專利名稱：一種瀝青路面反射裂縫擴展模擬試驗裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及公路工程瀝青路面的抗裂性研究領域，特別涉及提出一種瀝 青路面反射裂縫擴展模擬試驗裝置。
背景技術：
自20世紀70年代起，國內外道路工程界對瀝青路面反射裂縫的研究一 直十分活躍，弄清反射裂縫的產生過程和提出有效的防治措施是解決反射裂 縫的兩個核心問題。因此，對這兩個問題的研究是提高瀝青路面耐久性的關 鍵所在。盡管靜力分析法、斷裂及損傷力學和有限元方法為分析瀝青面層的 反射裂縫提供了理論基礎，但由于路面結構的復雜性及材料參數的變異性等 因素，僅從理論分析并不能完全解決反射裂縫的研究課題，理論分析與實際 工程應用存在一定差距，為了把兩者聯系起來，必須通過室內試驗，在較短 時間內，控制主要試驗因素進行試驗分析研究，評價不同結構瀝青路面的抗 裂性能。
近年來，國內外科研機構已進行了許多針對于瀝青路面反射裂縫的室內
試驗，開發了相應的試驗設備和試驗方法，主要可分為以下幾類1)直接拉
伸試驗。如加拿大渥太華學者A.Shalaby采用重復液壓加荷機對現場攤鋪、 碾壓后的瀝青混凝土切塊(尺寸為45cmX15cmX7cm，包括有缺口及無缺口兩 種)進行重復拉伸疲勞試驗；荷蘭H.V.Duijn在小塊混凝土板上鋪筑了純瀝 青混凝土、無紡聚丙稀格柵PP、聚酯格柵PET和玻璃纖維氈Glasphalt等幾 種瀝青加鋪層結構進行直接拉伸試驗，對比各種材料的抗拉伸能力。2)間接
拉伸試驗。奧地利維也納大學E.K.Tschegg等人采用劈裂試驗來評定層間粘 結強度和單位斷裂能。3)彎曲一拉伸疲勞試驗。意大利Bologna大學的G. Dondi 采用無加筋瀝青混凝土、無紡土工布、聚丙稀土工格柵和土工織網等幾種材 料的瀝青加鋪層進行三點彎曲疲勞試驗，對不同夾層的瀝青加鋪結構抗裂性 能進行評價。法國Limoges 土木工程實驗室進行了有跨中槽口試件的三點彎 曲試驗，獲取了計算應力強度因子K及Paris規律的系數C和P值，從而利 用da/d^C(AK)p式計算疲勞破壞壽命。同濟大學采用無切口有加筋層試件， 加鋪層結構分別為含聚乙稀網層、無紡土工布、特種鋼絲格柵夾層的試件和 普通瀝青混凝土，在溫度為-3。C、 15。C和6(TC條件下進行靜載試驗。4)剪切 疲勞試驗。華南建設學院采用自制的剪切裝置模擬了II型裂縫的剪切疲勞破 壞。葡萄牙J.B.Sousa采用了 Cox&Sons公司生產的反射裂縫儀(CS7000和 CS7200系統)對試件進行了剪切和拉裂重復加載試驗，模擬了 I型及n型裂 縫的聯合作用。5)試板疲勞試驗。日本NAGATO.ABC及英國諾丁漢大學均采 用了試板輪跡疲勞試驗，采用滾動的輪子模擬接縫兩側的偏荷載及中荷載作 用對瀝青路面所產生的疲勞作用。
縱觀以上各種針對瀝青路面反射裂縫疲勞試驗，主要基于現象學法或力 學近似法。從現象學法的角度，分析了瀝青或夾層材料對混合料抗裂性的影 響，未涉及路面結構變化導致整個路面抗裂性能的差異性；從力學近似法的 角度，視瀝青混合料為均質、彈性、各向同性，分析了瀝青混合料裂縫擴展 規律，但其計算結果與工程實際存在較大差別，因此，兩種方法均未徹底揭 示瀝青混合料在荷載作用下的損傷、疲勞及斷裂機理。
瀝青混合料集粘彈塑性和非均質性等為一體，已有的試驗方法或計算模
型不能全面真實地反映路面結構反射裂縫形成、擴展及斷裂規律，開發一種 較真實地反映瀝青路面結構在荷載作用下其反射裂縫形成、擴展的試驗儀， 具有非常重要的現實意義。
發明內容
本發明的目的在于提供一種瀝青路面反射裂縫擴展模擬試驗裝置，該裝 置可進行張拉型和剪切型反射裂縫擴展人比例尺、j試驗，分析比較不同瀝青 路面結構或材料的防裂效果，獲取相關的計算參數并驗證理論計算結果，為 瀝青路面結構設計提供可靠的試驗依據。
為了解決上述技術問題，本發明的技術方案，包括環境箱，以及放置在 環境箱內的瀝青路面模擬平臺和反射裂縫測試儀，其特征在于，所述反射裂 縫測試儀包括水平方向張拉疲勞試驗部件、豎向剪切疲勞試驗部件和數據采
集部件；所述瀝青路面模擬平臺，包括焊接為一體的固定試驗料車與料車機 座，以及可在料車機座導軌上水平移動的活動試驗料車。
所述料車機座上設置有導軌，導軌上設置有滾軸，活動試驗料車可在該 導軌上水平移動，所述活動試驗料車還具有連接橫梁，所述固定試驗料車和 活動試驗料車分別設置有料車擋板和擋板插槽。
所述水平方向張拉疲勞試驗部件包括通過連接橫梁及連接銷與活動試驗 料車相連接的電液伺服執行機，所述電液伺服執行機由伺服液壓油站提供動 力源。
所述豎向剪切疲勞試驗部件包括依次垂直連接的滑動反壓橫梁、脈動疲 勞試驗機、豎向荷載壓頭。
所述數據采集部件包括測試路面結構試驗層的溫度傳感器、應力應變數
據采集儀和安裝在脈動疲勞試驗機上的豎向荷載傳感器、安裝在滑動反壓橫 梁上的攝像機。
所述環境箱包括安裝在其內的熱循環管與安裝在其外的溫度調節器相連 接，溫度調控箱通過控制線與溫度調節器連接。
采用瀝青路面反射裂縫擴展模擬試驗裝置， 一方面，進行水平方向張拉 疲勞試驗，模擬瀝青路面基層和路面因溫度或濕度變化產生收縮及翹曲變形， 導致形成張拉型反射裂縫；另一方面，進行豎向剪切疲勞試驗，模擬在車輪 偏荷載的作用下，由于接縫兩側的彎沉差過大而引起瀝青路面的剪切型反射 裂縫；兩者均為動態連續疲勞試驗，通過室內試驗模擬，分析不同路面結構 的張開型、剪切型反射裂縫的產生、擴展機理與疲勞規律，檢驗各種不同瀝 青路面結構或材料的防裂效果，以及基層裂縫的尺寸效應對反射裂縫擴展的 影響。
本發明技術突出的優點在于
1) 選用大比例尺寸路面結構試驗層，采用小型壓路機碾壓，確保其接 近工程實際路面的成型效果，可進行張拉型和剪切型反射裂縫擴展模擬 試驗；
2) 路面結構試驗層裂縫區布置應力片與應變片，記錄裂縫區的應力場 和應變場，反映了混合料在疲勞損傷過程中的應力、應變變化規律以及 應力與應變之間的響應關系，探索瀝青路面反射裂縫形成、擴展的機理。
3) 路面結構試驗層的厚度可根據試驗要求變化，便于研究不同路面結 構或材料的抗裂性能；
4) 豎向和水平方向荷載既可獨立運行，也可同時運行，便于進行耦合 應力的近似模擬。
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明的內容做進一步詳細說明。
圖1為試驗料車俯視圖
圖2為瀝青路面模擬平臺結構圖3為反射裂縫測試儀結構圖4為溫度調控箱示意具體實施例方式
本發明主要包括溫度調控箱，放置在溫度調控箱內的瀝青路面模擬平臺 和反射裂縫測試儀。
參見圖1、 2，瀝青路面模擬平臺包括固定試驗料車1與料車機座3焊接 為一體，機座3上設有導軌8，導軌8上設有滾軸6，活動試驗料車2可通過 滾軸6在導軌8上移動，活動試驗料車2還具有連接橫梁7，以便與水平傳動 裝置連接。固定試驗料車1和活動試驗料2分別設置有料車擋板4和擋板插 槽5，當成型路面試驗結構層時，料車擋板4插在料車擋板插槽5中，其高度 可根據路面試驗結構層9的厚度進行調節。每個試驗料車長1.2m,寬1.5m， 料車擋板4高度可在40cm以內變化，料車機座用lcm厚鋼板焊接而成，保證 足夠的結構強度和剛度，兩車底板縫隙可在0 10mm之間變化。
參見圖3，反射裂縫測試儀包括通過微機控制的水平方向張拉疲勞試驗部 件、豎向剪切疲勞試驗部件和數據采集部件。水平方向張拉疲勞試驗部件包 括通過連接橫梁7及連接銷10與活動試驗料車2相連接的電液伺服執行機18， 電液伺服執行機18由受微機20控制的伺服液壓油站19提供動力源。豎向剪
切疲勞試驗部件包括依次垂直連接的滑動反壓橫梁11、受微機20控制的脈動
疲勞試驗機14、豎向荷載壓頭13，該豎向荷載壓頭13作用在路面結構試驗 層9上。數據釆集部件包括埋入路面結構試驗層9的溫度傳感器17、應力應 變數據采集儀16和安裝在脈動疲勞試驗機14上的豎向荷載傳感器15、安裝 在滑動反壓橫梁11上的攝像機12，微機20接收相應的溫度、應力、應變、 荷載和圖像信號。
參照圖4，環境箱21內的熱循環管22與溫度調節器23連接，溫度調節 器23通過控制線與溫度調控箱24連接，溫度調控箱24與外接電源連接。環 境箱21設有隔熱保溫門和門鎖，瀝青路面模擬平臺和反射裂縫測試儀組成的 試驗系統置于環境箱21內，試驗準備階段，打開環境箱門，鋪筑路面結構試 驗層，然后關閉，通過溫度調控箱24設置所需溫度條件，啟動溫度調節器23， 讓試驗系統處于.設定的環境溫度條件下。環境箱21長2. 5m，寬1. 8m，高2m， 溫度調節器23的制冷量為15000大卡，箱內環境溫度調控范圍在-20 6(TC之
間，溫度誤差為士rc。
在環境箱設定的溫度條件下，本發明可同時或獨立進行兩個方面的反射 裂縫擴展模擬試驗， 一方面，進行水平方向張拉疲勞試驗，試驗料車內填裝 好路面結構試驗層9，埋入溫度傳感器17、應力應變數據采集儀16中的應力 片和應變片，經碾壓成型后，啟動環境箱控溫裝置保溫，試驗過程中，溫度 傳感器17監控試驗結構層溫度是否符合規定要求，活動試驗料車2通過連接 橫梁7及連接銷10與電液伺服執行機18連接，電液伺服執行機18由伺服液 壓油站19提供動力源，控制活動試驗料車2按照試驗要求水平運動，微機20 監控伺服液壓油站19運行并輸出來自攝像機12的圖像；另一方面，進行豎
向剪切疲勞試驗時，脈動疲勞試驗機14上與滑動反壓橫梁11接觸，下與豎
向荷載壓頭13連接，并作用在路面結構試驗層9上，荷載信息通過傳感器15 傳入微機20 。試驗時應力應變數據采集儀16采集來自應力片和應變片的數據。
水平液壓傳動裝置包括伺服液壓油站19和電液伺服執行機18，施加荷載 的頻率和位移大小均可按實際試驗要求和目的設定，既可實現間斷加載，又 可進行連續往復運動，加載頻率范圍為1次/分鐘 10次/分鐘，位移范圍為 0 10mm。伺服液壓油站采用電子卸荷、蓄能器智能供油回路系統，啟動系 統，卸荷電磁閥通電，油泵輸出高壓油經過單向閥向蓄能器補油，當壓力傳 感器檢測達到系統工作壓力時，卸荷電磁閥斷電，讓油泵卸荷，依靠蓄能器 的儲能，維持、供給外油路壓力油源，當外油路壓力降至系統工作壓力的回 差下限時，卸荷電磁閥通電，使油泵加載，向蓄能器充油。油源經過內置的 比例伺服閥，步進電機控制其閥芯的位移，向執行機供油，控制執行機的行 走方向及位移量，光柵位移檢測裝置實時跟蹤檢測執行機構的位移量。
豎向剪切疲勞試驗中的動態加載使用濟南試驗機廠生產的WPS—500型脈 動疲勞試驗機，最大的加載能力為500kN，加載頻率為60次/min 540次/min。 施加荷載大小可按需要調整，數字顯示，加載次數自動顯示并記錄。疲勞試 驗機由主機、控制柜和施力錘三部分組成，附屬設備有滑動反壓橫梁11、荷 載壓頭13、疲勞試驗傳感器15等。
在裂縫擴展區埋設了應力片、應變片，應力測試中使用BX120—40AA型 應變片，長度40誦，阻值120Q，應變測試裝置有P20R—17型預調平衡箱， KH—17型切換控制器和YJ—16型電阻應變儀，記錄瀝青面層結構裂縫區在豎 直或水平荷載作用下的應力、應變變化情況，為裂縫擴展的力學分析提供試
驗依據。
微機控制與數據輸出系統裝有專用監控動力系統運行的軟件，可在
WINDOWS98/2000/XP等環境下運行，進行水平張拉疲勞試驗時，首先進行 系統清零，根據試驗要求設置張拉位移、頻率，試驗時界面顯示試驗料車的 水平位移、推力和拉力曲線、張拉頻率與運行次數，可進行油壓報警事件以
及試驗數據查詢，外接打印機可立即打印各試驗數據；進行豎向剪切疲勞試
驗時，根據試驗要求設置荷載大小、頻率，控制微機界面顯示荷載峰值與谷 值、頻率及荷載作用次數。同時微機與高像素攝像機連接，可在界面上實時 觀察裂縫的擴展情況，當路面結構試驗層表面裂縫完全貫通時，對應的荷載 作用次數即為疲勞壽命。
該試驗裝置較好地模擬瀝青路面的實際受力狀況和環境溫度變化對其的 影響，整個試驗結構采用大尺寸的路面結構，盡可能真實地反映實際路面結 構狀況，表征瀝青路面結構抗裂性能，保證試驗結果的可靠性，其實際應用 效果顯著。
權利要求
1、一種瀝青路面反射裂縫擴展模擬試驗裝置，包括環境箱，以及放置在環境箱內的瀝青路面模擬平臺和反射裂縫測試儀，其特征在于，所述反射裂縫測試儀包括水平方向張拉疲勞試驗部件、豎向剪切疲勞試驗部件和數據采集部件；所述瀝青路面模擬平臺，包括焊接為一體的固定試驗料車(1)與料車機座(3)，以及可在料車機座(3)上水平移動的活動試驗料車(2)。
2、 如權利要求l所述的瀝青路面反射裂縫擴展模擬試驗裝置，其特征在 于，所述料車機座(3)上設置有導軌(8)，活動試驗料車(2)可在導軌(8) 上水平移動，所述活動試驗料車(2)還具有連接橫梁(7)，所述固定試驗料 車(1)和活動試驗料車(2)分別設置有料車擋板(4)和擋板插槽(5)。
3、 如權利要求2所述的瀝青路面反射裂縫擴展模擬試驗裝置，其特征在 于，所導軌(8)上設置有滾軸(6)。
4、 如權利要求2所述的瀝青路面反射裂縫擴展模擬試驗裝置，其特征在 于，所述水平方向張拉疲勞試驗部件包括通過連接橫梁(7)及連接銷(10) 與活動試驗料車(2)相連接的電液伺服執行機(18)，所述電液伺服執行機(18)由伺服液壓油站(19)提供動力源。
5、 如權利要求4所述的瀝青路面反射裂縫擴展模擬試驗裝置，其特征在 于，所述豎向剪切疲勞試驗部件包括依次垂直連接的滑動反壓橫梁(11)、脈 動疲勞試驗機(14)、豎向荷載壓頭(13)。
6、 如權利要求5所述的瀝青路面反射裂縫擴展模擬試驗裝置，其特征在 于，所述數據釆集部件包括測試路面結構試驗層的溫度傳感器(17)、應力應 變數據采集儀(16)和安裝在脈動疲勞試驗機(14)上的豎向荷載傳感器(15)、 安裝在滑動反壓橫梁(11)上的攝像機(12)。
7、如權利要求l所述的瀝青路面反射裂縫擴展模擬試驗裝置，其特征在 于，所述環境箱(21)包括安裝在其內的熱循環管(22)與安裝在其外的溫 度調節器(23)相連接，溫度調控箱(24)通過控制線與溫度調節器(23) 連接。
全文摘要
本發明公開了一種瀝青路面反射裂縫擴展模擬試驗裝置，其包括環境箱，以及放置在環境箱內的瀝青路面模擬平臺和反射裂縫測試儀，所述反射裂縫測試儀包括通過微機控制的水平方向張拉疲勞試驗部件、豎向剪切疲勞試驗部件和數據采集部件；所述瀝青路面模擬平臺，包括焊接為一體的固定試驗料車(1)與料車機座(3)，以及可在料車機座(3)上水平移動的活動試驗料車(2)。該裝置可進行張拉型和剪切型反射裂縫擴展大比例尺寸路面結構試驗，分析比較不同瀝青路面結構或材料的防裂效果，獲取相關的計算參數并驗證理論計算結果，為瀝青路面結構設計提供可靠的試驗依據。
文檔編號G01N3/00GK101178340SQ20071001914
公開日2008年5月14日 申請日期2007年11月21日 優先權日2007年11月21日
發明者李祖仲, 王松根, 鄭木蓮, 陳拴發, 馬慶雷 申請人:長安大學