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    重庆时时彩软件计划手机版: 一种沥青路面结构层间断裂能的测试方法和装置.pdf

    关 键 词:
    一种 沥青路面 结构 间断 测试 方法 装置
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    摘要
    申请专利号:

    CN201510149540.0

    申请日:

    2015.03.31

    公开号:

    CN104713825A

    公开日:

    2015.06.17

    当前法律状态:

    授权

    有效性:

    有权

    法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G01N 19/04申请日:20150331|||公开
    IPC分类号: G01N19/04 主分类号: G01N19/04
    申请人: 山东大学
    发明人: 崔新壮; 金青; 汤潍泽; 黄丹; 侯飞; 张炯; 郑英杰; 楼俊杰
    地址: 250061山东省济南市历下区经十路17923号
    优先权:
    专利代理机构: 济南圣达知识产权代理有限公司37221 代理人: 杨琪; 崔苗苗
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    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201510149540.0

    授权公告号:

    ||||||

    法律状态公告日:

    2017.08.08|||2015.07.15|||2015.06.17

    法律状态类型:

    授权|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明公开了一种沥青路面结构层间断裂能的测试方法和装置,1)在方体模具中浇筑两层厚度相同、配比不同的沥青混合料,然后,在两层沥青混合料中间浇筑沥青层,凝结硬化后,得沥青混合料试件;2)在沥青混合料试件上取特定半径的圆柱形芯样,所述圆柱形芯样的轴截面与沥青混合料试件的中间沥青层位于同一平面内;3)采用盘形紧凑拉伸实验来测定圆柱形芯样的断裂能,即得沥青路面结构层间断裂能。能够评价干燥和有水情况下沥青路面结构层间的粘结能力,可评价干燥和有水情况下沥青路面结构层间粘结性能。

    权利要求书

    权利要求书
    1.  一种沥青路面结构层间断裂能的测试方法,其特征在于,
    1)在方体模具中浇筑两层厚度相同、配比不同的沥青混合料,然后,在两层沥青混合料中间浇筑沥青层,凝结硬化后,得沥青混合料试件;
    2)在沥青混合料试件上取特定半径的圆柱形芯样,所述圆柱形芯样的轴截面与沥青混合料试件的沥青层位于同一平面内;
    3)通过裂缝开口位移实验和数值模拟测定圆柱形芯样的断裂能,即得沥青路面结构层间断裂能。

    2.  如权利要求1所述的测试方法,其特征在于,上层沥青混合料采用的集料配比为10mm~20mm碎石44.4%、5mm~10mm碎石14.8%、3mm~5mm碎石5.3%、0mm~3mm碎石29.5%、矿粉4.7%、生石灰1.3%,石油沥青的用量为集料总质量的4.2%;下层沥青混合料采用的集料配比为20mm~30mm碎石22.2%、10mm~20mm碎石34.3%、5mm~10mm碎石8.0%、3mm~5mm碎石14.6%、机制砂15.8%、矿粉3.8%、生石灰1.3%,石油沥青的用量为集料总质量的3.9%,上述百分比皆为质量百分比。

    3.  如权利要求1所述的测试方法,其特征在于,所述的沥青层采用石油沥青浇筑而成,其中石油沥青的洒布量为1.5L/m3。

    4.  如权利要求1所述的测试方法,其特征在于,所述圆柱形芯样的半径为双层沥青混合料试件厚度的3/4。

    5.  权利要求1所述的测试方法,其特征在于,所述的沥青路面结构层间断裂能的具体求解步骤如下:
    利用拉力试验机进行裂缝开口位移实验,得出试件的荷载位移曲线,利用公式(1)计算出局部断裂功Wmeasured;然后采用嵌入式间断法对试件的沥青层进行数值模拟,确定裂缝宽度函数在软化区域的指数关系式(3),得出Gtail;最后通过公式(4)计算出Wtail,将Wmeasured与Wtail相加得到断裂总功Wf,将断裂总功代入公式(2),得出断裂能Gf
    Wf=∫P·du              (1)
    Gf=Wft*L---(2)]]>
    Wf=Wtail+Wmeasured,
    σ=fte-aw             (3)
    式中:σ为裂缝桥联应力;w为裂缝宽度;ft为最大抗拉强度;
    Wtail=∫CMODmaxPtaild(CMOD)=∫CMODmaxAK2tCMOD2·Ld(CMOD)=AK2tCMODmax·L---(4)]]>
    式中:α为1;K为试件底面从p点到切除边的垂直距离;t为试件厚度;CMODmax为沥青层开裂到软化区域时的试件开口位移;L为断裂面长度,所述局部断裂功Wmeasured通过荷载变形曲线和公式(1)求得。

    6.  一种沥青路面结构层间断裂能的测试装置,包括卡槽、卡柱、拉伸把手、拉力试验机,其特征在于,所述卡槽为柱形空心结构,底面为圆缺型,侧面由弧形面和矩形面围成,并沿卡槽的轴截面对称分割为左槽体和右槽体;所述左槽体和右槽体的弧形端相铰接;所述卡槽底面中心线两侧对称设置有两个圆柱形卡柱,所述卡槽的外侧对称设置有一对拉伸把手,所述拉伸把手分别与拉力试验机相连,所述试件上设置有与卡柱相对应的圆孔,并通过卡柱套装在所述卡槽中。

    7.  如权利要求6所述的测试装置,其特征在于,所述拉伸把手为矩形平板,与所述两个圆柱形卡柱的轴线位于同一平面内。

    8.  如权利要求6所述的测试装置,其特征在于,所述卡柱的半径为卡槽半径的1/8-1/7。

    9.  如权利要求6所述的测试装置,其特征在于,所述卡柱中心线到卡槽矩形面的距离为卡槽半径的1/15-1/8。

    10.  如权利要求6所述的测试装置,其特征在于,所述卡柱中心线到卡槽轴截面的距离为卡槽半径的1/15-1/8。

    说明书

    说明书一种沥青路面结构层间断裂能的测试方法和装置
    技术领域:
    本发明属于交通运输领域,提出了一种沥青路面结构层间断裂能的测试方法和装置。
    背景技术:
    有些沥青路面在建成后一两年内就出现了严重的路面病害,如拥包、新月形或马蹄形开裂和坑槽,严重地影响了路面行车安全。究其原因,主要是粘结层失效,导致层间剥离和滑移引起的。国内外已经认识到了沥青层层间粘结的重要性,层间粘结强度直接影响路面的使用性能和服务寿命。在交通荷载作用下,路面结构层间会出现拉应力,但现有的层间强度评价方法均没有考虑拉应力的影响,认为层间破坏主要是压剪破坏。在拉应力作用下沥青路面结构粘结层失效有两种破损形式:一种是粘聚性破坏即沥青膜内部的断裂,另一种是附着性破坏即沥青膜与集料之间的粘结破坏。目前已有的拉脱试验只能评价沥青膜在集料上的附着能力,不能用于评价沥青路面结构层间的粘结强度。因此目前缺乏能够全面反映沥青结构层间粘结强度的评价方法。
    发明内容:
    本发明基于断裂能理论,提出了一种能够全面反映沥青结构层间粘结能力的评价方法及其装置,能够评价干燥和有水情况下沥青路面结构层间的粘结能力,可评价干燥和有水情况下沥青路面结构层间粘结性能。
    为解决上述问题,本发明采用如下技术方案:
    一种沥青路面结构层间断裂能的测试方法,包括如下步骤:
    1)在方体模具中浇筑两层厚度相同、配比不同的沥青混合料,然后,在两层沥青混合料中间浇筑沥青层,凝结硬化后,得沥青混合料试件;
    2)在沥青混合料试件上取特定半径的圆柱形芯样,所述圆柱形芯样的轴截面与沥青混合料试件的沥青层位于同一平面内;
    3)通过裂缝开口位移实验和数值模拟测定圆柱形芯样的断裂能,即得沥青路面结构层间断裂能。
    进一步地,上层沥青混合料采用的集料配比为10mm~20mm碎石44.4%、5mm~10mm碎石14.8%、3mm~5mm碎石5.3%、0mm~3mm碎石29.5%、矿粉4.7%、生石灰1.3%,石油沥青的用量为集料总质量的4.2%;下层沥青混合料采用的集料配比为20mm~30mm碎石 22.2%、10mm~20mm碎石34.3%、5mm~10mm碎石8.0%、3mm~5mm碎石14.6%、机制砂15.8%、矿粉3.8%、生石灰1.3%,石油沥青的用量为集料总质量的3.9%,上述百分比皆为质量百分比。
    进一步地,所述的沥青层采用石油沥青浇筑而成,其中石油沥青的洒布量为1.5L/m3。
    进一步地,所述圆柱形芯样的半径为双层沥青混合料试件厚度的3/4。
    进一步地,所述的沥青路面结构层间断裂能的具体求解步骤如下:
    利用拉力试验机进行裂缝开口位移实验,得出试件的荷载位移曲线,利用公式(1)计算出Wmeasured;然后采用嵌入式间断法对试件的沥青层进行数值模拟,确定裂缝宽度函数在软化区域的指数关系式(3),得出Gtail;最后通过公式(4)计算出Wtail,将Wmeasured与Wtail相加得到断裂总功Wf,将断裂总功代入公式(2),得出断裂能Gf。
    Wf=∫P·du    (1)
    Gf=Wft*L---(2)]]>
    Wf=Wtail+Wmeasured,
    Wtail=∫CMODmaxPtaild(CMOD)=∫CMODmaxAK2tCMOD2·Ld(CMOD)=AK2tCMODmax·L---(4)]]>
    式中:α为1;K为试件底面从p点到切除边的垂直距离;t为试件厚度;CMODmax为沥青层开裂到软化区域时的试件开口位移;L为断裂面长度,所述局部断裂功Wmeasured通过荷载变形曲线和公式(1)求得;
    本发明还提供了一种沥青路面结构层间断裂能的测试装置,包括卡槽、卡柱、拉伸把手、拉力试验机,其特征在于,所述卡槽为柱形空心结构,底面为圆缺型,侧面由弧形面和矩形面围成,并沿卡槽的轴截面对称分割为左槽体和右槽体;所述左槽体和右槽体的弧形端相铰接;所述卡槽底面中心线两侧对称设置有两个圆柱形卡柱,所述卡槽的外侧对称设置有一对拉伸把手,所述拉伸把手分别与拉力试验机相连,所述试件上设置有与卡柱相对应的圆孔,并通过卡柱套装在所述卡槽中。
    优选的是,所述拉伸把手为矩形平板,与所述两个圆柱形卡柱的轴线位于同一平面内。
    优选的是,所述卡柱的半径为卡槽半径的1/8-1/7。
    优选的是,所述卡柱中心线到卡槽矩形面的距离为卡槽半径的1/15-1/8。
    优选的是,所述卡柱中心线到卡槽轴截面的距离为卡槽半径的1/15-1/8。
    发明原理:
    基于断裂能理论,通过盘形紧凑拉伸实验(DC(T))方法来测定沥青混凝土的断裂能,进而对沥青路面结构层间粘结性能做出评价。盘形紧凑拉伸实验的进行需要沥青路面结构层间粘结圆柱形试件(如图1(a))及相应的实验设备(如图1(b))。
    试件制备好后放入盘套中,对试件进行裂缝开口位移(CMOD)实验,得出荷载位移曲线图。试件的断裂功Wf用施加的荷载P和裂缝开口位移u表示,如式(1)所示:
    Wf=∫P·du    (1)
    则断裂能Gf可表示为:
    Gf=Wft*L---(2)]]>
    式中:L为断裂面长度(如图2所示);t为试件厚度。
    但是,由于测试的边界条件及测试设备的限制,裂缝开口位移(CMOD)实验无法得出的荷载位移曲线的尾部曲线,即该曲线是不完整的,所以通过上面的公式(1)和(2)得到的断裂功并不完整,断裂能并不准确。
    当裂缝开口位移(CMOD)实验即将结束时,裂缝的传递已经到了试件的顶端,这时荷载P也已经趋向于零,试件处于如图2所示的平衡状态,此时,整个试件即将形成以p点为连接点的两部分,乳化沥青层在靠近p点处的区域被称为软化区域。
    需要通过对试验模型所进行数值模拟,补齐试件的荷载位移曲线丢失部分所代表的断裂功,从而得到准确的断裂能。
    如图3(a)所示,试件的二维数值模型主要由三角弹性体积元素形成,但是为了便于由局部剖除的切口到顶端p点的裂缝形成,则在这一窄带区域用三角形状的嵌入式不连续元素模拟。嵌入式间断法(EDM)的元素在开裂后拉伸行为可以定义为裂缝宽度函数w,通过数值模拟拟合出该函数在沥青层开裂到尾部的软化区域的指数关系表达式如下:
    σ=fte-aw    (3)
    式中:σ为裂缝桥联应力;w为裂缝宽度;ft为最大抗拉强度(可以通过间接抗拉强度试 验得到的);α=ftGtail.]]>
    对该指数关系式进行积分,可以得出Gtail,即图3(b)中应力位移曲线与坐标轴间区域的面积。
    断裂尾部的功Wtail可用下式表示:
    Wtail=∫CMODmaxPtaild(CMOD)=∫CMODmaxAK2tCMOD2·Ld(CMOD)=AK2tCMODmax·L---(4)]]>
    式中:因为该公式为指数形式,所以α为1;K为试件底面从p点到切除边的垂直距离;t为试件厚度;CMODmax为沥青层开裂到软化区域时的试件开口位移。
    A算出后,断裂总功Wf=Wtail+Wmeasured(计算得到的断裂功),则再通过公式(2)可得到断裂能Gf。
    附图说明
    图1实验所用试件与设备:(a)1-沥青路面层1;2-沥青路面层2;3-沥青层;(b)1-卡槽;2-链接铆钉;3-卡柱;4-拉伸把手。
    图2CMOD试验末期试件的平衡状态
    图3数值模型
    图4试件制备过程:1-沥青混合料1;2-沥青层;3-沥青混合料2;4-打孔;5-切除形成平面6-切除形成凹槽。
    图5盘型紧凑拉伸设备:1-卡槽;2-链接铆钉;3-卡柱;4-拉伸把手。
    具体的实施例
    实施例一
    实施步骤:
    (1)为进行裂缝开口位移(CMOD)实验,要制备适用该实验的沥青路面结构层间粘结圆柱形试件,该试件的制备过程如下:
    ①在长45cm,宽10cm,高25cm的方体模具中浇筑两层10cm厚的沥青混合料,两层沥青混合料的配比不同,两层中间浇筑沥青层。
    ②待沥青混合料试件凝结硬化后,在中间取半径为7.5cm的圆柱形芯样,如图1所示。
    ③对芯样进行处理,如图4中所示,在圆柱形试件垂直于沥青层的边缘,切除约1cm 厚的部分,使该处形成平滑刨面;然后,在试件的平滑刨面处,沿着直径向圆心方向切除约5cm长的凹槽;最后,在凹槽两边的对称位置打出两个半径1cm的圆孔。
    (2)盘型紧凑拉伸设备的制备如下:
    以试件的尺寸为根据,制备拉伸盘套。如图5所示,盘套为两个铁质对称构件通过铆钉链接,铆钉的半径为0.3cm,高度为10cm。铁质构件分为卡槽、卡柱及拉伸把手,卡槽半径7.5cm,深10cm;卡柱半径1cm,高10cm;拉伸把手长7cm,宽0.4cm,高10cm。其中,卡槽与卡柱起到固定试件的作用,而拉伸把手与卡柱在试件进行拉伸时对其提供拉力的传递。
    (3)进行裂缝开口位移(CMOD)实验:
    将制备好的试件放入盘型紧凑拉伸设备中,然后将盘型紧凑拉伸设备固定到拉力试验机上,设定拉力试验机的拉伸速度为定值0.017mm/s,生成荷载变形曲线,但是由于测试的边界条件及测试设备的限制,该曲线并不完整,尾部有缺失,通过该曲线利用公式(1)可以得出试件的局部断裂功Wmeasured。
    (4)对试件的裂缝开口位移实验进行数值模拟:
    如图3(a)所示,试件的二维数值模型主要由三角弹性体积元素形成,但是为了便于由局部剖除的切口到顶端p点的裂缝形成,则在这一窄带区域用三角形状的嵌入式不连续元素模拟。嵌入式间断法(EDM)的元素在开裂后拉伸行为可以定义为裂缝宽度函数w。为了补充CMOD实验中未测试出到断裂功,通过数值模拟拟合出裂缝宽度函数在软化区域的指数关系式,即公式(3),然后对该指数关系式积分,从而得到Gtail。
    (5)计算断裂总功,得出断裂能:
    将得到的Gtail代入公式(4)中,从而求出CMOD实验中缺失的断裂尾部的功Wtail,将Wtail与CMOD实验中荷载位移曲线图积分得到的Wmeasured相加,得到断裂总功Wf,将断裂总功代入公式(2),得出断裂能Gf。
    实例一
    结构层1沥青混合料配合比为:粗集料10mm~20mm:5mm~10mm:3mm~5mm:0mm~3mm:矿粉:生石灰=44.4:14.8:5.3:29.5:4.7:1.3,石油沥青用量为4.2%;结构层2沥青混合料配合比为:粗集料20mm~30mm:10mm~20mm:5mm~10mm:3mm~5mm:机制砂:矿粉:生石灰=22.2:34.3:8.0:14.6:15.8:3.8:1.3,石油沥青用量为3.9%;两层间用石油沥青粘结,石油沥青的洒布量为1.5L/m3。
    按照本发明中的方法制备沥青路面结构层间粘结圆柱形试件及盘型紧凑拉伸设备,利用 拉力试验机进行裂缝开口位移(CMOD)实验,得出试件的荷载位移曲线,利用公式(1)计算出Wmeasured;然后按照本发明的方法,对对试件的裂缝开口位移实验进行数值模拟,确定裂缝宽度函数在软化区域的指数关系式,得出Gtail;最后通过公式(4)计算出Wtail,将Wmeasured与Wtail相加得到断裂总功Wf,将断裂总功代入公式(2),得出断裂能Gf。
    将干燥状态下的试件按照以上方法计算出层间粘结强度的断裂能,然后把试件放入水中24小时,测试有水状态下层间粘结强度的断裂能,干燥情况下断裂能为2300J·m-2,石油沥青层湿润条件下,断裂能为1600J·m-2,将两者的断裂能对比发现,干燥状态下的层间粘结强度的断裂能明显高于有水状态下,所以说明有水状态下路面结构层间的粘结状态容易破坏。
    实例二
    结构层1沥青混合料配合比为:粗集料10mm~20mm:5mm~10mm:3mm~5mm:0mm~3mm:矿粉:生石灰=48.2:15.6:4.9:23.9:5.3:2.1,沥青用量为4.8%;结构层2沥青混合料配合比为:粗集料20mm~30mm:10mm~20mm:5mm~10mm:3mm~5mm:机制砂:矿粉:生石灰=24.6:37.3:6.0:11.5:14.1:4.6:1.9,沥青用量为4.3%;两层间用沥青粘结,沥青的洒布量为1.5L/m3。
    按照的结构层设计制备两种不同的沥青路面结构层间粘结圆柱形试件,区别在于试件一所用沥青种类为石油沥青,试件二所用沥青种类为改性沥青。
    按照被发明的方法分别算出两种试件的层间粘结强度断裂能,沥青层为石油沥青时,干燥情况下断裂能为2350J·m-2,沥青层为改性沥青时,干燥情况下断裂能为2800J·m-2。对比发现,试件二的断裂能明显高于试件一的,所以说明在铺设沥青路面时改性沥青的粘结能力更强。
    上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述,但并非对本发明?;し段У南拗?,所属领域技术人员应该明白,在本发明的技术方案的基础上,本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的?;し段б阅?。

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