一种半刚性基层沥青路面反射裂缝扩展模拟装置的制作方法

本发明属于公路工程半刚性基层沥青路面抗反射裂缝研究技术领域，具体涉及一种半刚性基层沥青路面反射裂缝扩展模拟装置。

背景技术：

鉴于我国的交通运输行业的具体情况以及强基薄面的设计理念，以半刚性基层为主的沥青路面是我国高速公路以及国省干线公路和其它市政道路的主要形式，然而这种形式的路面存在一个不可避免的弊病，就是反射裂缝。早期的反射裂缝如果不进行及时的处理，当裂缝贯穿于面层后，路表水的渗入，在行车荷载的作用下形成高压水，行车荷载重复作用导致了冲刷和唧泥，使裂缝宽度和深度严重，不但影响了行车舒适性，更加速了路面的破坏。

目前，学术界对于半刚性基层沥青路面反射裂缝的成因已经达成了共识，认为主要是由于载荷和温度应力造成的。传统的材料强度理论认为：反射裂缝的出现是由于沥青混合料损伤超过了路面结构所承受的阈值，但从实际的情况来看，并非如此。发生反射裂缝的沥青路面并不是完全丧失了路面使用功能，只是局部发生病害，任由病害发展不做养护处理才会扩展和加重。而断裂力学理论认为反射裂缝的形成主要是因为半刚性基层裂缝或者拼接拓宽路面接缝的存在。这种原始缺陷的存在是导致产生反射裂缝的根本原因。现在普遍认为，反射裂缝是由温度应力诱发，并参与了其初期的发展，然后在载荷应力日积累月下，裂缝逐渐扩展，从量变达到质变，直至沿着路面结构层由下而上的扩展到面层。

评价沥青混合料的抗反射裂缝的室内试验目前有：直接拉伸试验、间接拉伸试验、弯曲拉伸疲劳试验、剪切疲劳试验以及冲击韧性试验等等，这些实验方法作为同类材料之间的横向对比尚可，但是具体用来指导半刚性基层沥青路面的设计和主要的抗反射裂缝的评价手段却需要商榷。因为这些实验方法主要是基于现象学法，没有从反射裂缝的产生和扩展的机理入手，缺乏路面结构和其他因素的变化对路面反射裂缝的影响。

综上，可以看出目前对沥青路面抵抗反射裂缝的能力评价和试验评价手段并不能够对半刚性基层沥青路面的实际反射裂缝的发生和扩展进行很好的模拟。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，使得室内试验更能真实贴近的去评价工程的实际问题，本实用新型的目的在于提供一种半刚性基层沥青路面反射裂缝扩展模拟装置和模拟方法，用于有效模拟车辆荷载和温度应力通过半刚性基层路面原始缺陷附近力的状态，有效模拟裂缝贯穿模型所需要的模拟次数和所模拟材料力学性能的衰减程度，通过这两个评价指标评价不同材料的抗裂能力，以及不同路面结构类型的防裂效果。

本实用新型的上述目的是通过下面的技术方案得以实现的：

一种半刚性基层沥青路面反射裂缝扩展模拟装置，其特征在于：包括环境箱、反射裂缝模拟平台、反射裂缝测试系统和采集控制系统，环境箱底部设有基座；所述反射裂缝测试系统包括水平方向张开型反射裂缝测试模块和垂直方向剪切型反射裂缝测试模块；

反射裂缝模拟平台：包括相互隔开且平行设置的三块平台板，中间为固定在基座上的固定板，右侧为滑动连接在基座上可水平滑动的移动板，左侧为弹性连接在基座上可垂直运动的升降板，固定板右侧设有用于探测移动板位移的第一位移传感器；

水平方向张开型反射裂缝测试模块：设于反射裂缝模拟平台移动板的右侧，包括水平方向动力装置、连接在水平方向动力装置和移动板之间的连接横梁和连接在水平方向动力装置和移动板之间的水平方向荷载传感器；水平方向动力装置带动移动板左右往复运动；

垂直方向剪切型反射裂缝测试模块：包括加载单元、调节单元、动力单元和支撑单元；所述支撑单元固定在基座上并设有水平轴，水平轴设于反射裂缝模拟平台上方；所述加载单元滑动设于水平轴上，包括加载头、给加载头负重的重力荷载装置和探测加载单元位移的第二位移传感器，加载头与重力荷载装置之间设有垂直方向荷载传感器；所述调节单元为设于重力荷载装置下方的可升降调节装置，并与加载单元固定连接；所述动力单元与加载单元固定连接，带动加载单元左右往复运动；

其中，第一位移传感器、水平方向动力装置、水平方向荷载传感器、垂直方向剪切型反射裂缝测试模块的动力单元、垂直方向荷载传感器及第二位移传感器与采集控制系统连接。

环境箱内可以设置控制温度和湿度的装置，模拟特定温度和湿度的工况。

进一步地，所述水平方向动力装置包括液压执行机和为其提供动力的伺服液压油站，液压执行机通过连接横梁和水平方向荷载传感器与反射裂缝模拟平台的移动板连接。

进一步地，所述水平方向荷载传感器为螺纹管载荷传感器。

进一步地，所述加载单元还包括支架平台，支架平台滑动连接于水平轴上；重力荷载装置通过两根导柱穿过支架平台，导柱另一端固定在垂直方向荷载传感器上方的横杆上，垂直方向荷载传感器一端和横杆连接，另一端和加载头连接；可升降调节装置固定在支架平台上。

进一步地，所述支架平台下方固定连接三个滑块，三个滑块分别滑动连接在水平轴上，且中间滑块的两侧设有限位弹簧，限位弹簧的另一端固定在水平轴上。

进一步地，所述动力单元包括电机和连杆机构，电机通过连杆机构与加载单元固定连接。

进一步地，所述重力荷载装置由多个数量可调的重块组成。

进一步地，所述垂直方向荷载传感器为S型载荷传感器。

进一步地，所述固定板、移动板和升降板分别由上板和下板固定形成；固定板通过下板固定在基座上，移动板通过下板滑动连接在基座上并与连接横梁、水平方向荷载传感器连接，升降板通过设于下板下方的弹簧弹性固定在基座上。

一种采用上述模拟装置模拟半刚性基层沥青路面反射裂缝扩展的方法，包括水平方向张开型反射裂缝扩展模拟方法和垂直方向剪切型反射裂缝模拟方法，其特征在于，水平方向张开型反射裂缝扩展模拟方法包括：S1，按照反射裂缝模拟平台的固定板和移动板的尺寸制作待测沥青路面试件；S2，将待测试件固定在反射裂缝模拟平台的固定板和移动板上；S3，设定水平方向加载参数，启动水平方向动力装置至模拟过程结束；垂直方向剪切型反射裂缝模拟方法包括：S1，按照反射裂缝模拟平台的固定板和升降板的尺寸制作待测沥青路面试件； S2，将待测试件固定在反射裂缝模拟平台的固定板和升降板上；S3，设定垂直方向加载参数，启动动力单元至模拟过程结束；模拟水平方向张开型反射裂缝前通过调节单元将加载单元升起，模拟垂直方向剪切型反射裂缝时通过调节单元将加载单元降下。

水平方向的张开型反射裂缝的模拟装置的工作原理为：首先在原动机1驱动下，伺服液压油站2产生压力，在液压执行机3的作用下将力传递给连接横梁4，连接横梁4固定焊接在移动板6的下板上，螺纹管载荷传感器6连接在液压执行机3和移动板6下板之间，能够随时感应水平拉应力的大小。固定板7和移动板6之间存在间隙，第一位移传感器8安装在固定板7的右端，当移动板6在力的作用下在水平方向做往复运动时，第一位移传感器8能够感知移动板6的位移，传感器将数据传输进计算机。其中伺服液压油站2和液压执行机3 由计算机控制，通过计算机选择恒定应变控制，使得每次移动板6从起点移动到固定的位移，然后再回到起点为一个周期，周而复始加载循环过程。移动板6和固定板7组成的模拟平台用来支撑待测试件14，移动板6和固定板7分别有两层，通过螺栓10连接，上下板之间的中心处有定位孔12和定位销13，待测试件14和模拟平台之间通过环氧类的胶粘剂15粘接，保证了待测试件14和固定板7与移动板6之间没有相对滑动。移动板6的下板连接的四个滚轮在基座滑轨上的滑动摩擦力很小，忽略不计。

垂直方向的剪切型反射裂缝的模拟装置的工作原理为：原动机16驱动滑块连杆机构17，带动支架平台18在水平方向上可以做往复运动，在水平轴19两端分布有第一滑块20和第二滑块21，第一滑块20和第二滑块21分别通过第一滑块螺栓22和第二滑块螺栓23将支架平台18和水平轴19滑动连接在一起并可在水平轴19上往复运动，在水平轴19上分布有两段限位弹簧24，与中间滑块25相连接，中间滑块25通过中间滑块螺栓26与支架平台18相连接，在水平往复的运动中，限位弹簧24可使得中间滑块25在待测试件43上行走，不至于掉落，垂直方向上的压力加载通过重力荷载装置28来实现，在重力荷载装置28的右侧边缘设置有卡槽29来放置第二位移传感器30，并通过卡销31来固定，第二位移传感器30的传感器探头32与支架平台18接触，用来读取竖向位移。S型载荷传感器33通过横杆27与导柱 36相连接，支架平台18上用千斤顶螺栓37固定有液压千斤顶38，通过旋转螺杆39，液压千斤顶38可以顶到重力荷载装置28。水平轴19的两端由支柱支撑，支柱焊接在基座上。垂直方向的剪切型反射裂缝的模拟装置的待测试件43的置于固定板7和升降板9组成的平台上，其中升降板也是上板和下板组成，下板经由高强弹簧11固定在基座上。固定板7和升降板9之间存在间隙。待测试件43通过环氧类胶粘剂15与平台粘结，待测试验43从固定板7 的右端运动到升降板的左端再回到固定板7的右端为一个加载周期。

本实用新型对现有技术的贡献：

1、本实用新型装置不仅可以从水平方向模拟张开型反射裂缝，还能从垂直方向上模拟剪切型反射裂缝，能够对半刚性基层沥青路面的实际反射裂缝的发生和扩展进行真实贴近的模拟，对路面结构设计中抗裂材料及结构的选择提供了参考依据；

2、本实用新型装置可以对裂缝扩展进行模拟，能对待测试件的抗裂性能进行评价；

3、本实用新型装置的适应范围较广，模拟平台上的待测试件既可以是某一种材料、单一的某一层位的混合料，也可以是组合结构的试件；

4、本实用新型装置的模拟平台采用共用一个固定板，通过将其与移动板或升降板组合将模拟水平方向张开型反射裂缝的装置和模拟垂直方向剪切型反射裂缝的装置有机结合起来。

附图说明

图1为本实用新型模拟装置主视图，上方为垂直方向剪切型反射裂缝测试模块，下方为反射裂缝模拟平台和水平方向张开型反射裂缝测试模块；

图2为本实用新型模拟装置俯视图，其中省去垂直方向剪切型反射裂缝测试模块，仅包括反射裂缝模拟平台和水平方向张开型反射裂缝测试模块；

图3为固定板、移动板和升降板表面结构示意图；

图4为模拟水平方向张开型反射裂缝时待测试件位移随时间变化曲线；

图5为模拟水平方向张开型反射裂缝时待测试件上荷载随时间变化曲线；

图6为模拟垂直方向剪切型反射裂缝时待测试件位移随时间变化曲线；

图7为模拟垂直方向剪切型反射裂缝时待测试件上荷载随时间变化曲线；

其中，1、原动机；2、伺服液压油站；3、液压执行机；4、连接横梁；5、螺纹管载荷传感器；6、移动板；7、固定板；8、第一位移传感器；9、升降板；10、螺栓；11、高强弹簧； 12、定位孔；13、定位销；14、待测试件；15、胶黏剂；16、原动机；17、连杆机构；18、支架平台；19、水平轴；20、第一滑块；21、第二滑块；22、第一滑块螺栓；23、第二滑块螺栓；24、限位弹簧；25、中间滑块；26、中间滑块螺栓；27、横杆；28、重力荷载装置； 29、卡槽；30、第二位移传感器；31、卡销；32、传感器探头；33、S型载荷传感器；34、加载头；35、横杆螺栓；36、导柱；37、千斤顶螺栓；38、液压千斤顶；39、旋转螺杆；40、采集控制系统；41、环境箱；42、基座；43、待测试件。

具体实施方式

下面结合实施例具体介绍本实用新型的实质性内容，但并不以此限定本实用新型的保护范围。实验中未详述的试验操作均为本领域技术人员所熟知的常规试验操作。

如图1和2所示的一种半刚性基层沥青路面反射裂缝扩展模拟装置，包括环境箱41、反射裂缝模拟平台、反射裂缝测试系统和采集控制系统40，环境箱41底部设有基座42。反射裂缝测试系统包括水平方向张开型反射裂缝测试模块和垂直方向剪切型反射裂缝测试模块。水平方向张开型反射裂缝测试模块用于模拟张开型反射裂缝，垂直方向剪切型反射裂缝测试模块用于模拟剪切型反射裂缝，且二者互不影响。

反射裂缝模拟平台包括相互隔开且平行设置的三块平台板，中间为固定在基座42上的固定板7，右侧为滑动连接在基座42上可水平滑动的移动板6，左侧为弹性连接在基座42上可垂直运动的升降板9，固定板7右侧设有用于探测移动板6位移的第一位移传感器8。固定板 7、移动板6和升降板9分别由上板和下板固定形成；固定板7通过下板固定在基座42上，移动板6通过下板滑动连接在基座42，升降板9通过设于下板下方的高强弹簧11弹性固定在基座42上。模拟张开型反射裂缝时，将待测试件固定在固定板7和移动板6组成的平台上，通过移动板6的往复运动模拟水平拉伸力。模拟剪切型反射裂缝时，将待测试件固定在固定板7和升降板9组成的平台上，通过升降板的上下往复运动模拟垂直方向的剪切力。

水平方向张开型反射裂缝测试模块设于反射裂缝模拟平台移动板6的右侧，包括水平方向动力装置(包括液压执行机3和为其提供动力的伺服液压油站2)、连接在液压执行机3 和移动板6之间的连接横梁4和连接在液压执行机3和移动板6之间的水平方向荷载传感器 (即螺纹管载荷传感器5)。液压执行机3带动移动板6左右往复运动。

垂直方向剪切型反射裂缝测试模块包括加载单元、调节单元、动力单元和支撑单元。支撑单元固定在基座42上并设有水平轴19，水平轴19设于反射裂缝模拟平台的上方。加载单元包括支架平台18，支架平台18下方固定连接三个滑块(即第一滑块20、第二滑块21和中间滑块25)，三个滑块分别滑动连接在水平轴19上，且中间滑块25的两侧设有限位弹簧24，限位弹簧24的另一端固定在水平轴19上。加载单元还包括加载头34、给加载头34负重的重力荷载装置28和探测加载单元位移的第二位移传感器30。重力荷载装置28由多个数量可调的重块组成，通过两根导柱36穿过支架平台18，导柱36另一端固定在垂直方向荷载传感器(即S型载荷传感器33)上方的横杆27上，S型载荷传感器33的一端和横杆27连接，另一端和加载头34连接。调节单元为设于重力荷载装置28下方的可升降液压千斤顶38，液压千斤顶38固定在支架平台18上。动力单元包括电机(即原动机16)和连杆机构17，原动机 16通过连杆机构17与支架平台18固定连接，带动加载单元左右往复运动。通过增加或减少重力荷载装置28上的重块，可以变换加载头34对待测试件的加载力。

第一位移传感器8、伺服液压油站2、液压执行机3、控制伺服液压油站2的原动机1、螺纹管载荷传感器5、原动机16、S型载荷传感器33及第二位移传感器30分别与采集控制系统40连接。本实用新型环境箱设有温度控制器和风机，温度控制机和风机与采集控制系统连接，用来调节环境箱内的温度，模拟不同的测试温度。

50的作用是用来控制模拟装置实验的温度，其中通过温度控制器51和风机52来实现，温度控制器和风机由计算机53控制。

工作原理：

水平方向的张开型反射裂缝的模拟装置的工作原理为：首先在原动机1驱动下，伺服液压油站2产生压力，在液压执行机3的作用下将力传递给连接横梁4，连接横梁4固定焊接在移动板6的下板上，螺纹管载荷传感器6连接在液压执行机3和移动板6下板之间，能够随时感应水平拉应力的大小。固定板7和移动板6之间存在间隙，第一位移传感器8安装在固定板7的右端，当移动板6在力的作用下在水平方向做往复运动时，第一位移传感器8能够感知移动板6的位移，传感器将数据传输进计算机。其中伺服液压油站2和液压执行机3 由计算机控制，通过计算机选择恒定应变控制，使得每次移动板6从起点移动到固定的位移，然后再回到起点为一个周期，周而复始加载循环过程。移动板6和固定板7组成的模拟平台用来支撑待测试件14，移动板6和固定板7分别有两层，通过螺栓10连接，上下板之间的中心处有定位孔12和定位销13，待测试件14和模拟平台之间通过环氧类的胶粘剂15粘接，保证了待测试件14和固定板7与移动板6之间没有相对滑动。移动板6的下板连接的四个滚轮在基座滑轨上的滑动摩擦力很小，忽略不计。

垂直方向的剪切型反射裂缝的模拟装置的工作原理为：原动机16驱动滑块连杆机构17，带动支架平台18在水平方向上可以做往复运动，在水平轴19两端分布有第一滑块20和第二滑块21，第一滑块20和第二滑块21分别通过第一滑块螺栓22和第二滑块螺栓23将支架平台18和水平轴19滑动连接在一起并可在水平轴19上往复运动，在水平轴19上分布有两段限位弹簧24，与中间滑块25相连接，中间滑块25通过中间滑块螺栓26与支架平台18相连接，在水平往复的运动中，限位弹簧24可使得中间滑块25在待测试件43上行走，不至于掉落，垂直方向上的压力加载通过重力荷载装置28来实现，在重力荷载装置28的右侧边缘设置有卡槽29来放置第二位移传感器30，并通过卡销31来固定，第二位移传感器30的传感器探头32与支架平台18接触，用来读取竖向位移。S型载荷传感器33通过横杆27与导柱 36相连接，支架平台18上用千斤顶螺栓37固定有液压千斤顶38，通过旋转螺杆39，液压千斤顶38可以顶到重力荷载装置28。水平轴19的两端由支柱支撑，支柱焊接在基座上。垂直方向的剪切型反射裂缝的模拟装置的待测试件43的置于固定板7和升降板9组成的平台上，其中升降板也是上板和下板组成，下板经由高强弹簧11固定在基座上。固定板7和升降板9之间存在间隙。待测试件43通过环氧类胶粘剂15与平台粘结，待测试验43从固定板7 的右端运动到升降板的左端再回到固定板7的右端为一个加载周期。

基于上述装置，本实用新型提供一种模拟方法，不仅可以模拟水平方向张开型反射裂缝，又能模拟垂直方向上剪切型反射裂缝，步骤如下：

S1：首先制备待测试件，如果被测物的尺寸较大，只要按照尺寸进行切割即可；

S2：将待测试件用环氧胶粘剂固定在反射裂缝模拟平台上，待其固化后，设定环境箱的测试温度，选择要测试的反射裂缝的类型，打开相对应的开关和计算器控制器；

S3：当进行模拟水平方向张开型反射裂缝时，不需要开动控制垂直方向上的动力装置，同理，当进行模拟垂直方向反射裂缝时，不需要开水平方向的动力装置，利用计算机控制，通过位移传感器和荷载传感器可以得到位移、力随时间的曲线图，通过设定恒定位移R(水平张开型模拟)或者恒定的应力F(垂直剪切型模拟)，进行试验，可以根据不同的要求，设定程序结束的条件，如加载循环次数N，力的衰减率达到某一设定值或者待测试件裂缝贯穿表面，试件破坏，实验完成结束后，可以将数据导出到保存设备。

最终通过评价其载循环次数N，力的衰减率(水平张开型模拟)以及裂缝扩展指数(垂直剪切型模拟，即为在加载曲线位移和时间轴围成的面积)，载循环次数N越大，力的衰减率越小，裂缝扩展指数越小，说明被测物的抗裂性能越好。

本实用新型中的水平方向的张开型反射裂缝模拟的一个周期为从初始距离到达最大位移然后回到初始位置为一个周期，一个周期所用的时间可进行调节，本装置水平方向上力的位移随时间的曲线关系如图4的形式。

本实用新型反射裂缝模拟水平张开型反射裂缝的实验结束的终止条件为：1、达到设定的加载循环次数(如1000次，2000次，5000次等)；2、力的衰减率达到原来的95％，即力衰减为原来的5％；3、待测试件裂缝贯穿表面发生破坏。本实用新型反射裂缝模拟剪切型型反射裂缝的实验结束的终止条件可选择为：1、达到设定的加载循环次数(如1000次，2000次， 5000次等)；2、待测试件裂缝贯穿表面发生破坏。图5为模拟水平方向张开型反射裂缝时待测试件上荷载随时间变化曲线。

本实用新型中的垂直方向上的剪切型反射裂缝模拟的一个周期为从固定板的右端端到达升降板的左端，再回到固定板的右端，其中在固定端的位移为阶段1，在间隙缝上的位移变化为阶段2，在升降板上的位移变化为阶段3，这三个阶段为半个周期。一个周期所用的时间可进行调节。随着加载次数的增加，竖向位移将逐渐增大。图6为模拟垂直方向剪切型反射裂缝时待测试件位移随时间变化曲线。图7为模拟垂直方向剪切型反射裂缝时待测试件上荷载随时间变化曲线。

本实用新型上述装置和方法可以评价待测试件的抗反射裂缝的能力。

1、对于模拟水平方向的张开型反射裂缝，如果待测试件均没有达到设定的加载循环次数而破坏，则可认为能够抵抗加载循环次数越多的待测试件其抗反射裂缝能力越强。对于待测试件均可以达到设定的加载循环次数的未破坏的，可以通过力的衰减率来评价其抗反射裂缝的性能，衰减率越小，抗反射裂缝的性能越好。

2、对于模拟垂直方向的反射裂缝：如果待测试件均没有达到设定的加载循环次数而破坏，则可认为能够抵抗加载循环次数越多的待测试件其抗反射裂缝能力越强。同时，还可以根据计算机对其位移和时间曲线的模拟，通过积分值抗裂指数来评价抗反射裂缝的能力。

本实用新型装置不仅可以从水平方向模拟张开型反射裂缝，还能从垂直方向上模拟剪切型反射裂缝，能够对半刚性基层沥青路面的实际反射裂缝的发生和扩展进行真实贴近的模拟，对路面结构设计中抗裂材料及结构的选择提供了参考依据；本实用新型装置可以对裂缝扩展进行模拟，能对待测试件的抗裂性能进行评价；本实用新型装置的适应范围较广，模拟平台上的待测试件既可以是某一种材料、单一的某一层位的混合料，也可以是组合结构的试件；本实用新型装置的模拟平台采用共用一个固定板，通过将其与移动板或升降板组合将模拟水平方向张开型反射裂缝的装置和模拟垂直方向剪切型反射裂缝的装置有机结合起来。

上述实施例的作用在于具体介绍本实用新型的实质性内容，但本领域技术人员应当知道，不应将本实用新型的保护范围局限于该具体实施例。