沥青路面粘结层间抗疲劳剪切性能测试装置及其测试方法

摘要

本发明公开了一种沥青路面粘结层间抗疲劳剪切性能测试装置及其测试方法，其步骤是，首先制作成型复合试件,并在成型复合试件中部设置加载孔及切缝；然后在成型复合试件表面的切缝周围安装变形量测仪；再将成型复合试件放入均匀加载装置中施加45-65N的固定荷载后，对成型复合试件上施加周期为1秒的循环荷载，包括0.1秒半正弦形加载与0.9秒间歇。最后通过变形量测仪观测并记录发生变形突变处的6个循环数据，并利用疲劳剪切荷载循环次数N与粘结层剪切破坏速率K两个指标评价粘结层抗疲劳剪切破坏性能。使其加载模式更真实反映粘结层材料在疲劳剪切荷载作用下的应力消散能力。试验结果的离散性降低，节约试验材料、操作简便，从而更加适于实用。

说明书

技术领域

本发明涉及公路工程领域，尤其涉及一种沥青路面粘结层间抗疲劳剪切 性能测试装置及其测试方法。

背景技术

工作状况良好的沥青路面层间粘结可以保证路面层状体系的整体性，进 而有效的将车辆荷载从路表传递到路基并将荷载分布开来，从而减少路面损 伤。相反，一旦路面失去层间粘结出现剥离，将导致层间滑移，降低路面层 间抗剪切能力，进而降低路面传递车辆荷载能力，最终导致路面病害(如裂缝、 车辙、推移、拥包、坑槽等)的出现。长期以来，层间剪切滑移一直是我国路 面研究中涉及较少的一个方面，这与我国沥青路面设计中各层间完全连续的 假设有关。工程实践中，层间接触一般处于完全连续和完全滑动之间，如果 层间处置措施不当，很容易成为路面结构的薄弱环节，在重载、高温、陡坡 等不利条件下容易发生层间剪切破坏。

目前，多采用层间剪切强度指标来评价路面层间粘结性能，即通过量测 层间剪切强度来评价粘结层材料类型、用量、养生时间及粘结层路表状况对 层间剪切性能的影响。剪切强度一般通过在复合试件上施加直剪力或扭矩， 以试件破坏时单位面积上最大直剪力或最大扭矩来计算获得。以层间剪切强 度为唯一评价指标的缺陷在于，一方面粘结层破坏过程与实践中路面粘结层 在车辆水平荷载作用下疲劳破坏过程不符；另一方面，由于沥青材料的粘弹 性，在循环荷载的加载间歇，粘结层材料可消散累积于层间剪切面上的剪应 力并修复部分材料损伤，而单调加载方式下，粘结层材料无法消散累积于层 间的剪应力，从而无法全面反映粘结层材料的抗剪性能；此外，以层间剪切 强度为单一评价指标的结果是片面追求高强度而采用粘度过高的粘结层材 料，最终可能导致抗疲劳剪切性能下降。因此以剪切强度为评价指标既未能 反映粘结层材料在疲劳荷载作用下的力学行为也未能揭示粘结层抗剪切破坏 机理。

由此可见，上述现有的以单一剪切强度为评价指标的试验方法无法用来 评价粘结层材料抗疲劳剪切性能，而亟待加以进一步改进。解决现有试验方 法在评价粘结层材料抗层间疲劳剪切性能试验方法的缺陷，显然是相关业者 急欲解决的问题。

发明内容

针对上述缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种沥青路面粘结层间抗 疲劳剪切性能测试装置及其测试方法，测试路面的应力消散能力。

为达到以上目的，本发明的技术方案为：

一种沥青路面粘结层间抗疲劳剪切性能测试方法，包括以下步骤：

1）、对称型复合试件准备：

沿对称型复合试件径向开设用于放置荷载的应力集中孔，所述对称型复 合试件从上往下依次包括第一上层路面层、第一下层路面层、第二下层路面 层、以及第二上层路面层，其中，第一下层路面层和第二下层路面层中设置 有挡板，挡板将第一下层路面层分为左第一下层路面层和右第一下层路面层， 且挡板将第二下层路面层分为左第二下层路面层和右第二下层路面层，应力 集中孔沿挡板长度方向穿过挡板；

2）、安装变形计量仪：

在左、右第一下层路面层以及左、右第二下层路面层上安装变形测量仪;

3）、加载荷载：

在应力集中孔中放置有用于对左第一下层路面层和左第二下层路面层施 加荷载的第一拉杆以及对右第一下层路面层和右第二下层路面层的第二拉 杆，通过第一拉杆和第二拉杆施加45～65N的固定循环荷载；

4）、记载数据：

通过变形测量仪观测到的变形发生突变或者实验者有需要时，试验操作 者即采集多个循环的试验数据，采集的试验数据包括变形量测仪数据、时间、 荷载、试验中的总变形；

5）、对采集到的处理数据进行数据处理，获取对称型复合试件的抗疲劳 剪切性能。

对称型复合试件的制备包括以下步骤：

1.1、制备密集配旋转压实试件；

1.2、将密集配旋转压实试件沿周向均分为第一、第二密集配旋转压实试 件，形成第一切面和第二切面，并分别将第一、第二密集配旋转压实试件沿 径向均分为左、右密集配旋转压实试件，形成第一左、第一右密集配旋转压 实试件和第二左、第二右密集配旋转压实试件；

1.3、在第一左、第一右密集配旋转压实试件中间放置挡板后，将第一左、 第一右密集配旋转压实试件固定在一起，形成第一下层路面试件，第二下层 路面试件的制作方法与第一下层路面试件相同；

1.4、在第一切面和第二切面上均匀施加粘结层材料，然后压实拌合好的 松散上层路面材料，形成两个复合试件；

1.5、待试件干燥之后，将复合试件的第一、第二下层路面端粘结在一起， 形成对称型复合试件。

步骤1.4中粘结层材料为粘层油。

对称型复合试件的第一上层路面层和第二上层路面层外均设有加固层。

步骤3）中施加固定循环荷载的周期为1秒，其中，包括0.1秒半正弦 形加载与0.9秒间歇。

步骤5）中获取对称型复合试件的抗疲劳剪切性能包括：

2.1、变形测量仪记录随荷载出现峰值和谷值变化的剪切裂纹尖端变形， 取循环开始前的变形最小值，作为对称型复合试件上次循环的剪切回弹变形， 绘制回弹变形与时间关系曲线图；

2.2、将回弹变形与时间关系曲线图中的稳定变形阶段斜率定义为粘结层 剪切破坏速率K，将对称型复合试件剪切破坏时荷载作用次数定义为疲劳剪 切荷载循环次数N，粘结层剪切破坏速率K与疲劳剪切荷载循环次数N之间 存在互逆关系，利用疲劳剪切荷载循环次数N与粘结层剪切破坏速率K两个 指标，评价粘结层材料抗疲劳剪切性能。

一种沥青路面粘结层间抗疲劳剪切性能测试装置，包括环境箱、第一拉 杆、第二拉杆、以及设置于环境箱外的拉力加载装置，环境箱的底部设置有 基座，基座上固定设置有第一夹具，第一夹具与第一拉杆相连接；拉力加载 装置的加载输出轴穿过环境箱顶端深入环境箱内，加载输出轴上连接有第二 夹具，第二夹具与第二拉杆相连接，被测试件放置于第一夹具与第二夹具之 间，第一拉杆与第二拉杆设置于被测试件上。

所述拉力加载装置为MTS电液伺服加载系统。

所述加载输出轴上连接有与基座平行的传力杆，传力杆的两端对称设置 有与第二夹具相连接的连接杆。

其特征在于，所述第一夹具与第二夹具上固定连接有钢丝，第一拉杆通 过钢丝与第一夹具连接，第二拉杆通过钢丝与第二夹具连接。

与现有技术比较，本发明的有益效果为：

本发明提供了一种沥青路面粘结层间抗疲劳剪切性能测试方法,通过在 对称型复合试件上设置应力集中孔，并通过应力集中孔对对称型复合试件周 期性施加拉力，模拟了真实的路况负载状态，经过安装于试件上的变形计量 仪测试剪切裂纹尖端变形，真实的反映粘结层材料在疲劳剪切荷载作用下的 应力消散能力，为评价粘结层材料的类型及其用量，对于合理选择粘结层具 有指导意义。

本发明还提供了一种沥青路面粘结层间抗疲劳剪切性能测试装置，由于 设置有环境箱，能够对待测试件进行恒温控制，模拟了路面在一定温度中的 状况，另外，由于通过拉力加载装置对穿过待测试件的拉杆施加拉力，使得 直观的反映出在拉力荷载下，粘结层材料应力消散能力，进而能够用于评价 粘结层材料的类型及其用量对抗剪切性能的影响，使得对于合理选择粘结层 具有指导意义；进一步，本发明中装置还具有结构简单，操作方便的特点。

附图说明

图1是本发明成型复合试件结构示意图；

图2是本发明荷载模式示意图；

图3是本发明回弹变形概念示意图；

图4是本发明回弹变形随时间变化曲线示意图；

图5是本发明疲劳剪切荷载循环次数示意图；

图6是是本发明粘结层剪切破坏速率示意图；

图7是本发明加载系统结构示意图；

图8是本发明的实施例疲劳剪切荷载循环次数试验结果柱状图；

图9是本发明的实施例粘结层剪切破坏速率试验结果柱状图；

图10是本发明的实施例对称型复合试件制作过程示意图一；

图11本发明的实施例对称型复合试件制作过程示意图二。

图中，1为环境箱，2为加载输出轴，3为基座，4为均匀加载装置，5-2 为第一夹具，5-2为第二夹具，6为对称型复合试件，6-1为第一金属加固层， 6-2为第一上层路面层，6-3为第一下层路面层，6-4为第二下层路面层6-4， 6-5为第二上层路面层，6-6为第二金属加固层，6-31为左第一下层路面层， 6-32为右第一下层路面层，6-41为左第二下层路面层，6-42为右第二下层 路面层，7-1为第一拉杆，7-2为第二拉杆。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细描述。

本发明提供了一种沥青路面粘结层间抗疲劳剪切性能测试方法，包括以 下步骤：

1）、对称型复合试件准备：

如图1所示，沿对称型复合试件6径向开设用于放置荷载的应力集中孔 11，所述对称型复合试件6从上往下依次包括第一上层路面层6-2、第一下 层路面层6-3、第二下层路面层6-4、以及第二上层路面层6-5，其中，第一 下层路面层6-3和第二下层路面层6-4中设置有挡板10，挡板10将第一下 层路面层6-3分为左第一下层路面层6-31和右第一下层路面层6-32，且挡 板10将第二下层路面层6-4分为左第二下层路面层6-41和右第二下层路面 层6-42，应力集中孔11沿挡板10长度方向穿过挡板10。

具体的，对称型复合试件6通过以下步骤制备：

1.1、制备密集配旋转压实试件；

用SHRP旋转压实设备碾压密级配沥青混合料，其中骨料为4500克、沥 青含量为4.8%。成型后试件空隙率为4%，高度为110mm，直径150mm。

1.2、将密集配旋转压实试件沿周向均分为第一、第二密集配旋转压实试 件，形成第一切面和第二切面，并分别将第一、第二密集配旋转压实试件沿 径向均分为左、右密集配旋转压实试件，形成第一左、第一右密集配旋转压 实试件和第二左、第二右密集配旋转压实试件；

首先，将密集配旋转压实试件一分为二，形成第一、第二密集配旋转压 实试件；然后，通过厚度为1.41mm的锯子，分别将第一、第二密集配旋转压 实试件均分为两半，形成第一左、第一右密集配旋转压实试件，参见图10。

1.3、在第一左、第一右密集配旋转压实试件中间放置挡板10后，将第 一左、第一右密集配旋转压实试件固定在一起，形成第一下层路面试件，第 二下层路面试件的制作方法与第一下层路面试件相同；

在第一左、第一右密集配旋转压实试件中放入厚度为1.5875mm的塑性板 (PTFE-Virgin Sheet)，接着再用环形铁箍分别将第一左、第一右密集配旋转 压实试件固定为一整体。在下层路面6-3和下层路面6-4的新切表面均均匀 施加无轮迹粘层油及聚合物改性粘层油，其用量均为1.35L/m2。

1.4、在第一切面和第二切面上均匀施加粘结层材料，然后压实拌合好的 松散上层路面材料，形成两个复合试件；粘结层材料可以为粘层油，在新切 表面均均匀施加无轮迹粘层油及聚合物改性粘层油，其用量均为1.35L/m2。

1.5、待试件干燥之后，将复合试件的第一、第二下层路面端粘结在一起， 形成对称型复合试件6。

将施加粘层油后的第一下层路面试件重新放置旋转压实模具下部重新放 入压实模具中，并在其上碾压密级配级配沥青混合料即第一上层路面6-2。 碾压后密级配沥青混合料第一上层路面6-2的高度为25.4mm，形成复合试件。

将施加粘层油后的第二下层路面6-4从旋转压实模具下部重新放入压实 模具中，并在其上碾压密级配沥青混合料即第二上层路面6-5形成复合试件。 碾压后密级配沥青混合料第二上层路面6-5的高度为25.4mm，形成复合试件。

最后，沿复合试件沿平行于直径方向对复合试件进行切割，切割后厚度 为38.1mm。并沿高度方向对该复合试件进行切割，切割后的下层路面及上层 路面的高度分别为25.4mm及12.5mm。另一个复合试件同上述方式切割，参 见图11。

待该两个复合试件干燥后，采用环氧树脂即Product  E-20HP将上述，最后，所得两个复合试件沿下层路面表面进行粘结，并在上 层路面表面粘结金属铝块，形成新的对称型复合试件6，该对称型复合试件6 从表层自下而上是由第二金属加固层6-6，第二上层路面6-5，第二下层路面 6-4，第一下层路面6-3，第一上层路面6-2，第一金属加固层6-1组成。

采用钻头在该对称型复合试件6表面中心，沿垂直于厚度方向，钻取外 径为19.05mm的应力集中孔。

需要说明的是，对现场钻芯所得由磨耗层及结构层组成的复合试件，沿 平行于直径方向对复合试件进行切割，切割后厚度为38.1mm。并沿高度方 向对该复合试件进行切割，切割后的下层及上层路面的高度分别为25.4mm 及12.5mm。待该两个复合试件干燥后，采用环氧树脂即 Product E-20HP该两个复合试件沿下层路面表面进行粘结，形成新的对称型 成型复合试件。

2）、安装变形计量仪：

在左、右第一下层路面层6-3以及左、右第二下层路面层6-4上安装变 形测量仪8;

3）、加载荷载：

在应力集中孔11中放置有用于对左第一下层路面层6-31和左第二下层 路面层6-41施加荷载的第一拉杆7-1以及对右第一下层路面层6-32和右第 二下层路面层6-42的第二拉杆7-2，通过第一拉杆7-1和第二拉杆7-2施加 45～65N的固定循环荷载；

将该成型复合试件放入加载装置中并在该成型复合试件上施加45-65N 的固定荷载以保证该对称型复合试件6与加载装置间的良好接触；

再在该对称型复合试件6上施加循环荷载周期为1秒，包括0.1秒半正 弦型加载与0.9秒间歇半，如图2所示，施加的荷载大小为2000N时加载状 态图，横坐标为加载时间，纵坐标为荷载。

4）、记载数据：

通过变形测量仪8观测到的变形发生突变或者实验者有需要时，试验操 作者即采集多个个循环的试验数据，采集的试验数据包括变形量测仪数据、 时间、荷载、试验中的总变形；

通过变形量测仪观测到的变形发生突变或者实验者有需要时，试验操作 者即记录6个循环的试验数据，每个循环的时间长度为1秒，共采集500个 数据点；采集的数据包括变形量测仪数据、时间、荷载、试验中的总变形；

5）、对采集到的处理数据进行数据处理，获取对称型复合试件的抗疲劳 剪切性能。

图3为本发明剪切回弹变形概念示意图，其表示在循环荷载作用下，剪 切裂纹尖端变形随时间的变化关系曲线。图中E为回弹变形的定义。在疲劳 荷载作用下，变形测量仪8记录随荷载出现峰值和谷值变化的剪切裂纹尖端 变形，每一循环的峰值与谷值之差，这里取下一循环开始前的变形最小值， 为该成型复合试件该循环的回弹变形，采用自行编写的矩阵实验室MATLAB 程序，对变形量测仪所记录数据进行处理，提取裂纹尖端回弹变形随时间变 化数据。

图4是本发明剪切回弹变形随时间变化曲线示意图。其表示在剪切循环 荷载作用下，剪切裂纹尖端回弹变形随时间的变化关系曲线。将回弹变形与 时间关系曲线中的稳定变形阶段W的斜率定义为粘结层剪切破坏速率K，将 成型复合试件破坏时疲劳荷载作用次数定义为疲劳剪切荷载循环次数N，由 此表明回弹变形与时间关系曲线中稳定阶段W的曲线斜率K可反映剪切裂纹 扩展速率即破坏速率。而对称成型复合试件6破坏时疲劳荷载作用次数为疲 劳剪切荷载循环次数N，该破坏速率K与该荷载循环次数N之间存在互逆关 系，破坏速率K越小，荷载循环次数N越大，粘结层材料抗疲劳剪切开裂性 能越好，利用疲劳剪切荷载循环次数N与粘结层剪切破坏速率K两个指标评 价粘结层材料抗疲劳剪切开裂性能。

图5是本发明疲劳剪切荷载循环次数示意图。图5中表明了在相同循环 荷载作用下三种粘结层材料复合试件破坏时，荷载循环作用次数。从该图5 可知，该试验方法可区分不同粘结层材料的抗疲劳剪切开裂性能。

图6是本发明粘结层剪切破坏速率示意图。图6中表明了在相同循环荷 载作用下三种粘结层材料复合试件的粘结层剪切破坏速率K的结果。从该图 6可知，粘结层剪切破坏速率K结果可反应试件剪切破坏过程中，粘结层材 料的剪切损伤累计速率。破坏速率K与循环次数N间存在互逆关系。

本实施例对无轮迹粘层油(1.35L/m2)及聚合物改性粘层油(1.35L/m2) 试件分别进行三组试验，所得结果如图8和图9所示。

图8为相同循环荷载作用下无轮迹粘层油(1.35L/m2)与聚合物改性粘层 油(1.35L/m2)成型复合试件破坏时，疲劳剪切荷载循环作用次数。从该图可 知，聚合物改性粘层油可显著提高复合试件层间疲劳剪切开裂性能。此外， 试验结果还表明，试件与试件结果间的可重复性很好，与传统疲劳试验相比， 离散性大大降低。

图9为相同循环荷载作用下无轮迹粘层油(1.35L/m2)与聚合物改性粘层 油(1.35L/m2)成型复合试件的剪切破坏速率结果。从该图可知，聚合物改性 粘层油可显著降低成型复合试件的层间剪切破坏累积速率，从而提高抗疲劳 剪切开裂性能。

本发明还提供了一种沥青路面粘结层间抗疲劳剪切性能测试装置，如图 7所示，包括环境箱1、第一拉杆7-1、第二拉杆7-2、以及设置于环境箱1 外的拉力加载装置，环境箱1的底部设置有基座3，基座3上固定设置有第 一夹具5-1，第一夹具5-1与第一拉杆7-1相连接；拉力加载装置的加载输 出轴2穿过环境箱1顶端深入环境箱1内，加载输出轴2上连接有第二夹具 5-2，第二夹具5-2与第二拉杆7-2相连接，被测试件放置于第一夹具5-1 与第二夹具5-2之间，第一拉杆7-1与第二拉杆7-2设置于被测试件上，所 述拉力加载装置为MTS电液伺服加载系统。所述加载输出轴2上连接有与基 座2平行的传力杆4，传力杆4的两端对称设置有与第二夹具5-2相连接的 连接杆5。

所述第一夹具5-1与第二夹具5-2上固定连接有钢丝，第一拉杆7-1通 过钢丝与第一夹具5-1连接，第二拉杆7-2通过钢丝与第二夹具5-2连接。

所述第一夹具5-1具有与成型复合试件的底面弧度相适应的内凹弧面， 所述第二夹具5-2具有与成型复合试件的顶面弧度相适应的内凹弧面。

综上所述，本发明至少具有下列优点：

(1)试验方法可以用来评价沥青路面粘结层材料抗疲劳剪切性能；

(2)与传统单调剪切强度试验相比，该加载模式可真实的反映粘结层材料 在疲劳剪切荷载作用下的应力消散能力；

(3)该方法可以用来评价粘结层材料的类型及其用量，对于合理选择粘结 层具有指导意义；

(4)试件的制作方法可采用旋转压实方法室内成型或采用现场钻心试件， 与其它粘结层抗剪切试验中的试件相比，其可操作性大大提高。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上 的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明, 任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上 述揭示的方法及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例， 但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施 例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围 内。