基于四点弯曲梁法的沥青混合料层间剪切强度测试装置

摘要

本发明公开了基于四点弯曲梁法的沥青混合料层间剪切强度测试装置，第一支座和第三支座安装于加载工字梁底部，且第一支座铰接于第一弯曲梁夹具，第三支座铰接于第三弯曲梁夹具；第二支座和第四支座设置于底座顶部，且第二支座铰接于第二弯曲梁夹具，第四支座铰接于第四弯曲梁夹具。本发明基于四点弯曲梁法的沥青混合料层间剪切强度测试装置，调整弯曲梁夹具和支座位置，确保施加在试件上的竖向荷载对应于设计的力臂长度，且由于竖直荷载和铰接的相互作用，试件层间仅承受剪切荷载，不受弯矩应力的影响，便于合理解释和分析纯剪切状态下的沥青路面层间粘结情况，同时还减轻了弯曲梁夹具刚度对试验结果的影响。

说明书

技术领域

本发明涉及道路工程技术领域，具体涉及基于四点弯曲梁法的沥青混合料层间剪切强度测试装置。

背景技术

沥青路面是一种由不同结构层组成的多层体系结构，在路面结构设计和施工过程中，一般假设为各结构层之间处于完全连续状态。然后，大量路面早期病害调查研究表明，沥青路面层间结合优劣是影响沥青路面使用寿命的重要因素之一，尤其是在大纵坡路段、小半径路段以及加速制动区域等处，路面结构层将产生较大的水平荷载，路面结构层间产生的剪切应力将比一般路段增大数倍，沥青路面层易产生层间剪切破坏，特别是在面层与基层界面或者磨耗层与粘结层间。随着车辆重载超载现象的日益严重，以及渠化交通的形成，沥青路面在出现疲劳裂缝或者破坏之前，由于层间粘结不足等原因引起的层间疲劳破坏现在增多。目前我国现行公路沥青路面设计方法中没有考虑路面的层间剪切疲劳，缺乏沥青路面层间剪切疲劳的测试方法和手段，难以反映路面的真实应力状态，因此应提出一种能评价沥青混合料在真实受力状态下的层间剪切强度与层间剪切疲劳强度测试装置及方法。

车辆行驶在路面上，施加给路面的作用力主要包括垂直压力以及水平力。目前国内外进行层间剪切疲劳试验的方法主要是直接剪切试验和斜剪试验。目前常用的MTS疲劳试验机只能在一个方向重复施加荷载，如果采用直剪法进行层间剪切疲劳试验，试件层间界面只受到剪应力的作用而未受到垂直压力的的作用，就不能很好的模拟实际路面在车辆荷载下的路面层间性能。斜面剪切试验通常利用MTS伺服试验机对试件施加一个垂直的竖向荷载，则试件会同时受到一个垂直力和水平力的作用，水平力会使层间产生剪切破坏。但是斜剪试验多采用固定倾角的夹具，其产生的垂直力和水平力的比例恒定，不能模拟实际路面结构在行车荷载下产生的压应力和剪应力随路面深度变化的情况。可见，现有的剪切试验方法中，截切面同时存在剪切力和弯曲应力，难以合理解释和分析纯剪切状态下的沥青路面层间粘结情况。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有剪切试验方法中，截切面同时存在剪切力和弯曲应力，难以合理解释和分析纯剪切状态下的沥青路面层间粘结情况，目的在于提供基于四点弯曲梁法的沥青混合料层间剪切强度测试装置，解决上述问题。

本发明通过下述技术方案实现：

基于四点弯曲梁法的沥青混合料层间剪切强度测试装置，包括加载工字梁、弯曲梁夹具、支座和底座；所述加载工字梁、试件和底座由上而下依次设置；所述弯曲梁夹具包括第一弯曲梁夹具、第二弯曲梁夹具、第三弯曲梁夹具和第四弯曲梁夹具；所述支座包括第一支座、第二支座、第三支座和第四支座；所述第一弯曲梁夹具、第二弯曲梁夹具、第三弯曲梁夹具和第四弯曲梁夹具沿试件轴线依次套装于试件上；所述第一支座和第三支座安装于加载工字梁底部，且第一支座铰接于第一弯曲梁夹具，第三支座铰接于第三弯曲梁夹具；所述第二支座和第四支座设置于底座顶部，且第二支座铰接于第二弯曲梁夹具，第四支座铰接于第四弯曲梁夹具。

现有技术中，现有剪切试验方法中，截切面同时存在剪切力和弯曲应力，难以合理解释和分析纯剪切状态下的沥青路面层间粘结情况。本发明应用时，调整弯曲梁夹具和支座位置，确保施加在试件上的竖向荷载对应于设计的力臂长度，然后通过加载工字梁对试件加载，由于第一弯曲梁夹具、第二弯曲梁夹具、第三弯曲梁夹具和第四弯曲梁夹具分别铰接于第一支座、第二支座、第三支座和第四支座，为试件提供了受荷作用下所需的自由度，从而被测试件在所施加竖向荷载作用下，两个中间支撑点间的横截面处仅承担较高剪切荷载，而不承担弯矩应力的影响。发明人在实验中还发现，由于弯曲梁夹具的水平位移存在自由度，所以在受荷状态下，弯曲梁夹具的水平变形得到缓解，从而减轻了弯曲梁夹具刚度对试验结果的影响。本发明由于竖直荷载和铰接的相互作用，不但试件不承受弯矩应力的影响，仅受剪切荷载，便于合理解释和分析纯剪切状态下的沥青路面层间粘结情况，同时还减轻了弯曲梁夹具刚度对试验结果的影响。

进一步的，本发明还包括设置于底座顶面的第一挡板和第二挡板；所述第一挡板和第二挡板对向设置，且试件位于第一挡板和第二挡板之间；所述第一挡板朝向试件的面上设置拉压传感器；所述第二挡板朝向试件的面上设置横向千斤顶。

现有技术中，在对沥青试件进行水平加载时，由于沥青材料非匀质材料，所以变形无法均匀，在加载过程中，夹具处会发生应力集中，从而导致试件提前破坏，影响了实验精度和实验结果。本发明应用时，通过第二挡板对试件进行加载，并由第一挡板上的拉压传感器对受力进行监控，由于第一弯曲梁夹具、第二弯曲梁夹具、第三弯曲梁夹具和第四弯曲梁夹具分别铰接于第一支座、第二支座、第三支座和第四支座，为试件提供了受荷作用下所需的自由度，所以当沥青材料发生非均匀的变形时，铰接转动，从而缓解了弯曲梁夹具处的约束，进而降低了应力集中的发生，实验结果更加准确；同时，当水平施加荷载后，需要对试件施加竖直荷载模拟车载时，由于弯曲梁夹具处的应力集中较低，避免了在试件整体达到破坏荷载之前，试件就从弯曲梁夹具处破坏的现象发生，从而使得实验结果更加准确。

再进一步的，所述第一挡板包括第一加强肋、第一L形板和传感器定位孔；所述第一L形板的长边竖直布置，且第一加强肋设置于第一L形板的拐角处；所述传感器定位孔设置于第一L形板的长边上，且朝向试件；所述拉压传感器设置于传感器定位孔。

再进一步的，所述第二挡板包括第二加强肋、第二L形板、千斤顶定位孔和千斤顶；所述第二L形板的长边竖直布置，且第二加强肋设置于第二L形板的拐角处；所述千斤顶定位孔设置于第二L形板的长边上，且朝向试件；所述千斤顶设置于第二L形板的长边上，且千斤顶的加载方向朝向试件；所述千斤顶通过千斤顶定位孔定位。

本发明应用时，由于第一挡板和第二挡板在受力时，会发生变形，越靠近挡板端部，绕度越大，从而影响实验的准确性；发明人通过设置第一加强肋和第二加强肋，减少了挡板变形，从而提高了实验的准确性，同时，通过千斤顶定位孔定位千斤顶，并通过传感器定位孔定位拉压传感器，从而保证了在做多组实验需要更换试件时，初始条件可以保持不变，进一步的提高了实验的准确性。

进一步的，所述第一弯曲梁夹具、第二弯曲梁夹具、第三弯曲梁夹具和第四弯曲梁夹具的形状相同。

再进一步的，所述第一弯曲梁夹具包括上夹具、下夹具、销轴底座和蝶形螺栓；所述上夹具、下夹具和销轴底座依次连接，且上夹具和下夹具通过蝶形螺栓对向连接；所述销轴底座一端固定连接于下夹具底部，另一端铰接于第一支座。

再进一步的，其特征在于，所述上夹具接触于下夹具的面上设置限位块，且下夹具接触于上夹具的面上设置限位槽；所述限位块的形状尺寸与限位槽相匹配，且安装时，限位块伸入限位槽内。

本发明应用时，由于进行加载实验时，当试件发生破坏，需要更换试件进行实验，如果多组加载实验的初始条件不能相同，则进行数据对比时，会发生很大误差，从而影响实验结果。本发明通过上述设置，对弯曲梁夹具的拆装方便，结构简单，成本低廉，并且由于限位槽和限位块的匹配，使得上夹具和下夹具闭合时，相对位置非常固定，从而保证了加载实验的初始条件相同，降低了误差，提高了实验数据的准确性。

再进一步的，所述下夹具的上底部设置支撑块；安装时，所述支撑块支撑试件。

进一步的，所述底座包括上夹板和下夹板；所述上夹板设置于下夹板上方，并通过螺栓连接；所述第二支座和第四支座设置于上夹板顶部，并通过焊接连接于上夹板；所述下夹板上设置用于安装设备的螺栓孔。

本发明应用时，对于不同的试件选择不同的加载力臂时，需要将第二支座和第四支座拆卸并调整位置，而为了保证第二支座和第四支座不发生位移，第二支座和第四支座多采用焊接的方式进行安装，这就使得拆卸不便，而本发明创造性的设置上夹板和下夹板，从而使得需要将第二支座和第四支座拆卸并调整位置时，只需要拆卸上夹板，并更换所需力臂的上夹板，就可以实现选择不同的加载力臂，使用过程方便简单。

进一步的，所述加载工字梁的顶面上设置加载定位孔；使用时，所述加载定位孔接触于伺服试验机加载头。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明基于四点弯曲梁法的沥青混合料层间剪切强度测试装置，调整弯曲梁夹具和支座位置，确保施加在试件上的竖向荷载对应于设计的力臂长度，且由于竖直荷载和铰接的相互作用，试件层间仅承受剪切荷载，不承受弯矩应力的影响，便于合理解释和分析纯剪切状态下的沥青路面层间粘结情况，同时还减轻了弯曲梁夹具刚度对试验结果的影响；

2、本发明基于四点弯曲梁法的沥青混合料层间剪切强度测试装置，通过铰接为试件提供了受荷作用下所需的自由度，使得弯曲梁夹具处的应力集中较低，避免了在试件整体达到破坏荷载之前，试件就从弯曲梁夹具处破坏的现象发生，从而使得实验结果更加准确；

3、本发明基于四点弯曲梁法的沥青混合料层间剪切强度测试装置，通过千斤顶定位孔定位千斤顶，并通过传感器定位孔定位拉压传感器，从而保证了在做多组实验需要更换试件时，初始条件可以保持不变，进一步的提高了实验的准确性；

4、本发明基于四点弯曲梁法的沥青混合料层间剪切强度测试装置，对弯曲梁夹具的拆装方便，结构简单，成本低廉，并且由于限位槽和限位块的匹配，使得上夹具和下夹具闭合时，相对位置非常固定，从而保证了加载实验的初始条件相同，降低了误差，提高了实验数据的准确性；

5、本发明基于四点弯曲梁法的沥青混合料层间剪切强度测试装置，只需要拆卸上夹板，并更换所需力臂的上夹板，就可以实现选择不同的加载力臂，使用过程方便简单。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明结构示意图；

图2为下夹板结构俯视图；

图3为下夹板结构正视图；

图4为加载工字梁结构正视图；

图5为加载工字梁结构侧视图；

图6为第一挡板结构正视图；

图7为第一挡板结构侧视图；

图8为第一弯曲梁夹具结构正视图；

图9为第一弯曲梁夹具结构侧视图；

图10为第二挡板结构正视图；

图11为第二挡板结构侧视图；

图12为上夹板结构正视图；

图13为上夹板结构俯视图；

图14为实施例2受力示意图；

图15为实施例2剪应力分布示意图；

图16为实施例2弯矩分布示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-加载工字梁，2-试件，3-弯曲梁夹具，4-支座，5-底座，31-第一弯曲梁夹具，32-第二弯曲梁夹具，33-第三弯曲梁夹具，34-第四弯曲梁夹具，41-第一支座，42-第二支座，43-第三支座，44-第四支座，51-第一挡板，52-第二挡板，53-拉压传感器，54-横向千斤顶，55-下夹板，56-上夹板，57-螺栓孔，511-第一加强肋，512-第一L形板，513-传感器定位孔，521-第二加强肋，522-第二L形板，523-千斤顶定位孔，524-千斤顶，311-上夹具，312-下夹具，313-销轴底座，314-蝶形螺栓，315-限位槽，316-支撑块。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

如图1所示，本发明基于四点弯曲梁法的沥青混合料层间剪切强度测试装置，包括加载工字梁1、弯曲梁夹具3、支座4和底座5；所述加载工字梁1、试件2和底座5由上而下依次设置；所述弯曲梁夹具3包括第一弯曲梁夹具31、第二弯曲梁夹具32、第三弯曲梁夹具33和第四弯曲梁夹具34；所述支座4包括第一支座41、第二支座42、第三支座43和第四支座44；所述第一弯曲梁夹具31、第二弯曲梁夹具32、第三弯曲梁夹具33和第四弯曲梁夹具34沿试件2轴线依次套装于试件2上；所述第一支座41和第三支座43安装于加载工字梁1底部，且第一支座41铰接于第一弯曲梁夹具31，第三支座43铰接于第三弯曲梁夹具33；所述第二支座42和第四支座44设置于底座5顶部，且第二支座42铰接于第二弯曲梁夹具32，第四支座44铰接于第四弯曲梁夹具34。

本实施例实施时，调整弯曲梁夹具3和支座4位置，确保施加在试件2上的竖向荷载对应于设计的力臂长度，然后通过加载工字梁1对试件2加载，由于第一弯曲梁夹具31、第二弯曲梁夹具32、第三弯曲梁夹具33和第四弯曲梁夹具34分别铰接于第一支座41、第二支座42、第三支座43和第四支座44，为试件2提供了受荷作用下所需的自由度，从而被测试件在所施加竖向荷载作用下，两个中间支撑点间的横截面处仅承担较高剪切荷载，而不承担弯矩应力的影响。发明人在实验中还发现，由于弯曲梁夹具3的水平位移存在自由度，所以在受荷状态下，弯曲梁夹具3的水平变形得到缓解，从而减轻了弯曲梁夹具3刚度对试验结果的影响。

实施例2

如图14、图15和图16所示，本实施例在实施例1的基础上，被测试件2的尺寸为50*70*280mm，图15和图16表面，试件层间截面处没有弯矩产生，此外层间截面处承受的剪切力为11/15V，符合材料力学理论分析结果。

实施例3

如图1所示，本实施例在实施例1的基础上，还包括设置于底座5顶面的第一挡板51和第二挡板52；所述第一挡板51和第二挡板52对向设置，且试件2位于第一挡板51和第二挡板52之间；所述第一挡板51朝向试件2的面上设置拉压传感器53；所述第二挡板52朝向试件2的面上设置横向千斤顶54。

本实施例实施时，通过第二挡板51对试件2进行加载，并由第一挡板51上的拉压传感器53对受力进行监控，由于第一弯曲梁夹具31、第二弯曲梁夹具32、第三弯曲梁夹具33和第四弯曲梁夹具34分别铰接于第一支座41、第二支座42、第三支座43和第四支座44，为试件2提供了受荷作用下所需的自由度，所以当沥青材料发生非均匀的变形时，铰接转动，从而缓解了弯曲梁夹具3处的约束，进而降低了应力集中的发生，实验结果更加准确；同时，当水平施加荷载后，需要对试件2施加竖直荷载模拟车载时，由于弯曲梁夹具3处的应力集中较低，避免了在试件整体达到破坏荷载之前，试件就从弯曲梁夹具3处破坏的现象发生，从而使得实验结果更加准确。

实施例4

本实施例在实施例3的基础上，施加水平荷载：待试验装置各个组成部件安装完毕后，首先通过横向千斤顶54施加垂直于复合试件层间接触面的横向压力，施加的横向压力经由垫片均匀的传递给被测试件2，其施加的横向压力通过拉压传感器53读出，且在试验过程中保持横向压力恒定，具体横向压力根据试验要求设定，一般为0～0.7MPa。随后通过加载工字梁1对试件施加竖向荷载，首先缓慢施加0.5KN的竖向荷载预压被测试件2，稳定30s，使被测试件2与弯曲梁夹具3充分接触，防止试件2在加载过程中滑移；随后采用一定速率的应力或者位移控制竖向加载速度，直至试件破坏；记录加载过程中的载荷-位移曲线，试件破坏时对应的荷载即为最大破坏荷载T_max，通过下式计算得出沥青混合料层间抗剪强度τ。

实施例5

如图6、图7、图10和图11所示，本实施例在实施例3的基础上，所述第一挡板51包括第一加强肋511、第一L形板512和传感器定位孔513；所述第一L形板512的长边竖直布置，且第一加强肋511设置于第一L形板512的拐角处；所述传感器定位孔513设置于第一L形板512的长边上，且朝向试件2；所述拉压传感器53设置于传感器定位孔513。所述第二挡板52包括第二加强肋521、第二L形板522、千斤顶定位孔523和千斤顶524；所述第二L形板522的长边竖直布置，且第二加强肋521设置于第二L形板522的拐角处；所述千斤顶定位孔523设置于第二L形板522的长边上，且朝向试件2；所述千斤顶524设置于第二L形板522的长边上，且千斤顶524的加载方向朝向试件；所述千斤顶524通过千斤顶定位孔523定位。

本实施例实施时，由于第一挡板51和第二挡板52在受力时，会发生变形，越靠近挡板端部，绕度越大，从而影响实验的准确性；发明人通过设置第一加强肋511和第二加强肋521，减少了挡板变形，从而提高了实验的准确性，同时，通过千斤顶定位孔523定位千斤顶524，并通过传感器定位孔513定位拉压传感器53，从而保证了在做多组实验需要更换试件时，初始条件可以保持不变，进一步的提高了实验的准确性。

实施例6

如图8和图9所示，本实施例在实施例1的基础上，所述第一弯曲梁夹具31、第二弯曲梁夹具32、第三弯曲梁夹具33和第四弯曲梁夹具34的形状相同。所述第一弯曲梁夹具31包括上夹具311、下夹具312、销轴底座313和蝶形螺栓314；所述上夹具311、下夹具312和销轴底座313依次连接，且上夹具311和下夹具312通过蝶形螺栓314对向连接；所述销轴底座313一端固定连接于下夹具312底部，另一端铰接于第一支座41。所述上夹具311接触于下夹具312的面上设置限位块，且下夹具312接触于上夹具311的面上设置限位槽315；所述限位块的形状尺寸与限位槽315相匹配，且安装时，限位块伸入限位槽315内。所述下夹具312的上底部设置支撑块316；安装时，所述支撑块316支撑试件2。

本实施例实施时，由于进行加载实验时，当试件2发生破坏，需要更换试件进行实验，如果多组加载实验的初始条件不能相同，则进行数据对比时，会发生很大误差，从而影响实验结果。本发明通过上述设置，对弯曲梁夹具3的拆装方便，结构简单，成本低廉，并且由于限位槽315和限位块的匹配，使得上夹具311和下夹具312闭合时，相对位置非常固定，从而保证了加载实验的初始条件相同，降低了误差，提高了实验数据的准确性。

实施例7

如图2、图3、图4、图5、图12和图13所示，本实施例在实施例1的基础上，所述底座5包括上夹板56和下夹板55；所述上夹板56设置于下夹板55上方，并通过螺栓连接；所述第二支座42和第四支座44设置于上夹板56顶部，并通过焊接连接于上夹板56；所述下夹板55上设置用于安装设备的螺栓孔57。所述加载工字梁1的顶面上设置加载定位孔11；使用时，所述加载定位孔11接触于伺服试验机加载头。

本实施例实施时，对于不同的试件2选择不同的加载力臂时，需要将第二支座42和第四支座44拆卸并调整位置，而为了保证第二支座42和第四支座44不发生位移，第二支座42和第四支座44多采用焊接的方式进行安装，这就使得拆卸不便，而本发明创造性的设置上夹板56和下夹板55，从而使得需要将第二支座42和第四支座44拆卸并调整位置时，只需要拆卸上夹板56，并更换所需力臂的上夹板56，就可以实现选择不同的加载力臂，使用过程方便简单。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。