一种沥青面层层间机械摩阻强度测试装置及方法与流程

本发明属于道路工程领域，涉及一种沥青面层层间机械摩阻强度测试装置及方法，用于评价沥青路面受级配组合类型影响，在层间有效接触状况下的机械摩阻强度。

背景技术：

随着城乡一体化的发展，高等级公路里程与规模与日俱增，沥青路面作为我国高等级路面的主要形式，由于自身具有多方面的优点，因此在我国道路建设中占据了主导地位。

由于沥青面层铺设在路面结构层的最上端，直接受到车辆荷载与外界环境的作用，因此其病害也是比较突出，特别是在长大纵坡路段以及圆曲线半径相对较小的路段，沥青面层层间剪切破坏表现的尤为突出，这不仅严重降低了路面的整体稳定性，而且也给车辆行驶带来了很大的安全隐患。为此，研究沥青面层层间抗剪切性能，对沥青路面的设计、施工以及后期的养护管理具有重要的意义。

国内外关于沥青面层层间抗剪切性能的研究起步较早，主要通过理论计算和试验的方法进行研究，结果表明，沥青路面上、下面层级配组合类型对层间抗剪强度影响较大。究其原因，主要因为级配组合类型不同造成层间接触表面微凸体分布不同，从而使层间接触表面的粗糙度产生差别，直接影响沥青面层层间抗剪切性能。因此，沥青面层层间机械摩阻强度成为层间抗剪强度的重要组成部分。然而由于沥青面层层间接触状况比较复杂，加之粘层材料影响，导致层间机械摩阻强度难以测定，从而无法通过合理的方法选择上、下面层级配组合类型来优化层间机械摩阻性能，因此，有必要借助一种沥青面层层间机械摩阻强度测试装置及方法评价两种级配组合类型下，沥青面层层间机械摩阻强度特性，从而能够优化沥青面层层间抗剪切性能，使建成后的沥青路面维持良好的使用状态，保证其服务质量。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种沥青面层层间机械摩阻强度测试装置及方法。

本发明是一种沥青面层层间机械摩阻强度测试装置及方法，沥青面层层间机械摩阻强度测试装置，包括温度控制机构、加载机构、剪切机构、操作控制机构和试件成型模具，所述温度控制机构包括：温度控制箱3、温度调节机2、温度传感器12、温度显示器15、照明灯管1、高低温交替管路7、高效绝热层6、绝缘层5、防水层4和温度控制开关16；所述防水层4铺设于温度控制箱3内壁，并与绝缘层5相连；所述高效绝热层6铺设于绝缘层5表面；所述照明灯管1置于温度控制箱3内部顶端；所述温度传感器12固定于绝热层5表面并与温度控制箱3外侧的温度显示器15相连；所述高低温交替管路7置于温度控制箱3内部两侧，并与温度控制箱3外侧的温度控制开关16相连。

所述加载机构置于温度控制箱3内部；所述加载机构包括：传动箱28、立柱14、横梁19、顶梁13、升降平台24、数据采集仪9、竖向压头18、液压推力器8、主机操控按钮27、压力传感器17、位移传感器21。所述传动箱28置于温度控制箱3内部底座；所述立柱14垂直固定于传动箱28的上表面并与横梁19垂直相连；所述竖向压头18和液压推力器8分别固定于横梁19和立柱14上；所述压力传感器17一端固定于竖向压头18上，另一端与数据采集仪9相连；所述位移传感器21一端与下层试件剪切夹32具上表面接触，另一端通过导线与数据采集仪9相连；所述升降平台24与传动箱28相连并由传动箱28侧面安装的主机操控按钮27相连。

所述剪切机构包括：剪切夹具、试件固定螺栓30、横向反力支撑22、竖向反力支撑20、弹簧支架25、弹簧底座26，所述剪切夹具包括上层试件剪切夹具29和下层试件剪切夹具32；所述试件固定螺栓30分别设置在剪切夹具侧面；所述弹簧支架25一端与上层试件剪切夹具29相连，另一端与传动箱3上表面弹簧底座26相连；所述横向反力支撑22与下层试件剪切夹具32下表面靠拢并与立柱14相连；所述竖向反力支撑20与横梁18相连并与上层试件剪切夹具29上表面相接触。

所述操作控制机构包括计算机主机10和显示器11；所述计算机主机10连接显示器11并与数据采集仪9相连。

所述试件成型模具包括试模底板39、试模侧板35、试模固定螺栓36、拉杆37；所述试模底板39与试模侧板35装配完成，通过拉杆37连接并由试模固定螺栓36固定。

本发明的沥青面层层间机械摩阻强度测试方法，其步骤为：

(1)层间机械摩阻强度的计算方法；

(2)层间剪切试件的制备与安装；

(3)测试参数的选择与设定；

(4)启动加载装置并确定试件剪切破坏时的竖向荷载峰值。

本发明测试装置简单易行，理论预测方法简洁明了，能够有效获取沥青面层在两种级配组合类型下层间机械摩阻强度值，从而可以合理的设计级配组合类型，优化沥青路面层间抗剪切性能，使建成后的沥青路面维持良好的使用状态，保证其服务质量，该方法对沥青路面级配组合类型的设计与施工具有重要的意义。

附图说明

图1是本发明一种沥青面层层间机械摩阻强度测试装置结构示意图，图2为试件剪切夹具示意图，图3为试件成型切割示意图，图4为剪切试件结构示意图，图5为剪切试件层间状况示意图，图6为ac-13沥青混合料双对数曲线图，图7为ac-16沥青混合料双对数曲线图，图8为ac-20沥青混合料双对数曲线图，图9为ac-13和ac-16级配组合类型的沥青面层层间机械摩阻强度预测值及试验值，图10为ac-13和ac-16级配组合类型的沥青面层层间机械摩阻强度预测值及试验值。附图标记及对应的名称为：1——照明灯管、2——温度调节机、3——温度控制箱、4——防水层、5——绝缘层、6——高效绝热层、7——高低温交替管路、8——液压推力器、9——数据采集仪、10——计算机主机、11——显示器、12——温度传感器、13——顶梁、14——立柱、15——温度显示器、16——温度控制开关、17——压力传感器、18——竖向压头、19——横梁、20——竖向反力支撑、21——位移传感器、22——横向反力支撑、23——剪切装置、24——升降平台、25——弹簧支架、26——弹簧底座、27——主机操控按钮、28——传动箱、29——上层试件剪切夹具、30——试件固定螺栓、31——上层试件、32——下层试件剪切夹具、33——下层试件、34——层间接触界面、35——试模侧板、36——试模固定螺栓、37——拉杆、38——剪切试件、39——试模底板。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做出进一步的说明：一种沥青面层层间机械摩阻强度测试装置及方法，如图1～如图5所示，一种沥青面层层间机械摩阻强度测试装置包括：温度控制机构、加载机构、剪切机构和操作控制机构。所述温度控制机构包括：温度控制箱3、温度调节机2、温度传感器12、温度显示器15、照明灯管1、高低温交替管路7、高效绝热层6、绝缘层5、防水层4和温度控制开关16；所述防水层4铺设于温度控制箱3内壁，并与绝缘层5相连；所述高效绝热层6铺设于绝缘层5表面；所述照明灯管1置于温度控制箱3内部顶端；所述温度传感器12固定于高效绝热层6表面并与温度控制箱3外侧的温度显示器15相连；所述高低温交替管路7置于温度控制箱3内部两侧，并与温度控制箱3外侧的温度控制开关16相连；所述加载机构置于温度控制箱3内部；所述加载机构包括：传动箱28、立柱14、横梁19、顶梁13、升降平台24、数据采集仪9、竖向压头18、液压推力器8、主机操控按钮27、压力传感器17、位移传感器21。所述传动箱28置于温度控制箱内3部底座；所述立柱14垂直固定于传动箱28的上表面并与横梁19垂直相连；所述竖向压头18和液压推力器8分别固定于横梁19和立柱14上；所述压力传感器17一端固定于竖向压头18上，另一端与数据采集仪9相连；所述位移传感器21一端与下层试件剪切夹具32上表面接触，另一端通过导线与数据采集仪9相连；所述升降平台24与传动箱28相连并由传动箱28侧面安装的主机操控按钮27相连。所述剪切机构包括：剪切夹具、试件固定螺栓30、横向反力支撑22、竖向反力支撑20、弹簧支架25、弹簧底座26，所述剪切夹具包括上层试件剪切夹具29和下层试件剪切夹具32；所述试件固定螺栓30分别设置在剪切夹具侧面；所述弹簧支架25一端与上层剪切夹具29相连，另一端与传动箱3上表面弹簧底座26相连；所述横向反力支撑22与下层试件剪切夹具32下表面靠拢并与立柱14相连；所述竖向反力支撑20与横梁18相连并与上层试件剪切夹具29上表面相接触。所述操作控制机构包括计算机主机10和显示器11；计算机主机10连接显示器11并与数据采集仪9相连。所述试件成型模具包括试模底板39、试模侧板35、试模固定螺栓36、拉杆37；所述试模底板39与试模侧板35装配完成，通过拉杆37连接并由试模固定螺栓36固定。

如图1所示，所述的温度控制箱可在工作时间范围内保持恒温，温度控制精度为0.1℃；所述压力传感器17的测量精度为1n；所述位移传感器21的测量精度为0.1mm。

如图1所示，为模拟实际沥青路面受载状况，竖向荷载可通过液压推力器8进行施加，其最大量程为50kn，此外，本发明通过加载平台对试件施加剪切应力，当加载平台带动上层剪切夹具32与竖向反力支撑20产生接触，使得上层剪切夹具31受到竖向约束而不再产生位移，剪应力通过上层剪切夹具32传递至竖向反力支撑20，再由竖向反力架20通过横梁19传递至竖向压头18，最后经压力传感器传输至数据采集仪9，竖向荷载可施加的最大量程为50kn，加荷速率可控制在0.1mm/min～50mm/min范围。

如图1所示，所述弹簧支架25，其弹性性能符合胡克定律，可在剪切试验过程中抵消上层剪切试件发生剪切破坏时受自身重力的影响，从而减小试验误差。

如图2所示，所述上层试件剪切夹具29和下层试件剪切夹具32采用不锈钢制成，尺寸均为100mm×100mm×150mm，待试件装配完成后，可通过试件固定螺栓30将试件进行固定。

如图3所示，为模拟实际沥青面层的成型过程，采用轮碾法进行试件的成型，成型后的试件为100mm×100mm×120mm的立方体试件。

如图4～5所示，层间剪切试件由上层试件31和下层试件33构成，其尺寸均为100mm×100mm×50mm，层间界面由分布复杂的微凸体构成。

本发明的沥青面层层间机械摩阻强度测试方法，其步骤为：：

(1)层间机械摩阻强度的计算方法；

(2)层间剪切试件的制备与安装；

(3)测试参数的选择与设定；

(4)启动加载装置并确定试件剪切破坏时的竖向荷载峰值。

在上述测试方法(1)中层间机械摩阻强度计算方法步骤如下：

(1)两种级配类型沥青混合料粗糙表面分形维数的确定；

两种级配沥青混合料粗糙表面的分形维数根据式(1)对矿质集料级配参数进行双对数函数曲线拟合得到：

式中：p(r)为集料筛分过程中r档集料通过的百分率；m(r)为不大于尺寸r的总质量/g；m0为系统集料的总质量/g；r为某一档集料的粒径/mm；rmax为该集料组成中最大粒径/mm；d为沥青混合料粗糙表面的分形维数。

(2)两种级配组合类型沥青面层层间有效接触面积的确定；

两种级配组合类型沥青面层层间有效接触面积根据式(2)进行计算：

式中：as为两级配类型沥青面层层间接触的有效面积；di、dj为某一级配沥青混合料粗糙表面的分形维数；g为反映轮廓幅值大小的尺度系数；σs为较软材料的屈服强度；e为材料的复合弹性模量。

(3)两种级配组合类型沥青面层层间机械摩阻系数的确定；

两种级配组合类型沥青面层层间机械摩阻系数通过式(3)～(4)进行计算：

①当d≠1.5时，

②当d＝1.5时，

式中：h为集料的硬度；υ为沥青混合料的泊松比；aa为层间接触名义接触面积。

(4)有效接触面积下沥青面层层间机械摩阻强度的理论预测方法；

有效接触面积下沥青面层层间机械摩阻强度的理论预测方法，可通过剪切试验结果获取试件发生剪切破坏时的竖向荷载值p，然后根据式(5)～(6)对其层间机械摩阻强度进行计算。

①当d≠1.5时，

②当d＝1.5时，

(5)有效接触面积下沥青面层层间机械摩阻强度的试验分析方法。

有效接触面积下沥青面层层间机械摩阻强度的试验分析，可根据剪切试验结果获取试件发生剪切破坏时的竖向荷载值p及剪切荷载p0，然后根据式(7)对其层间机械摩阻强度进行计算。

在上述测试方法(2)中层间剪切试件的制备与安装步骤如下：

(1)去除试件成型模具表面浮尘，将试件成型模具放入140℃的烘箱中，恒温放置4小时；

(2)确定上、下面层级配类型以及粘层材料类型并成型300mm×300mm×50mm的下面层试件，然后在干燥洁净的室温环境下放置12h后，按规范要求铺设300mm×300mm×50mm的上面层，待试件成型完毕，在干燥的室温环境中静置6h，采用岩石切割机将复合试件切割成尺寸为100mm×100mm×120mm的立方体试件；

(3)将剪切试件放入上、下层试件剪切夹具中，并采用试件固定螺栓将试件固定。

在上述测试方法(3)中测试参数的选择与设定可依据测试要求对测试温度及加载速率进行设定。

在上述测试方法(4)中启动加载装置并确定试件剪切破坏时的竖向荷载峰值，其中试件剪切破坏时竖向荷载峰值可通过显示器界面上的加载曲线直接读取。

下面用几个具体的计算实例进一步展开本发明

实施例1：

选用沥青面层常用的ac-13和ac-16级配的沥青混合料，根据配合比设计试验获取两种沥青混合料级配曲线拟合参数，结果分别见表1和表2：

表1ac-13沥青混合料级配曲线参数拟合表：

表2ac-16沥青混合料级配曲线参数拟合表：

根据表1和表2的拟合结果绘制ac-13和ac-16两种级配沥青混合料双对数曲线图，见附图6、附图7，然后按照式(1)确定两种级配沥青混合料粗糙表面的分形维数分别为：d13＝1.4919；d16＝1.4939。

将ac-13和ac-16两种级配沥青混合料粗糙表面分形维数d13＝1.4919；d16＝1.4939分别代入式(2)，得到在量纲为1的状况下，该级配组合类型的沥青路面层间有效接触面积为：as13-16＝ar-13×ar-16＝0.74583，再根据本发明所述的剪切试件尺寸计算得出，其层间有效接触面积为：ar＝0.1×0.12×0.74583＝0.00895m²。

为计算两级配组合类型沥青面层层间机械摩阻系数，确定出合理的计算参数为：g²＝10^-13；e＝1200mpa；υ＝3；h＝6.0mpa；σs＝0.12mpa。然后将基本参数带入式(3)得：f13-16＝0.2120。

通过沥青面层层间机械摩阻强度试验测得，在加载温度为20℃，加载速率为50mm/min的条件下，ac-13和ac-16级配组合类型的沥青面层，其层间剪切破坏时，竖向荷载值及剪切荷载值见表3。

表3ac-13、ac-16级配组合类型沥青面层层间剪切破坏时竖向荷载值及对应的剪切荷载值：

将ac-13和ac-16级配组合类型剪切试件的层间机械摩阻系数f13-16、层间有效接触面积ar、以及层间剪切破坏时的竖向荷载值p及对应的剪切荷载值p0分别代入式(5)、式(7)中，得出在加载温度为20℃，加载速率为50mm/min的条件下，该级配组合类型的沥青面层层间机械摩阻强度预测值及试验值，见附图9。

由附图9可以看出，在同一加载条件和同一竖向荷载作用下，ac-13和ac-16级配组合类型沥青面层层间机械摩阻强度实测值与预测值基本相近，说明预测计算方法具有较高的精度，具体来看，实测值略大于预测值，反映出本预测结果相对保守，对实际工程应用具有重要的意义。

实施例2：

同样选用沥青面层常用的ac-13和ac-20两种级配的沥青混合料，根据配合比设计试验获取两种沥青混合料级配曲线拟合参数，结果分别见表1和表4。

表4ac-20沥青混合料级配曲线参数拟合表：

根据表1和表4的拟合结果绘制ac-13和ac-20两种级配沥青混合料双对数曲线图，见附图6、附图8，然后按照式(1)确定两种级配沥青混合料粗糙表面的分形维数分别为：d13＝1.4919；d20＝1.4948。

将ac-13和ac-20两种级配沥青混合料粗糙表面分形维数d13＝1.4919；d20＝1.4948分别代入式(2)，得到在量纲为1的状况下，该级配组合类型的沥青面层层间有效接触面积为：as13-20＝ar-13×ar-20＝0.70652，再根据本发明所述的剪切试件尺寸计算得出，其层间有效接触面积为：ar＝0.1×0.12×0.70652＝0.00848m²。

为计算两级配组合类型沥青面层层间机械摩阻系数，确定出合理的计算参数为：g²＝10^-13；e＝1200mpa；υ＝3；h＝6.0mpa；σs＝0.12mpa。然后将基本参数带入式(3)得：f13-20＝0.2364。

通过沥青面层层间机械摩阻强度试验测得，在加载温度为20℃，加载速率为50mm/min的条件下，ac-13和ac-20级配组合类型的沥青路面，其层间剪切破坏时，竖向荷载值及剪切荷载值见表5。

表5ac-13、ac-20级配组合类型沥青面层层间剪切破坏时竖向荷载值及对应的剪切荷载值

将ac-13和ac-20级配组合类型剪切试件的层间机械摩阻系数f13-20、层间有效接触面积ar、以及层间剪切破坏时的竖向荷载值p及对应的剪切荷载值p0分别代入式(5)、式(7)中，得出在加载温度为20℃，加载速率为50mm/min的条件下，该级配组合类型的沥青面层层间机械摩阻强度预测值及实测值，见附图10。

由附图10可以看出，在同一加载条件和同一竖向荷载作用下，ac-13和ac-20级配组合类型沥青面层层间机械摩阻强度实测值与预测值基本相近，说明预测计算方法具有较高的精度，具体来看，实测值略大于预测值，反映出本预测结果相对保守，对实际工程应用具有重要的意义。

综上所述，通过一种沥青面层层间机械摩阻强度测试装置及方法，可以准确的评价不同级配组合类型下，沥青面层层间机械摩阻强度值，从而能够为优化沥青面层层间抗剪切性能提供技术支撑，使建成后的沥青路面维持良好的使用状态，保证其服务质量。