一种测试沥青材料抗剪强度的试验装置及方法与流程

本发明涉及一种抗剪强度的试验装置及方法，具体涉及一种测试沥青材料抗剪强度的试验装置及方法。

背景技术：

在道路工程中，沥青路面的破坏形式多种多样，原因不尽相同，其中沥青混合料的强度和稳定性起了至关重要的作用，在因混合料破坏而引起的路面损坏中，主要归结于混合料的剪切破坏，其中混合料的剪切破坏主要是沥青本身的剪切破坏以及沥青与集料接触表面的剪切剥落。

沥青混凝土是由沥青、集料和空隙组成的复杂体系，引入沥青砂概念之后，该体系则可简化成粗集料、沥青砂和空隙，其中，沥青砂由沥青基体和2.36mm以下细集料组成，因此研究沥青及沥青砂的抗剪强度对于分析沥青混合料性能有重大意义。

现有的剪切装置和方法主要针对于沥青混合料，并且侧重于剪应力和变形的研究，目前常见的剪切试验有三轴试验、Superpave剪切试验、斜剪试验、单轴贯入试验、中空圆柱体剪切试验和同轴剪切试验等。在研究沥青混合料剪应力与变形时，上述方法各有优缺点，上述方法并不适用于单纯研究沥青和沥青砂材料的抗剪强度。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种测试沥青材料抗剪强度的试验装置及方法，该装置及方法能够准确的测量出沥青及沥青砂材料的抗剪强度。

为达到上述目的，本发明所述的测试沥青材料抗剪强度的试验装置包括控制器、环境箱以及设于环境箱内的支撑板、立柱、试模、动力箱、传动轴、伸缩套管及剪切头；

支撑板固定于环境箱的底部，立柱的下端及试模固定于支撑板上，动力箱固定于立柱的上端，待试验沥青材料填充于试模内，传动轴的上端与动力箱的输出轴相连接，传动轴的下端插入于待试验沥青材料内，且剪切头固定于传动轴的下端，动力箱内设有用于测量剪切头受到的剪切力矩的检测系统，伸缩套管套接于传动轴的外壁上，控制器与动力箱的控制端及检测系统的输出端相连接。

所述控制器包括显示器及控制台，控制台与显示器、检测系统及动力箱相连接。

伸缩套管的上端与动力箱的底部通过螺纹连接。

传动轴下端的侧面设有针状的凸起，伸缩套管的外壁上设有与所述凸起相配合的通孔，凸起内嵌于所述通孔内，伸缩套管的外壁上设有用于封堵所述通孔的孔塞。

所述剪切头为十字形剪切头、圆锥形剪切头或纺锤形剪切头。

剪切头与传动轴之间通过螺纹连接。

立柱通过底座固定于支撑板上。

本发明所述的测试沥青材料抗剪强度的试验方法包括以下步骤：

控制器控制动力箱进行工作，动力箱带动传动轴转动，传动轴带动剪切头在待试验沥青材料内进行剪切，检测系统实时检测剪切头受到的剪切力矩及剪应力，并将剪切头受到的剪切力矩发送至控制器中，控制器根据剪切头受到的剪切力矩绘制剪切头的扭矩曲线，当剪切头的扭矩曲线出现峰值，控制器控制动力箱停止工作，控制器根据剪切头的扭矩曲线出现峰值时的剪切力矩计算待试验沥青材料的抗剪强度。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的测试沥青材料抗剪强度的试验装置及方法在具体操作时，采用主动剪切的方法，利用动力箱通过传动轴带动剪切头在待测试沥青材料内进行剪切，同时通过检测系统实时检测剪切头受到的剪切力矩，并绘制剪切头的扭矩曲线，然后控制器根据剪切头的扭矩曲线达到峰值时对应的剪切力矩计算待试验沥青材料的抗剪强度，操作简单，能够适用于包括沥青及沥青砂材料在内的各种沥青材料，应用较为广泛。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中控制器的结构示意图。

其中，1为动力箱、2为传动轴、3为伸缩套管、4为待试验沥青材料、5为剪切头、6为数据线、7为立柱、8为试模、9为底座、10为支撑板、11为环境箱、12为控制台、13为显示器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1，本发明所述的测试沥青材料抗剪强度的试验装置包括控制器、环境箱11以及设于环境箱11内的支撑板10、立柱7、试模8、动力箱1、传动轴2、伸缩套管3及剪切头5；支撑板10固定于环境箱11的底部，立柱7的下端及试模8固定于支撑板10上，动力箱1固定于立柱7的上端，待试验沥青材料4填充于试模8内，传动轴2的上端与动力箱1的输出轴相连接，传动轴2的下端插入于待试验沥青材料4内，且剪切头5固定于传动轴2的下端，动力箱1内设有用于测量剪切头5受到的剪切力矩的检测系统，伸缩套管3套接于传动轴2的外壁上，控制器与动力箱1的控制端及检测系统的输出端相连接。

所述控制器包括显示器13及控制台12，控制台12与显示器13、检测系统及动力箱1相连接；伸缩套管3的上端与动力箱1的底部通过螺纹连接；传动轴2下端的侧面设有针状的凸起，伸缩套管3的外壁上设有与所述凸起相配合的通孔，凸起内嵌于所述通孔内，伸缩套管3的外壁上设有用于封堵所述通孔的孔塞；剪切头5为十字形剪切头、圆锥形剪切头或纺锤形剪切头；剪切头5与传动轴2之间通过螺纹连接；立柱7通过底座9固定于支撑板10上。

本发明所述的测试沥青材料抗剪强度的试验方法包括以下步骤：

控制器控制动力箱1进行工作，动力箱1带动传动轴2转动，传动轴2带动剪切头5在待试验沥青材料4内进行剪切，检测系统实时检测剪切头5受到的剪切力矩，并将剪切头5受到的剪切力矩发送至控制器中，控制器根据剪切头5受到的剪切力矩绘制剪切头5的扭矩曲线，当剪切头5的扭矩曲线出现峰值，控制器控制动力箱1停止工作，此时控制器根据剪切头5的扭矩曲线出现峰值时的剪切力矩计算待试验沥青材料4的抗剪强度。

检测系统通过数据线6与控制器相连接。

动力箱1的动力来自外部电源，由齿轮进行传动使传动轴2旋转，传动轴2的外部为齿轮设计，在主动齿轮的带动下对待试验沥青材料4进行剪切；伸缩套管3主要作用在于将传动轴2和外部环境隔绝开，一方面保证内部传动轴2的清洁，另一方面能够减少实验中沥青材料和传动轴2的接触，从而降低除剪切作用之外的能耗，提高试验精度，伸缩套管3可根据需要进行上下伸缩，在试验中，各节套管自然下垂即可。

立柱7垂直于底座9，承受在剪切过程中由剪切头5传递到动力箱1上的扭矩；试模8具有耐高温特性，可用于沥青材料的加热融化过程。试模8内壁应清洁，在试验过程中能够使沥青和其他待测材料很好地粘附，从而保证旋转剪切头5能够将待试验沥青材料4剪切成型。

试模8的底边采用矩形设计，其尺寸与底座9卡口尺寸相当，则试模8可与底座9相契合，从而保证在试验过程中试模8被固定；环境箱11可以提供不同的温度环境，模拟实际应用中不同气温下沥青的状态和性能，用于测定不同温度条件下沥青的抗剪强度。

当剪切头5为十字形剪切头5时，设沥青剪切破坏时所施加的扭矩为M，则它应该与剪切破坏圆柱侧面和圆柱上下面沥青的抗剪强度所产生的抵抗力矩相等，即：

其中，τ_侧及τ_底分别为剪切破坏时圆柱体侧面和上、下底面沥青的抗剪强度(kPa)；H为十字形剪切头的高度(m)；D为十字形剪切头的直径(m)。

设常温下的沥青材料为各向同性的，即τ_侧＝τ_底，并记作τ_总，则上式可写成：

其中，τ_总为十字形剪切头测定的沥青材料的抗剪强度(kPa)。

当剪切头5为圆锥形剪切头时，设沥青剪切破坏时所施加的扭矩为M，则圆锥形剪切头5应该与剪切破坏圆锥侧面和圆锥底面沥青的抗剪强度所产生的抵抗力矩相等，即：

其中，τ_侧及τ_底分别为剪切破坏时圆锥体侧面和底面沥青的抗剪强度(kPa)；H为圆锥形剪切头的高度(m)；D为圆锥形剪切头的直径(m)。

设常温下的沥青材料为各向同性的，即τ_侧＝τ_底，并记作τ_总，则有

其中，τ_总为圆锥形剪切头测定的沥青材料的抗剪强度(kPa)。

当剪切头5为纺锤形剪切头时，设沥青剪切破坏时所施加的扭矩为M，则它应该与剪切破坏纺锤体的圆柱侧面和锥形底面沥青的抗剪强度所产生的抵抗力矩相等，即：

其中，τ_侧、τ_底分别为剪切破坏时纺锤体侧面和底面沥青的抗剪强度(kPa)；H为纺锤形剪切头5的高度(m)；h为纺锤形剪切头5圆柱体部分高度(m)；D为纺锤形剪切头5的直径(m)。

设常温下的沥青材料为各向同性的，即τ_侧＝τ_底，并记作τ_总，则有

其中，τ_总为纺锤形剪切头测定的沥青的抗剪强度(kPa)。

需要说明的是，本发明打破了以往专注于研究沥青混合料抗剪性能的单一性，有助于研究影响沥青混合料抗剪强度的根本因素；同时实现了试验装置剪切过程的自动化，替代了传统剪切仪手工操作的旧模式，试验操作更加简便，试验数据更加精确。并在传统土工十字板剪力仪的基础上加以改进，并将其螺旋拆卸套管改为向上提拉的三段式伸缩套管3，避免了每次试验完成以后都要拆卸套管的繁琐程序，简化了操作。另外，试验所用材料试模8为可拆分设计类型，试验结束以后可将试模8壁与封底盖分离，便于清理出试模8内的固体沥青。