CN102183412B - 沥青混凝土材料拉剪耦合特性测试仪 - Google Patents
沥青混凝土材料拉剪耦合特性测试仪 Download PDFInfo
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Abstract
一种沥青混凝土材料拉剪耦合特性测试仪，包括温控箱、用于完成剪切荷载的竖向加载控制***、用于完成拉伸或压缩荷载的横向加载控制***和用以控制温控箱温度、竖向加载和横向加载并根据拉压位移和剪切位移拟合得到水平向拉应力和剪应力的耦合特性测试中心，所述温控箱内设有用以放置待检测沥青混凝土材料的工位平台，所述竖向加载控制***包括竖向油缸、竖向伺服阀、竖向位移传感器和竖向加载控制器，所述横向加载控制***包括横向油缸、横向伺服阀、水平位移传感器和横向加载控制器，所述竖向加载控制器和横向加载控制器均与所述耦合特性测试中心连接。本发明能在温度可控条件下实现拉伸和剪切耦合特性检测。
Description
技术领域
本发明涉及沥青混凝土路面材料力学特性设备，尤其是一种再现沥青路面现场实际使用过程中的变形特性和静动力响应，是一种包括局部加载拉伸，局部加载拉伸或压缩与剪切耦合，局部循环加载的综合测试仪，并能基于试验结果和力学理论及数值模拟，对沥青路面拉伸和剪切开裂破坏特性进行综合检测和评价。
背景技术
目前，国内外道路沥青路面面层变形力学特性试验研究的主要方法有：马歇尔法、三轴试验法、蠕变试验法、车辙试验法和剪切试验法等。美国、日本等许多国家以及我国评价高温稳定性的指标是马歇尔法的稳定度和流值，以及车辙试验的动稳定度。
马歇尔试验是纯经验方法，最早由密西西比州公路局的BruceMarshell于1946年发明，并于1949年正式为美国陆军采用，要求试件在60℃条件下进行试验，并且不能有效的模拟路面受压剪切破坏过程。车辙试验采用胶轮的往复运动来模拟行车荷载的作用，具有一定的仿真性，所以在道路工程中得到了广泛的应用。但是由于车辙试验轮碾成型方法，各组试件的复现性较差，加之胶轮在不平整试件上往复滚动，进行竖向变形测试时将会导致很大的误差，因此车辙试验的离散型较大，且动稳定度指标是一个间接指标，与车辙试验总变形之间没有严格的对应关系。
诺丁汉大学设计开发了动态剪切箱(The Dynamic Shear Box)和意大利马尔凯大学设计了ASTRA(Ancona Shear Testing Research andAnalysis，安科纳剪切试验研究与分析)仪器，已分别被Carr[2001]和Ferrotti[2007]应用。动态剪切箱采用尺寸为320mm×200mm的双层厚板，施加法向荷载和重复剪切荷载。ASTRA仪器能试验棱柱(设计尺寸为100mm×100mm)或圆柱(直径为94-100mm)双层试件。试验中，ASTRA试验施加2.5mm/min的恒定位移率和垂直于界面平面的恒定竖向荷载。但该试验设备只能模拟竖向压入荷载与水平剪切荷载的耦合分析，不能解决常见的沥青路面低温温度荷载与行车荷载造成的拉伸与剪切耦合特性分析。Crispino等[1997]设计了一个动态剪切试验来确定沥青层间界面的动态剪切模量。他们在不同频率和温度下进行试验。Mohammad等[2002]研究了关于多粘结层沥青层间的粘结来确定最佳涂层率。他们通过在Superpave剪切试验仪(SST)中放置一个简单的剪切装置来进行试验。这个剪切装置主要是为了确保断裂发生在一个直径为150mm圆柱试件的界面处。试件受到222.5N/min恒定的剪切加载率，直到断裂。记录相应的剪切荷载和剪切位移，以便获得界面的剪切应力-位移曲线和剪切强度。Romanoschi和Metcalf[2002]采用不同法向荷载(138～522kPa)进行了室内直剪试验。他们用剪切试验装置和取自全尺寸试验点直径为95mm的沥青核芯。剪切荷载以恒定12mm//min的位移率施加，直到总剪切位移达到12mm。记录并控制剪切力Fv，法向力Fh和剪切位移。
由于有法向荷载的直剪试验具有试验复杂性，许多国家简化了设计，开发了不同的无法向荷载的直剪试验设备。Leutner[1979]设计了一个称为Leutner剪切试验。该实验采用一个直径为150±2mm的钻芯试件。试验中无法向荷载，只在试件界面上施加剪切位移率；结果无法有效模拟交通荷载下的界面受力形式。为确保试件固定牢固以及在试件和荷载设备之间有合适的接触，指定试件界面下层厚度和上层厚度至少分别为70mm和25mm。实验设备夹具和不同直径(148～152mm)的荷载设备(即下、上剪切环)有可更换的范围，以便包裹试件直径。试验在标准试验温度20±1℃下进行，并施加50±3mm/min标准位移率。道路试验室广泛采用的标准马歇尔或加州承载比加载设备也能进行50±3mm/min标准位移率的试验。
发明内容
为了克服已有沥青混凝土路面材料力学特性设备的无法检测拉伸和剪切耦合特性的不足，本发明提供一种在温度可控条件下实现拉伸和剪切耦合特性检测的沥青混凝土材料拉剪耦合特性测试仪。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种沥青混凝土材料拉剪耦合特性测试仪，包括温控箱、用于完成剪切荷载的竖向加载控制***、用于完成拉伸或压缩荷载的横向加载控制***和用以控制温控箱温度、竖向加载和横向加载并根据拉压位移和剪切位移拟合得到水平向拉应力和剪应力的耦合特性测试中心，所述温控箱内设有用以放置待检测沥青混凝土材料的工位平台，所述竖向加载控制***包括竖向油缸、竖向伺服阀、竖向位移传感器和竖向加载控制器，所述竖向油缸的动作端与所述待检测沥青混凝土材料连接，所述竖向油缸的受控端与所述竖向加载控制器连接，所述竖向油缸上设有竖向位移传感器，所述竖向伺服阀和竖向位移传感器均与所述竖向加载控制器连接；所述横向加载控制***包括横向油缸、横向伺服阀、水平位移传感器和横向加载控制器，所述横向油缸的动作端与所述待检测沥青混凝土材料连接，所述横向油缸的受控端与所述横向加载控制器连接，所述横向油缸上设有水平位移传感器，所述横向伺服阀和水平位移传感器均与所述横向加载控制器连接，所述竖向加载控制器和横向加载控制器均与所述耦合特性测试中心连接。
作为优选的一种方案：上述所述待检测沥青混凝土材料的工位平台呈上下对称设置，所述工位平台的上、下端面分别设置两个竖向加载控制***；所述工位平台的上下侧面分别设置两个横向加载控制***。
本发明的技术构思为：国内外并没有水平向可施加拉伸荷载并于竖向剪切荷载同时作用的沥青路面拉剪耦合分析的试验设备。而常规的沥青路面破坏形式主要有开裂与车辙，其中沥青路面开裂的最主要原因就是车辆荷载与低温造成的温度应力，而路面结构在这两种荷载的作用下，是一种拉伸与剪切耦合作用过程，国内外在这方面的研究是一个空白。
研究开发温度条件可控，能够模拟沥青混凝土材料在拉伸与剪切耦合作用的试验设备来模拟路面结构在实际使用过程中在行车荷载与温度荷载作用下的力学响应的试验设备具有重要的意义，同时还可用于理论研究和工程现场检测，为实际工程质量控制以及沥青混凝土材料性能研究提供依据和支持。
本发明的有益效果主要表现在：在温度可控条件下实现拉伸(或压缩)和剪切耦合特性检测。
附图说明
图1为沥青混合料拉剪耦合试验***示意图；
图2为闭路伺服***控制原理图；
图3为图1的I-I剖面示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图3，一种沥青混凝土材料拉剪耦合特性测试仪，包括温控箱10、用于完成剪切荷载的竖向加载控制***、用于完成拉伸或压缩荷载的横向加载控制***和用以控制温控箱温度、竖向加载和横向加载并根据拉压位移和剪切位移拟合得到水平向拉应力和剪应力的耦合特性测试中心1，所述温控箱10内设有用以放置待检测沥青混凝土材料的工位平台，所述竖向加载控制***包括竖向油缸4、竖向伺服阀6、竖向位移传感器8和竖向加载控制器2，所述竖向油缸4的动作端与所述待检测沥青混凝土材料连接，所述竖向油缸4的受控端与所述竖向加载控制器2连接，所述竖向油缸4上设有竖向位移传感器8，所述竖向伺服阀6和竖向位移传感器8均与所述竖向加载控制器2连接；所述横向加载控制***包括横向油缸5、横向伺服阀7、水平位移传感器9和横向加载控制器3，所述横向油缸5的动作端与所述待检测沥青混凝土材料试件装载器连接，所述横向油缸5的受控端与所述横向加载控制器3连接，所述横向油缸5上设有水平位移传感器9，所述横向伺服阀7和水平位移传感器9均与所述横向加载控制器3连接，所述竖向加载控制器2和横向加载控制器3均与所述耦合特性测试中心连接。
上述所述待检测沥青混凝土材料的工位平台呈上下对称设置，所述工位平台的上、下端面分别设置两个竖向加载控制***用于完成剪切作用；所述工位平台的上下侧面分别设置两个横向加载控制***。
图1所示为沥青混凝土路面材料拉剪耦合特性综合测试仪的组成示意图，该设备由支架、耦合特性测试中心1、竖向加载控制器2、横向加载控制器3、竖向油缸4、横向油缸5、竖向伺服阀6、横向伺服阀7、竖向位移传感器8、水平位移传感器9、温控箱10组成。
试件置于温控箱10中的工位平台上，竖向油缸4与竖向加载控制器2相连，横向油缸5与横向加载控制器3相连，竖向加载控制器与横向加载控制器与耦合特性测试中心1相连。
闭路伺服***控制原理如图2所示。
本实施例的沥青混合料拉(压)剪耦合试验***，可以通过对竖向加载控制***、横向加载控制***以及温控箱10的调节和控制实现以下功能：
A项试验内容：研究沥青混合料在固定压荷载的作用下(由横向加载***实现)，不同剪切荷载(由竖向加载***实现)对沥青混合料的作用，从而判断沥青混合料的压荷载作用下的抗剪切性能。
B项试验内容：可以通过横向加载控制***实现对沥青混凝土试件的拉拔作用，并在此基础上，通过竖向加载控制***实现对试件施加剪切荷载作用，从而达到判断沥青混合料拉荷载作用下的抗剪切性能。
C项试验内容：通过温控箱10的温度控制***，可以试验沥青混合料从-30℃～60℃范围内的抗剪切性能及变温与行车等效荷载耦合作用。
沥青混凝土剪应力与拉应力：通过试验可以得到沥青混凝土材料在水平向加载和竖向加载的作用下不同时刻的拉压位移εx和剪切位移εy，通过拟合可以进一步得到水平向拉应力σx与剪应力值σy，从而可以研究，低温温度场造成的沥青混合料拉应力与行车荷载造成的剪应力之间的耦合作用关系。
本实施例使用了参数自调节的PID(P为比例、I为积分、D为微分)控制技术，它吸收了P控制作用的快速反应功能、I控制的消除稳态差、D控制的预测功能等优点但必须合理设计参数。基于电脑和I/O部件，采用图形化工具对***进行监控，同时进行多路数据采集、存贮、数据处理和曲线显示。线性的前馈预测采用PID控制，而***则采用位移型PID控制，以剪切速度恒定为标准；垂直荷载的高精度液压同步控制同样也采用位移型PID控制来实现。剪切试验装置通过接受反馈信号值使负载一侧的操作能跟进指令值，从而实现高速实时数据采集与复杂控制。通过采用一个位于控制***软件内的闭合循环来实现恒定法向刚度边界条件，同时配合电子伺服控制。控制和测量的非线性反馈分析在PC机窗口上来实现，通过一个多功能模拟数字、数字模拟、数字输入输出控制面板(A/D、D/A和DIO)。收集到的试验数据包括法向应力、剪切应力、相应的位移和加载圆柱体阀门水平加载和竖直加载的量值。
Claims (1)
1.一种沥青混凝土材料拉剪耦合特性测试仪，其特征在于：所述测试仪包括温控箱、用于完成剪切荷载的竖向加载控制***、用于完成拉伸或压缩荷载的横向加载控制***和用以控制温控箱温度、竖向加载和横向加载并根据拉压位移和剪切位移拟合得到水平向拉应力和剪应力的耦合特性测试中心，所述温控箱内设有用以放置待检测沥青混凝土材料的工位平台，所述竖向加载控制***包括竖向油缸、竖向伺服阀、竖向位移传感器和竖向加载控制器，所述竖向油缸的动作端与所述待检测沥青混凝土材料连接，所述竖向油缸的受控端与所述竖向加载控制器连接，所述竖向油缸上设有竖向位移传感器，所述竖向伺服阀和竖向位移传感器均与所述竖向加载控制器连接；所述横向加载控制***包括横向油缸、横向伺服阀、水平位移传感器和横向加载控制器，所述横向油缸的动作端与所述待检测沥青混凝土材料连接，所述横向油缸的受控端与所述横向加载控制器连接，所述横向油缸上设有水平位移传感器，所述横向伺服阀和水平位移传感器均与所述横向加载控制器连接，所述竖向加载控制器和横向加载控制器均与所述耦合特性测试中心连接；所述待检测沥青混凝土材料的工位平台呈上下对称设置，所述工位平台的上、下端面分别设置两个竖向加载控制***完成剪切荷载作用；所述工位平台的上下侧面分别设置两个横向加载控制***完成拉伸或压缩荷载作用。
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