲線，當(dāng)剪切頭5的扭矩曲線出現(xiàn)峰值，控制器控制動(dòng)力箱1停止工作，此時(shí)控制器根據(jù)剪切頭5的扭矩曲線出現(xiàn)峰值時(shí)的剪切力矩計(jì)算待試驗(yàn)瀝青材料4的抗剪強(qiáng)度。

檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)線6與控制器相連接。

動(dòng)力箱1的動(dòng)力來(lái)自外部電源，由齒輪進(jìn)行傳動(dòng)使傳動(dòng)軸2旋轉(zhuǎn)，傳動(dòng)軸2的外部為齒輪設(shè)計(jì)，在主動(dòng)齒輪的帶動(dòng)下對(duì)待試驗(yàn)瀝青材料4進(jìn)行剪切；伸縮套管3主要作用在于將傳動(dòng)軸2和外部環(huán)境隔絕開(kāi)，一方面保證內(nèi)部傳動(dòng)軸2的清潔，另一方面能夠減少實(shí)驗(yàn)中瀝青材料和傳動(dòng)軸2的接觸，從而降低除剪切作用之外的能耗，提高試驗(yàn)精度，伸縮套管3可根據(jù)需要進(jìn)行上下伸縮，在試驗(yàn)中，各節(jié)套管自然下垂即可。

立柱7垂直于底座9，承受在剪切過(guò)程中由剪切頭5傳遞到動(dòng)力箱1上的扭矩；試模8具有耐高溫特性，可用于瀝青材料的加熱融化過(guò)程。試模8內(nèi)壁應(yīng)清潔，在試驗(yàn)過(guò)程中能夠使瀝青和其他待測(cè)材料很好地粘附，從而保證旋轉(zhuǎn)剪切頭5能夠?qū)⒋囼?yàn)瀝青材料4剪切成型。

試模8的底邊采用矩形設(shè)計(jì)，其尺寸與底座9卡口尺寸相當(dāng)，則試模8可與底座9相契合，從而保證在試驗(yàn)過(guò)程中試模8被固定；環(huán)境箱11可以提供不同的溫度環(huán)境，模擬實(shí)際應(yīng)用中不同氣溫下瀝青的狀態(tài)和性能，用于測(cè)定不同溫度條件下瀝青的抗剪強(qiáng)度。

當(dāng)剪切頭5為十字形剪切頭5時(shí)，設(shè)瀝青剪切破壞時(shí)所施加的扭矩為M，則它應(yīng)該與剪切破壞圓柱側(cè)面和圓柱上下面瀝青的抗剪強(qiáng)度所產(chǎn)生的抵抗力矩相等，即：

其中，τ_側(cè)及τ_底分別為剪切破壞時(shí)圓柱體側(cè)面和上、下底面瀝青的抗剪強(qiáng)度(kPa)；H為十字形剪切頭的高度(m)；D為十字形剪切頭的直徑(m)。

設(shè)常溫下的瀝青材料為各向同性的，即τ_側(cè)＝τ_底，并記作τ_總，則上式可寫(xiě)成：

其中，τ_總為十字形剪切頭測(cè)定的瀝青材料的抗剪強(qiáng)度(kPa)。

當(dāng)剪切頭5為圓錐形剪切頭時(shí)，設(shè)瀝青剪切破壞時(shí)所施加的扭矩為M，則圓錐形剪切頭5應(yīng)該與剪切破壞圓錐側(cè)面和圓錐底面瀝青的抗剪強(qiáng)度所產(chǎn)生的抵抗力矩相等，即：

其中，τ_側(cè)及τ_底分別為剪切破壞時(shí)圓錐體側(cè)面和底面瀝青的抗剪強(qiáng)度(kPa)；H為圓錐形剪切頭的高度(m)；D為圓錐形剪切頭的直徑(m)。

設(shè)常溫下的瀝青材料為各向同性的，即τ_側(cè)＝τ_底，并記作τ_總，則有

其中，τ_總為圓錐形剪切頭測(cè)定的瀝青材料的抗剪強(qiáng)度(kPa)。

當(dāng)剪切頭5為紡錘形剪切頭時(shí)，設(shè)瀝青剪切破壞時(shí)所施加的扭矩為M，則它應(yīng)該與剪切破壞紡錘體的圓柱側(cè)面和錐形底面瀝青的抗剪強(qiáng)度所產(chǎn)生的抵抗力矩相等，即：

其中，τ_側(cè)、τ_底分別為剪切破壞時(shí)紡錘體側(cè)面和底面瀝青的抗剪強(qiáng)度(kPa)；H為紡錘形剪切頭5的高度(m)；h為紡錘形剪切頭5圓柱體部分高度(m)；D為紡錘形剪切頭5的直徑(m)。

設(shè)常溫下的瀝青材料為各向同性的，即τ_側(cè)＝τ_底，并記作τ_總，則有

其中，τ_總為紡錘形剪切頭測(cè)定的瀝青的抗剪強(qiáng)度(kPa)。

需要說(shuō)明的是，本發(fā)明打破了以往專注于研究瀝青混合料抗剪性能的單一性，有助于研究影響瀝青混合料抗剪強(qiáng)度的根本因素；同時(shí)實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)裝置剪切過(guò)程的自動(dòng)化，替代了傳統(tǒng)剪切儀手工操作的舊模式，試驗(yàn)操作更加簡(jiǎn)便，試驗(yàn)數(shù)據(jù)更加精確。并在傳統(tǒng)土工十字板剪力儀的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，并將其螺旋拆卸套管改為向上提拉的三段式伸縮套管3，避免了每次試驗(yàn)完成以后都要拆卸套管的繁瑣程序，簡(jiǎn)化了操作。另外，試驗(yàn)所用材料試模8為可拆分設(shè)計(jì)類型，試驗(yàn)結(jié)束以后可將試模8壁與封底蓋分離，便于清理出試模8內(nèi)的固體瀝青。