CN110095352A - 一种沥青路面层间性能测试方法以及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及道路工程技术领域，具体涉及沥青路面层间性能测试方法以及装置，目的是提供一可根据实际的路况准确测试沥青路面层间性能的方法；采用的技术方案是：包括以下步骤：获取待测路段实际路况、待测路段芯样；根据路况计算强度剪切角度，并以强度剪切角度对芯样进行层间抗剪强度测试，获得层间抗剪强度；根据路况计算层疲劳剪切角度，并以疲劳剪切角度对芯样进行层间剪切疲劳寿命测试，获得层间剪切疲劳寿命；综合层间抗剪强度、层间剪切疲劳寿命，对层间性能进行评估。本发明能够根据实际的路况准确测试沥青路面层间性能。本发明提供的装置，结构简单，能够调整测试的剪切角度，可对实验室芯样和实际道路芯样进行斜剪测试，适用范围广。

Description

一种沥青路面层间性能测试方法以及装置

技术领域

本发明涉及道路工程技术领域，具体涉及一种沥青路面层间性能测试方法以及装置。

背景技术

沥青路面结构层层间结合的优劣是影响沥青路面寿命的重要因素之一，特别是道路的大纵坡路段、小半径路段以及车辆加减速区域等，路面结构层会承受更大的水平荷载。当荷载重复作用一定次数后，极易引起路面结构层层间疲劳破坏，严重时形成大量的车辙、推移、拥包、裂缝等病害。在沥青路面的施工工艺中，如层间处置不当，也会造成沥青路面早期病害，严重缩短沥青路面使用寿命。

国内外学者为研究沥青路面层间性能，进行了大量的试验研究，其中做得最多的是层间剪切强度试验与层间剪切疲劳试验，并采用沥青路面层间抗剪强度、剪切疲劳寿命等指标来评估层间性能。在实际的施工中，施工工艺、施工环境、施工工具、施工人员的熟练度以及道路已使用年限等因素均会影响沥青路面层间性能并造成层间性能衰减。因此，在实验室内对成型的沥青路面层间性能的测试结果仅是理想状态下的性能，并不能完全代表实际路况的层间性能。另一方面，实际路况的不同，沥青路面层间受力状态也会不一样，例如不同的道路等级、大纵坡路况、大交通量重载路况、隧道出入口制动或加速路况，小半径急弯段路况等。

目前，国内外研究者为研究沥青路面层间抗剪性能的测试方式，主要分为三类：直剪、斜剪和扭剪。直剪的方式没有考虑到垂直于层间界面的压应力加强了层间的咬合作用，所以只能用于评估层间粘结油的“粘结性能”，而不能够用于评价沥青路面的层间综合性能。剪切角度(实验加载力的作用线与层间界面的夹角)没有统一的标准，如采用角45°、27°斜剪试验等；而剪切角度是固定的，代表着在进行斜剪试验时，层间的应力状态是固定的，只能体现某一种路况情形。扭剪通过扭力装置施加旋转剪切力，破坏发生时的最大剪切应力即为层间最大抗剪切强度；但该仪器同样没有考虑垂直于层间界面的压应力对层间性能的影响，仅能用于测试性能较差的层间粘结强度。故现有的沥青路面层间性能测试方式，并不能准确描述各种不同路况下的沥青路面层间应力状态。因此需要一种能更准确地测试沥青路面层间性能的方法。

发明内容

针对上述现有的沥青路面层间性能测试方法不能准确描述各种不同路况下的应力状态的技术问题，本发明提供了一种沥青路面层间性能测试方法以及装置，能够根据实际的路况准确测试沥青路面层间性能。

本发明通过下述技术方案实现：

包括以下步骤：

获取待测路段实际路况、待测路段芯样，所述待测路段实际路况包括待测路段路面与车辆轮胎的摩擦系数、车辆行车加速度、道路纵坡、路面温度、设计时速、转弯半径、车辆行车轴重、车辆行车胎压；

根据待测路段的路面与车辆轮胎的摩擦系数、路面温度计算获得强度剪切角度，进行层间抗剪强度测试前，将测试装置、样品整体温度调整至待测路段路面温度再以强度剪切角度对芯样进行测试，获得层间抗剪切强度；

根据待测路段的设计时速、转弯半径、道路纵坡、行车加速度、计算获得疲劳剪切角度，进行层间剪切疲劳寿命测试前，将测试装置、样品整体温度调整至待测路段路面温度再以疲劳剪切角度对芯样进行测试，获得层间剪切疲劳寿命；

综合层间抗剪强度、层间剪切疲劳寿命数据，对层间性能进行评估。

本发明还提供了一种用于上述测试方法的沥青路面层间结构性能测试装置，能根据测试所需的斜剪切剪切角度进行调整测试的剪切角度。包括底座、位于底座正上方的传力柱，所述底座与传力柱之间设置有剪切夹具，所述剪切夹具用于夹持样品，所述剪切夹具分为上下两部分，所述剪切夹具上端与下端均为圆弧状，所述底座上端设有与剪切夹具下端适配的圆弧凹缺，所述传力柱下端有与剪切夹具上端适配的圆弧凹缺。

优选的，所述底座下部设置有可左右滚动的滚动件。

优选的，所述底座下端设有承台，所述滚动件位于底座与承台之间，所述承台左端设有弹簧，所述弹簧一端固定在承台左端、一端固定在底座左侧壁。

优选的，所述剪切夹具上下两部分中心对称

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明可以根据实际路况特点，对含有层间界面的试样进行层间性能测试。层间性能测试分为抗剪切强度测试与剪切疲劳测试。通过层间抗剪切强度试验得到层间界面的剪切强度；通过层间剪切疲劳试验得到层间界面的荷载循环次数(疲劳寿命)。用抗剪切强度、剪切疲劳寿命两个指标来评估实际道路的路面层间粘结状况，更能准确的反应道路的性能。

2、本发明提供的测试装置，可根据剪切角度的大小进行调整，以适应不同路况的沥青路面层间结构性能的测试，可以测试实验室内成型的理想状态下的沥青路面层间性能，结构简单；也能够对实际道路的钻芯芯样进行层间性能测试，以此方法评估该道路的的实际层间性能。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的测试方法流程示意图；

图2为本发明实测的路段路面摩阻系数示意图。

图3为本发明的测试装置结构示意图；

图4为本发明的斜剪夹具立体结构示意图；

图5为本发明的测试装置测试装置使用状态示意图；

附图中标记及对应的零部件名称：

1-底座，2-传力柱，3-剪切夹具，4-滚动件，5-承台，6-弹簧。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

本实施例以东南沿海某市重载交通沥青路面工程为依托进行，具体的测试方法步骤如下：

测试待测路段实际路况，包括待测路段路面与车辆轮胎的摩擦系数μ、车辆行车加速a₁、道路纵坡α、路面温度T、设计时速V、转弯半径R、车辆行车轴重G、车辆行车胎压P。本实施列采用BM-Ⅲ型摆式摩擦系数测定仪测试待测路段沥青路面不同温度下的摩阻系数。实测得到依托工程路段的路面摩阻系数如图2所示，其余路况信息如表1所示：

实际路况调查表

设计时速V	转角半径R	道路纵坡α	行车胎压P	行车加速度a1	路面温度T
						80kM/h	900m	4°00′15″	0.7MPa	2.1m/s<sup>2</sup>	15℃

表1

需要说明的是，剪切角度θ是在进行层间性能测试时，加载力F的作用线与层间界面的夹角；进行层间性能测试时，加载力F的作用线与层间界面形成夹角，加载力F分解为：垂直于层间界面的压力、平行于层间界面的剪切力。为了使测试中的层间受力状态与实际路况的层间受力状态保持一致，则应满足以下条件：

式中：F—层间性能测试时的加载力(N)

S—试样层间界面面积(m²)

θ—加载力F作用线与层间界面的夹角(°′″)

由此可以看出，任何影响实际路况下沥青路面受到的压力与剪切力的因素都会影响角度θ值的大小。具体的：

①路面与车辆轮胎的摩阻系数

车辆紧急刹车时，车辆轮胎与沥青路面之间发生滑动摩擦，此时路面受到的平行于路面的剪切力为轮胎对路面造成的滑动摩擦力(大小为mgμ)。轮胎与路面间的摩阻系数μ将决定滑动摩擦力(mgμ)的大小，从而影响θ的取值。而μ的大小除了与路面粗糙度有关外还有路面的温度相关。

②行车加速度

车辆进行加速与减速行驶时，会产生行车加速度a，这个加速度的推力来源于路面与轮胎间的静摩擦力。在忽略行车阻力的情况下，这个静摩擦力的大小为车辆加减速行驶所需要的推力ma。加速度a越大，轮胎与路面间的静摩擦力也越大，车辆轮胎对路面造成的平行于路面的剪切力也越大，从而影响θ的取值。

③道路纵坡

当道路纵坡为α时，车辆重力会沿着纵坡方向分解出平行于路面的分力(大小为mgsinα)，该分力作为平行于路面的剪切力直接作用于路面上。纵坡角度α越大，重力的分力越大，则造成的平行于路面的剪切力越大，从而影响θ的取值。这也是大坡度路面容易出现层间病害的重要原因。

④道路设计时速与转弯半径

车辆在弯道上行驶时，会产生向心加速度V²/R，需要路面给车辆提供向心力，在道路横坡没有超高情况下，这个向心力需要由路面静摩擦力来提供。此时，车辆轮胎会对路面造成平行于路面的剪切力，向心加速度越大，则剪切力越大，从而影响θ的取值。

⑤车型、胎压

车辆的车型与胎压直接决定了垂直于路面的压力大小，从而影响θ的取值，本实施例以重载汽车为例，也就是选择了最恶劣的路况。

然后对待测路段进行取样，获得若干测试样品；通常使用钻芯机对该路段沥青路面进行钻芯取样，获得上面层与中面层并含其层间界面在内的圆柱体芯样。对芯样进行切割处理，使得层间界面上下部分具有20mm～60mm的沥青混合料，以保证层间界面的完整性。对于圆柱体的直径大小，根据所采用的剪切夹具容纳芯样腔体的直径确定，本实施列为150mm。

接着根据获得的待测路段的路面与车辆轮胎的摩擦系数μ、路面温度T计算强剪切角度；强度剪切角度θ的值算法如下：

式中：μ—温度15℃对应的路面与轮胎间的摩阻系数。

能够理解的是，强度试验用于测试层间界面能够承受的最大剪切应力。此方法用于评估层间界面能否承受车辆紧急刹车时对路面层间的剪切作用。车辆紧急刹车时，车辆重力与滑动摩擦力综合作用对路面结构层层间产生的剪切应力最大；而车辆在有道路纵坡的路面上进行刹车作业时，由平行于路面的剪切力与垂直于路面的压力可知:

式中：μ—刹车状态下轮胎与路面的摩阻系数

α—道路纵坡角度(°′″)

因此，在进行剪切强度的测试试验时，可只根据车辆轮胎与待测路面的摩阻系数计算。

进行层间抗剪切强度测试时，获得的样品放入测试装置后，将测试装置、样品温度调整至待测路段路面温度进行层间抗剪强度测试。本实施列使用UTM-100动态伺服液压多功能材料试验***作为加载力提供设备；实验前提前1h打开UTM-100电源与恒温箱，将恒温箱温度调整至15℃(待测路段的实际温度)完成预热；将待测芯样与斜剪夹具放入恒温箱中预热至少1h，保证试样与装置的温度都达到预设温度15℃。

调整斜剪夹具的角度θ使其与强度剪切角度大小相同，安装位移传感器(安装在芯样层间界面外侧)，完成安装后将装置整体放入恒温箱中，维持30min以保证装置与试样内外温度都达到预设温度15℃。接着调整UTM-100设备施力杆，使得施力杆与装置加载位置轻轻接触。启动压力机施加荷载，直至试样层间产生明显破坏后，停止压力机，记录最大加载压力F_max为33.443kN。整个加载过程中，维持恒温箱中温度15℃保持不变。加载完成后计算该层间界面剪切强度τ_max，计算公式为：

式中：F_max—最大加载压力(N)

S—试样层间界面面积(m²)

θ—加载力作用线与层间界面的夹角(°′″)

d—试样层间界面直径(m)

此时的F_max、τ_max分别为温度15℃环境下该道路在实际路况下的路面层间界面能够承受的最大剪切力和该层间界面的剪切强度，即获得层间抗剪切强度。

同时根据获得的待测路段的设计时速、转弯半径、道路纵坡、行车加速度计算层疲劳剪切角度；其中疲劳剪切角度θ的值如下：

式中：a—行车综合加速度(m/s²)

α—道路纵坡(°′″)

其中综合加速度a的值需要考虑行车加速度a₁与车辆转弯时的向心加速度，其值求解方式如下式：

式中：a₁—行车加速度(m/s²)

R—转角半径(m)

V—设计时速(m/s)。

应当理解的是，剪切疲劳试验用于测试层间粘结的疲劳寿命。车辆在行驶过程中，是一个加速、减速、匀速在不断变换的过程，车辆加减速的动力实际是由轮胎与路面的摩擦力所提供。车辆行驶过程中的加速度的交互变化与不同轴重车辆的循环往复作用，使路面层间界面处于疲劳加载状态，易造成剪切疲劳破坏。车辆在有纵坡道路上进行加速或减速作业时，需要克服重力沿纵坡的分力，由平行于路面的剪切力与垂直于路面的压力可知:

式中：α—道路纵坡角度(°′″)

g—重力加速度(m/s²)

a—行车加速度(m/s²)

进行层间剪切疲劳寿命测试时，获得的样品放入测试装置后，将测试装置、样品温度调整至待测路段路面温度进行层间剪切疲劳寿命测试。本实施列使用UTM-100动态伺服液压多功能材料试验***作为加载力提供设备；实验前提前1h打开UTM-100电源与恒温箱，将恒温箱温度调整至15℃(待测路段的实际温度)完成预热；将待测芯样与斜剪夹具放入恒温箱中预热至少1h，保证试样与装置的温度都达到预设温度15℃。

调整斜剪夹具的角度θ使其与疲劳剪切角度大小相同，安装位移传感器(安装在芯样层间界面外侧)，完成安装后将装置整体放入恒温箱中，维持30min以保证装置与试样内外温度都达到预设温度15℃。设定UTM-100设备加载力参数。本实施列采用应力控制法，疲劳试验中的疲劳荷载要求为力随时间变化的周期函数，通过试验机控制***设置疲劳荷载周期函数的波形为正矢波、频率10Hz、振幅F为14.18kN。其中振幅F由行车胎压P来确定，计算公式为：

由此可得

式中：S₁—试样层间界面面积(m²)

P—行车胎压(Pa)

F—疲劳荷载振幅(N)

疲劳荷载参数设置完成后，调整UTM-100施力杆，使得施力杆与装置加载位置轻轻接触。启动试验机进行疲劳荷载试验，以荷载循环作用50次时的劲度模量作为初始劲度模量，劲度模量下降50％视为疲劳破坏，待试样层间界面彻底疲劳破坏后停止试验，记录疲劳破坏时，疲劳荷载循环加载次数N为13416次(即获得层间剪切疲劳寿命)。整个试验过程中保持恒温箱中的温度15℃不变。

综合层间抗剪切强度测试和层间剪切疲劳寿命测试所获得的数据，即综合层间抗剪切强度τ_max和层间抗剪切疲劳寿命N对道路的性能进行评估。τ_max值越大，该实际路况下路面层间界面的抗剪性能越好，承受车辆紧急刹车作业的性能越好。疲劳寿命N反映的是该实际路况下沥青路面上下层层间界面能够承受的荷载循环作用次数。疲劳寿命N越大，层间界面能够承受的荷载作用次数越多，层间界面抗剪切疲劳性能越好。本将实际获得得数据出具沥青路面层间性能报告。

另外，本方法也适用于实验室制备的试样件，为实际路段的施工设计提供数据支撑，操作时只需将S2步骤替换为实验室制作芯样即可。

为满足不同剪切角度θ的安装，本实例还提供了一种用于沥青路面层间性能测试装置，包括底座1、位于底座1正上方的传力柱2，可以理解的是，使用时，底座安装在压力机的工作台上，传力柱2上端与压力机的压力输出端固定连接，且正对底座1。所述底座1与传力柱2之间设置有剪切夹具3，所述剪切夹具3用于夹持样品分为上下两部分、上端与下端均为圆弧状，所述底座1上端设有与剪切夹具3下端适配的圆弧凹缺，所述传力柱2下端有与剪切夹具3上端适配的圆弧凹缺，以将压力机输出的加载力传递给剪切夹具3。需要说明的是，剪切夹具3的侧面为具有圆弧曲面，根据实际芯样的大小和调整角度的范围，将圆弧曲面的曲率半径设置为120mm。通过圆弧曲面能够将压力机的加载力均匀的传递给剪切夹具3，并可防止剪切夹具3在受力时发生旋转。因此剪切夹具3上下两个部分可以组装成为外部直径240mm的圆形，从而使得剪切夹具3安装完成后能够放置在底座1上，并且以不同的夹角(小于90°)放置在底座1上，以任意调整角度，满足不同剪切角度的斜剪切试验。同时剪切夹具3内部具有圆柱形净空用于存放，对于本实施例圆柱形的空腔直径为高为120mm；若在进行测试时，芯样高度不足120mm，则在其端部设置相应的垫块，以确保层间截面位于剪切夹具3上下两部分的中间空隙内。

进一步的，所述底座1下部设置有可左右滚动的滚动件4。以保证底座1能够水平移动，避免给剪切夹具施加多余约束，影响试验结果。滚动件4可以是滚轮、滚筒、实心圆柱体等，为确保在试验中提供足够的支撑力而不被损坏，优选为滚筒，且间隔设置有多个。

更优的是，所述底座1下端设有承台5，所述滚动件4位于底座1与承台5之间，所述承台5左端设有弹簧6，所述弹簧6一端固定在承台5左端、一端固定在底座1左侧壁。能够防止底座1的惯性滑移，确保试验的稳定进行。弹簧6也可以设置在承台5的右端，相应的弹簧6的另一端则固定在底座1的右端。承台5的端部可以设置凸起用于固定弹簧6和阻挡底座1，也可以设置挡板，本实施例优选为挡板。所述剪切夹具3上下两部分中心对称，一方面能够方便剪切夹具3、芯样的快速安装，另一方面也能够保证芯样的中心位于加载力的作用线上。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种沥青路面层间性能测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取待测路段实际路况、待测路段芯样；

根据路况计算强度剪切角度，并以强度剪切角度对芯样进行层间抗剪强度测试，获得层间抗剪强度；

根据路况计算疲劳剪切角度，并以疲劳剪切角度对芯样进行层间剪切疲劳寿命测试，获得层间剪切疲劳寿命；

综合层间抗剪强度、层间剪切疲劳寿命，对层间性能进行评估。

2.根据权利要求1所述的沥青路面层间性能测试方法，其特征在于：所述待测路段实际路况包括待测路段路面与车辆轮胎的摩擦系数、车辆行车加速度、道路纵坡、路面温度、设计时速、转弯半径、车辆行车轴重、车辆行车胎压。

3.根据权利要求2所述的沥青路面层间性能测试方法，其特征在于：所述强度剪切角度根据待测路段的路面与车辆轮胎的摩擦系数、路面温度计算获得。

4.根据权利要求3所述的沥青路面层间性能测试方法，其特征在于：进行层间抗剪强度测试前，将测试装置、样品整体温度调整至待测路段路面温度再进行测试。

5.根据权利要求2所述的沥青路面层间性能测试方法，其特征在于：所述疲劳剪切角度根据待测路段的设计时速、转弯半径、道路纵坡、行车加速度、计算获得。

6.根据权利要求5所述的所述的沥青路面层间性能测试方法，其特征在于：进行层间剪切疲劳寿命测试前，将测试装置、样品整体温度调整至待测路段路面温度再进行测试。

7.一种沥青路面层间性能测试装置，其特征在于：该测试装置用于实现以上任意一项权利要求所述测试方法，包括底座(1)、位于底座(1)正上方的传力柱(2)，所述传力柱(2)用于与压力机输出端连接以传递加载力，所述底座(1)与传力柱(2)之间设置有剪切夹具(3)，所述剪切夹具(3)用于夹持样品，所述剪切夹具(3)分为上下两部分，所述剪切夹具(3)上端与下端均为圆弧状，所述底座(1)上端设有与剪切夹具(3)下端适配的圆弧凹缺，所述传力柱(2)下端有与剪切夹具(3)上端适配的圆弧凹缺。

8.根据权利要求7所述的沥青路面层间性能测试装置，其特征在于：所述底座(1)下部设置有可左右滚动的滚动件(4)。

9.根据权利要求8所述的沥青路面层间性能测试装置，其特征在于：所述底座(1)下端设有承台(5)，所述滚动件(4)位于底座(1)与承台(5)之间，所述承台(5)左端设有弹簧(6)，所述弹簧(6)一端固定在承台(5)左端、一端固定在底座(1)左侧壁。

10.根据权利要求7所述的沥青路面层间性能测试装置，其特征在于：所述剪切夹具(3)上下两部分中心对称。