[發明專利]一種復合式路面結構強度及疲勞的壓剪測試裝置

在審

• 申請號: 201711260634.0
• 申請日: 2017-12-04
• 公開（公告）號: CN107831070A
• 公開（公告）日: 2018-03-23
• 發明（設計）人: 劉朝暉;黃優;劉靖宇;柳力;劉俊豪;楊程程;許博;廖美婕
• 申請（專利權）人: 長沙理工大學
• 主分類號: G01N3/08
• 分類號: G01N3/08;G01N3/24;G01N1/28
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于道路工程領域，涉及一種復合式路面結構強度及疲勞的壓剪測試裝置。

背景技術

路面結構的組合形式有很多，按照各層筑路材料剛度的差異性可分為三類：全柔式(全厚式)路面結構、半剛性路面結構和剛柔復合式路面結構。其中，半剛性路面結構和剛柔復合式路面結構統稱為復合式路面結構，因為我國自然資源和經濟條件的限制，大部分高速公路、城市道路及各級公路均為復合式結構。

參考我國現行規范，強度及疲勞壽命是路面設計的兩個重要指標，針對這兩個指標的試驗方法很多：無側限抗壓強度采用單軸壓縮的加載方式實現不同材料的強度試驗，但其研究對象僅限于材料，且單軸壓縮的加載方式未必符合實際路面受力情況；貫入試驗可以在60℃條件下實現瀝青混合料的抗剪強度及疲勞試驗，但其目的是為了評價瀝青混合料的抗剪切性能；三軸剪切試驗可以實現有圍壓條件下的瀝青混合料剪切試驗，但其研究對象也僅是單一的材料，且其儀器精貴、操作復雜，圍壓的取值也有待商榷。復合式瀝青路面層間剪切試驗突破了單一材料的限制，針對剛柔復合式路面結構進行了創新，但其目的是評價層間膠結材料的性能。

總之，現有的試驗方法均限于單一荷載和材料的性能，忽視了結構對材料性能的影響，也沒有考慮真實道路結構承受的復雜應力狀態。事實上，除材料性能外，荷載大小及狀態、溫度濕度、結構厚度、組合形式等均會影響路面結構的服役壽命，復合式路面結構的破壞形式也絕非單一材料破壞或層間剪切滑移。因此，現有的試驗方法還難以準確地評價或預估復合式路面的結構強度和疲勞壽命。

綜上所述，本發明通過壓剪荷載狀態、環境控制、結構組合和小尺寸壓頭來還原復合式路面結構的實際服役情況，更能揭示剛柔復合式路面結構的破壞方式和機理，對指導道路設計與施工、延長道路服役壽命有重要的現實意義和工程價值。

發明內容

本發明的目的在于利用現有技術，研制開發出一種復合式路面結構強度及疲勞的壓剪測試裝置，以解決復合式路面結構缺乏合理的結構強度及疲勞性能評價方法的問題。

為實現上述目的，本發明的技術方案是：一種復合式路面結構強度及疲勞的壓剪測試裝置，其特征在于，包括加載系統、試驗系統、控制系統；所述的加載系統是液壓伺服MTS試驗機；所述的試驗系統從上至下依次包括球形支座、壓頭、復合試件、卡環、底座和環境箱，其中，球形支座作為中轉裝置通過螺紋分別與MTS試驗機和壓頭緊密嚙合，卡環焊接在底座上，球形支座、壓頭、復合試件、卡環和底座均在環境箱的內部；所述控制系統用于控制加載系統對復合試件整體進行壓剪試驗；

所述壓頭直徑為26mm，且壓頭和底座均與水平方向呈26°34’夾角，所述球形支座允許壓頭在±5°之間轉動；

所述環境箱可以控制測試過程中的溫度和濕度，所述復合試件根據需要復合試件基層和面層厚度可以是4+4cm、4+5cm和4+6cm的結構組合形式，可通過室內成型或現場鉆芯獲得；

作為一種總的發明構思，除上述的一種復合式路面結構強度及疲勞的壓剪測試裝置外，本發明還提供其詳細的測試方法，其步驟包括：

1、結構壓剪強度試驗步驟：對復合試件進行端部處理，保持其光滑、平整并放置在加載臺的卡環內固定，調整球形支座使壓頭平行于復合試件上表面，采用應變控制模式對復合試件進行加載，當所施加的荷載出現峰值時，認為復合結構達到其抵抗變形能力的極限，此荷載峰值即為試件的壓剪破壞荷載，可按下式計算其結構壓剪強度：

式中，F_max為加載荷載峰值，r為壓頭與試件接觸圓半徑；

2、結構壓剪疲勞試驗步驟：對復合試件進行端部處理，保持其光滑、平整并放置在加載臺的卡環內固定，調整球形支座使壓頭平行于復合試件上表面，并使壓頭與復合試件處于即將接觸的臨界狀態，通過加載系統對復合試件施加有間歇的半正弦循環荷載，加載頻率為10Hz，間歇時間為0.9s，荷載大小為0.2～0.8倍破壞荷載中的某個固定值，試件出現破壞時的荷載循環次數即為該應力水平下復合試件的結構壓剪疲勞壽命。

與現有技術相比，本發明的有益效果如下：

本發明提供的一種復合式路面結構強度及疲勞的壓剪測試裝置，突破了以往試驗方法僅針對單一荷載或材料的局限，實現了復合式路面在不同溫度、不同濕度、不同結構組合等條件下的結構壓剪試驗，還原了復合式路面結構在行車荷載下的真實響應狀態及損壞形式，為復合式路面結構的設計和施工提供了重要的試驗手段和評估方法，試驗設置更科學；