刚性路面沥青加铺层自上而下裂缝试验装置及方法

1.本发明主要涉及道路交通试验领域，尤其涉及一种刚性路面沥青加铺层自上而下裂缝试验装置及基于该装置的试验方法。


背景技术：

2.我国路面在早期损坏较为严重，路面结构的使用寿命常低于设计年限，迫切需要提高道路工程的耐久性，促进我国交通运输事业更快、更好地发展，助力交通强国建设。
3.连续配筋混凝土刚性路面沥青加铺层是在连续配筋混凝土上加铺沥青混凝土面层的复合式路面，能充分满足重载交通条件下路面结构的耐久性要求，是我国重载交通长寿命路面结构的主要发展形式。在工程实践及前期研究中发现，crc+ac刚性路面沥青加铺层车辙深度相对较小，主要病害为沥青面层开裂。top-down裂缝也称自上而下裂缝，作为裂缝类病害的一类，主要表现为行车道轮迹带附近的纵向裂缝，以及少数收费站或交叉口车辆频繁制动造成的横向裂缝和爬坡路段表面的“u”型推移开裂。
4.crc+ac刚性路面沥青加铺层路面作为一种前期投资成本较高的耐久性路面，沥青面层的开裂行为如不能有效控制，将增加养护费用并影响沥青面层的使用寿命，甚至会对crc板的耐久性产生影响。因此需要一种有针对性的试验设备和方法，研究自上而下裂缝并指导crc+ac刚性路面沥青加铺层路面的设计。
5.通过反复研究和试验发现，在车辆荷载作用下，路面结构除了受到垂直路面结构的压力还受到一定的侧向和纵向水平力，然而现有技术的几种试验方法和试验装置并不能体现实际中路面受力状况。例如已公开的关于top-down裂缝的实用新型专利（cn 204177677 u）和发明专利（cn 104615891 a）提供了一种top-down裂缝的试验装置和对应分析方法，该试验装置和方法主要针对柔性基层路面、且装置仅直接模拟轮胎的轮迹并简化为矩形，施加的荷载仅为竖直向下的压力，与车辆在行车中路面受到垂直于行车方向的横向水平力、与行车方向相反的纵向水平力以及竖向压力的情况均不符。这导致试验结果并不精准和科学，影响crc+ac路面的科学设计。
6.同时，由于刚性路面沥青加铺层自上而下裂缝试验需要多次进行，试验中设备可能会受损，因此，如何延长设备使用寿命、如何能够对设备进行快速、便捷的更换维护，也是一个亟待解决的问题。


技术实现要素：

7.本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构简单紧凑、便于安装维护、可以准确模拟实际行车中刚性路面沥青加铺层受力情况、试验精度高的刚性路面沥青加铺层自上而下裂缝试验装置，还提供两种基于本试验装置的试验方法。
8.为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：一种刚性路面沥青加铺层自上而下裂缝试验装置，包括加载机构和用于放置于试件上的分力机构，所述加载机构用于和加压机构连接、以朝下挤压分力机构进行试验；所述
分力机构包括两根以上的安装杆，所述安装杆上从左至右穿设有多组分力板组件、以用于模拟车轮胎面，所述安装杆上于相邻两个分力板组件之间均套设有弹性件、以用于使多组分力板组件呈间隔布置，每组所述分力板组件均包括两块在弹性件挤压作用下贴合在一起的分力板，每块所述分力板的顶面均前高后低呈倾斜坡面设置，且每块所述分力板的顶面均呈左右方向的倾斜坡面设置、以用于使每个分力板组件的顶面形成v形槽状；所述加载机构包括加载板和多个固定于加载板底面上的压头，多个所述压头均与下方的多组分力板组件位置一一对应，每个所述压头的底面均前低后高呈倾斜坡面设置且竖向截面呈v形、用于下压时挤压分力板组件的顶面以将压头下压的竖向力转化为分力板组件对试件的竖向力、纵向力和横向力。
9.作为本发明的进一步改进，所述安装杆上处于左右两端最外侧的两块分力板均通过一个固定组件紧固安装于安装杆上、以使下压时两块分力板不发生位移，每个所述固定组件均包括内固定螺母和外固定螺母、以用于将分力板夹持固定于安装杆上，所述两块分力板的内侧面上均开设有凹陷的固定孔、以用于嵌入安装内固定螺母。
10.作为本发明的进一步改进，除所述最外侧的两块分力板之外的其他每块分力板顶面的前后方向的坡面倾斜角度和左右方向的坡面倾斜角度均为11.31
°
，每个所述压头底面的前后方向的坡面倾斜角度和左右方向的坡面倾斜角度也均为11.31
°
，所述最外侧的两块分力板顶面的左右方向的坡面倾斜角度均小于11.31
°
、以用于使压头下压时不接触所述最外侧的两块分力板。
11.作为本发明的进一步改进，所述安装杆上设有五组分力板组件、以用于模拟子午线轮胎面。
12.作为本发明的进一步改进，相邻两组分力板组件之间的间距为1厘米。
13.作为本发明的进一步改进，每块所述分力板的底面均设有橡胶层。
14.作为本发明的进一步改进，所述压头的底面上或者分力板的顶面上涂设有润滑油。
15.作为本发明的进一步改进，所述加载板的顶面上设有连接杆、以用于和加压机构形成可拆卸连接。
16.一种刚性路面沥青加铺层自上而下裂缝开裂试验方法，使用如上任意所述的试验装置，步骤如下：步骤1），根据试验要求选取对应的刚性路面沥青加铺层块作为试件，将加载机构和加压机构连接，将分力机构放置于试件上、并使分力机构处于加载机构的下方；步骤2），启动加压机构，使加压机构驱动加载机构按照1.5~2.5mm/min的速度朝下压，使多个压头分别压在多个分力板组件上，并使多个分力板组件挤压下方的试件；步骤3），当试件被挤压产生裂纹时，记录加压机构此时的载荷值即为造成试件开裂的竖向力大小，也即造成刚性路面沥青加铺层自上而下开裂的轴载大小。
17.一种刚性路面沥青加铺层自上而下裂缝疲劳试验方法，使用如上任意所述的试验装置，步骤如下：步骤1），根据试验要求选取对应的刚性路面沥青加铺层块作为试件，将加载机构和加压机构连接，将分力机构放置于试件上、并使分力机构处于加载机构的下方；步骤2），根据要模拟的轴重启动加压机构并设定试验荷载，使加压机构按照试验
荷载驱动加载机构下压，使多个压头分别压在多个分力板组件上，并使多个分力板组件挤压下方的试件；步骤3），下压加载达到试验荷载后使加压机构提升并再次加载下压，重复至试件破坏，试件破坏时的最大下压次数即为该试验荷载水平下刚性路面沥青加铺层自上而下疲劳开裂寿命。
18.与现有技术相比，本发明的优点在于：一是本发明的刚性路面沥青加铺层自上而下裂缝试验装置，设计有特殊结构的加载机构和分力机构，在试验时能够成功的将下压的竖向力转化为对试件的竖向力、纵向力和横向力，进而准确的模拟了实际行车中刚性路面沥青加铺层受力情况，使得试验精度高。
19.二是本发明的刚性路面沥青加铺层自上而下裂缝试验装置，结构简单紧凑，适应性强，能够快速的和现有技术的加压机构对接并开展试验，制作成本低，便于推广应用。并且这种结构能够便于各个部件的拆卸和替换，一旦发生装置损坏的情况时，可按需替换装置零部件，使得维护成本低。
20.三是本发明的刚性路面沥青加铺层自上而下裂缝试验装置，左右两端最外侧的两块分力板均采取保护固定措施，这是为了使分力机构保持整体结构稳固性，挤压时整体不发生倾斜等较大形变，才能保证中间其他各分力板的位移正常。通过设置内固定螺母和外固定螺母，使得能够在维护时快速的取下分力板或者弹性件，进而快速的对损坏的分力板或者弹性件进行更换。同时，通过设置凹陷的固定孔嵌入安装内固定螺母，使得内固定螺母不会对紧挨的另一块分力板造成阻碍。
21.四是本发明的刚性路面沥青加铺层自上而下裂缝试验装置，通过反复的、多次的研究和试验，11.31
°
的特殊角度设置，和前述的特殊的结构设置相配合，可以使得试验时竖向力能够最佳的转化为横向水平力和纵向水平力，进而准确的模拟了实际行车中刚性路面沥青加铺层受力情况。
22.五是本发明的刚性路面沥青加铺层自上而下裂缝试验装置，压头下压时不接触最外侧的两块分力板，能够真实的模拟实际子午线轮胎实际接地形状，有效保证了试验精度。
23.六是本发明的试验方法，可以快速的得出造成刚性路面沥青加铺层自上而下开裂的轴载大小数值，以及试验荷载水平下刚性路面沥青加铺层自上而下疲劳开裂寿命的数值，试验效率高、试验精度高。
附图说明
24.图1是本发明的试验装置在和加压机构配合使用时的结构原理示意图。
25.图2是本发明的试验装置压在试件上时的立体结构原理示意图。
26.图3是图2的局部放大结构原理示意图。
27.图4是本发明的加载机构的正视结构原理示意图。
28.图5是本发明的加载机构的侧视结构原理示意图。
29.图6是本发明的加载机构的立体结构原理示意图。
30.图7是本发明的分力机构的正视结构原理示意图。
31.图8是本发明的分力机构的侧视结构原理示意图。
32.图9是本发明的分力机构的俯视结构原理示意图。
33.图10是本发明的分力机构的立体结构原理示意图。
34.图中各标号表示：1、加载机构；11、加载板；111、连接杆；12、压头；2、分力机构；21、安装杆；22、分力板组件；221、分力板；23、弹性件；24、外固定螺母；25、内固定螺母；31、控制台；32、环境箱；33、加压驱动器；34、支撑平台。
具体实施方式
35.以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
36.如图1至图10所示，本发明提供一种刚性路面沥青加铺层自上而下裂缝试验装置，包括加载机构1和用于放置于试件上的分力机构2，加载机构1用于和加压机构连接、以朝下挤压分力机构2进行试验；在本实施例中，选用现有技术中的材料试验机作为加压机构，使得本试验装置适应性强，能够直接适用现有技术中的设备。如图1所示，材料试验机包括了控制台31、环境箱32、加压驱动器33、支撑平台34，支撑平台34处于环境箱32内，支撑平台34上用于放置试件。控制台31和加压驱动器33连接、且控制台31可输入试验数据用于控制加压驱动器33朝下挤压。
37.需要特别说明的是，本发明中的左右、前后、上下等方向描述，是依据说明书附图进行对应说明，以便于正确的理解本装置的结构设置。如附图所示，附图中箭头a-b代表左-右方向，箭头c-d代表前-后方向，箭头e-f代表上-下方向。
38.在本实施例中，分力机构2包括两根以上的安装杆21，安装杆21上从左至右穿设有多组分力板组件22、以用于模拟车轮胎面（如附图7至图10所示，共设有五组分力板组件22）。安装杆21上于相邻两个分力板组件22之间均套设有弹性件23、以用于使多组分力板组件22呈间隔布置，每组分力板组件22均包括两块在弹性件23挤压作用下贴合在一起的分力板221。每块分力板221的顶面均前高后低呈倾斜坡面设置，如图8所示，从侧面看分力板221，其如同一个直角三角形，具有一个前高后低的斜坡面。并且每块分力板221的顶面均呈左右方向的倾斜坡面设置、以用于使每组分力板组件22的顶面形成v形槽状。也即如图7所示，图中共五组分力板组件22，从正前方看分力板221，其顶面也具有左右方向的斜坡面。但是需要说明的是，每组分力板组件22的两块分力板221的顶面斜坡面的倾斜方向相反，只有这才能够使得两块分力板221挨紧配合后使分力板组件22的顶面形成v形槽状，也即图中共五组v形槽状。
39.加载机构1包括加载板11和多个固定于加载板11底面上的压头12，多个压头12均与下方的多组分力板组件22位置一一对应，也即：有多少组分力板组件22就会对应设置有多少个压头12。每个压头12的底面均前低后高呈倾斜坡面设置且竖向截面呈v形、用于下压时挤压分力板组件22的顶面以将压头12下压的竖向力转化为分力板组件22对试件的竖向力、纵向力和横向力。也即：压头12的形状设置正好于下方的分力板组件22相反。如图6所示，从侧面看压头12，其如同一个倒置的直角三角形，具有一个前低后高的斜坡面（而分力板221为前高后低）。并且每个压头12的竖向截面呈v形，也即如图5所示，图中共五个压头12，从正前方看每个压头12，其竖向截面均呈v形，这正好和下方的分力板组件22的顶面v形槽状相配合，使得压头12能够压入v形槽内。
40.具体实施原理如下：
试验前，根据试验要求选择刚柔复合式试件的基层厚度、沥青层厚度以及层间处治方式。然后将该试件（如图1中所示的m）放置于支撑平台34上。将分力机构2放置于试件上，并将加载机构1和加压驱动器33的驱动杆连接，然后通过控制台31控制加压驱动器33朝下挤压。
41.此时，加压驱动器33带动加载机构1朝下移动，使得每个压头12均接触并挤压下方的分力板组件22。分力板组件22进而挤压并作用于下方的试件上，当试件由于挤压而产生裂纹破坏时，记录材料试验机3此时的载荷值即为造成试件开裂的竖向力大小，也即造成刚性路面沥青加铺层自上而下开裂的轴载大小。具体试验方法在下方进行详述。
42.需要强调的是，在上述加压过程中，由于每个压头12的底面均前低后高呈倾斜坡面设置，且每块分力板221的顶面均前高后低呈倾斜坡面设置，这种前后方向的倾斜坡面与倾斜坡面的滑动配合，使得压头12在持续下压过程中，分力板221会发生前后方向的滑动，这一前后方向的滑动即能够将压头12下压的竖向力转化为分力板组件22对试件的纵向力。同时，由于每个压头12的竖向截面呈v形（也即具有左右方向的倾斜坡面），且每块分力板221的顶面均呈左右方向的倾斜坡面设置，这种左右方向的倾斜坡面与倾斜坡面的滑动配合，使得压头12在持续下压过程中，同时还会使得两块分力板221发生左右方向的滑动（同一组的两块分力板221，处于左侧的分力板221朝左滑动，处于右侧的分力板221朝右滑动），这一左右方向的滑动即能够将压头12下压的竖向力转化为分力板组件22对试件的横向力。加之压头12本身下压造成的竖向力，也即能够成功的转化为分力板组件22对试件的竖向力、纵向力和横向力，进而准确的模拟了实际行车中刚性路面沥青加铺层受力情况，使得试验精度高。
43.还需要特别说明的是，在本实施例中，弹性件23为套设在安装杆21上的弹簧。弹性件23具有多重特殊的作用。一是由于每组分力板组件22的两块分力板221为了实现左右不同方向的位移，必须要分开设置，而设置弹性件23保证同一组的分力板221在加载下压前是紧密贴合的，使每组分力板组件22在加载下压时同时受力，保证了科学性和试验精度。二是由于试验是多次的，每次下压后，在弹性件23的作用下，位移的分力板221能够快速的复位，便于下次加载下压的开展。三是安装杆21的穿设限位作用加上弹性件23的挤压微调作用，能限制分力板221的位移，保证每次位移是科学可控的，而非一下压就随意位移进而影响试验的科学性和试验精度。当然，在其他实施例中，也可以设置其他的弹性件，例如橡胶圈、硅胶圈等，都应属于本发明的保护范围。
44.通过以上特殊的科学设计，具有如下技术优点：一是本发明的刚性路面沥青加铺层自上而下裂缝试验装置，设计有特殊结构的加载机构1和分力机构2，在试验时能够成功的将下压的竖向力转化为对试件的竖向力、纵向力和横向力，进而准确的模拟了实际行车中刚性路面沥青加铺层受力情况，使得试验精度高。
45.二是本发明的刚性路面沥青加铺层自上而下裂缝试验装置，结构简单紧凑，适应性强，能够快速的和现有技术的加压机构对接并开展试验，制作成本低，便于推广应用。并且这种结构能够便于各个部件的拆卸和替换，一旦发生装置损坏情况时，可按需替换部分零件，使得维护成本低。
46.如图7至图10所示，进一步，在较佳实施例中，安装杆21上处于左右两端最外侧的
两块分力板221均通过一个固定组件紧固安装于安装杆21上、以使下压时两块分力板221不发生位移，每个固定组件均包括内固定螺母25和外固定螺母24、以用于将分力板221夹持固定于安装杆21上，两块分力板221的内侧面上均开设有凹陷的固定孔、以用于嵌入安装内固定螺母25。
47.左右两端最外侧的两块分力板221均采取了保护固定措施，这是为了使分力机构2保持整体结构稳固性，挤压时整体不发生倾斜等较大形变，才能保证中间其他各分力板221的位移正常。在其他实施例中，可以将最外侧的两块分力板221焊死在安装杆21上。而通过设置内固定螺母25和外固定螺母24，使得能够在维护时快速的取下分力板221或者弹性件23，进而快速的对损坏的分力板221或者弹性件23进行更换。同时，通过设置凹陷的固定孔嵌入安装内固定螺母25，使得内固定螺母25不会对紧挨的另一块分力板221造成阻碍。
48.进一步，在较佳实施例中，除最外侧的两块分力板221之外的其他每块分力板221顶面的前后方向的坡面倾斜角度和左右方向的坡面倾斜角度均为11.31
°
，每个压头12底面的前后方向的坡面倾斜角度和左右方向的坡面倾斜角度也均为11.31
°
，最外侧的两块分力板221顶面的左右方向的坡面倾斜角度均小于11.31
°
、以用于使压头12下压时不接触最外侧的两块分力板221（图3中可见）。以上设置具有特殊的科学讲究：首先，通过反复的、多次的研究和试验，11.31
°
的特殊角度设置，和前述的特殊的结构设置相配合，可以使得试验时竖向力能够最佳的转化为横向水平力和纵向水平力，进而准确的模拟了实际行车中刚性路面沥青加铺层受力情况。其次，最外侧的两块分力板221坡面倾斜角度均小于11.31
°
，使压头12下压时不接触最外侧的两块分力板221。也即最外侧的两块分力板221不会直接受到上方压头12的挤压作用，但是会被整体下移的安装杆21带动下压。这就使得该两块分力板221只有朝下的下压力、和因为分力板组件22整体前后方向滑动而造成的纵向力，而不会出现受压头12的作用而转化出的横向力。这么特殊的设置是因为：为了真实的模拟实际子午线轮胎接地形状，因为在实际情况中，车辆正常行驶状态下子午线轮胎最外侧的轮迹带没有向外的横向力。试想：如果最外的两块分力板221也完全与压头12贴合的话，在该两块分力板221被固定的前提下，随着压头12下压，其他分力板221并不是完全固定，可以产生横向位移，但由于最外侧的两块分力板221不能向外侧移动，会导致下压刚开始各组分力板221有一定的横向力，随着位移变大横向力不能达到预期设计的大小，并会增大纵向力，进而影响试验结果精度，导致试验失败。
49.如图7至图10所示，进一步，在较佳实施例中，安装杆21上设有五组分力板组件22、以用于模拟子午线轮胎面。子午线轮胎是当前最具代表性的轮胎，通过以上设置，使得本装置可以尽可能真实的模拟出实际路面被下压的情况，科学性和实用性大大增强。
50.进一步，在较佳实施例中，相邻两组分力板组件22之间的间距为1厘米。这种间距设置保证了本装置的正常进行，保证了试验精度。
51.进一步，在较佳实施例中，每块分力板221的底面均设有橡胶层，以用于模拟橡胶轮胎压地的真实表现。
52.进一步，在较佳实施例中，压头12的底面上或者分力板221的顶面上涂设有润滑油。便于每个压头12和每块分力板221的滑动配合，减小摩擦力。
53.如图4至图6所示，进一步，在较佳实施例中，加载板11的顶面上设有连接杆111、以用于和加压机构形成可拆卸连接，使得本装置安装、拆卸方便。
54.基于上述的技术特征描述，本发明还提供一种刚性路面沥青加铺层自上而下裂缝开裂试验方法，使用如上任意的试验装置，步骤如下：步骤1），根据试验要求选取对应的刚性路面沥青加铺层块作为试件，将加载机构1和加压机构连接，将分力机构2放置于试件上、并使分力机构2处于加载机构1的下方；步骤2），启动加压机构，使加压机构驱动加载机构1按照1.5~2.5mm/min的速度朝下压，使多个压头12压在多个分力板组件22上，并使多个分力板组件22挤压下方的试件；步骤3），当试件被挤压产生裂纹破坏时，记录加压机构此时的载荷值即为造成试件开裂的竖向力大小，也即造成刚性路面沥青加铺层自上而下开裂的轴载大小。
55.通过以上方法和设备，可以快速的得出造成刚性路面沥青加铺层自上而下开裂的轴载大小数值，试验效率高、试验精度高。
56.基于上述的技术特征描述，本发明还提供一种刚性路面沥青加铺层自上而下裂缝疲劳试验方法，使用如上任意的试验装置，步骤如下：步骤1），根据试验要求选取对应的刚性路面沥青加铺层块作为试件，将加载机构1和加压机构连接，将分力机构2放置于试件上、并使分力机构2处于加载机构1的下方；步骤2），根据要模拟的轴重启动加压机构并设定试验荷载，使加压机构按照试验荷载驱动加载机构1下压，使多个压头12压在多个分力板组件22上，并使多个分力板组件22挤压下方的试件；步骤3），下压加载达到试验荷载后使加压机构提升并再次加载下压，重复至试件破坏，试件破坏时的最大下压次数即为该试验荷载水平下刚性路面沥青加铺层自上而下疲劳开裂寿命。
57.通过以上方法和设备，可以快速的得出试验荷载水平下刚性路面沥青加铺层自上而下疲劳开裂寿命的数值，试验效率高、试验精度高。
58.虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。