一種路面材料劈裂回彈模量測(cè)試系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種路面材料劈裂回彈模量測(cè)試系統(tǒng)，包括路面材料的試件、還包括MTS多功能材料測(cè)試系統(tǒng)、前電阻應(yīng)變片、后電阻應(yīng)變片、應(yīng)變采集儀和數(shù)據(jù)處理終端，方法依據(jù)利用MTS多功能材料測(cè)試系統(tǒng)對(duì)試件進(jìn)行徑向?qū)ΨQ加載，在試件中心處與加載方向相垂直的位置粘貼電阻應(yīng)變片，利用電阻應(yīng)變片測(cè)得該處水平方向的拉應(yīng)變，將此拉應(yīng)變帶入劈裂回彈模量計(jì)算公式即可得到更精確的劈裂回彈模量。利用該改進(jìn)的測(cè)試系統(tǒng)和方法可獲得試件具體測(cè)試部位的、更準(zhǔn)確的水平回彈應(yīng)變及其對(duì)應(yīng)的回彈模量，避免了將變形積分統(tǒng)計(jì)平均后所引起的計(jì)算誤差，提高了路面材料的測(cè)試精度及試驗(yàn)效率，并可為耐久性路面的科學(xué)設(shè)計(jì)提供更準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)。
【專利說明】
一種路面材料劈裂回彈模量測(cè)試系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型涉及道路工程領(lǐng)域中的路用材料模量室內(nèi)測(cè)試技術(shù)，具體涉及半剛性 基層材料及瀝青混合料劈裂回彈模量測(cè)試系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 在車輛荷載作用下，路面各結(jié)構(gòu)層處于復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)。為了較好地模擬實(shí)際路 面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)，現(xiàn)行路面材料試驗(yàn)規(guī)程中針對(duì)材料模量的測(cè)試方法主要分為抗壓回彈 模量測(cè)試、彎拉回彈模量測(cè)試和劈裂回彈模量測(cè)試。抗壓回彈模量試驗(yàn)和彎拉回彈模量試 驗(yàn)均是在材料處于單向應(yīng)力狀態(tài)下進(jìn)行，難以準(zhǔn)確反映路面材料的真實(shí)力學(xué)性能。劈裂回 彈模量試驗(yàn)又稱為間接拉伸試驗(yàn)，大量研究表明，其應(yīng)力狀態(tài)與路面結(jié)構(gòu)層的真實(shí)應(yīng)力狀 態(tài)較為接近，能更有效合理地表征路面材料或結(jié)構(gòu)的抗變形性能。
[0003] 現(xiàn)行路面材料試驗(yàn)規(guī)程中，關(guān)于瀝青混合料和半剛性材料劈裂回彈模量的測(cè)試， 一般通過千分表(或位移傳感器)測(cè)得試件水平徑向的整個(gè)回彈變形，將其帶入相應(yīng)公式計(jì) 算得到劈裂回彈模量。由于試件表面粗糙，千分表(位移傳感器)探針安放困難，難以保證水 平變形測(cè)試的精確性，亦勢(shì)必造成測(cè)試結(jié)果的不準(zhǔn)確。在沒有條件測(cè)得水平回彈變形的情 況下，可以通過測(cè)得試件豎向總回彈變形，利用泊松比換算得到水平回彈變形，進(jìn)而帶入公 式計(jì)算得到劈裂回彈模量。不管是水平徑向的整個(gè)回彈變形，還是豎向總回彈變形，其反映 的是整個(gè)試件徑向的變形總和，不能反映與應(yīng)力狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值，據(jù)此所得的模量值 也難以客觀反映不同應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)下材料的真實(shí)抗變形能力，究其原因是由于劈裂試驗(yàn)條 件下，試件內(nèi)部各點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)是不同的，不同的應(yīng)力狀態(tài)將會(huì)引起試件內(nèi)部各點(diǎn)不同的 變形響應(yīng)，現(xiàn)行試驗(yàn)規(guī)程通過測(cè)得試件水平方向的總變形或垂直方向的總變形來計(jì)算路面 材料的劈裂模量，該模量僅是個(gè)統(tǒng)計(jì)平均的概念，將此作為路面材料性能評(píng)價(jià)指標(biāo)有失偏 頗。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型旨在提供一種路面材料劈裂回彈模量測(cè)試系 統(tǒng)，利用應(yīng)變片測(cè)得試件水平回彈變形、利用所推導(dǎo)的劈裂回彈模量計(jì)算模型獲得相應(yīng)的 模量值，并給出綜合考慮了橫向拉應(yīng)力、豎向壓應(yīng)力對(duì)試件回彈變形影響條件下的劈裂回 彈模量計(jì)算模型，為開展精準(zhǔn)化的路面力學(xué)分析提供了參數(shù)依據(jù)，對(duì)提高路面材料模量測(cè) 試的準(zhǔn)確性及試驗(yàn)效率，節(jié)約路面材料室內(nèi)試驗(yàn)成本，進(jìn)而提高瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的精度 具有重要意義。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案：
[0006] -種路面材料劈裂回彈模量測(cè)試系統(tǒng)，包括路面材料的試件，還包括MTS多功能材 料測(cè)試系統(tǒng)、電阻應(yīng)變片、應(yīng)變采集儀和數(shù)據(jù)處理終端;其中：
[0007] MTS多功能材料測(cè)試系統(tǒng)用于向試件施加線狀載荷P，使試件處于對(duì)心受壓狀態(tài)；
[0008] 電阻應(yīng)變片:包括前電阻應(yīng)變片和后電阻應(yīng)變片，所述前電阻應(yīng)變片和后電阻應(yīng) 變片分別貼于試件的前表面中部和試件的后表面中部，兩者之間呈水平方向?qū)ΨQ，分別用 于測(cè)量試件的前表面和后表面的水平應(yīng)變；
[0009] 應(yīng)變采集儀：電性連接于所述前電阻應(yīng)變片和后電阻應(yīng)變片，用于接收前電阻應(yīng) 變片和后電阻應(yīng)變片所采集到的水平應(yīng)變數(shù)據(jù)；
[0010] 數(shù)據(jù)處理終端:接收應(yīng)變采集儀的數(shù)據(jù)并據(jù)此計(jì)算得到試件的劈裂回彈模量。
[0011] 利用上述系統(tǒng)的路面材料劈裂回彈模量測(cè)試方法，包括如下步驟：
[0012] S1制成試件，然后將試件放入MTS多功能材料測(cè)試系統(tǒng)上，盡量選擇試件的平整面 放在MTS多功能材料測(cè)試系統(tǒng)的壓條上；
[0013] S2在試件上由MTS多功能材料測(cè)試系統(tǒng)通過應(yīng)力控制方式或應(yīng)變控制方式施加線 狀載荷P，使試件處于對(duì)心受壓狀態(tài)；
[0014] S3在試件的前表面中部和后表面中部，水平方向?qū)ΨQ地分別粘貼電前阻應(yīng)變片和 后電阻應(yīng)變片，并使前電阻應(yīng)變片和后電阻應(yīng)變片均連接于應(yīng)變采集儀，從而通過應(yīng)變采 集儀采集到試件前表面和后表面的水平應(yīng)變；
[0015] S4根據(jù)步驟S3中測(cè)得的試件的前表面和后表面的水平應(yīng)變數(shù)據(jù)，按下式計(jì)算出試 件的劈裂回彈模量：
[0017] 其中，Επ為試件劈裂回彈模量，單位為MPa; P為步驟S2中所施加的線狀荷載，單位 為N; D為試件的直徑、h為試件的高度、L為電阻應(yīng)變片的格柵長度，單位均為mm，前電阻應(yīng)變 片和后電阻應(yīng)變片的格柵長度相等；^為前電阻應(yīng)變片和后電阻應(yīng)變片的長度范圍內(nèi)的應(yīng) 變均值，μ為泊松比。
[0018] 需要說明的是，步驟S1中，在將試件放入MTS多功能材料測(cè)試系統(tǒng)前，先將試件上 將要與壓條接觸的部位用水泥砂漿進(jìn)行封面補(bǔ)縫。
[0019] 需要說明的是，步驟S2中，在試件上由MTS多功能材料測(cè)試系統(tǒng)通過應(yīng)力控制方式 或應(yīng)變控制方式施加線狀載荷之前，在試件上與壓條接觸的部位、壓條上與試件接觸的部 位均涂以凡士林。
[0020] 需要說明的是，步驟S3中，在粘貼前電阻應(yīng)變片和后電阻應(yīng)變片之前，試件的前表 面和后表面用于粘貼電阻應(yīng)變片的部位用水泥砂漿進(jìn)行封面補(bǔ)縫;前電阻應(yīng)變片和后電阻 應(yīng)變片均用強(qiáng)力膠粘貼，在前電阻應(yīng)變片和后電阻應(yīng)變片的導(dǎo)線的粘貼中，導(dǎo)線之間的間 隔距離盡量大;然后將導(dǎo)線與電線電焊連接。
[0021] 需要說明的是，步驟S2中，由MTS多功能材料測(cè)試系統(tǒng)通過應(yīng)力控制方式或應(yīng)變控 制方式先按照擬施加的最大應(yīng)力即試件的強(qiáng)度的一半進(jìn)行兩次加載卸載預(yù)壓試驗(yàn)，使壓條 與試件表面緊密接觸;然后按照試件強(qiáng)度的10 %、20 %、30 %、40 %、50 %依次進(jìn)行荷載的逐 級(jí)加載與卸載，其中每級(jí)荷載作用時(shí)間達(dá)lmin后卸去荷載，恢復(fù)試件的彈性變形，等待 0.5min后進(jìn)行下一級(jí)加載;五級(jí)加載、卸載全過程均通過應(yīng)變采集儀記錄前電阻應(yīng)變片和 后電阻應(yīng)變片所測(cè)得的試件前表面和后表面的水平應(yīng)變變化;將試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行坐標(biāo)原點(diǎn)修 正后，求得每級(jí)荷載值對(duì)應(yīng)的回彈變形值，其中荷載值為施加的五級(jí)荷載，即試件強(qiáng)度值的 10%、20%、30%、40%、50%，回彈變形值大小為加載后的試件總變形減去卸載后試件的剩 余變形所得的值，即總徐，五級(jí)加載試驗(yàn)條件分別對(duì)應(yīng)于五組荷載和回彈變形。
[0022] 本實(shí)用新型的有益效果在于:利用應(yīng)變片測(cè)得試件水平回彈變形、利用所推導(dǎo)的 劈裂回彈模量計(jì)算模型獲得相應(yīng)的模量值，并給出綜合考慮了橫向拉應(yīng)力、豎向壓應(yīng)力對(duì) 試件回彈變形影響條件下的劈裂回彈模量計(jì)算模型，為開展精準(zhǔn)化的路面力學(xué)分析提供了 參數(shù)依據(jù)，對(duì)提高路面材料模量測(cè)試的準(zhǔn)確性及試驗(yàn)效率，節(jié)約路面材料室內(nèi)試驗(yàn)成本，進(jìn) 而提高瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的精度具有重要意義。
【附圖說明】
[0023] 圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例中的測(cè)試系統(tǒng)立面圖。
[0024] 圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例中的圓柱試件尺寸示意圖。
[0025] 圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例中的貼應(yīng)變片圓柱試件的立面圖。
[0026] 圖4是本實(shí)用新型實(shí)施例中的貼應(yīng)變片圓柱試件的俯視圖。
[0027]圖5是本實(shí)用新型模量計(jì)算公式推導(dǎo)的受力簡化圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]以下將結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的描述，需要說明的是，本實(shí)施例以本技 術(shù)方案為前提，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本實(shí)用新型的保護(hù)范圍并不 限于本實(shí)施例。
[0029] 一種路面材料劈裂回彈模量測(cè)試系統(tǒng)，包括路面材料的試件1，還包括MTS多功能 材料測(cè)試系統(tǒng)3、電阻應(yīng)變片2、應(yīng)變采集儀5和數(shù)據(jù)處理終端6;其中：
[0030] MTS多功能材料測(cè)試系統(tǒng)3用于向試件1施加線狀載荷P，使試件1處于對(duì)心受壓狀 態(tài)；
[0031] 電阻應(yīng)變片2:包括前電阻應(yīng)變片和后電阻應(yīng)變片，分別貼于試件1的前表面中部 和試件的后表面中部，兩者之間呈水平方向?qū)ΨQ，分別用于測(cè)量試件1的前表面和后表面的 水平應(yīng)變；
[0032] 應(yīng)變采集儀5:電性連接于所述前電阻應(yīng)變片和后電阻應(yīng)變片，用于接收前電阻應(yīng) 變片和后電阻應(yīng)變片所采集到的水平應(yīng)變數(shù)據(jù)；
[0033]數(shù)據(jù)處理終端6:接收應(yīng)變采集儀5的數(shù)據(jù)并據(jù)此計(jì)算得到試件1的劈裂回彈模量。 [0034]利用上述系統(tǒng)進(jìn)行路面材料劈裂回彈模量測(cè)試的方法包括如下步驟：
[0035] S1嚴(yán)格按照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(T0843-2009)方法制備尺 寸為〇150mmX150mm的圓柱狀的試件1，如圖1所示。按照T0845-2009標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生方法進(jìn)行養(yǎng) 生90天。
[0036] 將試件1貼電阻應(yīng)變片2(包括前電阻應(yīng)變片和后電阻應(yīng)變片)處及與壓條7接觸部 位用水泥砂漿進(jìn)行封面補(bǔ)縫，然后將試件1放入MTS多功能材料測(cè)試系統(tǒng)3上，盡量選擇試件 1的平整面放在MTS多功能材料測(cè)試系統(tǒng)3的壓條7上；
[0037] S2先在試件1上與壓條7接觸的部位、壓條7上與試件1接觸的部位均涂以適量的凡 士林，以減小壓條7與試件1之間摩擦作用所引起的剪切效應(yīng)影響，從而最大限度降低試驗(yàn) 誤差，然后在試件1上由MTS多功能材料測(cè)試系統(tǒng)3通過應(yīng)力控制方式或應(yīng)變控制方式施加 線狀載荷P，使試件1處于對(duì)心受壓狀態(tài)。具體為：
[0038]由MTS多功能材料測(cè)試系統(tǒng)通過應(yīng)力控制方式或應(yīng)變控制方式先按照擬施加的最 大應(yīng)力即試件的強(qiáng)度的一半進(jìn)行兩次加載卸載預(yù)壓試驗(yàn)，使壓條與試件表面緊密接觸;然 后按照試件強(qiáng)度的10 %、20 %、30 %、40 %、50 %依次進(jìn)行荷載的逐級(jí)加載與卸載，其中每級(jí) 荷載作用時(shí)間達(dá)lmin后卸去荷載，恢復(fù)試件的彈性變形，等待0.5min后進(jìn)行下一級(jí)加載;五 級(jí)加載、卸載全過程均通過應(yīng)變采集儀記錄前電阻應(yīng)變片和后電阻應(yīng)變片所測(cè)得的試件前 表面和后表面的水平應(yīng)變變化;將試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行坐標(biāo)原點(diǎn)修正后，求得每級(jí)荷載值對(duì)應(yīng)的 回彈變形值，其中荷載值為施加的五級(jí)荷載，即試件強(qiáng)度值的1 〇 %、20 %、30 %、40 %、50 %， 回彈變形值大小為加載后的試件總變形減去卸載后試件的剩余變形所得的值，即εΕ彈=￡總_ ε乘徐，五級(jí)加載試驗(yàn)條件分別對(duì)應(yīng)于五組荷載和回彈變形。
[0039] S3在試件的前表面中部和后表面中部，水平方向?qū)ΨQ地分別粘貼電前阻應(yīng)變片和 后電阻應(yīng)變片，并使前電阻應(yīng)變片和后電阻應(yīng)變片均連接于應(yīng)變采集儀，從而通過應(yīng)變采 集儀采集到試件前表面和后表面的水平應(yīng)變。
[0040] 前電阻應(yīng)變片和后電阻應(yīng)變片用強(qiáng)力膠進(jìn)行粘貼，注意導(dǎo)線的粘貼，間隔距離盡 量大些，以免測(cè)試時(shí)試件變形導(dǎo)致電路短路，然后將導(dǎo)線與電線4電焊連接，如圖2和圖3所 不。
[0041] S4根據(jù)步驟S3中測(cè)得的試件的前表面和后表面的水平應(yīng)變數(shù)據(jù)，按下式計(jì)算出試 件的劈裂回彈模量：
[0043]其中，Επ為試件劈裂回彈模量，單位為MPa; Ρ為步驟S2中所施加的線狀荷載，單位 為N; D為試件的直徑、h為試件的高度、L為電阻應(yīng)變片的格柵長度，單位均為mm，前電阻應(yīng)變 片和后電阻應(yīng)變片的格柵長度相等;^為前電阻應(yīng)變片和后電阻應(yīng)變片的長度范圍內(nèi)的應(yīng) 變均值，μ為泊松比。
[0044] 經(jīng)過上述步驟，可以測(cè)得更加精確的劈裂回彈模量。本實(shí)施例中，測(cè)得的數(shù)據(jù)如 下：
[0045] L = 80mm，D = 150mm，h = 150mm，P = 4.93ΚΝ，ει = 18 · 1 (微應(yīng)變10-6)，ε2 = 17 · 1 (微應(yīng) 變10-6)，應(yīng)變片格柵長度為80mm，y取值0.25，==(^ ==丨: ει為前電阻應(yīng)變片測(cè)得的 試件水平應(yīng)變，ε2為后電阻應(yīng)變片測(cè)得的試件水平應(yīng)變。
[0046] 代入可得到試件劈裂回彈模量ΕΙΤ為:EIT=10451.72Mpa
[0047]根據(jù)彈性力學(xué)平面應(yīng)力問題的力學(xué)解析解，以圓柱狀的試件截面中心點(diǎn)做垂直坐 標(biāo)，設(shè)試件截面內(nèi)任一點(diǎn)T(x，y)距截面頂部最高處(承受線荷載處)距離為η，距底部距離 為r2，^與 7軸夾角為Θ:，^與7軸夾角為02，試件高度為h，直徑為D，則試件截面內(nèi)任一點(diǎn)T(x， y)的應(yīng)力可表示為：
[0050] 圖4中，沿X軸方向存在1'1 = 12，01 = 02，1'12 = 1?2+1243110 = 1/1?的幾何關(guān)系，1?為試件 半徑，R = D/2，D為試件直徑，將此代入式（1)、公式⑵，則沿X軸方向上任一點(diǎn)T (X，0)的應(yīng)力 狀態(tài)可以表示如下：
[0053] 式中：σχ(χ)為水平拉應(yīng)力，單位為MPa;σγ(χ)為豎向壓應(yīng)力，單位為MPa;P為施加的 線狀荷載，單位為N。
[0054] 將公式(3)，公式(4)分別積分，分別求出半幅應(yīng)變片長度范圍內(nèi)（0.5L，L為應(yīng)變片 的格柵長度）的拉應(yīng)力〇x(x)和壓應(yīng)力〇y(x)總和(考慮到應(yīng)力的對(duì)稱分布，因此可取X在〇-0.5L的取值區(qū)間）：
[0057]因此，在X軸方向上，0~0.5L的區(qū)間內(nèi)：
[0058] 拉應(yīng)力均值為：
[0060] 壓應(yīng)力均值為：
[0062]根據(jù)平面應(yīng)力狀態(tài)下的廣義胡克定律：
[0064]將公式(7)，公式(8)帶入公式(9)，可得劈裂回彈模量計(jì)算公式：
[0066]式中:Επ為試件劈裂回彈模量，單位為MPa;P為施加的線狀荷載，單位為N;D為試件 直徑，單位為mm; h為試件高度，單位為mm; L為應(yīng)變片格柵長度，單位為mm; &為應(yīng)變片長度 范圍內(nèi)的應(yīng)變均值(微應(yīng)變1〇_6)。
[0067]對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，可以根據(jù)以上的技術(shù)方案和構(gòu)思，作出各種相應(yīng)的 改變和變形，而所有的這些改變和變形都應(yīng)該包括在本實(shí)用新型權(quán)利要求的保護(hù)范圍之 內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種路面材料劈裂回彈模量測(cè)試系統(tǒng)，包括路面材料的試件，其特征在于，還包括 MTS多功能材料測(cè)試系統(tǒng)、電阻應(yīng)變片、應(yīng)變采集儀和數(shù)據(jù)處理終端;其中： MTS多功能材料測(cè)試系統(tǒng)用于向試件施加線狀載荷P，使試件處于對(duì)心受壓狀態(tài)； 電阻應(yīng)變片：包括前電阻應(yīng)變片和后電阻應(yīng)變片，所述前電阻應(yīng)變片和后電阻應(yīng)變片 分別貼于試件的前表面中部和試件的后表面中部，兩者之間呈水平方向?qū)ΨQ，分別用于測(cè) 量試件的前表面和后表面的水平應(yīng)變； 應(yīng)變采集儀：電性連接于所述前電阻應(yīng)變片和后電阻應(yīng)變片，用于接收前電阻應(yīng)變片 和后電阻應(yīng)變片所采集到的水平應(yīng)變數(shù)據(jù)； 數(shù)據(jù)處理終端:接收應(yīng)變采集儀的數(shù)據(jù)并據(jù)此計(jì)算得到試件的劈裂回彈模量。
【文檔編號(hào)】G01N3/08GK205679479SQ201620632861
【公開日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年6月23日 公開號(hào)201620632861.6, CN 201620632861, CN 205679479 U, CN 205679479U, CN-U-205679479, CN201620632861, CN201620632861.6, CN205679479 U, CN205679479U
【發(fā)明人】呂松濤, 鄭健龍, 陳杰東, 黃拓, 楊明, 田雙喜
【申請(qǐng)人】長沙理工大學(xué)