路面材料拉伸、压缩、劈裂回弹模量同步测试方法及装置与流程

本发明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的拉伸、压缩、劈裂回弹模量测试装置及方法。
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。现行规范中采用沥青混合料抗压回弹模量，且要求按此模量计算得出的层底拉应力应小于或等于容许拉应力，而该容许拉应力则是通过沥青混合料劈裂试验测得的劈裂强度除以抗拉强度结构系数而得；所以，抗压回弹模量与劈裂强度这两个参数的选取就存在不对应关系，这也是当前沥青路面设计规范中的一个不足之处，需进行适当修改或完善。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；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；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。因此，本发明针对现有沥青路面设计的缺陷和试验规程的不足，考虑材料拉、压模量不同的本构关系，进而为开展精准化的路面力学分析提供了参数依据；这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，以及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：针对现行路面材料试验规程中材料模量的测试方法均是以拉、压模量相同的各向同性假设为前提的，带来与实际的材料特性存在较大出入的问题，本发明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、劈裂模量的同步测试装置及测试方法，以期获得路面材料真实应力状态下的拉伸模量、压缩模量、劈裂模量，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，本发明采用如下技术方案：路面材料拉伸、压缩、劈裂回弹模量同步测试方法，包括如下步骤：S1制成试件后，确定好试件正面的水平径向位置，以及背面的竖直径向位置，并做好标记；然后在试件正面的水平径向位置和背面的竖直径向位置分别贴上相应方向的应变片，其中每个应变片的中点均要与所在面的中心重合；将应变片连接到应变采集仪；S2将按照步骤S1准备好的试件放在MTS多功能材料测试系统的劈裂试验支座上，并调整使劈裂试验的压头与试件初步接触；S3在试件上由MTS多功能材料测试系统施加纵向集中载荷P，根据需要选择应力控制模式或位移控制模式，然后启动应变采集仪，并执行MTS多功能材料测试系统上的劈裂静态回弹模量测试程序；S4劈裂静态回弹模量测试程序执行完成后，停止应变采集仪，然后导出MTS多功能材料测试系统中实时加载的荷载值数据和应变采集仪上的试件在水平径向与竖直径向上的回弹应变值；S5按照下式计算出各级加载的试件的拉伸回弹模量Ex、压缩回弹模量Ey以及劈裂回弹模量E；其中：Ex为拉伸回弹模量；Ey为压缩回弹模量；E为劈裂回弹模量；P为步骤S3中所施加的纵向集中载荷；D为试件的直径；L为试件的厚度；l为应变片长度；εH为水平径向上应变片的平均回弹拉应变，εV为竖直径向上应变片的平均回弹压应变；μ为泊松比。需要说明的是，步骤S3的具体步骤如下：3.1)在进行试件劈裂静态模量测试之前，需在MTS多功能材料测试系统上，按劈裂静态模量测试对应的加载速率和试验温度进行试件的劈裂强度试验，即确定试件相同条件下的劈裂破坏荷载峰值Pm；3.2)由MTS多功能材料测试系统通过位移控制方式先使MTS多功能材料测试系统的压头与试件充分接触，并作用稳定的较小的荷载，然后将压头的荷载和位移清零，同时对应变采集仪的初始应变进行平衡和清零处理；3.3)分别取0.1Pm、0.2Pm、0.3Pm、0.4Pm、0.5Pm、0.6Pm、0.7Pm七级作为试验荷载，以所需的加载速率加载至0.2Pm进行预压，并保持一分钟，然后执行逐级加载的施荷程序，即按设定的加载速率加载至每级预定的荷载，然后按设定的加载速率卸载至零，保持半分钟，完成一级的加载-卸载-稳定的循环；步骤S4的具体步骤如下：将MTS多功能材料测试系统的逐级荷载数据导出，以每级循环的最大荷载作为该级的作用荷载Pi，将应变采集仪采集的逐级水平径向和竖直径向的应变数据导出，把每级的水平径向和竖直径向初始卸荷实时应变与保持半分钟末的实时应变作差并取绝对值，并将之作为该级的水平径向上应变片的平均回弹拉应变和竖直径向上应变片的平均回弹压应变；步骤S5中，根据每级加载对应的纵向集中载荷、水平径向上应变片的平均回弹拉应变和竖直径向上应变片的平均回弹压应变按照公式分别计算各级加载的拉伸回弹模量Ex、压缩回弹模量Ey以及劈裂回弹模量E；然后分别取各级加载的拉伸回弹模量的平均值、各级加载的试件的压缩回弹模量的平均值和各级加载的试件的劈裂回弹模量的平均值作为最终的试件的拉伸回弹模量、压缩回弹模量和劈裂回弹模量。进一步需要说明的是，步骤S5中，分别取2-7级加载的拉伸回弹模量的平均值、2-7级加载的试件的压缩回弹模量的平均值和2-7级加载的试件的劈裂回弹模量的平均值作为最终的试件的拉伸回弹模量、压缩回弹模量和劈裂回弹模量。需要说明的是，步骤S2中，在劈裂试验的压头和劈裂试验支座上涂凡士林。实现上述路面材料拉伸、压缩、劈裂回弹模量同步测试方法的装置，包括：MTS多功能材料测试系统：用于对试件试验时的加载控制；压头和支座：用于试件的施载和承载；至少两个应变片，其中一个应变片用于贴在试件正面水平径向的中心，用于采集劈裂试件中心处水平方向的平均应变；另一个应变片用于贴在时间背面的竖直径向的中心，用于采集劈裂试件中心处竖直方向的平均应变；应变片中点要与试件的中心重合；应变采集仪：连接于所有的应变片，用于采集所有应变片的应变数据。进一步地，应变片的长度在满足试件最大粒径的相关限制条件下应该尽可能地短。本发明的有益效果在于：本发明提供一种方法及装置，使得可以实现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、劈裂模量的测试装置及测试方法，以期获得路面材料真实应力状态下的拉伸模量、压缩模量、劈裂模量，从而更好地指导工程实践，提高我国路面结构设计的精度。附图说明图1为本发明的原理示意图；图2为测试中试件的受力示意图；图3和图4分别为试件中心(即应变片中点)到水平应变片端部和竖向应变片端部l/2处线性距离均匀地分为n小段的示意图。具体实施方式以下将结合附图对本发明作进一步的描述，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，但本发明的保护范围并不限于本实施例。路面材料拉伸、压缩、劈裂回弹模量同步测试方法，包括如下步骤：S1制成试件后，确定好试件正面的水平径向位置，以及背面的竖直径向位置，并做好标记；然后在试件正面的水平径向位置和背面的竖直径向位置分别贴上相应方向的应变片，其中每个应变片的中点均要与所在面的中心重合；将应变片连接到应变采集仪；S2将按照步骤S1准备好的试件放在MTS多功能材料测试系统的劈裂试验支座上，并调整使劈裂试验的压头与试件初步接触；S3在试件上由MTS多功能材料测试系统施加纵向集中载荷P，根据需要选择应力控制模式或位移控制模式，然后启动应变采集仪，并执行MTS多功能材料测试系统上的劈裂静态回弹模量测试程序；《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》JTGE20-2011上建议一般采用位移控制。采用位移控制时，试件内部的应力随时间是非线性的，采用应力控制则是线性的。如果只做本发明的不同加载速度的劈裂模量试验，可以考虑采用位移控制模式，试验平滑也比较好控制；如果做相同加载速度下的本发明劈裂模量试验和其它(直接拉伸、单轴压缩、弯曲)模量试验的对比，则可以考虑采用应力控制模式，因为截面尺寸不同，但均能由应力来统一描述。S4劈裂静态回弹模量测试程序执行完成后，停止应变采集仪，然后导出MTS多功能材料测试系统中实时加载的荷载值数据和应变采集仪上的试件在水平径向与竖直径向上的回弹应变值；S5按照下式计算出各级加载的试件的拉伸回弹模量Ex、压缩回弹模量Ey以及劈裂回弹模量E；其中：Ex为拉伸回弹模量；Ey为压缩回弹模量；E为劈裂回弹模量；P为步骤S3中所施加的纵向集中载荷；D为试件的直径；L为试件的厚度；l为应变片长度；εH为水平径向上应变片的平均回弹拉应变，εV为竖直径向上应变片的平均回弹压应变；μ为泊松比。需要说明的是，步骤S3的具体步骤如下：3.1)在进行试件劈裂静态模量测试之前，需在MTS多功能材料测试系统上，按劈裂静态模量测试对应的加载速率和试验温度进行试件的劈裂强度试验，即确定试件相同条件下的劈裂破坏荷载峰值Pm；3.2)由MTS多功能材料测试系统通过位移控制方式先使MTS多功能材料测试系统的压头与试件充分接触，并作用稳定的较小的荷载，然后将压头的荷载和位移清零，同时对应变采集仪的初始应变进行平衡和清零处理；3.3)分别取0.1Pm、0.2Pm、0.3Pm、0.4Pm、0.5Pm、0.6Pm、0.7Pm七级作为试验荷载，以所需的加载速率加载至0.2Pm进行预压，并保持一分钟，然后执行逐级加载的施荷程序，即按设定的加载速率加载至每级预定的荷载，然后按设定的加载速率卸载至零，保持半分钟，完成一级的加载-卸载-稳定的循环；步骤S4的具体步骤如下：将MTS多功能材料测试系统的逐级荷载数据导出，以每级循环的最大荷载作为该级的作用荷载Pi，将应变采集仪采集的逐级水平径向和竖直径向的应变数据导出，把每级的水平径向和竖直径向初始卸荷实时应变与保持半分钟末的实时应变作差并取绝对值，并将之作为该级的水平径向上应变片的平均回弹拉应变和竖直径向上应变片的平均回弹压应变；步骤S5中，根据每级加载对应的纵向集中载荷、水平径向上应变片的平均回弹拉应变和竖直径向上应变片的平均回弹压应变按照公式分别计算各级加载的拉伸回弹模量Ex、压缩回弹模量Ey以及劈裂回弹模量E；然后分别取各级加载的拉伸回弹模量的平均值、各级加载的试件的压缩回弹模量的平均值和各级加载的试件的劈裂回弹模量的平均值作为最终的试件的拉伸回弹模量、压缩回弹模量和劈裂回弹模量。进一步需要说明的是，步骤S5中，分别取2-7级加载的拉伸回弹模量的平均值、2-7级加载的试件的压缩回弹模量的平均值和2-7级加载的试件的劈裂回弹模量的平均值作为最终的试件的拉伸回弹模量、压缩回弹模量和劈裂回弹模量。需要说明的是，步骤S2中，在劈裂试验的压头和劈裂试验支座上涂凡士林。实现上述路面材料拉伸、压缩、劈裂回弹模量同步测试方法的装置，包括：MTS多功能材料测试系统：用于对试件1试验时的加载控制；压头5和支座4：用于试件的施载和承载；至少两个应变片，其中一个应变片2用于贴在试件正面水平径向的中心，用于采集劈裂试件中心处水平方向的平均应变；另一个应变片3用于贴在试件背面的竖直径向的中心，用于采集劈裂试件中心处竖直方向的平均应变；应变片中点要与试件的中心重合；应变采集仪：连接于所有的应变片，用于采集所有应变片的应变数据。进一步地，应变片的长度在满足试件最大粒径的相关限制条件下应该尽可能地短。以下对试件弯拉模量E、压缩模量Ey以及拉伸模量Ex的推导过程作进一步地说明。拟定圆柱形劈裂试件的直径、高和应变片的长度分别为D、L、l。如图2所示试件受力示意图，根据弹性力学公式有：再根据二维应力状态下的胡克定律有：由微分学可知，试件中心(亦是应变片中点)到应变片端部l/2处线性距离均匀地分为n小段，横、纵向每段的长度依次记为:X1,X2，…，Xn；Y1,Y2，…，Yn，显然有：如图3和图4所示，当n越大，Xi和Yi长度就越短，该段的应力和应变可视为均匀不变的，i段上横、纵微变形为：应变片在水平径向上的变形Δu和竖直径向上的变形Δv分别视为是0到l/2上的2倍，即再由积分学近似地有，代入上式得(应变片段的总变形取正值)：求定积分得：得到的方程组为：解关于拉、压模量的方程得：至于劈裂模量：得到其中：E为劈裂模量；Ex为水平拉模量；Ey为竖直压模量；P为劈裂荷载；D为试件直径；L为试件厚底；l为应变片长度；XH为水平径向总变形；μ为泊松比；Δu为应变片水平径向上的回弹变形，可由水平径向应变片测得的平均回弹拉应变εH乘以应变片长度l得到；Δv为应变片竖直径向上的回弹变形，可由竖直径向应变片测得的平均回弹压应变εV乘以应变片长度l得到。实施算例现以沥青混合料劈裂试件静态模量测试的试验和拉伸模量、压缩模量、劈裂模量的计算为例对本发明作进一步的说明。1)严格按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》T0716-2011中的方法制备尺寸为直径100mm×高60mm(或40mm)的圆柱形AC-13劈裂试件，建议从旋转压实成型直径100mm×高100mm的圆柱形试件上下切割得到，进行劈裂试验前，需将试件放在温控箱保温不少于3-4小时。2)仔细观察试件前后面的粒径分布情况，据此确定好试件前、后面的水平径向和竖直径向位置，尽量避免所选径向位置通过大的粒径，同时，将选定的相互垂直的径向位置用铅笔做好标记，然后用502胶水将两个应变片分别贴在该两个位置，尽量保证应变片中点要与前后面的圆心重合，在应变片附近合适的位置，用502胶水将铜片端子(用于连接应变片和应变片采集系统)粘好，用电烙铁和锡条做好应变片与应变片采集系统导线的焊接。3)将准备好的试件放在MTS多功能材料测试系统的劈裂试验支座上，注意：有必要在有上端压头和下端支座涂适量的凡士林。并通过位移调整使劈裂试验的压头与试件初步接触。4)接通应变片采集系统电源，做好应变采集的数据调试；在MTS多功能材料测试系统中，打开静态劈裂回弹模量试验程序，根据已做劈裂强度所得到的最大破坏荷载(Pm＝10.32KN)，和由应力控制(0.4MPa/s)通过截面尺寸反算的加载速率(361.9KN/min)，对程序里的各级荷载、加载速率等参数进行精确地设定。5)待各项准备工作做好，即可执行静态劈裂回弹模量试验程序。试验程序执行完成后，终止试验；与此同时，将MTS多功能材料测试系统得逐级荷载数据导出，以每级循环的最大荷载作为该级的作用荷载Pi(可能与该级设定的荷载有较小的偏差)；将应变采集系统采集的逐级水平径向和竖直径向的应变数据导出，把每级的水平径向和竖直径向初始卸荷实时应变与保持半分钟末的实时应变作差(取正值)，并将之作为该级的水平径向回弹拉应变和竖直径向回弹压应变。6)试验数据处理完成后，即可进行静态劈裂回弹模量、拉伸回弹模量和压缩回弹模量的计算。以下是三种模量的计算过程：劈裂试件尺寸：直径D＝100mm、厚度L＝60mm应变片长度l＝40mm,泊松比μ＝0.35根据采集的数据来看，由于第一级的回弹受预压保持一分钟的影响，数据参考价值较低，故从第二级开始计算。第二级到第七级的荷载为：P2＝2.274KN；P3＝3.36KN；P4＝4.224KN；P5＝5.294KN；P6＝6.232KN；P7＝7.223KN第二级到第七级的水平径向回弹拉应变为(单位：微应变)εH2＝205；εH3＝260；εH4＝340；εH5＝411；εH6＝478；εH7＝654第二级到第七级的竖直径向回弹压应变为(单位：微应变)εV2＝516；εV3＝655；εV4＝810；εV5＝1089；εV6＝1237；εV7＝1393将以上数据代入式(10)和式(12)得(以第二级为例)：同理，可对其它各级的拉伸回弹模量、压缩回弹模量和劈裂回弹模量进行计算，计算结果汇总于如下表格：各级拉伸回弹模量、压缩回弹模量和劈裂回弹模量计算汇总如表1所示(单位：MPa)表1各级荷载下拉伸、压缩和劈裂回弹模量计算汇总表各级序号拉伸模量压缩模量劈裂模量218622251234632170262027334200126422628522562501272562238258327587165325802336平均值210525192638由上表的各模量计算结果可知，中间的第3级到第6级数据离散性较好，本发明参考《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》T0713-2000中静态回弹模量确定的原点修正原理，取2-7级的回弹模量值的平均值作为最终所测得回弹模量，各静态回弹模量值分别：拉伸回弹模量为2105MPa、压缩回弹模量为2519MPa、劈裂回弹模量为2638MPa。下面，为了验证本发明测试和计算的准确性，有必要将本发明测试和计算得到的静态拉、压回弹模量与常规的直拉试验得到抗拉回弹模量和单轴压缩试验得到的抗压回弹模量作一定的对比分析。在相同的加载速度(0.4MPa/s)和试验温度(15℃)条件下，直接拉伸试验得到的静态抗拉回弹模量为1796MPa，单轴压缩试验得到的静态抗压回弹模量为2569MPa。不难看出，本发明测试和计算得到的压缩回弹模量2519MPa与单轴压缩试验测得的抗压回弹模量2569MPa十分接近，偏差不超过2％。拉伸回弹模量与直拉试验测得抗拉回弹模量有一定的偏差，究其原因，是由于两种试验条件下试件所处的应力状态不同所致，单轴直接拉伸试验试验条件下试件处于一维应力状态，劈裂试验条件下试件处于拉压共存的二维应力状态，而交通荷载作用下的实际沥青路面是处于拉压共存的二维应力状态的，因此，劈裂试验条件下得到的材料模量值较真实地表征了材料在结构内部的抗变形能力，是一种科学合理的获取路面结构设计参数的试验方法，对路面结构设计具有重要的意义。各个参数的含义如表2所示。表2参数含义表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发明权利要求的保护范围之内。当前第1页1 2 3