一种考虑局部轴向压力的沥青混合料水平抗剪性能试验装置及方法与流程

本发明涉及公路工程技术领域，尤其是一种考虑局部轴向压力的沥青混合料水平抗剪性能试验装置及方法。

背景技术：

随着我国道路建设的快速发展，沥青路面以其表面平整、噪声小、无接缝、行车舒适、建设快、维修简便等优点而被人们广泛接受，但沥青路面对温度的适应性较差，高温或低温时都容易出现路面病害，且随着早期修筑的沥青路面使用性能的下降，我国逐步进入了养护与修建并重的时代。

目前，我国修筑的沥青路面大多采用半刚性基层，基层较面层刚度大，当夏季温度较高时，沥青混凝土路面在车轮荷载的反复作用下，面层的沥青混合料会因抗剪强度不足，而产生流动变形，进而累积形成车辙。正是由于这一原因，目前的抗剪切性能检测试验大多专注于沥青混合料的竖向抗剪性能的评价，以预防车辙的产生。但车辆在向前行驶的过程中，不仅对沥青路面有竖向的剪切作用，在平行路面方向也有剪切力的作用，特别是在启动、刹车以及上下坡的过程中。沥青路面水平抗剪能力不足，易造成路面混合料的推挤和拥包，进而产生更严重的路面病害，对行车不利，也增加了养护维修费用。

就目前的沥青混合料抗剪性能试验，大多是对碾压面施加荷载进行的竖向抗剪性能检测而忽略了沥青混合料水平抗剪性能的测定，或者说没有明确进行沥青混合料在水平力作用下抗剪性能的评定，且很多试验方法需要昂贵的成套设备，操作复杂，如superpave简单剪切试验、三轴压缩试验、直接剪切试验、旋转剪切试验等；其他方法虽试验设备相对简易，如斜剪试验和同轴剪切试验等，但对沥青混合料试件的形状及尺寸要求特殊，不适用于现场的取芯检测；而单轴贯入试验，试件中应力状态分布复杂，计算困难，且刚性压头的荷载分布与轮胎的非均匀荷载作用相差较大，不利于实际应用。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种考虑局部轴向压力的沥青混合料水平抗剪性能试验装置及方法，能够有效模拟轮载作用下路面结构中沥青混合料的受力形式，通过改变局部轴向压力的大小来研究不同压力作用下对沥青混合料抗剪性能的影响。

为解决上述技术问题，本发明提供一种考虑局部轴向压力的沥青混合料水平抗剪性能试验装置，包括：沥青混合料圆柱体试件1、圆形钢垫块2、钢套筒3、半圆环形压头4、凹形底座5、螺栓6和剪式千斤顶7；沥青混合料圆柱体试件1直径与钢套筒3的内径一致，且沿轴线方向水平置于两钢套筒3中央；两个钢套筒3用螺栓6固定于凹形底座5之上；左右两圆形钢垫块2中心与试件中心对齐，沥青混合料圆柱体试件1、圆形钢垫块2、钢套筒3同轴；剪式千斤顶7用螺栓固定于凹形底座5之上，通过圆形钢垫块2对沥青混合料圆柱体试件1施加局部轴向压力；半圆环形压头4放于沥青混合料圆柱体试件1中间，与左右等距，半圆环形压头4内半径与沥青混合料圆柱体试件1半径一致，万能材料试验机的荷载通过半圆环形压头4均匀传递，施加到沥青混合料圆柱体试件1上。

优选的，沥青混合料圆柱体试件1的尺寸为：直径100mm，高100～160mm。

优选的，圆形钢垫块2直径为40～60mm；钢套筒3内径100mm，宽30～50mm；半圆环形压头4内半径50mm，宽30～50mm。

优选的，轴向局部压力大小为0.7mpa。

相应的，一种考虑局部轴向压力的沥青混合料水平抗剪性能试验方法，包括如下步骤：

(1)根据所要检测的沥青混合料的级配组成与油石比，旋转压实成型φ150mm×100～160mm沥青混合料试件，并通过切割得到固定尺寸的沥青混合料圆柱体试件1，平行试验试件个数不少于3个；

(2)将试验装置，即两块圆形钢垫块2、两个钢套筒3、一个半圆环形压头4，与试件一起放入目标温度的环境箱内保温不低于5小时，且不超过12小时；

(3)取出试件、圆形钢垫块、钢套筒和压头；在钢套筒3内壁涂抹隔离剂，将圆柱体试件装入钢套筒3中，使两钢套筒3位于试件两侧，并用螺栓6将其固定在放置于试验台上的凹形底座5上；试件两侧各放一个圆形钢垫块2，钢垫块2中心对准试件中间位置，用固定于凹形底座5上的剪式千斤顶7对钢垫块施加轴向力至目标值，圆形钢垫块2处的压力传感器实时显示压力大小；然后将半圆环形压头4对准试件的中间放置；启动万能材料试验机，在规定的试验温度下以一定速率通过半圆环形压头4对试件施加荷载；

(4)在加载过程中，数据采集系统自动测定并绘制记录荷载-变形曲线，根据荷载-变形曲线所读取的峰值荷载q，用公式计算得到沥青混合料的抗剪强度τ，r为沥青混合料圆柱体试件半径。

优选的，步骤(1)中，沥青混合料圆柱体试件1的尺寸为：直径100mm，高100～160mm。

优选的，步骤(2)的圆形钢垫块2直径为40～60mm；钢套筒3内径100mm，宽30mm，宽30～50mm；半圆环形压头4内半径50mm，宽30～50mm。

优选的，步骤(3)的轴向局部压力大小为0.7mpa。

本发明的有益效果为：本发明开发了一种评价沥青混合料水平抗剪性能的新方法，通过对圆柱形沥青混合料试件施加局部轴向压力，不仅有效的模拟了轮载作用下路面结构中沥青混合料的受力形式，还可以通过改变局部轴向压力的大小来研究不同压力作用下对沥青混合料抗剪性能的影响；且本发明采用平行于碾压面的加载形式，能更加明确的评价沥青混合料的水平抗剪性能，得到抗剪强度τ。此外，本试验方法更加简便，操作容易，成本低，适用性更强，利于推广使用。

附图说明

图1为本发明的实验装置结构示意图。

图2为本发明的考虑局部轴向压力的沥青混合料水平抗剪性能试验装置剖面示意图。

图3为本发明的方法流程示意图。

具体实施方式

如图1和2所示，一种考虑局部轴向压力的沥青混合料水平抗剪性能试验装置，包括：沥青混合料圆柱体试件1、圆形钢垫块2、钢套筒3、半圆环形压头4、凹形底座5、螺栓6和剪式千斤顶7；沥青混合料圆柱体试件1直径与钢套筒3的内径一致，且沿轴线方向水平置于两钢套筒3中央；两个钢套筒3用螺栓6固定于凹形底座5之上；左右两圆形钢垫块2中心与试件中心对齐，沥青混合料圆柱体试件1、圆形钢垫块2、钢套筒3同轴；剪式千斤顶7用螺栓固定于凹形底座5之上，通过圆形钢垫块2对沥青混合料圆柱体试件1施加局部轴向压力；半圆环形压头4放于沥青混合料圆柱体试件1中间，与左右等距，半圆环形压头4内半径与沥青混合料圆柱体试件1半径一致，万能材料试验机的荷载通过半圆环形压头4均匀传递，施加到沥青混合料圆柱体试件1上。

如图3所示，相应的，一种考虑局部轴向压力的沥青混合料水平抗剪性能试验方法，包括如下步骤：

(1)使用沥青混合料旋转压实仪成型沥青混合料试件，通过切割得到固定尺寸的沥青混合料圆柱体试件；

(2)将两块圆形钢垫块，两个钢套筒，一个半圆环形压头，与试件一起放入目标温度的环境箱内保温不低于5小时，且不超过12小时；

(3)在采用万能材料试验机准备加载前，先将压头、钢垫块、钢套筒、试件和剪式千斤顶按相对位置准确组装，放置在环境保温箱中，温度控制在目标值±0.5℃；

(4)启动万能材料试验机进行加载，在加载过程中，数据采集系统自动测定并绘制记录荷载-变形曲线，通过对所读取荷载峰值计算得到沥青混合料的抗剪强度。

步骤(1)中的沥青混合料圆柱体试件1的尺寸为：直径100mm，高100～160mm。

步骤(2)中的圆形钢垫块2直径为40～60mm；钢套筒3内径100mm，宽30～50mm；半圆环形压头4内半径50mm，宽30～50mm。

沥青混合料试件的直径保持100mm不变，考虑到制作和钻芯取样的方便性，试件的高度不用设固定值，初步选取了100～160mm；对于钢垫块的直径，为了便于局部加载，初步选取了40～60mm，钢垫块厚度则没有固定要求，10～20mm最好；钢套筒和半圆环形压头的内径则必须与沥青混合料试件的直径保持一致，所以仍采用100mm，钢套筒外径也没有固定要求，可采用105～110mm；最后是钢套筒和半圆环形压头的宽度，这个宽度也没有具体尺寸，只要保证混合料试件处于受剪状态，相对于试件不过窄或过宽即可，所以初步选取了30～50mm。

具体过程：

1.沥青混合料试件的制备

根据需要评价的沥青混合料的级配和油石比，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》jtge20-2011中的t0736-2011(sgc法)旋转压实成型沥青混合料试件，试件的孔隙率为4％，把成型后的旋转压实试件切割成直径为100mm，高为100mm的圆柱形试件。对圆柱体试件顶面和底面是否水平进行检测，用游标卡尺在十字对称的4个方向量测圆柱体试件的高度，如两侧高度差大于2mm时，此试件作废，平行试验要求试件个数不少于3个。

2.试件的保温

两块圆形钢垫块，两个钢套筒，一个半圆环形加载压头，与切割得到的试件一起放入60℃的环境箱内保温不低于5小时，且不超过12小时，注意试件之间不能靠的太近，更不可叠加放置。

3、抗剪强度测试

取出试件、圆形钢垫块、钢套筒和压头。在钢套筒内壁涂抹隔离剂(防止沥青混合料与内壁粘连)，将沥青混合料圆柱体试件装入钢套筒中，使两钢套筒位于试件两侧，并用螺栓将其固定在放置于试验台上的凹形底座上；试件两侧各放一个圆形钢垫块，钢垫块中心对准试件中间位置，用剪式千斤顶对钢垫块施加0.7mpa的轴向力来压紧试件；然后将半圆环形压头对准试件的中间放置(为避免半圆环形压头与钢套筒的摩擦，可在钢套筒和压头侧壁上涂抹润滑剂，或者安装时在两者间留出1～2mm间隙)，安装完成后，调节万能材料试验机环境箱使温度控制在60±0.5℃；最后，启动万能材料试验机，在60℃的试验温度下以1mm/min速率通过压头对试件施加荷载，数据采集系统自动测定并绘制记录荷载-变形曲线。

4.抗剪强度的计算

根据数据采集系统自动测定并绘制记录荷载-变形曲线，得到峰值荷载q，按公式(1)计算沥青混合料的抗剪强度τ。

其中：τ-抗剪强度；q-峰值荷载；r-试件半径。

综上，本发明公开了一种考虑局部轴向压力的沥青混合料水平抗剪性能试验装置及方法，有效的模拟了沥青路面中混合料在车轮荷载作用下的局部受压形式，且以平行于碾压面的加载方式进行沥青混合料的水平抗剪性能的检测，受力形式更加明确，更能直观的评价沥青混合料在水平力作用下的抗剪性能，并且试验设备简单，操作简易，成本低，便于推广使用。

尽管本发明就优选实施方式进行了示意和描述，但本领域的技术人员应当理解，只要不超出本发明的权利要求所限定的范围，可以对本发明进行各种变化和修改。