CN101261208A - 沥青混凝土剪切性能测试方法 - Google Patents

Abstract

沥青混凝土剪切性能测试方法包括如下步骤：步骤1：成型规定尺寸的中空圆柱体沥青混凝土试件(2)；步骤2：将沥青混凝土试件(2)保温于恒温空气浴中至试件内部达到试验要求温度；步骤3：将沥青混凝土试件(2)安放在对称圆筒形夹具(1)中间，同时扭转荷载传递轴(3)***沥青混凝土试件(2)中心，利用环氧胶将沥青混凝土试件(2)与对称圆筒形夹具(1)以及扭转荷载传递轴(3)粘结；步骤4：利用动力设备(5)施加扭转荷载于荷载传递轴(3)上，使沥青混凝土试件(2)内壁产生均匀剪切荷载；并利用数据采集***(6)记录试件的扭转角位移与试验时间的相关数据；试验过程中试验环境温度保持在要求的温度。本发明提供的测试方法及试验指标可以有效而准确地描述沥青混凝土材料的剪切变形特性。

Description

沥青混凝土剪切性能测试方法

技术领域

本发明涉及沥青混凝土剪切性能测试技术领域。

背景技术

目前，伴随着国民经济的快速增长，我国的高等级公路里程也与日俱增，其中超过90％的路面为沥青混凝土材料；但是，由于交通量和车辆荷载的急遽增加，沥青路面出现了以车辙和开裂为主的各种破坏，给国家和社会造成了巨大的损失。大量的研究表明，沥青混凝土的剪切破坏是造成沥青路面的车辙和开裂的主要原因之一，剪切流动变形占总车辙变形的80％以上，因此，考虑沥青混凝土剪切性能是十分必要的。然而，现有的各种评价和分析沥青混凝土剪切性能的试验方法都存在各种各样的问题，这里综述之。

(1)三轴剪切试验。对圆柱体试件进行试验(高150mm直径100mm)，利用围压提供最小主应力，再施加轴向应力提供最大主应力，从而在斜界面上产生剪切应力。其可以模拟实际路面三向应力状态，能够较好的反映路面变形特性，反映了沥青混凝土的力学性质，由于试件内部应力应变分布均匀，因而可以通过简单地测量出的位移计算出应变，从而得到力学指标，可以用于车辙预估与评价。然而，三轴试验为了得到侧向约束力，所需设备及其复杂，要求试验人员操作水平较高，不利用试验方法的推广应用。

(2)恒高度剪切试验。依据荷载形式又可分为恒高度简单剪切(SSCH)、恒高度重复剪切(RSCH)和恒高度频率扫描(FSCH)，所有的试验均在Surperpave剪切试验仪(SST)上进行。该方法对圆柱体试件进行试验(高50mm直径150mm)。利用液压伺服***测量剪胀引起的试件高度变化，然后施加适当的轴向应力使试件高度保持恒定，从而消除了体积变形。试件表面切向力提供剪切应力，使试件内部产生均匀的纯剪应力。因而可以通过测量剪切变形简单地计算出剪切模量，试验原理简单明确。但是，为了控制试件高度，所需试验设备及其复杂，不利于试验方法的推广应用。

(3)贯入剪切试验。将较小尺寸的压头贯入较大直径的沥青混凝土圆柱体试件(高100mm直径100mm)，从而在试件内部产生与路面结构内部应力分布相似的应力状态。因而该试验方法能够较好的模拟现场的应力状态，设备要求不高，与实际车辙相关性好。但是该方法模拟的是整个路面结构，而非材料一点处的性能。导致了试件内部的剪切应力分布并不均匀，无法通过测量位移变形直接得到材料的力学性能参数，且试验结果变异性较大。另外，该方法压头和试件尺寸比例与实际车轮和路面尺寸比例相差较大，因而模拟的合理性有待进一步验证。

(4)扭转剪切试验。扭转剪切分为两种形式，一种是采用圆柱体试件(高45mm直径19mm)，试件一段固定，在另一端施加扭矩作用，在试件内部形成均匀的扭转剪切应力。通过测量角位移计算剪切模量。该试验方法主要针对沥青砂浆这种性质较均匀的材料。对于沥青混合料需要考虑尺寸效应，该方法的适用性还不确定。另外一种扭转剪切是采用薄壁中空圆柱体试件(高200mm外直径115mm内直径90mm)，在试件端部施加轴向荷载和扭矩，沿试件的内、外壁分布均匀的径向压应力，使试件处于三维应力状态，由于中空圆柱体试件的对称性，试件的法向和剪切应力都是均匀分布的。可以用来确定沥青混合料在三维应力状态下的永久变形特性和动力性能。但是试验使用的试件较薄，没有考虑尺寸效应，而增大试件厚度会导致剪应力分布不均匀。另外该试验的试验设备相当复杂，目前只适合于在研究工作中采用。

总之，目前研究沥青混凝土剪切性能的测试方法或多或少在以下几个方面存在不足，即优秀的剪切测试方法需要满足：

a，能够准确模拟沥青混凝土在实际路面中的受力状态，提供一个均匀的剪切应力状态，利于通过简单地测量位移求得剪切模量等力学指标；

b，能够消除由于剪切应力带来的沥青混凝土体积膨胀效应，以符合实际情况并减小剪胀带来的误差；

c，试件尺寸能够使尺寸效应带来的误差较小，同时较大的试件仍然满足条件a和b；

d，试验方法较简单，设备要求不高，操作过程容易，利于试验方法推广。

发明内容

技术问题：本发明要解决的技术问题是提供一种沥青混凝土剪切性能测试方法，可以更加准确地模拟沥青混凝土在实际路面中的受力状态，可以简单方便地得到力学指标，可以消除剪胀带来误差和尺寸效应，同时试验设备要求不高。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明沥青混凝土剪切性能测试方法采用的技术方案是：

步骤1：成型中空圆柱体沥青混凝土试件，并保证沥青混凝土试件两个端面相互平行且水平，

步骤2：将沥青混凝土试件置于规定的恒温空气浴中，直至该沥青混凝土试件内部温度达到要求的试验温度；打开试验机，使环境温度箱达到要求的试验温度；其中试验温度根据使用者的研究目的和要求确定，

步骤3：将沥青混凝土试件从恒温空气浴中取出，立即安放在对称圆筒形夹具中间，同时扭转荷载传递轴***沥青混凝土试件中心，利用环氧胶将沥青混凝土试件与对称圆筒形夹具以及扭转荷载传递轴粘结，静置超过2小时使环氧胶凝固，

步骤4：安放转角位移变形测量仪于荷载传递轴上，利用数据采集处理***获得转角位移变形等测量参数；

步骤5：利用动力设备施加扭转荷载于荷载传递轴上，并利用数据采集***记录试件的扭转角位移与试验时间的相关数据，如果是动态荷载，则为加载次数；荷载形式根据使用者的研究目的确定，如果使恒定应力，要求试验过程中加载力恒定，如果是动态试验，则动态荷载的最大值及荷载波形保持不变，试验过程中试验环境温度保持在要求的温度。

所述步骤1的试件尺寸为外直径150mm±2.0mm，内直径30mm±2.0mm，高度80mm±2.0mm的中空圆柱体形状。

所述步骤2的试件保温在试验者设定的温度下至少2小时。

所述步骤5的施加扭转荷载方式为：通过对荷载传递轴施加扭矩从而使中空圆柱体试件的内壁作用均匀剪切荷载。

有益效果：首先，本发明提供的沥青混凝土剪切性能测试方法由于采用了中空圆柱体试件，加载轴在试件内表面作用剪切荷载，从而在试件内部产生沿高度均匀的剪切应力，故可以方便地通过测量得到的加载轴角位移计算得到剪切模量等力学指标。其次，由于圆柱形试件外侧面收到的圆筒夹具的完全约束，内表面受到加载轴的径向约束，从而消除了剪胀效应，这种使用夹具限制径向变形的方法省去了施加复杂的伺服机械***来控制试件高度的难题。再次，合理的试件尺寸保证了由于尺寸效应带来的误差最小化，同时仍可保证沥青混凝土剪切性能的测试。最后，所需试验设备较为简单，仅仅需要施加轴向扭转荷载的动力设备以及测量的扭转角的位移传感器，这在大部分实验条件均可实现，试验设备的低要求利于试验方法的广泛推广。

附图说明

图1为本发明提供的沥青混凝土剪切性能测试方法的三维示意图；对称圆筒夹具1；中空圆柱体沥青混凝土试件2；扭转荷载传递轴3；扭矩及扭转角位移传感器4；动力设备5；数据采集处理及显示设备6。

具体实施方式

本发明提供的沥青混凝土剪切性能测试方法的设计思路是，采用中空圆柱体试件，将试件尺寸设计成满足消除尺寸效应的要求；将试件圆柱外表面固定，在试件中空圆筒中放置荷载轴，并将荷载轴与试件圆柱内壁粘结固定，通过对荷载轴施加扭矩在试件内壁产生均匀的剪切应力。试验温度和荷载形式可以根据使用者的研究目的确定。力学参数(如剪切模量)可以通过测量荷载轴的扭转角位移并利用简单力学公式反算得到。通过这样的试验设计，可以达到以下两个方面的目的：

①通过对中空圆柱体内表面施加均匀的剪切荷载，可以在试件内部产生均匀的剪切应力，因而可以利用简单的力学公式描述试件的应力应变状态，通过测量得到的角位移简单地计算得到力学指标；

②合理的试件尺寸设计可以消除尺寸效应带来的误差。另外，由于中空圆柱试件外部别完全约束，而中空处被荷载轴占据，因而由于剪胀效应带来的试件径向位移被约束，从而减小的剪胀误差。同时，不必要施加复杂的伺服***来控制剪胀效应带来的试件体积变化，从而降低了试验设备要求。

步骤1：成型中空圆柱体沥青混凝土试件2，要求试件尺寸为外直径150mm±2.0mm，内直径30mm±2.0mm，高度80mm±2.0mm；并保证沥青混凝土试件两个端面相互平行且水平。

步骤2：将沥青混凝土试件置于规定的恒温空气浴中，直至该沥青混凝土试件内部温度达到要求的试验温度；打开试验机，使环境温度箱达到要求的试验温度；其中试验温度根据使用者的研究目的和要求确定。

步骤3：将沥青混凝土试件2从恒温空气浴中取出，立即安放在对称圆筒形夹具1中间，同时扭转荷载传递轴3***沥青混凝土试件2中心，利用环氧胶将沥青混凝土试件2与对称圆筒形夹具1以及扭转荷载传递轴3粘结，静置超过2小时使环氧胶凝固；

步骤4：安放转角位移变形测量仪4于荷载传递轴3上，利用数据采集处理***6获得转角位移变形等测量参数；

步骤5：利用动力设备5施加扭转荷载于荷载传递轴3上，并利用数据采集***6记录试件的扭转角位移与试验时间(如果是动态荷载，则为加载次数)的相关数据；荷载形式根据使用者的研究目的确定，如果使恒定应力，要求试验过程中加载力恒定，如果是动态试验，则动态荷载的最大值及荷载波形保持不变。试验过程中试验环境温度保持在要求的温度。

在试件的准备上：

合理的试件尺寸时能够消除尺寸效应的，根据大量研究结果，能够消除沥青混合料尺寸效应的最小试件尺寸是不小于沥青混合料公称最大粒径3倍的大小。根据目前最常用的沥青混合料级配类型AC13、AC20和AC25，取最小试件尺寸为3×20mm＝60mm。目前室内成型沥青混凝土圆柱体试件最大直径为150mm，故取中空圆柱体试件内直径为150-2×60＝30mm。旋转压实成型圆柱体试件高度最大可达到170mm，故取试件高度为80mm，这样方便将一次成型的圆柱体试件通过中间切割得到两个平行试件。具体室内试验工作步骤为：

①沥青混凝土试件2为中空圆柱形，外直径150mm±2.0mm，内直径30mm±2.0mm，高度80mm±2.0mm；推荐采用旋转压实成型直径为150mm±2.0mm，高度为162mm±2.0mm的圆柱形沥青混凝土试件，然后利用切割机沿圆柱体高度中点平行于端面切割为两个标准试件，然后再通过钻芯得到中空圆柱体试件。

②切割面应平行于沥青混凝土试件4另一端面。切割面最大坡度不超过1％的试件为合格试件，否则需要利用磨光机打磨至符合要求，切割面最大坡度超过2％的试件不可用于试验。每组试验的平行试件不少于3个。

③沥青混合料的集料最大粒径应不大于26.5mm。

在测量仪具与材料方面：

①材料试验机，其他可施加荷载并测试变形的路面材料试验设备也可使用，但必须满足下列条件：

(a)动力设备5可以提供扭转荷载，满足试验者所需的最大荷载应满足不超过其量程的80％，且不小于量程的20％的要求。试验机宜具有侍服***，在加载过程可以控制加载力，保证在加载过程中加载力基本恒定或者可以以一定速率增大，一般可控加载力范围为0kN～12kN最小分度值为10N；若试验者需要研究重复荷载或者不同频率下材料性能，则试验机必须有伺服***保证提供准确的扭转荷载。

(b)扭转荷载传递轴3为直径28mm圆柱体，应为钢制材料，圆柱中轴线保持水平。

(c)具有环境保温箱，控温准确度0.5℃，温控范围最大值至少70℃；

(d)变形测量装置4为扭转角位移传感器，可以使用侧面扭转角电测百分表或类似的位移计；要求测量变形精度至少为0.1度，量程大于预估的试件变形量，一般量程45度已足够。

②数据采集处理显示***(6)：能自动采集传感器计位移计的电测信号，在数据采集***中存储或在X-Y记录仪上绘制试件角位移变形量与加载时间或加载速率的关系曲线。当试验机具有自动测定试件扭转角变形曲线功能或配有线性变形测量仪时，可以直接使用，不必另外配备变形测量装置，但要求测量变形精度至少为0.1度，量程大于预估的试件变形量，一般量程45度已足够。

③恒温烘箱：用于保温试件，可调节温度范围应能满足试验要求，温控程度为±0.5℃，应当具有空气循环***。

④环氧AB胶：或其他类似化学粘结剂，要求能够再常温(不超过70℃)下提供足够的抗剪切粘结能力，一般抗剪切强度不小于0.7MPa已足够。

在测试方法与步骤方面应满足如下条件：

1、准备工作：

①按要求制作试件，每组试验平行试件不少于3个，同时测量并记录试件的高度和内外直径，取相对的两侧的平均值，并需要满足规定尺寸要求。同时每一个试件必须利用《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ 052-2000)中密度测量方法测量试件密度，并计算空隙率，且满足试验目的的要求。

②将沥青混凝土试件2置于规定稳定的恒温空气浴中3h以上，直至沥青混凝土试件(2)内部温度达到要求的试验温度±0.5℃为止。保温时沥青混凝土试件2应放在支起的平板玻璃或表面平整的木板或金属板，试件之间的距离应不小于10mm，空气

浴应当有空气循环***支持。

③试验前30min，将试验机打开，打开温控***，使其环境温度箱达到要求的试验温度。

④将环氧AB胶按使用说明混和制成备用混和胶体，并将对称的圆筒形夹具1打开，在其内壁均匀涂抹环氧混和胶，同时在扭转荷载传递轴的右端涂抹长度80mm的环氧混和胶。

2、测试步骤

①将沥青混凝土试件2从恒温空气浴中取出，立即安放在已经涂有环氧混和胶的对称圆筒夹具1上，然后将放置有沥青混凝土试件2的圆筒夹具1置于试验台上，并将扭转荷载传递轴***圆柱体沥青混凝土试件2的中心轴处。将圆筒夹具1的对称夹具合并固定于试验台上。将上述装置静置于试验恒温箱内直置环氧胶凝固。一般需要2小时。

②在荷载传递轴3表面安放扭转角位移变形测量仪4，并将角位移测量仪4与数据采集处理***6相连。如果试验加载装置具有自动测量垂直变形的功能，此步骤省略。

③开动动力设备，首先预加载30s，预加载应力为最大恒定应力的5％；然后停止加载，变形测量仪4复位，或读取初读数。接着以试验要求的荷载形式加载，要求试验过程中加载力恒定，并保持试验环境温度保持在要求的温度。如果是动态试验，则动态荷载的最大值及荷载波形保持不变。

④利用数据采集***6记录在恒定荷载下，试件的扭转角位移与试验时间(如果是动态荷载，则为加载次数)的曲线，直至曲线出现第三阶段的破坏期停止试验，也可依据试验目的人为提前中止试验或测量卸载后试件的变形与时间曲线。要求数据采集精度为，时间精确到1s，次数精确到1次，扭转角变形精确到0.1度。

3、证明和计算

①首先证明沥青混凝土试件2内部沿高度产生均匀剪切应力：

由弹性力学求解可知中空圆柱体在内表面均匀剪切荷载作用下试件内部的剪切应力为式1，剪切应变为式2，中空圆柱体内表面角位移为式(3)。

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{r\θ}}=-\frac{a^2}{r^2}q---\left(1\right)$

${\mathrm{\γ}}_{\mathrm{r\θ}}=-\frac{{\mathrm{qa}}^2}{{\mathrm{Gr}}^2}---\left(2\right)$

$U_{\mathrm{\θ}}=\frac{{\mathrm{qa}}^2}{2G}(\frac{1}{r}-\frac{r}{b^2})---\left(3\right)$

其中：

τ_rθ-沥青混凝土试件内部剪切应力，MPa；

a，b，r-中空圆柱体内半径15mm，外半径75mm和半径，a≤r≤b，m；

γ_rθ-沥青混凝土试件内部剪切应变；

G-沥青混凝土剪切模量，或者剪切劲度，MPa；

U_θ-中空圆柱体内表面扭转角位移，度；

q-沥青混凝土中空圆柱体内表面剪切荷载，MPa。q＝M/2πHa²；

M-荷载传递轴上施加的扭矩，Nm；

H-沥青混凝土试件高度，80mm。

由公式(1)和(2)可以发现，中空圆柱体在内表面均匀剪切荷载作用下试件内部的剪切应力和剪切应变仅与半径有关，而与试件高度无关，即在整个试件高度方向应力和应变都是均匀的。

②推荐用于评价沥青混凝土剪切性能的力学指标是剪切模量或者剪切柔量。由试验数据采集仪纪录下扭转角位移和荷载作用时间或者作用次数直径的关系。并利用公式(3)可以得到：

$J\left(t\right)=\frac{1}{G\left(t\right)}=\frac{{2b}^2}{\mathrm{qa}(b^2-a^2)}{U}_{\mathrm{\θ}}\left(t\right)---\left(4a\right)$

$J\left(N\right)=\frac{1}{G\left(N\right)}=\frac{{2b}^2}{\mathrm{qa}(b^2-a^2)}{U}_{\mathrm{\θ}}\left(N\right)---\left(4b\right)$

其中：

J(t)或J(N)-沥青混凝土剪切蠕变柔量，1/MPa；

t或N-沥青混合料受扭转荷载作用时间或次数，s或次；

U_θ(t)或U_θ(N)-沥青混凝土中空圆柱体内表面扭转角位移随荷载作用时间或作用次数变化值，度；

③本发明提供的测试方法中，要求：

a，同一沥青混合料至少平行试验3个试件，当3个试件变形率值变异系数小于20％时，取其平均值作为试验结果。当变异系数大于20％时应分析原因，并追加试验。

b，试验报告应注明试验温度、荷载形式、应力水平、试件密度、空隙率等试验条件。

c，重复性试验剪切蠕变柔量允许差为20％。

Claims (4)

1、一种沥青混凝土剪切性能测试方法，其特征在于该测试方法包括如下步骤：

步骤1：成型中空圆柱体沥青混凝土试件(2)，并保证沥青混凝土试件两个端面相互平行且水平，

步骤2：将沥青混凝土试件置于规定的恒温空气浴中，直至该沥青混凝土试件内部温度达到要求的试验温度；打开试验机，使环境温度箱达到要求的试验温度；其中试验温度根据使用者的研究目的和要求确定，

步骤3：将沥青混凝土试件(2)从恒温空气浴中取出，立即安放在对称圆筒形夹具(1)中间，同时扭转荷载传递轴(3)***沥青混凝土试件(2)中心，利用环氧胶将沥青混凝土试件(2)与对称圆筒形夹具(1)以及扭转荷载传递轴(3)粘结，静置超过2小时使环氧胶凝固，

步骤4：安放转角位移变形测量仪(4)于荷载传递轴(3)上，利用数据采集处理***(6)获得转角位移变形等测量参数；

步骤5：利用动力设备(5)施加扭转荷载于荷载传递轴(3)上，并利用数据采集***(6)记录试件的扭转角位移与试验时间的相关数据，如果是动态荷载，则为加载次数；荷载形式根据使用者的研究目的确定，如果使恒定应力，要求试验过程中加载力恒定，如果是动态试验，则动态荷载的最大值及荷载波形保持不变，试验过程中试验环境温度保持在要求的温度。

2、如权利要求1所述的沥青混凝土剪切性能测试方法，其特征在于，所述步骤1的试件尺寸为外直径150mm±2.0mm，内直径30mm±2.0mm，高度80mm±2.0mm的中空圆柱体形状。

3、如权利要求1所述的沥青混凝土剪切性能测试方法，其特征在于，所述步骤2的试件保温在试验者设定的温度下至少2小时。

4、如权利要求1所述的沥青混凝土剪切性能测试方法，其特征在于，所述步骤5的施加扭转荷载方式为：通过对荷载传递轴(3)施加扭矩从而使中空圆柱体试件(2)的内壁作用均匀剪切荷载。

Images