CN106018088B - 一种路面材料劈裂回弹模量测试系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种路面材料劈裂回弹模量测试系统及其方法，系统包括路面材料的试件、还包括MTS多功能材料测试系统、前电阻应变片、后电阻应变片、应变采集仪和数据处理终端，方法依据利用MTS多功能材料测试系统对试件进行径向对称加载，在试件中心处与加载方向相垂直的位置粘贴电阻应变片，利用电阻应变片测得该处水平方向的拉应变，将此拉应变带入劈裂回弹模量计算公式即可得到更精确的劈裂回弹模量。利用该改进的测试方法可获得试件具体测试部位的、更准确的水平回弹应变及其对应的回弹模量，避免了将变形积分统计平均后所引起的计算误差，提高了路面材料的测试精度及试验效率，并可为耐久性路面的科学设计提供更准确的结构设计参数。
Description
技术领域
本发明涉及道路工程领域中的路用材料模量室内测试技术，具体涉及半刚性基层材料及沥青混合料劈裂回弹模量测试系统及其方法。
背景技术
在车辆荷载作用下，路面各结构层处于复杂的应力状态。为了较好地模拟实际路面结构的应力状态，现行路面材料试验规程中针对材料模量的测试方法主要分为抗压回弹模量测试、弯拉回弹模量测试和劈裂回弹模量测试。抗压回弹模量试验和弯拉回弹模量试验均是在材料处于单向应力状态下进行，难以准确反映路面材料的真实力学性能。劈裂回弹模量试验又称为间接拉伸试验，大量研究表明，其应力状态与路面结构层的真实应力状态较为接近，能更有效合理地表征路面材料或结构的抗变形性能。
现行路面材料试验规程中，关于沥青混合料和半刚性材料劈裂回弹模量的测试，一般通过千分表(或位移传感器)测得试件水平径向的整个回弹变形，将其带入相应公式计算得到劈裂回弹模量。由于试件表面粗糙，千分表(位移传感器)探针安放困难，难以保证水平变形测试的精确性，亦势必造成测试结果的不准确。在没有条件测得水平回弹变形的情况下，可以通过测得试件竖向总回弹变形，利用泊松比换算得到水平回弹变形，进而带入公式计算得到劈裂回弹模量。不管是水平径向的整个回弹变形，还是竖向总回弹变形，其反映的是整个试件径向的变形总和，不能反映与应力状态所对应的应变值，据此所得的模量值也难以客观反映不同应力应变状态下材料的真实抗变形能力，究其原因是由于劈裂试验条件下，试件内部各点的应力状态是不同的，不同的应力状态将会引起试件内部各点不同的变形响应，现行试验规程通过测得试件水平方向的总变形或垂直方向的总变形来计算路面材料的劈裂模量，该模量仅是个统计平均的概念，将此作为路面材料性能评价指标有失偏颇。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种路面材料劈裂回弹模量测试系统及其方法，利用应变片测得试件水平回弹变形、利用所推导的劈裂回弹模量计算模型获得相应的模量值，并给出综合考虑了横向拉应力、竖向压应力对试件回弹变形影响条件下的劈裂回弹模量计算模型，为开展精准化的路面力学分析提供了参数依据，对提高路面材料模量测试的准确性及试验效率，节约路面材料室内试验成本，进而提高沥青路面结构设计的精度具有重要意义。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种路面材料劈裂回弹模量测试系统，包括路面材料的试件，还包括MTS多功能材料测试系统、电阻应变片、应变采集仪和数据处理终端；其中：
MTS多功能材料测试系统用于向试件施加线状载荷P，使试件处于对心受压状态；
电阻应变片：包括前电阻应变片和后电阻应变片，所述前电阻应变片和后电阻应变片分别贴于试件的前表面中部和试件的后表面中部，两者之间呈水平方向对称，分别用于测量试件的前表面和后表面的水平应变；
应变采集仪：电性连接于所述前电阻应变片和后电阻应变片，用于接收前电阻应变片和后电阻应变片所采集到的水平应变数据；
数据处理终端：接收应变采集仪的数据并据此计算得到试件的劈裂回弹模量。
利用上述系统的路面材料劈裂回弹模量测试方法，包括如下步骤：
S1制成试件，然后将试件放入MTS多功能材料测试系统上，尽量选择试件的平整面放在MTS多功能材料测试系统的压条上；
S2在试件上由MTS多功能材料测试系统通过应力控制方式或应变控制方式施加线状载荷P，使试件处于对心受压状态；
S3在试件的前表面中部和后表面中部，水平方向对称地分别粘贴电前阻应变片和后电阻应变片，并使前电阻应变片和后电阻应变片均连接于应变采集仪，从而通过应变采集仪采集到试件前表面和后表面的水平应变；
S4根据步骤S3中测得的试件的前表面和后表面的水平应变数据，按下式计算出试件的劈裂回弹模量：
其中，EIT为试件劈裂回弹模量，单位为MPa；P为步骤S2中所施加的线状荷载，单位为N；D为试件的直径、h为试件的高度、L为电阻应变片的格栅长度，单位均为mm，前电阻应变片和后电阻应变片的格栅长度相等；为前电阻应变片和后电阻应变片的长度范围内的应变均值，μ为泊松比。
需要说明的是，步骤S1中，在将试件放入MTS多功能材料测试系统前，先将试件上将要与压条接触的部位用水泥砂浆进行封面补缝。
需要说明的是，步骤S2中，在试件上由MTS多功能材料测试系统通过应力控制方式或应变控制方式施加线状载荷之前，在试件上与压条接触的部位、压条上与试件接触的部位均涂以凡士林。
需要说明的是，步骤S3中，在粘贴前电阻应变片和后电阻应变片之前，试件的前表面和后表面用于粘贴电阻应变片的部位用水泥砂浆进行封面补缝；前电阻应变片和后电阻应变片均用强力胶粘贴，在前电阻应变片和后电阻应变片的导线的粘贴中，导线之间的间隔距离尽量大；然后将导线与电线电焊连接。
需要说明的是，步骤S2中，由MTS多功能材料测试系统通过应力控制方式或应变控制方式先按照拟施加的最大应力即试件的强度的一半进行两次加载卸载预压试验，使压条与试件表面紧密接触；然后按照试件强度的10％、20％、30％、40％、50％依次进行荷载的逐级加载与卸载，其中每级荷载作用时间达1min后卸去荷载，恢复试件的弹性变形，等待0.5min后进行下一级加载；五级加载、卸载全过程均通过应变采集仪记录前电阻应变片和后电阻应变片所测得的试件前表面和后表面的水平应变变化；将试验结果进行坐标原点修正后，求得每级荷载值对应的回弹变形值，其中荷载值为施加的五级荷载，即试件强度值的10％、20％、30％、40％、50％，回弹变形值大小为加载后的试件总变形减去卸载后试件的剩余变形所得的值，即ε回弹＝ε总-ε剩余，五级加载试验条件分别对应于五组荷载和回弹变形。
本发明的有益效果在于：利用应变片测得试件水平回弹变形、利用所推导的劈裂回弹模量计算模型获得相应的模量值，并给出综合考虑了横向拉应力、竖向压应力对试件回弹变形影响条件下的劈裂回弹模量计算模型，为开展精准化的路面力学分析提供了参数依据，对提高路面材料模量测试的准确性及试验效率，节约路面材料室内试验成本，进而提高沥青路面结构设计的精度具有重要意义。
附图说明
图1是本发明实施例中的测试系统立面图。
图2是本发明实施例中的圆柱试件尺寸示意图。
图3是本发明实施例中的贴应变片圆柱试件的立面图。
图4是本发明实施例中的贴应变片圆柱试件的俯视图。
图5是本发明模量计算公式推导的受力简化图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。
一种路面材料劈裂回弹模量测试系统，包括路面材料的试件1，还包括MTS多功能材料测试系统3、电阻应变片2、应变采集仪5和数据处理终端6；其中：
MTS多功能材料测试系统3用于向试件1施加线状载荷P，使试件1处于对心受压状态；
电阻应变片2：包括前电阻应变片和后电阻应变片，分别贴于试件1的前表面中部和试件的后表面中部，两者之间呈水平方向对称，分别用于测量试件1的前表面和后表面的水平应变；
应变采集仪5：电性连接于所述前电阻应变片和后电阻应变片，用于接收前电阻应变片和后电阻应变片所采集到的水平应变数据；
数据处理终端6：接收应变采集仪5的数据并据此计算得到试件1的劈裂回弹模量。
利用上述系统进行路面材料劈裂回弹模量测试的方法包括如下步骤：
S1严格按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(T0843-2009)方法制备尺寸为Φ150mm×150mm的圆柱状的试件1，如图1所示。按照T0845-2009标准养生方法进行养生90天。
将试件1贴电阻应变片2(包括前电阻应变片和后电阻应变片)处及与压条7接触部位用水泥砂浆进行封面补缝，然后将试件1放入MTS多功能材料测试系统3上，尽量选择试件1的平整面放在MTS多功能材料测试系统3的压条7上；
S2先在试件1上与压条7接触的部位、压条7上与试件1接触的部位均涂以适量的凡士林，以减小压条7与试件1之间摩擦作用所引起的剪切效应影响，从而最大限度降低试验误差，然后在试件1上由MTS多功能材料测试系统3通过应力控制方式或应变控制方式施加线状载荷P，使试件1处于对心受压状态。具体为：
由MTS多功能材料测试系统通过应力控制方式或应变控制方式先按照拟施加的最大应力即试件的强度的一半进行两次加载卸载预压试验，使压条与试件表面紧密接触；然后按照试件强度的10％、20％、30％、40％、50％依次进行荷载的逐级加载与卸载，其中每级荷载作用时间达1min后卸去荷载，恢复试件的弹性变形，等待0.5min后进行下一级加载；五级加载、卸载全过程均通过应变采集仪记录前电阻应变片和后电阻应变片所测得的试件前表面和后表面的水平应变变化；将试验结果进行坐标原点修正后，求得每级荷载值对应的回弹变形值，其中荷载值为施加的五级荷载，即试件强度值的10％、20％、30％、40％、50％，回弹变形值大小为加载后的试件总变形减去卸载后试件的剩余变形所得的值，即ε回弹＝ε总-ε剩余，五级加载试验条件分别对应于五组荷载和回弹变形。
S3在试件的前表面中部和后表面中部，水平方向对称地分别粘贴电前阻应变片和后电阻应变片，并使前电阻应变片和后电阻应变片均连接于应变采集仪，从而通过应变采集仪采集到试件前表面和后表面的水平应变。
前电阻应变片和后电阻应变片用强力胶进行粘贴，注意导线的粘贴，间隔距离尽量大些，以免测试时试件变形导致电路短路，然后将导线与电线4电焊连接，如图2和图3所示。
S4根据步骤S3中测得的试件的前表面和后表面的水平应变数据，按下式计算出试件的劈裂回弹模量：
其中，EIT为试件劈裂回弹模量，单位为MPa；P为步骤S2中所施加的线状荷载，单位为N；D为试件的直径、h为试件的高度、L为电阻应变片的格栅长度，单位均为mm，前电阻应变片和后电阻应变片的格栅长度相等；为前电阻应变片和后电阻应变片的长度范围内的应变均值，μ为泊松比。
经过上述步骤，可以测得更加精确的劈裂回弹模量。本实施例中，测得的数据如下：
L＝80mm，D＝150mm，h＝150mm，P＝4.93KN，ε1＝18.1(微应变10-6)，ε2＝17.1(微应变10-6)，应变片格栅长度为80mm，μ取值0.25，ε1为前电阻应变片测得的试件水平应变，ε2为后电阻应变片测得的试件水平应变。
代入可得到试件劈裂回弹模量EIT为：EIT＝10451.72Mpa
根据弹性力学平面应力问题的力学解析解，以圆柱状的试件截面中心点做垂直坐标，设试件截面内任一点T(x，y)距截面顶部最高处(承受线荷载处)距离为r1，距底部距离为r2，r2与y轴夹角为θ1，r2与y轴夹角为θ2，试件高度为h，直径为D，则试件截面内任一点T(x，y)的应力可表示为：
图4中，沿x轴方向存在r1＝r2，θ1＝θ2，r1 2＝R2+x2，tanθ＝x/R的几何关系，R为试件半径，R＝D/2，D为试件直径，将此代入式(1)、公式(2)，则沿x轴方向上任一点T(x，0)的应力状态可以表示如下：
式中：σx(x)为水平拉应力，单位为MPa；σy(x)为竖向压应力，单位为MPa；P为施加的线状荷载，单位为N。
将公式(3)，公式(4)分别积分，分别求出半幅应变片长度范围内(0.5L，L为应变片的格栅长度)的拉应力σx(x)和压应力σy(x)总和(考虑到应力的对称分布，因此可取x在0-0.5L的取值区间)：
因此，在x轴方向上，0～0.5L的区间内：
拉应力均值为：
压应力均值为：
根据平面应力状态下的广义胡克定律：
将公式(7)，公式(8)带入公式(9)，可得劈裂回弹模量计算公式：
式中：EIT为试件劈裂回弹模量，单位为MPa；P为施加的线状荷载，单位为N；D为试件直径，单位为mm；h为试件高度，单位为mm；L为应变片格栅长度，单位为mm；为应变片长度范围内的应变均值(微应变10-6)。
对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，作出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种路面材料劈裂回弹模量测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1制成试件，然后将试件放入MTS多功能材料测试系统上，尽量选择试件的平整面放在MTS多功能材料测试系统的压条上；
S2在试件上由MTS多功能材料测试系统通过应力控制方式或应变控制方式施加线状载荷P，使试件处于对心受压状态；
S3在试件的前表面中部和后表面中部，水平方向对称地分别粘贴电前阻应变片和后电阻应变片，并使前电阻应变片和后电阻应变片均连接于应变采集仪，从而通过应变采集仪采集到试件前表面和后表面的水平应变；
S4根据步骤S3中测得的试件的前表面和后表面的水平应变数据，按下式计算出试件的劈裂回弹模量：
其中，EIT为试件劈裂回弹模量，单位为MPa；P为步骤S2中所施加的线状载荷，单位为N；D为试件的直径、h为试件的高度、L为电阻应变片的格栅长度，单位均为mm，前电阻应变片和后电阻应变片的格栅长度相等；为前电阻应变片和后电阻应变片长度范围内的应变均值，μ为泊松比。
2.根据权利要求1所述的路面材料劈裂回弹模量测试方法，其特征在于，步骤S1中，在将试件放入MTS多功能材料测试系统前，先将试件上将要与压条接触的部位用水泥砂浆进行封面补缝。
3.根据权利要求1所述的路面材料劈裂回弹模量测试方法，其特征在于，步骤S2中，在试件上由MTS多功能材料测试系统通过应力控制方式或应变控制方式施加线状载荷之前，在试件上与压条接触的部位、压条上与试件接触的部位均涂以凡士林。
4.根据权利要求1所述的路面材料劈裂回弹模量测试方法，其特征在于，步骤S3中，在粘贴前电阻应变片和后电阻应变片之前，试件的前表面和后表面用于粘贴电阻应变片的部位用水泥砂浆进行封面补缝；前电阻应变片和后电阻应变片均用强力胶粘贴，在前电阻应变片和后电阻应变片的导线的粘贴中，导线之间的间隔距离尽量大；然后将导线与电线电焊连接。
5.根据权利要求1所述的路面材料劈裂回弹模量测试方法，其特征在于，步骤S2中，由MTS多功能材料测试系统通过应力控制方式或应变控制方式先按照拟施加的最大应力即试件的强度的一半进行两次加载卸载预压试验，使压条与试件表面紧密接触；然后按照试件强度的10％、20％、30％、40％、50％依次进行载荷的逐级加载与卸载，其中每级载荷作用时间达1min后卸去载荷，恢复试件的弹性变形，等待0.5min后进行下一级加载；五级加载、卸载全过程均通过应变采集仪记录前电阻应变片和后电阻应变片所测得的试件前表面和后表面的水平应变变化；将试验结果进行坐标原点修正后，求得每级载荷值对应的回弹变形值，其中载荷值为施加的五级载荷，即试件强度值的10％、20％、30％、40％、50％，回弹变形值大小为加载后的试件总变形减去卸载后试件的剩余变形所得的值，即ε回弹＝ε总-ε剩余，五级加载试验条件分别对应于五组载荷和回弹变形。
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