应用于山区公路沥青混合料的车辙测试装置及方法

摘要

本发明公开了一种应用于山区公路沥青混合料车辙测试装置及方法，测试装置包括与加载系统连接的上承台以及与测试试件连接的下承台，在所述的上承台下端设置有加载压头，其特征在于：在所述的下承台的上端面布有四个沿圆周方向倾斜的坡面，所述的加载压头的数量与所述的坡面的个数相同，且加载压头的端面与所述的下承台的坡面适应。本发明可对不同纵坡条件下沥青混合料的车辙性能进行测试，便于沥青混合料的优选，且操作简洁、无需大型专业设备。

说明书

技术领域

本发明属于沥青混合料路用性能的检测领域，具体涉及一种山区公路沥青混合料车辙的试验装置与方法。

背景技术

截止2010年底，全国高速公路通车总里程达7.4万公里。根据交通运输部发布的《交通运输“十二五”发展规划》，“十二五”末，我国国家高速公路网将基本建成，高速公路总里程将达到10.8万公里。在已通车和规划建设的高速公路中，沥青混凝土路面占到了绝大多数的比例。虽然高等级沥青路面的设计寿命为15年，但从我国实际使用情形看，大部分沥青路面在运营后，短的2~3年，长的8~10年就出现了各种形式的损坏。在路面各类病害中，车辙是沥青路面主要病害之一，它影响路面的平整度，降低路面的使用品质。20世纪70年代末，美国AASHTO在各州进行的沥青路面损坏调查表明，在被调查的44条主要公路中就有13条公路的破坏是由车辙引起的，占被调查总数的29.5%。在我国，近几年来经济发展迅速，道路交通量及交通荷载不断增加，车辆行驶渠化现象突出，这些因素促使沥青路面在较短的使用年限内产生过大的车辙。

为了减缓沥青路面车辙病害的出现，对沥青混合料抗车辙性能进行有效的评价是混合料设计的重要环节。目前，可用于研究沥青混合料抗车辙性能的试验方法很多，包括实验室内圆柱试件的单轴、三轴或径向的静载、动载、重复荷载试验；简单剪切的静载、动载、重复荷载试验；中空圆柱试件的动载、剪切试验；棱柱形梁试件的弯曲蠕变试验；小型模拟试验设备的车辙试验。此外，还有大型环道、直道试验设备的足尺路面高温性能试验和现场试验路面的加速车辙试验等。上述试验方法可分为三类：                                                经验性的试验方法，例如马歇尔试验方法，其指标马歇尔稳定度和路用性能不直接相关，故限制了该方法的应用；性能相关的试验方法，例如室内车辙试验、大型环道、直道试验，它们虽然和路面的使用性能建立了直接的联系，但是其试验指标不能用于路面设计，而且建立的车辙预估模型只是经验性的，不能推广使用；基于性能的试验方法，例如单轴蠕变、三轴蠕变以及弯曲蠕变试验，这些试验方法得到的指标可以用于路面车辙的预估和建立车辙模型。因此，目前单轴蠕变、三轴蠕变以及弯曲蠕变试验应用较为广泛。

但是，无论单轴蠕变还是三轴动态蠕变只能模拟车辆荷载作用引起的竖向压缩应力或者剪切应力条件下沥青混合料的永久变形，永久变形的方向与荷载压缩应力或剪切应力的方向相同，亦即此类试验也只能分析平原地区公路沥青混合料的高温抗车辙性能。对于山区公路，由于车辆行驶速度的降低，以及车辆荷载产生的沿纵坡方向剪切应力的综合作用，在一些长达纵坡的路段沥青路面的病害尤为显著。对于长大纵坡路段车辆行驶速度慢的特点，可以在材料试验时，采用通过增大荷载作用周期时间的方式加以模拟；而对于长达纵坡路段沥青混合料受到沿纵坡方向的剪切应力和垂直于路表的压缩应力的共同作用，目前的室内试验都无法模拟。因此，设计一种沥青混合料车辙试验装置，测试压缩应力和与之垂直的剪切应力共同作用下沥青混合料的永久变形，以研究山区公路沥青混合料的高温抗车辙性能显得十分必要。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种适用于山区公路沥青混合料车辙试验的装置与方法，使其尽可能模拟沥青混合料在车辆荷载的剪切应力和竖向压缩应力共同作用下的永久变形。

技术方案：

一种沥青混合料车辙测试装置，包括与加载系统连接的上承台以及与测试试件连接的下承台，在所述的上承台下端设置有加载压头，其特征在于：在所述的下承台的上端面布有四个沿圆周方向倾斜的坡面，所述的加载压头的数量与所述的坡面的个数相同，且加载压头的端面与所述的下承台的坡面适应。

所述的上承台和下承台之间采用弹簧连接。

所述的下承台上表面分为面积相当的四个扇形区域，每个区域具有相同的坡面，坡面的斜率为需要测试的山区公路的纵向坡度。

山区公路沥青混合料的车辙试验装置，包括上承台、下承台、4个加载压头和4根连接上承台和下承台的弹簧。上承台为圆柱体钢块，下承台的上表面分为面积相等的4个扇形区域，每个区域具有相同的沿圆周方向倾斜的坡面，坡面的斜率与加载压头底面的斜率相反，使得加载压头底面与坡面可以完全接触。当竖向荷载通过上承台和加载压头作用于下承台时，下承台的坡面斜率和加载压头底面的斜率可激发下承台发生沿圆周方向的扭转作用，使得沥青混合料圆柱体试件受到水平方向剪切应力和竖向压缩应力的共同作用，从而实现山区公路沥青混合料受力的模拟。

所述的试件固定与连接系统包括下承台与沥青混合料试件上表面之间的粘结件、沥青混合料试件下表面与底座之间的粘结件。

上述装置适合测试沥青混合料的圆柱体试件，其直径为10cm，高度一般为15cm；当对实际沥青路面内混合料车辙性能进行评价时，也可根据路面实际钻取的芯样厚度确定。

本发明的测试方法步骤是：步骤一：根据需要测定的沥青混合料级配、沥青用量和空隙率要求，在实验室内采用旋转压实成型高度为15cm、直径为10cm的沥青混合料圆柱体试件；或者从山区公路实际路面结构中，采用钻孔取芯的方法，获得直径为10cm、高度不小于10cm的圆柱体；

步骤二：选择与山区公路纵坡接近的下承台坡面斜率；把圆柱体试件放入到60℃的环境中，保温至少2h，在其上下表面涂抹高强度胶水，并分别与底座和下承台牢固连接；

步骤三：在材料性能简单试验机上调整围压大小、偏应力水平、周期和间歇时间等参数，进行三轴动态压缩试验，获取试件的压缩应变与加载周期的关系曲线，并以测试所得的流动数作为评价沥青混合料高温抗车辙能力的指标。

 

本发明与现有技术相比，其有益效果是：（1）本发明实现了沥青混合料在水平剪切应力和竖向压缩应力共同作用下永久变形的测试，可用于评价长大纵坡路段沥青混合料的高温抗车辙性能；（2）通过加载装置中，下承台坡面斜率的变化，可以对不同纵坡加以模拟；（3）本发明只是在动态压缩蠕变试验的基础上，对加载装置系统重新设计，无需大型专业设备，便于使用操作。

附图说明

图1为山区公路沥青混合料的车辙试验装置正视图；

图2为山区公路沥青混合料的车辙试验装置俯视图；

图3为山区公路沥青混合料的车辙试验装置侧视图；

图4为山区公路沥青混合料的车辙试验装置下承台立体示意图；

图5为山区公路沥青混合料的车辙试验示意图。

其中：1-上承台；2-压头；3-弹簧；4-下承台坡面；5-下承台；6-沥青混合料试件；7-高强度胶水；8-试验机底座。

具体实施方式

下面结合附图对本发明所述的山区公路沥青混合料的车辙试验装置做进一步详细描述。本发明的山区公路沥青混合料的车辙试验装置由两部分构成：包括加载装置系统和试件固定与连接系统。

（1）加载装置系统

参见图1，加载装置系统包括上承台1、下承台5、4根加载压头2以及连接上承台与下承台的4根弹簧3。其中，上承台为高度为2cm、直径为10cm的钢制圆柱体；下承台的高度为4cm，其底面为直径为10cm的圆形，上表面被宽度为5mm的“十”字分为面积相等的4个扇形，每个扇形沿垂直于“十”字边的逆时针方向即圆周方向具有相同斜率的坡度。4根弹簧的两头分别焊接在下承台的“十”字边和上承台底部，距上、下承台侧面的距离为1cm。加载压头为截面为5mm×5mm、高度为18mm的棱柱体，且压头底部与下承台4个扇形坡面平行；加载压头为中空结构，通过中空结构内的螺丝与上承台连接。

（2）试件固定与连接系统

沥青混合料的圆柱体试件6与下承台底部接触，考虑到试验过程中沥青混合料试件水平方向的扭转作用通过上表面传递，因此圆柱体试件的上下表面一定要平整、平行。且试件的上、下表面需要进行粘结固定，本发明采用高强度胶水7者环氧树脂粘结试件的上表面与加载装置的下承台、试件的下表面与底座。

下面结合附图，通过实施例对本发明所述的山区公路沥青混合料车辙试验的方法进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例：山区公路沥青混合料车辙试验的方法，包括如下步骤：

（1）沥青混合料试件的成型

①当评价新拌沥青混合料抗车辙性能时

按照需要评价的沥青混合料的级配、沥青用量和空隙率要求，采用旋转压实成型直径为150mm、高度为170mm的圆柱体试件。采用钻取芯样和高精度双面锯切割成直径为100mm、高度为150mm的圆柱体试件，并确保试件的上下表面平行且平滑。

②当评价实际路面混合料抗车辙性能时

采用钻孔取芯机，对山区公路沥青路面的面层钻取芯样，芯样直径为100mm，高度不小于150mm的圆柱体，采用高精度双面锯切割成直径为100mm、高度为100mm的试件。

（2）沥青混合料试件的处理与安放

把沥青混合料试件放入到设定温度的环境箱中，保存至少2h。并在圆柱体试件的上下表面涂抹高强度胶水或者环氧沥青，把试件放入到材料简单性能试验机中，使得试件底面与试验机底座、试件上表面与本发明所述的车辙试验装置紧密粘结，待胶水或环氧沥青干燥、粘结牢固。

（3）车辙试验

在材料简单性能试验机上，设置三轴动态蠕变试验的围压、偏应力水平、荷载作用周期、间歇时间等车辙试验参数，并对沥青混合料试件进行三轴动态蠕变试验，获得试件轴向的压缩变形与荷载作用时间的关系曲线，并读取试件的流动数以评价沥青混合料的高温抗车辙性能。