專利名稱：瀝青混凝土材料拉剪耦合特性測試儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及浙青混凝土路面材料力學(xué)特性設(shè)備，尤其是一種再現(xiàn)浙青路面現(xiàn)場實際使用過程中的變形特性和靜動力響應(yīng)，是一種包括局部加載拉伸，局部加載拉伸或壓縮與剪切耦合，局部循環(huán)加載的綜合測試儀，并能基于試驗結(jié)果和力學(xué)理論及數(shù)值模擬，對浙青路面拉伸和剪切開裂破壞特性進行綜合檢測和評價。
背景技術(shù)：
目前，國內(nèi)外道路浙青路面面層變形力學(xué)特性試驗研究的主要方法有馬歇爾法、 三軸試驗法、蠕變試驗法、車轍試驗法和剪切試驗法等。美國、日本等許多國家以及我國評價高溫穩(wěn)定性的指標(biāo)是馬歇爾法的穩(wěn)定度和流值，以及車轍試驗的動穩(wěn)定度。馬歇爾試驗是純經(jīng)驗方法，最早由密西西比州公路局的Bruce Marshell于1946 年發(fā)明，并于1949年正式為美國陸軍采用，要求試件在60°C條件下進行試驗，并且不能有效的模擬路面受壓剪切破壞過程。車轍試驗采用膠輪的往復(fù)運動來模擬行車荷載的作用， 具有一定的仿真性，所以在道路工程中得到了廣泛的應(yīng)用。但是由于車轍試驗輪碾成型方法，各組試件的復(fù)現(xiàn)性較差，加之膠輪在不平整試件上往復(fù)滾動，進行豎向變形測試時將會導(dǎo)致很大的誤差，因此車轍試驗的離散型較大，且動穩(wěn)定度指標(biāo)是一個間接指標(biāo)，與車轍試驗總變形之間沒有嚴格的對應(yīng)關(guān)系。諾丁漢大學(xué)設(shè)計開發(fā)了動態(tài)剪切箱(The Dynamic Shear Box)和意大利馬爾凱大學(xué)設(shè)計了 ASTRA (Ancona Shear Testing Research and Analysis，安科納剪切試驗研究與分析)儀器，已分別被Carr [2001]和!^errotti [2007]應(yīng)用。動態(tài)剪切箱采用尺寸為 320mmX 200mm的雙層厚板，施加法向荷載和重復(fù)剪切荷載。ASTRA儀器能試驗棱柱(設(shè)計尺寸為IOOmmX 100mm)或圓柱(直徑為94_100mm)雙層試件。試驗中，ASTRA試驗施加2. 5mm/ min的恒定位移率和垂直于界面平面的恒定豎向荷載。但該試驗設(shè)備只能模擬豎向壓入荷載與水平剪切荷載的耦合分析，不能解決常見的浙青路面低溫溫度荷載與行車荷載造成的拉伸與剪切耦合特性分析。Crispino等[1997]設(shè)計了一個動態(tài)剪切試驗來確定浙青層間界面的動態(tài)剪切模量。他們在不同頻率和溫度下進行試驗。Mohammad等[2002]研究了關(guān)于多粘結(jié)層浙青層間的粘結(jié)來確定最佳涂層率。他們通過在Superpave剪切試驗儀(SST)中放置一個簡單的剪切裝置來進行試驗。這個剪切裝置主要是為了確保斷裂發(fā)生在一個直徑為150mm圓柱試件的界面處。試件受到222. 5N/min恒定的剪切加載率，直到斷裂。記錄相應(yīng)的剪切荷載和剪切位移，以便獲得界面的剪切應(yīng)力-位移曲線和剪切強度。Romanoschi 和Metcalf [2002]采用不同法向荷載(138 522kPa)進行了室內(nèi)直剪試驗。他們用剪切試驗裝置和取自全尺寸試驗點直徑為95mm的浙青核芯。剪切荷載以恒定12mm//min的位移率施加，直到總剪切位移達到12mm。記錄并控制剪切力Fv，法向力Fh和剪切位移。由于有法向荷載的直剪試驗具有試驗復(fù)雜性，許多國家簡化了設(shè)計，開發(fā)了不同的無法向荷載的直剪試驗設(shè)備。Leutner [1979]設(shè)計了一個稱為Leutner剪切試驗。該實驗采用一個直徑為150士2mm的鉆芯試件。試驗中無法向荷載，只在試件界面上施加剪切位移率；結(jié)果無法有效模擬交通荷載下的界面受力形式。為確保試件固定牢固以及在試件和荷載設(shè)備之間有合適的接觸，指定試件界面下層厚度和上層厚度至少分別為70mm和25mm。 實驗設(shè)備夾具和不同直徑(148 152mm)的荷載設(shè)備(即下、上剪切環(huán))有可更換的范圍， 以便包裹試件直徑。試驗在標(biāo)準試驗溫度20士 1°C下進行，并施加50士3mm/min標(biāo)準位移率。道路試驗室廣泛采用的標(biāo)準馬歇爾或加州承載比加載設(shè)備也能進行50士3mm/min標(biāo)準位移率的試驗。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服已有浙青混凝土路面材料力學(xué)特性設(shè)備的無法檢測拉伸和剪切耦合特性的不足，本發(fā)明提供一種在溫度可控條件下實現(xiàn)拉伸和剪切耦合特性檢測的浙青混凝土材料拉剪耦合特性測試儀。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種浙青混凝土材料拉剪耦合特性測試儀，包括溫控箱、用于完成剪切荷載的豎向加載控制系統(tǒng)、用于完成拉伸或壓縮荷載的橫向加載控制系統(tǒng)和用以控制溫控箱溫度、 豎向加載和橫向加載并根據(jù)拉壓位移和剪切位移擬合得到水平向拉應(yīng)力和剪應(yīng)力的耦合特性測試中心，所述溫控箱內(nèi)設(shè)有用以放置待檢測浙青混凝土材料的工位平臺，所述豎向加載控制系統(tǒng)包括豎向油缸、豎向伺服閥、豎向位移傳感器和豎向加載控制器，所述豎向油缸的動作端與所述待檢測浙青混凝土材料連接，所述豎向油缸的受控端與所述豎向加載控制器連接，所述豎向油缸上設(shè)有豎向位移傳感器，所述豎向伺服閥和豎向位移傳感器均與所述豎向加載控制器連接；所述橫向加載控制系統(tǒng)包括橫向油缸、橫向伺服閥、水平位移傳感器和橫向加載控制器，所述橫向油缸的動作端與所述待檢測浙青混凝土材料連接，所述橫向油缸的受控端與所述橫向加載控制器連接，所述橫向油缸上設(shè)有水平位移傳感器，所述橫向伺服閥和水平位移傳感器均與所述橫向加載控制器連接，所述豎向加載控制器和橫向加載控制器均與所述耦合特性測試中心連接。作為優(yōu)選的一種方案上述所述待檢測浙青混凝土材料的工位平臺呈上下對稱設(shè)置，所述工位平臺的上、下端面分別設(shè)置兩個豎向加載控制系統(tǒng)；所述工位平臺的上下側(cè)面分別設(shè)置兩個橫向加載控制系統(tǒng)。本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為國內(nèi)外并沒有水平向可施加拉伸荷載并于豎向剪切荷載同時作用的浙青路面拉剪耦合分析的試驗設(shè)備。而常規(guī)的浙青路面破壞形式主要有開裂與車轍，其中浙青路面開裂的最主要原因就是車輛荷載與低溫造成的溫度應(yīng)力，而路面結(jié)構(gòu)在這兩種荷載的作用下，是一種拉伸與剪切耦合作用過程，國內(nèi)外在這方面的研究是一個空白。研究開發(fā)溫度條件可控，能夠模擬浙青混凝土材料在拉伸與剪切耦合作用的試驗設(shè)備來模擬路面結(jié)構(gòu)在實際使用過程中在行車荷載與溫度荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)的試驗設(shè)備具有重要的意義，同時還可用于理論研究和工程現(xiàn)場檢測，為實際工程質(zhì)量控制以及浙青混凝土材料性能研究提供依據(jù)和支持。本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在在溫度可控條件下實現(xiàn)拉伸(或壓縮)和剪切耦合特性檢測。


圖1為浙青混合料拉剪耦合試驗系統(tǒng)示意圖；圖2為閉路伺服系統(tǒng)控制原理圖；圖3為圖1的I-I剖面示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述。參照圖1 圖3，一種浙青混凝土材料拉剪耦合特性測試儀，包括溫控箱10、用于完成剪切荷載的豎向加載控制系統(tǒng)、用于完成拉伸或壓縮荷載的橫向加載控制系統(tǒng)和用以控制溫控箱溫度、豎向加載和橫向加載并根據(jù)拉壓位移和剪切位移擬合得到水平向拉應(yīng)力和剪應(yīng)力的耦合特性測試中心1，所述溫控箱10內(nèi)設(shè)有用以放置待檢測浙青混凝土材料的工位平臺，所述豎向加載控制系統(tǒng)包括豎向油缸4、豎向伺服閥6、豎向位移傳感器8和豎向加載控制器2，所述豎向油缸4的動作端與所述待檢測浙青混凝土材料連接，所述豎向油缸 4的受控端與所述豎向加載控制器2連接，所述豎向油缸4上設(shè)有豎向位移傳感器8，所述豎向伺服閥6和豎向位移傳感器8均與所述豎向加載控制器2連接；所述橫向加載控制系統(tǒng)包括橫向油缸5、橫向伺服閥7、水平位移傳感器9和橫向加載控制器3，所述橫向油缸5 的動作端與所述待檢測浙青混凝土材料試件裝載器連接，所述橫向油缸5的受控端與所述橫向加載控制器3連接，所述橫向油缸5上設(shè)有水平位移傳感器9，所述橫向伺服閥7和水平位移傳感器9均與所述橫向加載控制器3連接，所述豎向加載控制器2和橫向加載控制器3均與所述耦合特性測試中心連接。上述所述待檢測浙青混凝土材料的工位平臺呈上下對稱設(shè)置，所述工位平臺的上、下端面分別設(shè)置兩個豎向加載控制系統(tǒng)用于完成剪切作用；所述工位平臺的上下側(cè)面分別設(shè)置兩個橫向加載控制系統(tǒng)。圖1所示為浙青混凝土路面材料拉剪耦合特性綜合測試儀的組成示意圖，該設(shè)備由支架、耦合特性測試中心1、豎向加載控制器2、橫向加載控制器3、豎向油缸4、橫向油缸 5、豎向伺服閥6、橫向伺服閥7、豎向位移傳感器8、水平位移傳感器9、溫控箱10組成。試件置于溫控箱10中的工位平臺上，豎向油缸4與豎向加載控制器2相連，橫向油缸5與橫向加載控制器3相連，豎向加載控制器與橫向加載控制器與耦合特性測試中心 1相連。閉路伺服系統(tǒng)控制原理如圖2所示。本實施例的浙青混合料拉(壓)剪耦合試驗系統(tǒng)，可以通過對豎向加載控制系統(tǒng)、 橫向加載控制系統(tǒng)以及溫控箱10的調(diào)節(jié)和控制實現(xiàn)以下功能A項試驗內(nèi)容研究浙青混合料在固定壓荷載的作用下(由橫向加載系統(tǒng)實現(xiàn))， 不同剪切荷載(由豎向加載系統(tǒng)實現(xiàn))對浙青混合料的作用，從而判斷浙青混合料的壓荷載作用下的抗剪切性能。B項試驗內(nèi)容可以通過橫向加載控制系統(tǒng)實現(xiàn)對浙青混凝土試件的拉拔作用， 并在此基礎(chǔ)上，通過豎向加載控制系統(tǒng)實現(xiàn)對試件施加剪切荷載作用，從而達到判斷浙青混合料拉荷載作用下的抗剪切性能。C項試驗內(nèi)容通過溫控箱10的溫度控制系統(tǒng)，可以試驗浙青混合料從-30°C 60°C范圍內(nèi)的抗剪切性能及變溫與行車等效荷載耦合作用。浙青混凝土剪應(yīng)力與拉應(yīng)力通過試驗可以得到浙青混凝土材料在水平向加載和豎向加載的作用下不同時刻的拉壓位移ε x和剪切位移￡y，通過擬合可以進一步得到水平向拉應(yīng)力σχ與剪應(yīng)力值0y，從而可以研究，低溫溫度場造成的浙青混合料拉應(yīng)力與行車荷載造成的剪應(yīng)力之間的耦合作用關(guān)系。本實施例使用了參數(shù)自調(diào)節(jié)的PID(P為比例、I為積分、D為微分)控制技術(shù)，它吸收了 P控制作用的快速反應(yīng)功能、I控制的消除穩(wěn)態(tài)差、D控制的預(yù)測功能等優(yōu)點但必須合理設(shè)計參數(shù)。基于電腦和I/O部件，采用圖形化工具對系統(tǒng)進行監(jiān)控，同時進行多路數(shù)據(jù)采集、存貯、數(shù)據(jù)處理和曲線顯示。線性的前饋預(yù)測采用PID控制，而系統(tǒng)則采用位移型 PID控制，以剪切速度恒定為標(biāo)準；垂直荷載的高精度液壓同步控制同樣也采用位移型PID 控制來實現(xiàn)。剪切試驗裝置通過接受反饋信號值使負載一側(cè)的操作能跟進指令值，從而實現(xiàn)高速實時數(shù)據(jù)采集與復(fù)雜控制。通過采用一個位于控制系統(tǒng)軟件內(nèi)的閉合循環(huán)來實現(xiàn)恒定法向剛度邊界條件，同時配合電子伺服控制。控制和測量的非線性反饋分析在PC機窗口上來實現(xiàn)，通過一個多功能模擬數(shù)字、數(shù)字模擬、數(shù)字輸入輸出控制面板(A/D、D/A和DI0)。 收集到的試驗數(shù)據(jù)包括法向應(yīng)力、剪切應(yīng)力、相應(yīng)的位移和加載圓柱體閥門水平加載和豎直加載的量值。
權(quán)利要求
1.一種浙青混凝土材料拉剪耦合特性測試儀，其特征在于所述測試儀包括溫控箱、 用于完成剪切荷載的豎向加載控制系統(tǒng)、用于完成拉伸或壓縮荷載的橫向加載控制系統(tǒng)和用以控制溫控箱溫度、豎向加載和橫向加載并根據(jù)拉壓位移和剪切位移擬合得到水平向拉應(yīng)力和剪應(yīng)力的耦合特性測試中心，所述溫控箱內(nèi)設(shè)有用以放置待檢測浙青混凝土材料的工位平臺，所述豎向加載控制系統(tǒng)包括豎向油缸、豎向伺服閥、豎向位移傳感器和豎向加載控制器，所述豎向油缸的動作端與所述待檢測浙青混凝土材料連接，所述豎向油缸的受控端與所述豎向加載控制器連接，所述豎向油缸上設(shè)有豎向位移傳感器，所述豎向伺服閥和豎向位移傳感器均與所述豎向加載控制器連接；所述橫向加載控制系統(tǒng)包括橫向油缸、橫向伺服閥、水平位移傳感器和橫向加載控制器，所述橫向油缸的動作端與所述待檢測浙青混凝土材料連接，所述橫向油缸的受控端與所述橫向加載控制器連接，所述橫向油缸上設(shè)有水平位移傳感器，所述橫向伺服閥和水平位移傳感器均與所述橫向加載控制器連接，所述豎向加載控制器和橫向加載控制器均與所述耦合特性測試中心連接。
2.如權(quán)利要求1所述的浙青混凝土材料拉剪耦合特性測試儀，其特征在于所述所述待檢測浙青混凝土材料的工位平臺呈上下對稱設(shè)置，所述工位平臺的上、下端面分別設(shè)置兩個豎向加載控制系統(tǒng)完成剪切荷載作用；所述工位平臺的上下側(cè)面分別設(shè)置兩個橫向加載控制系統(tǒng)完成拉伸或壓縮荷載作用。
全文摘要
一種瀝青混凝土材料拉剪耦合特性測試儀，包括溫控箱、用于完成剪切荷載的豎向加載控制系統(tǒng)、用于完成拉伸或壓縮荷載的橫向加載控制系統(tǒng)和用以控制溫控箱溫度、豎向加載和橫向加載并根據(jù)拉壓位移和剪切位移擬合得到水平向拉應(yīng)力和剪應(yīng)力的耦合特性測試中心，所述溫控箱內(nèi)設(shè)有用以放置待檢測瀝青混凝土材料的工位平臺，所述豎向加載控制系統(tǒng)包括豎向油缸、豎向伺服閥、豎向位移傳感器和豎向加載控制器，所述橫向加載控制系統(tǒng)包括橫向油缸、橫向伺服閥、水平位移傳感器和橫向加載控制器，所述豎向加載控制器和橫向加載控制器均與所述耦合特性測試中心連接。本發(fā)明能在溫度可控條件下實現(xiàn)拉伸和剪切耦合特性檢測。
文檔編號G01N3/08GK102183412SQ20111004075
公開日2011年9月14日 申請日期2011年2月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月18日
發(fā)明者張其踐, 張雷, 王金昌 申請人:浙江大學(xué)