沥青路面圆柱体试件层间剪切装置及其剪切方法

摘要

本发明公开了一种沥青路面圆柱体试件层间剪切装置及其剪切方法，包括剪切组件、压力机与圆柱体试件；还包括用于锁紧圆柱体试件的预压件；剪切组件包括剪切压头与剪切底座；剪切底座装于加载底座上，且剪切底座中心设有空槽，空槽两侧对称设有接触部，接触部分别与第一结构层、第三结构层接触。本发明提供的剪切方法，对称施加剪应力，消除了偏心加载对仪器的反力矩，从而避免了对仪器加载装置的损坏。

说明书

技术领域

本发明涉及公路工程沥青路面材料与结构研究技术领域，尤其涉及一种沥青路面圆柱体试件层间剪切装置及其剪切方法。

背景技术

为加强沥青路面的各结构层之间的粘结而洒布的沥青材料薄层，称为粘结层。粘结层使得路面各结构层成为整体，共同承受交通荷载的作用。粘结层的性能对路面结构使用性能影响显著。路面结构层之间粘结不牢，在行车荷载作用下，路面易出现推移、拥包与开裂等多种病害。一般来说,可以通过室内剪切试验评价粘结层的性能。2008年，长安大学刘丽在博士论文《沥青路面层间处治技术研究》中提出了一种沥青路面层间剪切试验方法：先通过轮碾成型2层板块状且中间夹入粘结层的圆柱体试件，然后钻芯获得圆柱体试件，将圆柱体试件用于剪切试验。

该试验装置和试验方法存在的问题是：（1）在对圆柱体试件进行剪切试验时，加载装置偏心加载对仪器产生反力矩，易损坏仪器；（2）实际路面结构层之间的剪切面上同时承受压应力和剪应力作用，而刘丽博士论文中的剪切试验方法无法在剪切面上施加压应力。

发明内容

本发明的发明目的是针对现有公路工程沥青路面剪切装置与剪切方法的技术不足，提供一种沥青路面圆柱体试件层间剪切装置。

进一步地，提供一种沥青路面圆柱体试件层间剪切方法。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

提供一种沥青路面圆柱体试件层间剪切装置，包括剪切组件与压力机；

还包括预压件，压力机包括加载底座，预压件置于加载底座上，预压件内置有圆柱体试件；预压件通过压力机锁紧圆柱体试件；

圆柱体试件包括第一结构层、第二结构层、第三结构层，第一结构层与第二结构层之间通过第一粘结层连接，第二结构层与第三结构层之间通过第二粘结层连接；

剪切组件包括剪切压头与剪切底座；剪切底座装于加载底座上，且剪切底座中心设有空槽，空槽相对两侧对称设有接触部，接触部分别与第一结构层、第三结构层接触；

剪切压头安装于横放的圆柱体试件上，且剪切压头、第二结构层、剪切底座及空槽的中线在同一条直线上；剪切压头与圆柱体试件的接触面长度小于第二结构层的厚度；空槽的长度大于第二结构层、第一粘结层和第二粘结层的厚度之和，且小于第一结构层、第二结构层、第三结构层、第一粘结层和第二粘结层的厚度之和。

优选地，所述剪切压头与圆柱体试件接触，接触面的直径与圆柱体试件的直径尺寸一致。

优选地，所述预压件还包括底板、顶板与导杆；所述底板置于圆柱体试件的底部，所述顶板置于圆柱体试件的顶部；所述导杆一端通过锁紧螺栓安装于顶板上，另一端置于底板上；所述压力机通过锁紧螺栓将圆柱体试件锁紧于预压件内。

优选地，所述导杆的数量为4根，4跟导杆依次连接成正方形。

优选方案之一，所述圆柱体试件采用室内旋转压实方法分层制作圆柱体试件。首先选择内径为10cm、长度为30cm的试模；在试模底部，按照第一结构层的厚度和材料要求制作第一结构层；待第一结构层降至室温时，在第一结构层上表面涂抹粘层材料，形成第一粘结层；然后，在第一粘结层上继续填充第二结构层的沥青混合料，制作第二结构层；待第二结构层温度降至室温时，在第二结构层上表面涂抹粘层材料，形成第二粘结层；最后，在第二粘结层上继续填充第三结构层的沥青混合料，按照第三结构层的厚度制作第三结构层，待圆柱体试件温度降至室温时，即可用于本发明的剪切试验。

优选方案之二，所述圆柱体试件为采用现场取芯的路面芯样。当沥青路面由上面层、粘结层、中面层、粘结层、下面层构成，且各结构层的厚度在本发明第一结构层、第二结构层与第三结构层的厚度范围内时，用取芯机钻取直径为10cm的沥青路面上面层、粘结层、中面层、粘结层与下面层的连续完整的芯样，用于本发明剪切试验。

优选地，第一结构层、第二结构层与第三结构层的构成材料均为沥青混合料；第一粘结层与第二粘结层均采用沥青材料。

优选地，所述圆柱体试件直径为9cm～11cm；其中，第一结构层的厚度为4cm～10cm；第二结构层的厚度为4cm～6cm；第三结构层的厚度为4cm～10cm；第一粘结层和第二粘结层的厚度均为0mm～2mm。

进一步地，本发明提供一种沥青路面圆柱体试件层间剪切方法，包括以下步骤：

1)安装预压件：预压件包括底板、顶板、导杆与锁紧螺栓；底板置于圆柱体试件的底部，顶板置于圆柱体试件的顶部，且所述导杆一端通过锁紧螺栓安装于顶板上，另一端置于底板上； 

2)预压、锁定圆柱体试件：将装有圆柱体试件的预压件竖直地放置在压力机的加载底座上，通过顶板给圆柱体试件施加压力；然后，逐渐拧紧锁紧螺栓，直至压力机的压力表读数回零，从而保证压力机通过锁紧螺栓将圆柱体试件锁紧于预压件内；

3)安装剪切：将剪切底座安装在压力机的加载底座上；将步骤2）中锁定的圆柱体试件横放在剪切底座上；剪切组件包括剪切压头与剪切底座；剪切底座装于加载底座上，且剪切底座中心设有空槽，空槽相对两侧对称设有接触部，接触部分别与第一结构层、第三结构层接触；将锁紧后的圆柱体试件横放并装于剪切底座上，剪切压头安装于圆柱体试件上，且剪切压头、第二结构层、剪切底座及空槽的中线在同一条直线上；剪切压头与圆柱体试件的接触面长度小于第二结构层的厚度，空槽的长度大于第二结构层、第一粘结层和第二粘结层的厚度之和；通过剪切压头对圆柱体试件加载，从而进行剪切试验。 

优选地，步骤2）中，为减少圆柱体试件预压后产生的蠕变变形和应力松弛，所述圆柱体试件从锁定到开始剪切的时间在5min以内。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

（1）本发明沥青路面圆柱体试件层间剪切装置及其剪切方法，在圆柱体试件上对称施加剪应力，消除了偏心加载对仪器的反力矩，从而避免了对仪器加载装置的损坏；

（2）本发明沥青路面圆柱体试件层间剪切装置及其剪切方法，先预压再剪切，能够在剪切面上同时施加压应力和剪应力，更加符合实际路面的受力状态。 

附图说明

图1为本发明沥青路面圆柱体试件层间剪切装置的圆柱体试件的试件与预压件安装后的主视图；

图2为本发明沥青路面圆柱体试件层间剪切装置的圆柱体试件的试件与预压件安装后的俯视图；

图3为本发明的圆柱体试件、预压件与剪切组件安装后的主剖视图；

图4为本发明的圆柱体试件、预压件与剪切组件安装后的右视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的发明目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。除非特别说明，本发明采用的材料和加工方法为本技术领域常规材料和加工方法。

实施例1 

本实施例中，采用室内旋转压实方法分层制作圆柱体试件。 

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）中“T0736-2011沥青混合料旋转压实圆柱体试件制作方法（SGC方法）”，分层制作本发明所需的圆柱体试件。选择内径为10cm，长度为30cm的试模；在试模底部，通过旋转压实AC-25C型沥青混合料制作厚度为10cm的第一结构层51；待第一结构层51温度降至室温时，在第一结构层51表面改性乳化沥青，涂抹厚度为0.3mm，待乳化沥青破乳后，形成第一粘结层54；然后，在第一粘结层54上继续填充AC-20C型沥青混合料，通过旋转压实制作厚度为6cm的第二结构层52；待圆柱体试件温度降至室温时，在圆柱体试件表面涂抹改性乳化沥青，涂抹厚度为0.3mm，待乳化沥青破乳后，形成第二粘结层55；最后，在第二粘结层55上继续填充AC-13C型沥青混合料，通过旋转压实制作厚度为4cm的第三结构层53，待圆柱体试件5温度降至室温时，即可用于本发明的剪切试验。

该圆柱体试件5直径为10cm。其中，第一结构层51采用AC-25C型沥青混合料，厚度为10cm；第二结构层52采用AC-20C型沥青混合料，厚度为6cm；第三结构层53采用AC-13C型沥青混合料，厚度为4cm；第一粘结层54和第二粘结层55均采用改性乳化沥青，厚度均为0.3mm。

（2）安装预压件；

如图1与图2所示。由1块正方形底板1、1块正方形顶板3、4根导杆2和4个锁紧螺栓4形成。底板1与顶板3均为边长为20cm的正方形钢板，厚度为1cm。

将圆柱体试件5放置在预压件的底板1中部，并安装顶板3。

（3）预压、锁定圆柱体试件。

在室温为20℃的环境下，将圆柱体试件5连同预压件竖直地放置在压力机加载底座上，通过顶板3给圆柱体试件施加5549.95N的压力（即：施加在剪切面上的压应力为0.707MPa）；然后，逐渐拧紧锁紧螺栓4，直至压力机的压力表的读数回零，从而保证锁定圆柱体试件5，在剪切面上的压应力为0.707MPa。

（4）安装剪切组件，进行剪切试验。

如图3与图4所示，由剪切底座和剪切压头形成。剪切压头与圆柱体试件接触面为直径为10cm的圆柱面。

其中，图中a 与c表示剪切底座61的接触部的长度，其中，a为4cm，c为4cm；b表示空槽的长度，d表示底座的宽度，h表示空槽的高度，且b为第二结构层、第一粘结层与第二粘结层厚度之和并加1cm ；在本实施中，b为7.6cm；d为5cm；h为4cm。

剪切压头62尺寸e表示剪切压头与圆柱体试件的接触面长度，f表示剪切压头与圆柱体试件的接触面宽度，g表示剪切压头的高度；其中，e为4cm，f为5cm，g为4cm。

试验温度为25℃。将剪切底座61安装在压力机的加载底座上；立即将锁定的圆柱体试件5横放在剪切底座61上；将剪切压头62安装于圆柱体试件5上，且剪切压头62的中线与第二结构层52的中线及剪切底座61的中线在同一条直线上。通过剪切压头62加载，进行剪切试验。从圆柱体试件5锁定到开始剪切试验的时间为2min。试验结果显示，最大剪应力为1.51 MPa。

实施例2 

本实施例除下属特征外，其他均与实施例1相同：

本实施例中，采用现场取芯的路面芯样。

某高速公路沥青路面上面层为SMA-13型沥青混合料，厚度为4cm；中面层为AC-20C型沥青混合料，厚度为6cm；下面层为AC-25C沥青混合料，厚度为8cm；上、中面层之间的粘结层为0.4mm厚的改性乳化沥青；中、下面层之间的粘结层为0.5mm厚的改性乳化沥青。

路面施工3天后，用取芯机钻取直径为10cm的沥青路面上面层、粘结层、中面层、粘结层、下面层的连续、完整的芯样，用于本发明剪切试验。其中，下面层为本发明的第一结构层，中面层为第二结构层，上面层为第三结构层，中、下面层之间的粘结层为第一粘结层，上、中面层之间的粘结层为第二粘结层。

（2）安装预压件。

如图1与图2所示。由1块正方形底板、1块正方形顶板、4根导杆和4个锁紧螺栓组成。底板与顶板均为边长为20cm的正方形钢板，厚度为1cm。

将圆柱体试件放置在预压件的底板中部，并安装顶板。

（3）预压、锁定圆柱体试件。

如图3与图4所示，在室温为20℃的环境下，将圆柱体试件连同预压件竖直地放置在压力机加载底座上，通过顶板给圆柱体试件施加6280N的压力（即：施加在剪切面上的压应力为0.8MPa）；然后，逐渐拧紧锁紧螺栓，直至压力机的压力表的读数回零，从而保证锁定圆柱体试件，在剪切面上的压应力为0.8MPa。

（4）安装剪切组件，进行剪切试验。

剪切装置如图3与图4所示。由剪切底座和剪切压头组成。与试件接触面为直径为10cm的圆柱面。其中，剪切底座的尺寸a为4cm；c为4cm；b为7.9cm；d为5cm；h为4cm。剪切压头尺寸e为4cm；f为5cm；g为4cm。

试验温度为20℃。将剪切底座安装在压力机的加载底座上；立即将锁定的试件横放在剪切底座上；安装剪切压头；使得剪切压头的中线与试件第二结构层的中线及剪切底座的中线在同一条直线上。通过剪切压头加载，进行剪切试验。从试件锁定到开始剪切试验的时间为3min。试验结果显示，最大剪应力为1.72 MPa。

上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。