路面材料拉伸、压缩、弯拉回弹模量同步测试装置的制作方法

本实用新型涉及道路工程领域路用材料模量室内测试技术方法，尤其涉及半刚性基层材料和沥青混合料梁的拉伸、压缩、弯拉回弹模量测试装置。

背景技术：

现阶段我国沥青路面设计方法采用结构层材料各向同性假设的弹性层状体系理论，在路面结构设计时简单采用无侧限抗压回弹模量作为设计参数。然而经大量试验证明，路用半刚性基层材料和沥青混合料均表现出拉、压模量不等的各向异性性质，且一般抗压模量远大于抗拉模量。在路面结构层的实际受力中，一般同时存在拉应力区与压应力区，尤其是采用水泥稳定碎石材料的半刚性基层，一般处于上部受压、下部受拉的应力状态。因此在进行路面力学计算时简单地采用较大的抗压回弹模量作为材料结构设计参数，将导致高估路面材料的力学性能，从而使得设计计算结果存在较大误差，偏于不安全，严重影响实际路面的使用性能与使用寿命。

现行路面材料试验规程中材料模量的测试方法，主要有抗压回弹模量测试，劈裂回弹模量测试，弯拉回弹模量测试。抗压回弹模量测试主要分为顶面法或承载板法，两者均是在无侧限单向受压状态下进行试验；劈裂回弹模量是一种间接拉伸试验，其应力状态与路面结构层真实应力状态较为接近；而弯拉回弹模量试验，虽然考虑到了路面结构层材料实际处于上部受压、下部受拉的应力状态，但模量计算的理论是基于混合料拉、压模量相同的假设，且没有考虑剪切作用对挠度的影响，导致计算出的弯拉模量误差较大，不能准确地反应材料的真实力学性能。另外，三种模量只能通过分别制作不同形状与尺寸的试件并分别进行相应的测试而得到，造成材料、人力等资源的浪费及测试结果存在较大的误差，进而导致模量测试结果不能客观真实反映材料或结构的抗变形能力。

基于此，本实用新型在现行规范规定的弯拉模量计算理论和试验方法基础上，开发了一种同步测试路面材料拉伸模量、压缩模量、弯拉模量的试验系统，为建立考虑材料拉、压模量不同的本构关系，进而开展精准化的路面力学分析提供了参数依据，对节约路面材料室内试验成本，提高路面材料模量测试的准确性及试验效率，进而提高沥青路面结构设计的精度具有重要意义。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本实用新型旨在提供一种可在路面材料真实应力状态下同时测量材料静态或动态拉伸模量、压缩模量、弯拉模量的测试装置，以期获得路面材料真实应力状态下的拉伸模量、压缩模量、弯拉模量，从而更好地指导工程实践，提高我国路面结构设计的精度。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

路面材料拉伸、压缩、弯拉回弹模量同步测试装置，包括试件，其特征在于，包括：

MTS多功能材料测试系统：用于对试件进行四点弯曲加载；

可移动支座：用于加载时放置所述试件的两端；

应变采集系统：包括至少四个应变片，其中两个应变片用于贴于试件上表面中点并采集试件上表面的压应变，另两个应变片用于贴于试件下表面中点并采集试件下表面的拉应变；

位移传感器：架设于试件中部，用于测试跨中挠度；

应变采集仪：电气连接于所有的应变片；

处理终端：电气连接于所述位移传感器和应变采集仪。

利用上述装置的路面材料拉伸、压缩、弯拉静态回弹模量同步测试方法包括如下步骤：

S1制成试件后，将试件放入MTS多功能材料测试系统上，并将试件的两端分别置于一可移动支座上；

S2利用MTS多功能材料测试系统施加集中载荷P，则作用于试件上表面三分点处加载头上的对称集中载荷为P/2，则试件处于四点弯曲状态，而试件中部处于纯弯曲状态；

S3在试件中点的上下表面分别贴上应变片，通过应变采集仪采集试件上表面的压应变和下表面的拉应变；同时在试件中点架设位移传感器，测量试件的跨中挠度；

S4处理终端根据位移传感器测得的跨中挠度及应变片测得的试件中点的上、下表面应变数据，按照下式计算出试件的试件拉伸模量E_t、压缩模量E_c以及弯拉模量E_f；

其中，P为步骤S2施加的集中荷载，L、b、h分别为试件的长、宽、高；ε_t为步骤S3应变片测得的试件下表面的拉应变；ε_c为步骤S3中应变片测得的试件上表面的压应变；δ′为步骤S3中位移传感器测得的跨中挠度，μ表示泊松比。

需要说明的是，步骤S1中，将试件安放在MTS多功能材料测试系统上时保证荷载方向与试件成型时的压力方向一致，且试件两端分别放在可移动支座上进行简支支撑；在试件的承受荷载处和可移动支座上端均涂以适量的凡士林。

需要说明的是，步骤S3的具体包括：

3.1)由MTS多功能材料测试系统通过位移控制方式先以拟施加的最大载荷的一半进行两次加载卸载预压试验，使MTS多功能材料测试系统的加载顶板与试件表面紧密接触；

3.2)分别进行不同加载频率下的200次加载、卸载循环，其中荷载最大值P_max取30％的试件破坏强度，荷载最小值P_min取10％的荷载最大值P_max，即荷载循环特征值P₀＝P_min/P_max＝0.1；

3.3)加载、卸载循环过程全程通过应变采集仪记录试件跨中上表面的压应变和下表面的拉应变的变化，同时通过位移传感器记录试验试件跨中挠度变化。

一种利用上述装置的路面材料拉伸、压缩、弯拉动态回弹模量同步测试方法，包括如下步骤：

S1制成试件后，将试件放入MTS多功能材料测试系统上，并将试件的两端分别置于一可移动支座上；

S2利用MTS多功能材料测试系统动态施加集中载荷P，施加的荷载波形为半正矢波，则作用于试件上表面三分点处加载头上的对称集中载荷为P/2，则试件处于四点弯曲状态，而试件中部处于纯弯曲状态；

S3在试件中点的上下表面分别贴上应变片，通过应变采集仪采集试件上表面的压应变和下表面的拉应变；同时在试件中点架设位移传感器，测量试件的跨中挠度；

S4处理终端根据位移传感器测得的跨中挠度及应变片测得的试件中点的上、下表面应变数据，按照下式计算出试件的试件拉伸模量E_t、压缩模量E_c以及弯拉模量E_f；

其中，P为步骤S2施加的集中荷载，L、b、h分别为试件的长、宽、高；ε_t为步骤S3应变片测得的试件下表面的拉应变；ε_c为步骤S3中应变片测得的试件上表面的压应变；δ′为步骤S3中位移传感器测得的跨中挠度，μ表示泊松比。

需要说明的是，步骤S1中，将试件安放在MTS多功能材料测试系统上时保证荷载方向与试件成型时的压力方向一致，且试件两端分别放在可移动支座上进行简支支撑；在试件的承受荷载处和可移动支座上端均涂以适量的凡士林。

需要说明的是，步骤S3的具体包括：

3.1)由MTS多功能材料测试系统通过位移控制方式先以拟施加的最大载荷的一半进行两次加载卸载预压试验，使MTS多功能材料测试系统的加载顶板与试件表面紧密接触；

3.2)分别进行不同加载频率下的200次加载、卸载循环，其中荷载最大值P_max取30％的试件破坏强度，荷载最小值P_min取10％的荷载最大值P_max，即荷载循环特征值P₀＝P_min/P_max＝0.1；

3.3)加载、卸载循环过程全程通过应变采集仪记录试件跨中上表面的压应变和下表面的拉应变的变化，同时通过位移传感器记录试验试件跨中挠度变化；

3.4)取加载、卸载循环过程全程的最后1秒内连续10个荷载波形的最大荷载和最小荷载，以及相应的最大变形和最小变形，将10个荷载差值和变形差值取均值，进行步骤S4的计算。

本实用新型的有益效果在于：

通过本实用新型装置和方法，可以一次性测得处于路面真实应力状态下的半刚性基层材料或沥青混合料试件的静态或动态的弯拉模量、拉伸模量及压缩模量。

附图说明

图1为本实用新型实施例中的测试系统立面图；

图2为本实用新型实施例中的梁试件尺寸示意图。

图3为本实用新型实施例中的贴应变片梁试件的立面图。

图4为本实用新型实施例中的贴应变片梁试件的俯视图。

图5为本实用新型模量计算公式推导的受力简化图。

具体实施方式

以下将结合附图对本实用新型作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围并不限于本实施例。

如图1所示，一种路面材料拉伸、压缩、弯拉回弹模量同步测试装置，包括试件1，另外还包括：

MTS多功能材料测试系统3：用于对试件1进行四点弯曲加载；

可移动支座7：用于加载时放置所述试件的两端；

应变采集系统：包括至少四个应变片2，其中两个应变片用于贴于试件1上表面中点并采集试件上表面的压应变，另两个应变片用于贴于试件1下表面中点并采集试件下表面的拉应变；

位移传感器8：架设于试件1中部，用于测试试件的跨中挠度；

应变采集仪5：电气连接于所有的应变片；

处理终端6：电气连接于所述位移传感器8和应变采集仪5。

利用上述装置进行路面材料拉伸、压缩、弯拉静态回弹模量同步测试方法包括如下步骤：

S1制成试件后，将试件放入MTS多功能材料测试系统上，并将试件的两端分别置于一可移动支座上；

S2利用MTS多功能材料测试系统3施加集中载荷P，则作用于试件上表面三分点处加载头上的对称集中载荷为P/2，试件形成四点弯曲结构，使试件中部处于纯弯曲状态；

S3在试件中点的上下表面的中点分别贴上应变片，通过应变采集仪采集试件上表面的压应变和下表面的拉应变；同时在试件中点架设位移传感器，测量试件的跨中挠度；

S4处理终端根据位移传感器测得的跨中挠度及应变片测得的试件中点的上、下表面应变数据，按照下式计算出试件的试件拉伸模量E_t、压缩模量E_c以及弯拉模量E_f；

其中，P为施加的集中荷载，L、b、h分别为试件的长、宽、高；ε_t为步骤S3应变片测得的试件下表面的拉应变；ε_c为步骤S3中应变片测得的试件上表面的压应变；δ′为步骤S3中位移传感器测得的跨中挠度，μ表示泊松比。

需要说明的是，步骤S1中，将试件安放在MTS多功能材料测试系统上时保证荷载方向与试件成型时的压力方向一致，且试件两端分别放在可移动支座上进行简支支撑；在试件的承受荷载处和可移动支座上端均涂以适量的凡士林。

需要说明的是，步骤S3的具体包括：

3.1)由MTS多功能材料测试系统通过位移控制方式先以拟施加的最大载荷的一半进行两次加载卸载预压试验，使MTS多功能材料测试系统的加载顶板与试件表面紧密接触；

3.2)分别进行不同加载频率下的200次加载、卸载循环，其中荷载最大值P_max取30％的试件破坏强度，荷载最小值P_min取10％的荷载最大值P_max，即荷载循环特征值P₀＝P_min/P_max＝0.1；

3.3)加载、卸载循环过程全程通过应变采集仪记录试件跨中上表面的压应变和下表面的拉应变的变化，同时通过位移传感器记录试验试件跨中挠度变化。

另外，还可以利用上述装置进行路面材料拉伸、压缩、弯拉动态回弹模量同步测试，方法与上述路面材料拉伸、压缩、弯拉静态回弹模量同步测试方法基本相同，主要区别在于步骤S2中，利用MTS多功能材料测试系统3施加动态集中载荷P，则作用于试件上表面三分点处加载头上的对称集中动态载荷为P/2，形成四点弯曲结构，使试件中部处于纯弯曲状态时，采用动态加载的方式。以及步骤S3中，在通过应变采集仪记录试件跨中上表面的压应变和下表面的拉应变的变化，同时通过位移传感器记录试验试件跨中挠度变化之后，取加载、卸载循环过程全程的最后1秒内连续10个荷载波形的最大荷载和最小荷载，以及相应的最大变形和最小变形，将10个荷载差值和变形差值取均值，进行步骤S4的计算。

以下对试件弯拉模量E_f、压缩模量E_c以及拉伸模量E_t的计算式的推导过程作进一步地说明。计算示意图如图5所示。

在基于试件的拉、压模量相同情况下，可求得弯拉模量。由材料力学可知：试件跨中横截面惯性矩I_z，弯矩M和正应力σ及横截面底部最大拉应变ε_max分别为：

式(3)中y为试件横截面高度方向上计算点至试件中性面的距离。式(4)中δ为跨中挠度。联立式(1)、(2)、(3)及(4)可得不考虑剪切效应影响的弯拉模量E为：

由于位移传感器测得的跨中挠度δ受到试件两端剪切段剪切变形的影响，故计算弯拉模量E_f时应代入真实的弯曲挠度δ，即：

δ＝δ′-Δδ(6)

其中Δδ为试件两端剪切段剪切变形对扰度的影响量，由材料力学：

而由剪切变形γ定义可得：

式(8)中为Q剪应力，G为剪切模量。由(7)(8)可得Δδ：

联立式(5)(6)(9)，得试件弯拉模量E_f最终表达式为：

基于试件拉、压模量不同情况下，则可得材料的拉伸模量和压缩模量。设纯弯曲段试件横截面的压缩区高度为h₁，拉伸区高度为h₂，则

h₁+h₂＝h (11)

且假定材料的模量为双线性，即在压缩区和拉伸区材料为线弹性，则横截面压应力σ_c(y)及拉应力σ_t(y)满足：

由截面力平衡方程及弯矩平衡方程：

可求得，横截面上压应力σ_c(y)及拉应力σ_t(y)分别为：

然后由应变片测得的梁跨中横截面顶部压应变ε_c与底部拉应变ε_t，且由应变的连续性可得：

则由式(11)和(18)可得：

最后由式(2)、(16)、(17)、(19)及(20)则可得到半刚性基层材料或沥青混合料试件的拉伸、压缩弹性模量E_t、E_c分别为：

实施例一

现以水泥稳定碎石混合料中梁试件为例对本实用新型作进一步的说明。

1)严格按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》T0844-2009方法制备尺寸为100mm×100mm×400mm的中梁试件1，如图2所示。按照T0845-2009标准养生方法进行养生90天。

2)将试件贴应变片2处及简支处用水泥砂浆进行封面补缝，用强力胶将应变片2粘上梁试件1跨中的上、下表面，注意导线的粘贴，间隔距离尽量大些，以免测试时试件变形导致电路短路，然后将导线与电线4电焊连接，如图3和图4所示。

4)将试件安放在MTS材料试验机上，保证荷载方向与试件成型时的压力方向一致，两端放在可移动支座7上进行简支支撑，利用MTS多功能材料测试系统3施加集中载荷P，则作用于试件上表面三分点处加载头上的对称集中载荷为P/2，形成四点弯曲结构，使梁试件1跨中处于纯弯曲应力状态；在梁试件1的承受荷载处和可移动支座7上端均涂以适量的凡士林，以减小加载顶板与移动支座7对梁试件1造成的横向剪切作用，从而最大限度降低试验误差。

5)在梁试件跨中架设位移传感器8，以用来测得梁试件1的跨中挠度变化；由MTS多功能材料测试系统3通过位移控制方式先拟施加的最大载荷的一半进行两次加载卸载预压试验，使加载顶板与试件表面紧密接触。然后分别进行不同加载频率下的200次加载、卸载循环，其中荷载最大值P_max取30％试件破坏强度，荷载最小值P_min取10％荷载最大值P_max，即荷载循环特征值P＝P_min/P_max＝0.1；加载、卸载循环过程全程通过应变采集仪5记录梁试件跨中上、下表面的应变变化，同时通过位移传感器8记录梁试件跨中挠度变化；计算时取最后1秒内连续10个荷载波形的最大荷载和最小荷载，以及相应的最大变形和最小变形，将10个荷载差值和变形差值取均值后带入公式(10)、(21)、(22)，分别用于计算三种动态模量。

经过上述步骤，可以一次性测得处于路面真实应力状态下的水泥稳定碎石中梁的动态拉伸、压缩、弯拉模量。本实施例中，以10Hz加载频率为例，测得的数据如下：

L＝300mm，b＝100mm，h＝100mm，μ＝0.25，δ′＝0.0163mm，P＝0.557KN，ε_c＝7.04(微应变10^-6)，ε_t＝9.77(微应变10^-6)。

代入式(10)、(21)及(22)可得到试件动态弯拉模量E_f及、压缩模量E_c拉伸模量E_t分别为：

对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，作出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形都应该包括在本实用新型权利要求的保护范围之内。