一种半刚性基层芯样抗压强度的试验方法

摘要

本发明涉及一种半刚性基层芯样抗压强度的试验方法，包括如下步骤：选取钻芯位置，钻取芯样；对钻取的芯样进行检验及筛选；对芯样进行端面处理，对端面处理后的芯样进行湿度处理；抗压强度试验；对试验数据进行计算获得各芯样的抗压强度，并对计算得到的全部抗压强度结果进行整理和计算，得到每组数据的抗压强度值。本发明提供的半刚性基层芯样抗压强度的试验方法，能解决因现有技术中没有针对使用期道路上的半刚性基层芯样进行抗压强度测试的方法，而造成道路大修设计及施工中无法科学地评价和判断半刚性基层强度是否合格，进而无法采取工程措施合理地进行处治的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及交通土建工程技术领域，尤其涉及一种强度的试验方 法，更具体地涉及一种半刚性基层芯样的抗压强度的试验方法。

背景技术

抗压强度是道路工程材料的重要强度指标之一。抗压强度指标也 是公路基层材料的重要力学指标。抗压强度的测定方法是：遵循一定 的技术程序，使试样在侧面没有加固或限制的条件下，施加轴向压力 直至试样破坏，得到的试样抗压强度。

对于抗压强度指标的测定方法，《公路路面基层材料试验规程》 (JTJ057-85)、《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTJ057-94)、 《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)等基层材 料试验规范进行了多次修订，均对抗压强度指标在试样制作、养生、 试验等方面加以规定。公路路面基层施工技术规范也将该指标作为施 工质量控制的必检指标，由此可见，该试验指标是公路基层材料的重 要物理、力学指标之一。

以《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)中 的“无机结合料稳定材料抗压强度试验方法”为例，其试验方法为：

1、根据试验材料的类型和一般的工程经验，选择合适量程的测力 计和压力机，试件破坏荷载应大于测力量程的20％且小于测力量程的 80％。球形支座和上下顶板涂上机油，使球形支座能够灵活转动。

2、将已浸水一昼夜的试件从水中取出，用软布吸去试件表面的水 分，并称试件的质量m。

3、用游标卡尺测量试件的高度h，精确至0.1mm。

4、将试件放在路面材料强度试验仪或压力机上，并在升降台上先 放一球座，进行抗压试验，并记录试件破坏时的最大压力P(N)。试验 过程中，应保持加载速率为1mm/min。

5、打破试件，并从试件内部取有代表性的样品，按照《公路工程 无机结合料稳定材料试验规程》中的T0801-2009方法，测定其含水量 w。

现阶段，以半刚性基层沥青路面为代表的路面结构形式在我国公 路路面中占据了极大的市场份额，成为丰厚的道路资产。随着沥青路 面逐渐接近和达到设计使用年限，路面大修养护成为重大课题，路面 特别是作为承重结构的半刚性基层的质量和长期性能是大修设计的重 要参数。

但是，我国现有路面技术规范只对试验室成型的无机结合料稳定 材料试样的抗压强度试验作出了规定，对使用期的半刚性基层芯样的 强度试验没有规定，因此在半刚性基层路用性能的评价方面存在技术 空白。使用期的半刚性基层在试样获得、尺寸要求、试验设备、数据 处理等方面均与实验室成型的试样存在很大区别，这样都会对试验所 得的抗压强度数值产生直接影响。因此，科学合理地规范半刚性基层 材料的抗压强度具有重大的现实意义。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是提供一种半刚性基层芯样抗压强度的 试验方法，解决因现有技术中没有针对使用期道路上的半刚性基层芯 样进行抗压强度测试的方法，而造成道路大修设计及施工中无法科学 地评价和判断半刚性基层强度是否合格，进而无法采取工程措施合理 地进行处治的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种半刚性基层芯样抗压 强度的试验方法，包括如下步骤：

S1、选取钻芯位置：单车道的道路方向上每个规定的距离内至少 选取一个取芯位置，单车道纵向上的每个取芯位置沿单车道横向断面 方向的左右两侧各选取一个取芯位置，并且将横向断面位置相同的芯 样分为一组；

S2、钻取芯样：所述钻芯位置选好后，在路面上对全部的钻芯位 置做出标记，在所述标记位置垂直对准路面放下钻头，钻机固定后， 开始钻取芯样；待钻头钻透路面结构全厚之后，取出芯样；

S3、检验芯样：对钻取的芯样进行筛选，筛选后的芯样分别放入 盛样器中，并填写样品标签；

S4、处理芯样：取出盛样器中的芯样，并对该芯样进行端面处理； 对端面处理后的芯样进行湿度处理；

S5、抗压强度试验：取出湿度处理后的芯样并吸去其表面水分， 将该芯样放在路面材料强度试验仪或压力机上进行抗压试验，并记录 下芯样破坏时的最大压力，得到试验数据；其中，所述压力机的量程 为：芯样破坏荷载应大于测力量程的20％且小于测力量程的80％，所 述压力机的压力加载速率为1mm/min；

S6、数据结果分析：对试验数据进行计算获得各芯样的抗压强度， 并对计算得到的全部抗压强度结果进行整理和计算，得到每组数据的 抗压强度值；

每组数据的抗压强度值的计算方法为：当该组中的抗压强度结果 的最大值或最小值中有一个与中间值的差值超过中间值的15％时，把 最大值和最小值一并舍弃，取其余值的算术平均值作为该组芯样的抗 压强度值；当该组中的抗压强度结果的最大值或最小值与中间值的差 值均超过中间值的15％时，该组试验结果从计算数据中剔除，并记录 和分析试验取样位置、端面处理和芯样湿度情况；其他情况下，每组 数据以全部抗压强度结果的算术平均值作为其抗压强度值。

优选的，前述步骤S1中，选取的所述钻芯位置包括行车道轮迹带 中部、车辙和裂缝部位。

优选的，前述步骤S2中，所述钻头的直径为150mm。

优选的，前述步骤S3中，对钻取的芯样进行筛选时，筛选条件为：

芯样的高度与底面直径比大于或者等于0.95；沿芯样高度任一直 径与平均直径相差小于2mm；芯样端面的不平整度在150mm长度内 不超过0.15mm；芯样端面与轴线的不垂直度小于2°；芯样无裂缝和其 他较大缺陷。

优选的，前述步骤S4中，经端面处理后的芯样高度为150mm，端 面处理的具体方法为，如果需要端面处理的芯样高度大于150mm且完 整无破损，可以通过机械切割的方法处理其两端的端面平整度；如果 需要端面处理的芯样切割一端后的高度不足150mm，但满足该芯样的 高度与底面直径比大于或者等于0.95时，该芯样的另一端用水泥净浆补 平，并将补平后的芯样放入养生室养生。

优选的，前述养生的方法为：将补平后的芯样放入养生室内的铁 架或木架上，各芯样之间的间距为10-20mm，其表面保持一层水膜， 当水泥净浆强度不低于芯样强度时，可结束养生。

优选的，前述步骤S4中，湿度处理的具体方法为：

对于未进行补平的芯样：将该芯样放入水槽中，在20℃±2℃水中 浸泡不小于48小时，浸泡时，水槽水面超过所述芯样顶部2.5cm；

对于补平后的芯样：将养生后的芯样放入水槽浸水1天，浸泡时， 水槽水面超过所述芯样顶部2.5cm。

优选的，前述步骤S6中，抗压强度的计算公式为：

Rc＝P/A

其中，Rc为芯样的抗压强度，P为试验所得的最大压力值，A为 芯样的截面积，其计算公式为A＝πD²/4，D为芯样的直径。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

本发明提供了一种半刚性基层芯样抗压强度的试验方法，在行车 道轮迹带中部、车辙和裂缝部位选取芯样，这些部位取得的芯样更具 代表性，试验所得的数据更具有差别化，有利于路面质量评价和试验 方法的普及。单车道每隔一定的距离至少取一个芯样，使试验具有普 遍性，有利于确保试验数量，以及判断路面病害的原因和缺陷程度。 本发明中，单车道的横向断面方向上取三个芯样，并将车道内横向端 面位置相同的芯样(如轮迹带中部的所有芯样)分为一组，可以减少 误差。

本发明中钻取芯样用钻头的直径为150mm，其钻取的芯样可以为室 内试验提供足够的材料，而且在路面存在裂缝和车辙等病害位置成功 钻取的机率更大，这种较大的芯样直径与粗骨料最大粒径之比有利于 获得稳定的强度值。

本发明中抗压强度试验采用的加载速率为1mm/min，便于比较试验 得到的抗压强度与道路建设期的材料抗压强度，从而更有利于对芯样 的长期使用性能进行研究。本发明的数据处理方法，可以减少误差， 使计算结果更具有准确性。

综上所述，本发明通过工程应用和室内试验表明：本发明在芯样 钻取的位置选择、芯样的尺寸要求和修补、芯样的湿度条件控制、试 验速率的选择、数据处理等方面的规定科学合理，能够正确评价半刚 性基层芯样的抗压强度，为旧路质量的评价和旧路维修方案的设计和 优化提供了科学的试验方法。

附图说明

图1是本发明不需补平的芯样端面处理示意图；

图2是本发明需补平的芯样示意图；

图3是本发明需补平的芯样端面处理示意图；

图4是不同芯样高径比的强度相对值示意图；

图5是1#芯样最大压力值与位移的关系曲线图；

图6是2#芯样最大压力值与位移的关系曲线图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结 合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、 完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不 是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没 有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明 保护的范围。

本发明提供了一种半刚性基层芯样抗压强度的试验方法，包括如 下步骤：

S1、选取钻芯位置：虽然路面工程的结构和路面病害在某些段落 相似，取芯位置可以在整个路段具有代表性缺陷的地点选择，但是受 到时间、成本和交通组织等因素的影响，因此上述取芯位置的选择应 考虑如下因素：路面厚度、病害的位置和类型、病害和弯沉的连续性、 弯沉值高或低等离异值的位置、行车道的宽度和交通导改措施的安全， 同时参考取芯试验的目的。

因此，本发明中，取芯位置的选择方式为：单车道的道路方向上 每200m距离内至少选取一个取芯位置，单车道纵向上的每个取芯位置 沿单车道横向断面方向的左右两侧各选取一个取芯位置，并且将横向 断面位置上的芯样分为一组；选取的钻芯位置包括行车道轮迹带中部、 车辙和裂缝部位。

S2、钻取芯样：所述钻芯位置选好后，在路面上用喷漆或粉笔对 全部的钻芯位置做出标记，在标记位置垂直对准路面放下钻头，钻机 固定，使其在运转过程中不得移动后，开启冷却水，启动发动机，徐 徐压下钻杆，开始钻取芯样，但钻取过程中不得使劲下压钻头；待钻 头钻透路面结构全厚之后，上抬钻杆，拔出钻头，停止转动，不使芯 样损坏，取出芯样；其中，钻头的直径为150mm，可以使钻取出的芯 样直径为150mm。

《公路路基路面现场测试规程》(JTG E60-2008)中规定了两种可 选用的钻头，经实践经验表明：150mm直径钻头相对于100mm钻头， 其钻取的芯样可以为室内试验提供足够的材料，而且在路面存在裂缝 和车辙等病害位置成功钻取的机率更大。同时，我国普遍使用的半刚 性基层最大粒径为20-40mm，通常认为芯样直径应为混合料所用集料 公称最大粒径的4倍，较大的芯样直径与粗骨料最大粒径之比有利于 获得稳定的强度值，因此本发明中选用150mm的钻头。

S3、检验芯样：对钻取的芯样进行检查并筛选，筛选后的芯样分 别放入盛样器中，必要时用塑料袋封装，并填写样品标签，样品标签 上标注路线或工程名称、车道位置、取样位置、取样时间、取样人、 路面结构及厚度等信息

其中，芯样检查包括外观检查和尺寸测量：

1、外观检查需要观察：钻取的圆柱形芯样是否有明显的裂缝、破 损等缺陷，重点检查路面病害位置钻取的芯样与轮迹带中部芯样是否 具有明显差异。

2、尺寸测量包括：

(1)平均直径：用游标卡尺测量芯样中部和1/4高度，在相互垂直 的位置上，记录二次测量的算术平均值，结果精确至0.2mm。

(2)芯样高度：用钢板尺进行测量，结果精确至1mm。

(3)垂直度：用游标量角器测量两个端面与母线的夹角，精确至 0.1°。

(4)平整度：用钢板尺或角尺紧靠在芯样端面上，一边转动钢板 尺，一边用塞尺测量与芯样端面之间的缝隙，沿芯样高度任一直径与 平均直径相差不宜大于2mm。

根据上述芯样检查的结果进行筛选时，筛选条件为：

芯样的高度与底面直径比大于或者等于0.95；沿芯样高度任一直 径与平均直径相差小于2mm；芯样端面的不平整度在150mm长度内 不超过0.15mm；芯样端面与轴线的不垂直度小于2°；芯样无裂缝和其 他较大缺陷。

S4、处理芯样：取出盛样器中的芯样，并对该芯样进行端面处理， 以达到试验要求的端面平整度、高径比。经端面处理后的芯样高度为 150mm，端面处理的具体方法为，如果需要端面处理的芯样高度大于 150mm且完整无破损，可以通过机械切割的方法处理其两端的端面平 整度，如图1所示；如果需要端面处理的芯样切割一端后的高度不足 150mm，但满足该芯样的高度与底面直径比大于或者等于0.95时，该 芯样的另一端用水泥净浆补平，并将补平后的芯样放入养生室养生， 如图2、3所示。

其中，补平芯样的方法为：将芯样需补平的端面污物清除干净， 再将芯样放入置好垫块的试模中，用水湿润该端端面，将适量水泥净 浆装入试模，用镘刀沿试模边缘刮去多余净浆，水泥净浆硬化前，用 湿布覆盖水泥净浆表面；待水泥净浆硬化2～4小时后，在电动脱模器 上取出补平后的芯样试件，立即放入塑料袋中封闭。

上述不补平后的芯样的养生的方法为：将补平后的芯样放入养生 室内的铁架或木架上，各芯样之间的间距为10-20mm，其表面保持一 层水膜，但水膜的保持方法不能为用水直接林冲，当水泥净浆强度不 低于芯样强度时，可结束养生。

对端面处理后的芯样，由于半刚性基层处于面层和路基之间，不 可避免地受到毛细水作用，使得各地的半刚性基层水温状况差异较大。 为了减少外界环境造成的系统性试验误差，因此需要进行湿度处理； 湿度处理的具体方法为：

对于未进行补平的芯样：将该芯样放入水槽中，在20℃±2℃水中 浸泡不小于48小时，浸泡时，水槽水面超过所述芯样顶部2.5cm；

对于补平后的芯样：将养生后的芯样放入水槽浸水1天，浸泡时， 水槽水面超过所述芯样顶部2.5cm。

本发明端面处理后的芯样的高径比为1。从圆柱体标准试件强度试 验的高径比尺寸效应机理来看：试件端部的约束作用对材料强度的影 响随着试件高度或边长的增大而减弱，即试件尺寸越大，实测的强度 越低，试件尺寸越小，实测的强度越高；另一方面是固体材料的内部 缺陷一般随着体积的减小而减小，因而强度随着体积的减小而增大。

假设高径比为2的圆柱体试件的28天抗压强度值为1，可以得到 不同高径比试件的强度值变异情况，如图4所示，图中的横坐标为高 径比，图中的纵坐标为试件的强度值，高径比越大，实测的强度值变 化越小，当高径比达到2时，同种混合料的强度值变异性趋于0。

由于我国路面的半刚性基层单层结构大多在150mm-200mm，再加 上取芯过程中的扰动和破坏，取得高径比为2的芯样比较困难。同时， 高径比确定为1将有利于与路面建设期的圆柱体试件强度值进行比较。 因此，将本发明中试验用的芯样端面处理后的高径比为1。

S5、抗压强度试验：取出湿度处理后的芯样并吸去其表面水分， 将该芯样放在路面材料强度试验仪或压力机上进行抗压试验，并记录 下芯样破坏时的最大压力，得到试验数据；其中，所述压力机的量程 为：芯样破坏荷载应大于测力量程的20％且小于测力量程的80％，所 述压力机的压力加载速率为1mm/min；

S6、数据结果分析：对试验数据进行计算获得各芯样的抗压强度， 计算结果保留1位小数，抗压强度的计算公式为：

Rc＝P/A

其中，Rc为芯样的抗压强度，P为试验所得的最大压力值，A为 芯样的截面积，其计算公式为A＝πD²/4，D为芯样的直径。

计算得到的全部抗压强度结果后，对该数据进行整理和计算，得 到每组数据的抗压强度值；

每组数据的抗压强度值的计算方法为：当该组中的抗压强度结果 的最大值或最小值中有一个与中间值的差值超过中间值的15％时，把 最大值和最小值一并舍弃，取其余值的算术平均值作为该组芯样的抗 压强度值；当该组中的抗压强度结果的最大值或最小值与中间值的差 值均超过中间值的15％时，该组试验结果从计算数据中剔除，并记录 和分析试验取样位置、端面处理和芯样湿度情况；其他情况下，每组 数据以全部抗压强度结果的算术平均值作为其抗压强度值。

根据对半刚性基层芯样抗压强度的测试结果发现：半刚性基层材 料经历长时间运营发展后，抗压强度测试值变异值更趋稳定，基本保 持在5％以内。因此，本方法采用3倍均方差的处理方法规定数据结果 的整理，其差值的最大差量应在15％以内。

实施例一

本实施例提供了一种半刚性基层芯样抗压强度的试验方法，使用 如下仪器设备：

1、路面取芯钻机：牵引式或车载式，钻机由发动机驱动，宜选用 150mm钻头直径，并配备淋水冷却装置；根据路面结构层厚度选取钻 头长度；

2、电子天平：量程15kg，感量0.1g；

3、盛样器或铁盘等；

4、试样标签；

5、压力机或万能试验机：压力机应符合现行《液压式压力试验机》 (GB/T3722)及试验机通用技术要求(GB/T 2611)中的要求，其测量 精度为±1％，同时，具有加载速率指示装置或加载速率控制装置。上 下压板平整并有足够刚度，可以均匀地连续加载卸载，可以保持固定 荷载；压力机的开机停机均灵活自如，能够满足芯样吨位要求，且压 力机加载速率可以有效控制在1mm/min；

6、球形支座；

7、钢尺和游标卡尺；

8、试模和垫块：试模的直径×高＝150mm×230mm，配套两块垫 块的直径×高＝150mm×40mm；

9、电动脱模器；

10、标准养护室：标准养护室温度20℃±2℃，相对湿度在95％以 上；

11、水槽：深度应大于芯样高度25mm；

12、机油：若干；

13.其他：量尺、毛刷、硬纸等。

本实施例提供的方法包括如下步骤：

第一步，芯样钻取和检查。通过牵引式路面取芯钻机得到一个直 径为150mm半刚性基层芯样，对钻取的芯样进行外观检查和尺寸测量。 若沿该芯样高度任一直径与平均直径相差达2mm以上，或该芯样端 面与轴线的不垂直度超过2°，或该芯样有裂缝或其他较大缺陷，则将 该芯样废弃，并重新钻取芯样。

第二步，芯样制作。将芯样上下两端切掉，使芯样的高度为150mm 高。若切割芯样一端后，高度不足150mm，但大于等于142.5mm，可将 芯样放入150mm×150mm试模中，用水泥净浆填充另一端并抹平，再 将芯样芯样放入养生室养生。

第三步，试验准备。将切割后的芯样放入水槽中，在20℃±2℃水 中浸泡不小于48小时，水槽水面在芯样顶上约2.5cm。若为养生的芯样 则在试验进行前一天放入水槽浸泡即可。同路段相同位置的芯样需准 备3个平行芯样。

第四步，试验过程。选择合适量程的压力机，在球形支座和上下 顶板涂上机油，使球形支座能够灵活转动。将已浸水后的芯样从水槽 中取出，用软布吸去芯样表面的水分，并称芯样的质量m。用游标卡尺 测量芯样的高度h，测量结果精确至0.1mm。在升降台上先放置球形支 座，将芯样放在路面材料强度试验仪或压力机上，进行抗压试验。试 验过程中，应保持加载速率为1mm/min。记录芯样破坏时的最大压力 P(N)，以图5、6所示的1#和2#芯样测量得到的最大压力值与位移的关 系曲线图为例，获得大致的最大压力值与位移的曲线关系。

第五步，试验评价。用破坏时的最大压力除以芯样截面积，计算 得到半刚性基层芯样无侧向抗压强度。同一组芯样的试验结果，一般 情况下以全部芯样计算数据结果的算术平均值作为该组芯样的抗压强 度值，但以下两种情况除外：当最大值或最小值中有一个与中间值的 差值超过中间值的15％时，应把最大值和最小值一并舍弃，取其余值 的算术平均值作为该组芯样的抗压强度值；当最大值和最小值与中间 值的差值均超过中间值的15％时，该组试验结果无效，应记录和分析 试验取样位置、端面处理、芯样湿度等情况。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而 非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领 域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技 术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修 改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方 案的精神和范围。