冲击荷载作用下水泥混凝土路面动态响应模拟试验装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种冲击荷载作用下水泥混凝土路面动态响应模拟试验装置，包括冲击荷载试验仪、模拟测试试件、试件约束装置、动态应力量测设备和控制设备，所述冲击荷载试验仪、动态应力量测设备通过集成导线与控制设备相连。本实用新型可模拟在交通荷载作用下，水泥混凝土面板、沥青混凝土功能层和基层之间的应力传递状况和混凝土面板抗冲击疲劳破坏过程，评价沥青混凝土功能层对水泥混凝土路面结构受力的改善效果，为设计水泥路面结构提供实验依据。
【专利说明】
冲击荷载作用下水泥混凝土路面动态响应模拟试验装置
技术领域
[0001] 本实用新型涉及公路水泥混凝土路面设计领域，具体涉及一种冲击荷载作用下水 泥混凝土路面动态响应模拟试验装置。
【背景技术】
[0002] 水泥混凝土路面是我国高等级路面的重要结构形式，具有使用寿命长，养护工作 量小和养护费用低，施工简便等优点。20世纪80年代以来，我国的水泥混凝土路面得到迅猛 发展。据统计，目前，我国公路通车总里程约达500万公里，各类等级水泥路面约占铺装路面 总里程70 %左右。
[0003] 由于受车辆冲击荷载作用、路面结构排水不畅、结构设计不当、施工工艺不符合规 范、材料组成不合理等原因，我国水泥混凝土路面使用状况不佳，使用寿命远远低于设计使 用年限，路面板断裂、脱空、唧泥等病害十分普遍。调查发现，混凝土路面板的断裂损坏大多 与冲击荷载作用下基层的不良支撑状况有关，因路面结构差异，刚性基层与半刚性基层对 水泥混凝土面层受力影响有较大区别。刚性基层水泥混凝土路面的破坏主要是温度翘曲应 力与荷载应力耦合作用的结果，而半刚性基层水泥混凝土路面结构的破坏主要是由脱空引 起的。
[0004] 为了深入挖掘水泥混凝土路面早期病害的原因，探索冲击荷载作用下水泥路面动 态力学响应，分析在水泥混凝土面板和基层顶面之间设置沥青混凝土功能层对路面结构受 力的影响，为功能层及水泥路面结构设计提供重要参考，验证功能层的弹性缓冲和应力吸 收作用，可见，进行在冲击荷载作用下设置功能层的水泥路面动态应力响应分析非常必要， 但目前缺少一种行之有效的动态力学试验装置模拟交通荷载作用下路面结构的受力状况。
[0005] 因此，亟需一种能够监控在冲击荷载作用下水泥路面动态力学响应的试验装置来 评价水泥路面结构及功能层的使用效果，为路面结构设计和功能层材料组成提供有力的试 验依据，进一步优化水泥路面结构设计，降低养护成本，延长其使用寿命，提高路面行车的 舒适性。 【实用新型内容】
[0006] 为解决上述问题，本实用新型提供了一种冲击荷载作用下水泥混凝土路面动态响 应模拟试验装置，可模拟在交通荷载作用下，水泥混凝土面板、沥青混凝土功能层和基层之 间的应力传递状况和混凝土面板抗冲击疲劳破坏过程，评价沥青混凝土功能层对水泥混凝 土路面结构受力的改善效果。
[0007] 为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案为：
[0008] -种冲击荷载作用下水泥混凝土路面动态响应模拟试验装置，包括冲击荷载试验 仪、模拟测试试件、试件约束装置、动态应力量测设备和控制设备，所述冲击荷载试验仪、动 态应力量测设备通过集成导线与控制设备相连，所述冲击荷载试验仪包括设备支架、冲击 导杆、冲击横梁、支撑架、冲击锤系统、支撑架外端盖、支撑架内端盖、轮胎轴及轴承、充气胶 轮、电机、链条、上链轮、上链轮轴、下链轮、下链轮轴、上下链轮轴支架、锲型卡块、三角支架 和导杆下行限位圆盘，所述下链轮轴、上链轮轴分别通过下链轮轴轴承、上链轮轴轴承与上 下链轮轴支架相连，所述电机通过电机紧固螺栓及螺母固定于三角支架上，三角支架焊接 于设备支架上，电机通过联轴器与下链轮轴相连，下链轮轴带动下链轮及链条转动，链条驱 动上链轮及上链轮轴转动，链条通过链条挂钩引导冲击锤上下运动，所述冲击锤系统包括 冲击锤、冲击锤挂钩及顶推弹簧，所述锲型卡块通过紧固螺钉固定于所述冲击导杆上，所述 冲击锤挂钩垂直镶嵌于冲击锤内，当冲击锤挂钩行程至冲击导杆的锲型卡块时，锲型卡块 推动冲击锤挂钩回移，致使冲击锤挂钩脱离链条挂钩，冲击锤沿冲击导杆自由下落，顶推弹 簧推动冲击锤挂钩伸出，冲击锤完成冲击试验后，链条挂钩拉动冲击锤向上运动，循环进行 冲击试验，所述充气胶轮与轮胎轴及轴承相连，轮胎轴及轴承通过轴承顶盖与支撑架相连， 支撑架通过螺纹与冲击横梁相连，轮胎轴及轴承安装于支撑架外端盖和支撑架内端盖之间 安装固定有，冲击横梁通过螺纹与冲击导杆相连，冲击锤沿冲击导杆上下运动，所述模拟测 试试件从上往下依次包括水泥混凝土板、沥青混凝土功能层与基层，所述动态应力量测设 备包括水泥混凝土板底冲击应力传感器、功能层层底冲击应力传感器、基层中部冲击应力 传感器、基层底部冲击和应力传感器，所述控制设备包括控制器本体，控制器本体上设有混 凝土板底冲击荷载应力表、功能层层底冲击荷载应力表、基层中部冲击荷载应力表、基层底 部冲击荷载应力表、冲击次数计数器和启动开关，所述水泥混凝土板底冲击应力传感器布 置在水泥混凝土板内，所述功能层层底冲击应力传感器布置在沥青混凝土功能层内，所述 基层中部冲击应力传感器布置在基层的中部，所述基层底部冲击应力传感器布置在基层的 底部，所述混凝土板底冲击应力传感器、功能层层底冲击应力传感器、基层中部冲击应力传 感器、基层底部冲击应力传感器分别通过集成导线与混凝土板底冲击荷载应力表、功能层 层底冲击荷载应力表、基层中部冲击荷载应力表、基层底部冲击荷载应力表相连，所述试件 约束装置包括侧向约束水泥墩、紧固试件钢板、紧固螺栓及螺母，所述模拟测试试件安装于 侧向约束水泥墩内，并通过紧固试件钢板和螺母紧固。
[0009] 优选地，所述水泥混凝土板由水泥、水、砂、碎石浇筑并养生28天后所得，水泥:水： 砂:碎石质量比为1:0.45:2.26:3.12。
[0010] 优选地，所述沥青混凝土功能层为AC-13型混合料，油石比为4? 7%，集料10~15:5 ~10:0~5:矿粉质量比为28:42:26:4。
[0011] 优选地，所述基层可为刚性基层或半刚性基层，刚性基层由集料10~20、5~10、0 ~5和水泥组成，质量配比为65:20: 5:10组成，成型时水灰比为0.5;半刚性基层由集料10~ 20、5~10、0~5、石灰、粉煤灰组成，质量配比为60:18:5:5:12,成型时掺水量为5%。
[0012] 优选地，所述冲击锤重20kg，上下行程为lm。
[0013] 优选地，所述充气胶轮直径为20cm，宽5cm。
[0014]本实用新型具有以下有益效果：
[0015]采用冲击装置与充气胶轮组合较真实地模拟行车荷载作用，通过设置于混凝土板 底、沥青混凝土功能层层底、基层中的应力传感器探测冲击荷载应力，评价功能层的弹性缓 冲和应力吸收效果，同时，通过动态应力量测及控制设备记录水泥混凝土面板的初裂冲击 次数和终裂破碎冲击次数以评价混凝土板抗冲击破坏能力，从而可以根据实验结果优化水 泥路面结构设计，可较准确地反映沥青混凝土功能层对水泥混凝土路面结构受力的改善效 果，为设计水泥路面结构提供实验依据，提高了所设计水泥路面的使用性能与耐久性。
【附图说明】
[0016] 图1为本实用新型实施例冲击荷载作用下水泥混凝土路面动态响应模拟试验装置 总装配图。
[0017] 图2为本实用新型实施例冲击荷载作用下水泥混凝土路面动态响应模拟试验装置 中的局部结构示意图。
[0018] 图3为本实用新型实施例中冲击锤、导杆及锲型卡块的连接结构示意图。
[0019] 图4为图3的俯视图。
[0020] 图5为本实用新型实施例中模拟测试试件与动态应力量测设备的连接结构示意 图。
[0021] 图中，1-导杆下行限位圆盘；2-导杆紧固套筒；3-紧固螺钉;4-设备支架；5-冲击 锤;6-冲击导杆;7-冲击横梁;8-支撑架;9-支撑架外端盖；10-侧向约束水泥墩；11-紧固试 件钢板；12-紧固螺栓及螺母；13-支撑架内端盖；14-轮胎轴及轴承；15-轴承顶盖；16-充气 胶轮；17-下链轮；18-链条挂钩；19-紧固螺钉;20-链条;21-上链轮;22-下链轮轴;23-下链 轮轴轴承;24-三角支架;25-电机紧固螺栓及螺母;26-电机;27-联轴器;28-上下链轮轴支 架;29-上链轮轴;30-上链轮轴轴承;31-集成导线；32-控制柜门；33-混凝土板底冲击荷载 应力表;34-功能层层底冲击荷载应力表;35-冲击次数计数器;36-基层中部冲击荷载应力 表;37-启动开关;38-基层底部冲击荷载应力表;39-冲击锤挂钩;40-顶推弹簧;41-锲型卡 块;42-紧固螺钉;43-混凝土层;44-功能层;45-基层;46-混凝土板底冲击应力传感器;47-功能层层底冲击应力传感器;48-基层中部冲击应力传感器;49-基层底部冲击应力传感器。
【具体实施方式】
[0022] 为了使本实用新型的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本实用新型进 行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用 于限定本实用新型。
[0023]如图1~图5所示，本实用新型实施例提供了一种冲击荷载作用下水泥混凝土路面 动态响应模拟试验装置，实施步骤如下：
[0024] 1设备制作与安装
[0025]焊接设备支架4和三角支架24,安装电机26、紧固电机紧固螺栓及螺母25,焊接上 下链轮轴支架28，安装联轴器27、上链轮轴29、上链轮轴轴承30、21-上链轮21、下链轮轴22、 下链轮轴轴承23、下链轮17、调试链条挂钩18、紧固螺钉19、链条20，安装轮胎轴及轴承14、 充气胶轮16、支撑架8、轴承顶盖15、支撑架外端盖9、支撑架内端盖13、冲击横梁7、冲击导杆 6、冲击锤5、导杆紧固套筒2、紧固螺钉3、导杆下行限位圆盘1，调试冲击锤挂钩39、顶推弹簧 40，紧固锲型卡块41和紧固螺钉42。
[0026] 2试件约束装置制备
[0027] 在设备支架4左右两侧成型侧向约束水泥墩10,尺寸为长60cm、高40cm、厚15cm，在 侧端中部预埋紧固螺栓12。
[0028] 3试件成型及应力传感器埋设
[0029] 按照所述要求成型模拟测试试件，包括水泥混凝土板43、沥青混凝土功能层44与 基层45、植入水泥混凝土板底冲击应力传感器46、功能层层底冲击应力传感器47、基层中部 冲击应力传感器48、基层底部冲击应力传感器49。
[0030] 水泥混凝土板43采用振动台振实成型，在室内温度20±2°C、湿度大于95%的条件 下养生28天;沥青混凝土功能层44采用热拌沥青混合料，夯实后经人工轮碾成型，并冷却至 室温后不少于24h拆模;刚性基层45采用振动台振实成型，并人工碾压数遍，室内温度20±2 °C、湿度大于95 %的条件下养生28天；半刚性基层45试件采用振动法成型，养生龄期取28 天，在基层成型过程中，中部植入压力传感器。
[0031] 在模拟试件成型过程中，将压力传感器粘结于混凝土板底、功能层层底和基层底 部，然后在功能层表面和基层表面分别均匀撒布〇. 40L乳化沥青，待乳化沥青破乳后将水泥 混凝土板、沥青混凝土功能层和基层按照从上到下的顺序布置，使得水泥混凝土板、沥青混 凝土功能层和基层成为一个整体。
[0032] 4试件安装
[0033]将试件置于侧向约束水泥墩10内，安装紧固试件钢板11和紧固螺栓及螺母12,连 接集成导线31与混凝土板底冲击荷载应力表33、功能层层底冲击荷载应力表34、基层中部 冲击荷载应力表36、基层底部冲击荷载应力表38。
[0034] 5冲击试验与数据采集
[0035] 运行启动开关(37)，进行冲击试验，冲击次数计数器(35)记录冲击次数，应力仪表 采集每次冲击试验应力的最大值。
[0036] 实施例采用以下四种实施方案，结构组合如下：
[0037]实施例1:在该实施例的路面结构模拟试件中，混凝土面板尺寸大小为60cmX60cm X 10cm，沥青混凝土功能层尺寸大小为60cm X 60cm X 4cm，半刚性基层尺寸大小为60cm X 60cmX 20cm；
[0038] 实施例2:在该实施例的路面结构模拟试件中，混凝土面板尺寸大小为60cm X 60cm X 10cm，沥青混凝土功能层尺寸大小为60cm X 60cm X 4cm，刚性基层尺寸大小为60cm X 60cm X15cm;
[0039] 实施例3:在该实施例的路面结构模拟试件中，混凝土面板尺寸大小为60cm X 60cm X 10cm，半刚性基层尺寸大小为60cm X 60cm X 20cm;
[0040] 实施例4:在该实施例的路面结构模拟试件中，混凝土面板尺寸大小为60cm X 60cm X 10cm，刚性基层尺寸大小为60cmX60cmX 15cm。
[0041] 对于上述任一试件来说，根据前述说明，将该试件组合路面结构模拟试件安装在 本实用新型的冲击荷载作用下水泥混凝土路面动态响应模拟试验装置平台上，然后对路面 结构模拟试件进行冲击试验，实时采集各层冲击压应力，并记录混凝土面板的初裂冲击次 数与终裂破碎冲击次数，直至试件断裂。下表1是各路面结构模拟试件各层冲击压应力试验 结果比较，表2是各路面结构模拟试件初裂次数与终裂次数。
[0042] 表1各层冲击压应力比较(单位:MPa)
[0043]
[0044] 表2各试件初裂冲击次数与终裂破碎冲击次数
[0046]本具体实施一方面，模拟设置功能层水泥路面在冲击荷载作用下，其层间动态应 力传递的力学响应，并以此评价沥青混凝土功能层的应力吸收与弹性缓冲效果;另一方面， 模拟混凝土板抗冲击疲劳破坏过程，评价混凝土板抗冲击破坏能力;通过室内试验模拟，并 可进行不同路面结构的对比试验，设置合适的试验参数，为合理设置沥青混凝土功能层提 供试验依据。
[0047]以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技 术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和 润饰也应视为本实用新型的保护范围。
【主权项】
1. 一种冲击荷载作用下水泥混凝土路面动态响应模拟试验装置，其特征在于，包括冲 击荷载试验仪、模拟测试试件、试件约束装置、动态应力量测设备和控制设备，所述冲击荷 载试验仪、动态应力量测设备通过集成导线(31)与控制设备相连，所述冲击荷载试验仪包 括设备支架(4)、冲击导杆(6)、冲击横梁(7)、支撑架(8)、冲击锤系统、支撑架外端盖(9)、支 撑架内端盖（13)、轮胎轴及轴承（14)、充气胶轮（16)、电机(26)、链条(20)、上链轮(21)、上 链轮轴（29)、下链轮（17)、下链轮轴（22)、上下链轮轴支架（28)、锲型卡块(41)、三角支架 (24)和导杆下行限位圆盘（1)，所述下链轮轴（22)、上链轮轴（29)分别通过下链轮轴轴承 (23)、上链轮轴轴承(30)与上下链轮轴支架(28)相连，所述电机(26)通过电机紧固螺栓及 螺母(25)固定于三角支架(24)上，三角支架(24)焊接于设备支架(4)上，电机(26)通过联轴 器(27)与下链轮轴（22)相连，下链轮轴（22)带动下链轮（17)及链条(20)转动，链条(20)驱 动上链轮(21)及上链轮轴(29)转动，链条(20)通过链条挂钩（18)引导冲击锤(5)上下运动， 所述冲击锤系统包括冲击锤(5)、冲击锤挂钩(39)及顶推弹簧(40)，所述锲型卡块(41)通过 紧固螺钉(42)固定于所述冲击导杆(6)上，所述冲击锤挂钩(39)垂直镶嵌于冲击锤(5)内， 所述导杆下行限位圆盘(1)托住空载时冲击导杆(6)，防止下行，冲击导杆(6)通过导杆紧固 套筒(2)固定工在设备支架(4)上，所述充气胶轮（16)与轮胎轴及轴承（14)相连，轮胎轴及 轴承（14)通过轴承顶盖(15)与支撑架(8)相连，支撑架(8)通过螺纹与冲击横梁(7)相连，轮 胎轴及轴承（14)安装于支撑架外端盖(9)和支撑架内端盖（13)之间安装固定有，冲击横梁 (7)通过螺纹与冲击导杆(6)相连，冲击锤(5)沿冲击导杆(6)上下运动，所述模拟测试试件 从上往下依次包括水泥混凝土板(43)、沥青混凝土功能层(44)与基层(45)，所述动态应力 量测设备包括水泥混凝土板底冲击应力传感器(46)、功能层层底冲击应力传感器(47)、基 层中部冲击应力传感器(48)、基层底部冲击应力传感器(49)，所述控制设备包括控制器本 体(32)，控制器本体(32)上设有混凝土板底冲击荷载应力表(33)、功能层层底冲击荷载应 力表(34)、基层中部冲击荷载应力表(36)、基层底部冲击荷载应力表(38)、冲击次数计数器 (35) 和启动开关(37)，所述水泥混凝土板底冲击应力传感器(46)布置在水泥混凝土板(43) 内，所述功能层层底冲击应力传感器(47)布置在沥青混凝土功能层(44)内，所述基层中部 冲击应力传感器(48)布置在基层(45)的中部，所述基层底部冲击应力传感器(49)布置在基 层(45)的底部，所述混凝土板底冲击应力传感器(46)、功能层层底冲击应力传感器(47)、基 层中部冲击应力传感器(48)、基层底部冲击应力传感器(49)分别通过集成导线(31)与混凝 土板底冲击荷载应力表(33)、功能层层底冲击荷载应力表(34)、基层中部冲击荷载应力表 (36) 、基层底部冲击荷载应力表(38)相连，所述试件约束装置包括侧向约束水泥墩(10)、紧 固试件钢板(11)、紧固螺栓及螺母(12)，所述模拟测试试件安装于侧向约束水泥墩(10)内， 并通过紧固试件钢板(11)和螺母(12)紧固。2. 根据权利要求1所述的冲击荷载作用下水泥混凝土路面动态响应模拟试验装置，其 特征在于，所述水泥混凝土板(43)由水泥、水、砂、碎石浇筑并养生28天后所得，水泥:水:砂 :碎石质量比为1:0.45:2.26:3.12。3. 根据权利要求1所述的冲击荷载作用下水泥混凝土路面动态响应模拟试验装置，其 特征在于，所述沥青混凝土功能层(44)为AC-13型混合料，油石比为4.7%，集料10~15: 5~ 10:0~5:矿粉质量比为28:42:26: 4。4. 根据权利要求1所述的冲击荷载作用下水泥混凝土路面动态响应模拟试验装置，其 特征在于，所述基层(45)包括刚性基层和半刚性基层，刚性基层由集料10~20、5~10、0~5 和水泥组成，质量配比为65:20:5:10组成;半刚性基层由集料10~20、5~10、0~5、石灰、粉 煤灰组成，质量配比为60:18:5:5:12。5. 根据权利要求1所述的冲击荷载作用下水泥混凝土路面动态响应模拟试验装置，其 特征在于，所述冲击锤重20kg，上下行程为lm。6. 根据权利要求1所述的冲击荷载作用下水泥混凝土路面动态响应模拟试验装置，其 特征在于，所述充气胶轮直径为20cm，宽5cm。
【文档编号】G01N3/34GK205562311SQ201620135916
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年2月21日
【发明人】徐安花, 房建宏, 熊锐, 李祖仲, 王新燕, 秦钜泽
【申请人】青海省交通科学研究院