一种多孔沥青混合料冻胀应力与冻胀应变测试装置及方法

技术领域

本发明属于路面工程测试技术领域，具体涉及一种多孔沥青混合料冻胀应力与冻胀应变测试装置及方法。

背景技术

多孔沥青混合料作为新一代环保型路面材料，不仅具备传统路面通行功能，在排水、降噪、吸收车辆尾气和降低城市热岛效应的方面也效果显著，因此在多个国家得到广泛运用。但是，多孔沥青混合料丰富的开口和连通孔隙，使路面温度受环境影响更加显著，当气温在冰点上下波动时，含有孔隙水的多孔沥青路面极易发生冻融损伤。而季节性冻土地区在我国有较大的面积分布，遍及我国北方10余个省，占国土面积的50％以上。在季冻区，随着大气温度的变化，多孔沥青路面经历反复冻融循环，极易出现开裂、坑槽的病害，导致其路用性能大大降低。

由于多孔沥青混合料内部含有较多的连通孔隙，当孔隙水饱和度较大时，孔隙水结冰产生的体积膨胀会受到孔隙壁的约束，从而对孔隙壁产生冻胀压应力，在应力得不到有效释放的情况下会对多孔沥青混合料产生冻胀应力，引起冻胀损伤。此外，在融化过程中，孔隙壁受到的冻胀压应力会逐渐减弱，但即使冰全部融化为水，多孔沥青混合料内仍会存在残余变形，影响其抗冻融的能力。因此，为了促进多孔沥青路面推广应用，应深入研究多孔沥青混合料的冻胀应力以及冻胀应变。

中国(CN201910698924.6)公开了测量多孔沥青混合料车辙板冻胀应力及其释放特征的测试装置及方法。装置包括车辙板固定装置、电阻式土压力盒、静态应变测试仪。本装置的使用包含以下步骤：成型多孔沥青混合料车辙板沥青混合料试件并控制其孔隙水饱和度，模拟多孔沥青混合料车辙板的冻融过程，通过静态应变测试仪输出应变并通过公式计算应力。通过对比不同方向应力变化，分析冻胀应力及释放特征的方向差异性。其装置结构复杂，沥青混合料试件难以安装，不能够直接测试应力和自由变形时的应变量，且测试过程无法保证多孔沥青混合料车辙板孔隙水饱和度，造成偏差。

中国(CN202010211492.4)公开了一种测试受冻含水沥青混合料的双向温缩应力和冻胀应力装置，包括钢筒，所述钢筒的中间位置放置了马歇尔沥青混合料试件，在所述钢筒的前、后、左、右四个侧面对称的设置了至少两组平行的调节螺杆，所述调节螺杆的中间位置通过螺母与所述钢筒的侧壁垂直相连，位于钢筒内部的一端与马歇尔沥青混合料试件的侧表面接触；还包括两组应力传递钢板组件和若干个压力传感器，所述应力传递钢板组件分别与马歇尔沥青混合料试件的上下表面和侧面连接，所述的压力传感器与应力传递钢板组件相连或设置在所述调节螺杆和马歇尔沥青混合料试件的接触面之间。其装置结构复杂，不能够直接测试应力和自由变形时的应变量，且测试过程无法保证多孔沥青混合料车辙板孔隙水饱和度，造成偏差。

目前，国内外通过试验分析冻融对多孔沥青混合料的相对动弹性模量、质量变化率、吸水率、弯拉强度、抗压强度、压折比的影响，进而总结出冻融作用下多孔沥青混合料路用性能的衰减规律。而对于冻胀应力以及冻胀应变的测试和分析，各个国家没有统一的装置和方法。因此，发明一种简单快捷的多孔沥青混合料冻胀应力和冻胀应变的测试装置，对于深入分析和理解多孔沥青混合料冻融过程的本质，促进多孔沥青混合料在季冻区的应用具有重要价值。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种多孔沥青混合料冻胀应力与冻胀应变测试装置及方法，以准确地测试多孔沥青混合料在含水受冻时的冻胀应力与冻胀应变，更加深入地研究多孔沥青混合料冻融过程的本质，有着测试精准、同时测试冻胀应力与冻胀应变、操作简便的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种多孔沥青混合料冻胀应力与冻胀应变测试装置，包括滑移单元、应力测试单元、测试台和应变片；所述应力测试单元包含有压力传感器及与所述压力传感器相连接的侧面滑移单元；所述测试台包含底板，所述底板的顶面相对的设置有两个侧板，所述底板和两个侧板呈U形设置，所述底板顶面均匀分布设置有若干个所述滑移单元，两个所述侧板上均设置有若干个固定机构，所述固定机构用于将所述应力测试单元压紧在沥青混合料试件上；所述应变片、应力测试单元电性连接有转换器和显示仪器。

上述方案中，测试台用于对沥青混合料试件和各个部件进行支撑和固定，底板的顶面设置滑移单元对沥青混合料试件进行支撑，设置滑移单元使沥青混合料试件的各个部分能够随着滑移方向进行自由变形，以便于测试应变，两个相对设置的侧板上设置固定机构，用于将应力测试单元夹紧设置在沥青混合料试件的侧面，所述应力测试单元通过压力传感器来进行应力测试，压力传感器上设置侧面滑移单元，从而不影响沥青混合料试件在滑移方向的自由形变，应变片、应力测试单元通过转换器将电信号转换为数字信号在显示仪器上显示读数，转换器可以包含应变仪或者数据采集仪，显示仪器可以是电脑。

进一步的，所述底板、侧板均为金属板，所述固定机构包含通过螺孔设置在所述侧板上的压紧螺栓。

底板、侧板可以是钢板，通过焊接固定，通过螺孔在侧板上设置压紧螺栓，拧紧压紧螺栓来实现对应力测试单元的压紧。

进一步的，所述应力测试单元包含与所述压力传感器连接的背板，所述背板与所述压紧螺栓相接触来进行压紧。

通过压紧螺栓将压力传感器与背板压紧贴合在一起，通过背板将螺栓的力均匀传递给压力传感器。背板可以固定设置在压紧螺栓的端部。背板可以为长方形。

进一步的，所述背板与压力传感器之间、侧面滑移单元与压力传感器之间通过螺栓连接或者焊接方式进行固定。

通过螺栓配合螺孔或者焊接方式将背板与压力传感器之间、侧面滑移单元与压力传感器之间进行固定，方便进行压紧操作。压力传感器的侧面可设置连接板或者焊接结构，连接部位避开传感器的压力测试面。

进一步的，所述固定机构包含有固定槽，所述固定槽与底板的形状相同，所述螺孔设置于所述固定槽的中部。

通过固定槽对底板进行限位，方便应力测试单元定位和压紧。

进一步的，所述压紧螺栓的尾部设置有把手。

通过把手方便进行压紧螺栓的转动，把手可以是圆形结构或偏心杆结构或者垂直于压紧螺栓的直杆结构。

进一步的，所述滑移单元、侧面滑移单元均包含有基座；所述基座的两侧面上均设置有滑轨，所述基座的上部设置有与所述滑轨滑动连接的盖板，所述基座的顶面设有至少两排方槽，所述方槽的内壁上设有圆弧状凹陷，所述方槽内设置有钢珠，所述钢珠与盖板的底面呈点接触。

基座为长方体结构，盖板通过滑轨滑动设置在基座上，基座的顶面设置方槽，方槽内设有圆弧状凹陷来定位钢珠，钢珠的顶部以点接触形式对盖板提供支撑，方便盖板沿滑轨方向滑动。

进一步的，所述侧面滑移单元的底面通过焊接方式设置在所述底板顶面，所述盖板包含顶部横板和两个侧向卡板。

通过焊接对侧面滑移单元的底面进行固定，使顶部横板稳定的对沥青混合料试件进行支撑，侧向卡板的卡接结构与滑轨配合进行滑动。

一种多孔沥青混合料冻胀应力与冻胀应变测试方法，使用如权利要求1-8任一项所述的多孔沥青混合料冻胀应力与冻胀应变测试装置，包括如下步骤：

S1:准备沥青混合料试件，并在沥青混合料试件的四周及底部用隔热层包覆；

S2:将沥青混合料试件内部注满水，使其达到饱和状态，并将沥青混合料试件置于所述测试台的底板顶面的滑移单元上；

S3:调节所述固定机构将所述应力测试单元压紧在沥青混合料试件的左右侧面上，并使应力测试单元上的侧面滑移单元与沥青混合料试件接触，使沥青混合料试件在左右方向上固定，将所有压力传感器调整至显示仪器的初始读数相同；

S4:在沥青混合料试件的顶面沿前后方向粘贴应变片，用以测试沥青混合料试件变形；

S5:组装完成后，将整个装置放入-20℃的环境中，每隔15分钟记录所述显示仪器上压力传感器和应变片的读数，得到沥青混合料试件在各个位置处的冻胀应力和冻胀应变。

步骤S1中，准备长方体形沥青混合料试件，方便对试件进行装夹和测试，在沥青混合料试件的四周和底部用隔热层包覆，隔热层可以是膜状结构，使试件的底部和四周密封；步骤S2中，将沥青混合料试件内部注满水，使其达到饱和状态，试件的孔隙中充满了水，水分不会在测试时流失，将试件及隔热层整体放在滑移单元上，进行定位；步骤S3中，固定机构使应力测试单元与沥青混合料试件的左右侧面贴紧来测试试件冻胀应力，并使应力测试单元上的侧面滑移单元与沥青混合料试件接触，使沥青混合料试件在左右方向上固定，使试件可以沿滑轨方向自由形变，可通过调整压紧螺栓的伸出长度来将压力传感器初始读数调整到相同，便于后期读数；步骤S4中，在试件顶面沿前后方向粘贴应变片，测试沥青混合料试件沿前后方向的变形，与左右方向的应力测试互不干涉，同时进行；步骤S5中，装置组装完成后，将装置放入-20℃的环境中，每隔15分钟记录压力传感器和应变片的读数，能够直接得出沥青混合料试件在对应位置的冻胀应力和冻胀应变情况。

进一步的，步骤S4中，沥青混合料试件的顶面通过环氧树脂胶水粘贴有多处应变片。

使用环氧树脂胶水粘贴应变片，可通过点粘方式粘贴，效果好，设置多处应变片对不同部位进行测试，提高测试效果。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)测试台的设计，方便试件的装夹，可测试多孔沥青混合料在受约束方向上冻胀应力的同时，使其在垂直方向上自由变形，避免了相邻测试面之间的相互影响；

(2)应力测试单元和应变片的使用，可同时测得多孔沥青混合料产生的冻胀应力和冻胀应变，简化了实验过程；

(3)多个测量点位的设计，保证了多孔沥青混合料冻胀应力与冻胀应变测量的准确度，并且为进一步研究不同测点处多孔沥青混合料含水受冻时的差异性提供了方便；

(4)通过用隔热层对试件底部和四周进行包覆，保证了测试过程中试件的水饱和状态，提高测试的准确度。

附图说明

图1为本发明的实施例1中滑移单元的结构立体图；

图2为本发明的实施例1中连接有侧面滑移单元的应力测试单元的结构立体图；

图3为本发明的实施例1中的沥青混合料试件装夹示意图；

图4为本发明的实施例1中应力测试单元和滑移单元的分布结构示意图；

图5为本发明的实施例2中固定槽的结构示意图；

图6、图7为本发明的实施例2中压紧螺栓的结构示意图；

图中，1、基座；2、滑轨；3、盖板；4、方槽；5、钢珠；6、压力传感器；7、背板；8、底板；9、螺孔；10、固定槽；11、压紧螺栓；12、沥青混合料试件；13、应变片；14、圆弧状凹陷；15、隔热层。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1-4所示，一种多孔沥青混合料冻胀应力与冻胀应变测试装置，包括滑移单元、应力测试单元、测试台和应变片13；所述应力测试单元包含有压力传感器6及与所述压力传感器6相连接的侧面滑移单元；所述测试台包含底板8，所述底板8的顶面相对的设置有两个侧板，所述底板8和两个侧板呈U形设置，所述底板8顶面均匀分布设置有若干个所述滑移单元，两个所述侧板上均设置有若干个固定机构，所述固定机构用于将所述应力测试单元压紧在沥青混合料试件12上；所述应变片13、应力测试单元电性连接有转换器和显示仪器。

上述方案中，测试台用于对沥青混合料试件12和各个部件进行支撑和固定，底板8的顶面设置滑移单元对沥青混合料试件12进行支撑，设置滑移单元使沥青混合料试件12的各个部分能够随着滑移方向进行自由变形，以便于测试应变，两个相对设置的侧板上设置固定机构，用于将应力测试单元夹紧设置在沥青混合料试件12的侧面，所述应力测试单元通过压力传感器6来进行应力测试，压力传感器6上设置侧面滑移单元，从而不影响沥青混合料试件12在滑移方向的自由形变，应变片13、应力测试单元通过转换器将电信号转换为数字信号在显示仪器上显示读数，转换器可以包含应变仪或者数据采集仪，显示仪器可以是电脑。

进一步的，所述底板8、侧板均为金属板，所述固定机构包含通过螺孔9设置在所述侧板上的压紧螺栓11。

底板8、侧板是钢板，通过焊接固定，通过螺孔9在侧板上设置压紧螺栓11，拧紧压紧螺栓11来实现对应力测试单元的压紧。

进一步的，所述应力测试单元包含与所述压力传感器6连接的背板7，所述背板7与所述压紧螺栓11相接触来进行压紧。

通过压紧螺栓11将压力传感器6与背板7压紧贴合在一起，通过背板7将螺栓的力均匀传递给压力传感器6。背板7可以固定设置在压紧螺栓11的端部。背板7可以为长方形。

进一步的，所述滑移单元、侧面滑移单元均包含有基座1，所述基座1的两侧面上均设置有滑轨2，所述基座1的上部设置有与所述滑轨2滑动连接的盖板3，所述基座1的顶面设有至少两排方槽4，所述方槽4的内壁上设有圆弧状凹陷14，所述方槽4内设置有钢珠5，所述钢珠5与盖板3的底面呈点接触。

基座1为长方体结构，盖板3通过滑轨2滑动设置在基座1上，基座1的顶面设置方槽4，方槽4内设有圆弧状凹陷14来定位钢珠5，钢珠5的顶部以点接触形式对盖板3提供支撑，方便盖板3沿滑轨2方向滑动。

进一步的，所述侧面滑移单元的底面通过焊接方式设置在所述底板8顶面，所述盖板3包含顶部横板和两个侧向卡板。

通过焊接对侧面滑移单元的底面进行固定，使顶部横板稳定的对沥青混合料试件12进行支撑，侧向卡板的卡接结构与滑轨2配合进行滑动。

一种多孔沥青混合料冻胀应力与冻胀应变测试方法，包括如下步骤：

S1:准备长方体形沥青混合料试件12，并在沥青混合料试件12的四周及底部用隔热层15包覆；

S2:将沥青混合料试件12内部注满水，使其达到完全饱和状态，并将沥青混合料试件12置于所述测试台的底板8顶面的滑移单元上；

S3:调节所述固定机构将所述应力测试单元压紧在沥青混合料试件12的左右侧面上，并使应力测试单元上的侧面滑移单元与沥青混合料试件12接触，将所有压力传感器6调整至显示仪器的初始读数相同；

S4:在沥青混合料试件12的顶面沿前后方向粘贴应变片13，用以测试沥青混合料试件12变形；

S5:组装完成后，将整个装置放入-20℃的环境中，每隔15分钟记录所述显示仪器上压力传感器6和应变片13的读数，得到沥青混合料试件12在各个位置处的冻胀应力和冻胀应变。

步骤S1中，准备长方体形沥青混合料试件12，方便对试件进行装夹和测试，在沥青混合料试件12的四周和底部用隔热层15包覆，使试件的底部和四周密封；步骤S2中，将沥青混合料试件12内部注满水，使其达到饱和状态，水分不会在测试时流失，将试件及隔热层15整体放在滑移单元上，进行定位；步骤S3中，固定机构使应力测试单元与沥青混合料试件12的左右侧面贴紧来测试试件冻胀应力，并使应力测试单元上的侧面滑移单元与沥青混合料试件12接触，使试件可以沿滑轨2方向自由形变，可通过调整压紧螺栓11的伸出长度来将压力传感器6初始读数调整到相同，便于后期读数；步骤S4中，在试件顶面沿前后方向粘贴应变片13，测试沥青混合料试件12沿前后方向的变形，与左右方向的应力测试互不干涉，同时进行；步骤S5中，装置组装完成后，将装置放入-20℃的环境中，每隔15分钟记录压力传感器6和应变片13的读数，能够直接得出沥青混合料试件12在对应位置的冻胀应力和冻胀应变情况。

隔热层15包含在试件侧面和底面涂抹的隔热的泡沫胶以及在泡沫胶上包裹的橡胶膜。

实施例2

如图5-7所示，本实施例的一种多孔沥青混合料冻胀应力与冻胀应变测试装置，在实施例1的基础上进行进一步的优化：

进一步的，所述压紧螺栓11的尾部设置有把手。

通过把手方便进行压紧螺栓11的转动，把手可以是圆形结构或偏心杆结构或者垂直于压紧螺栓11的直杆结构，也可以是片状结构。

进一步的，所述背板7与压力传感器6之间、侧面滑移单元与压力传感器6之间通过螺栓连接或者焊接方式进行固定。

通过螺栓配合螺孔9或者焊接方式将背板7与压力传感器6之间、侧面滑移单元与压力传感器6之间进行固定，方便进行压紧操作。

进一步的，所述固定机构包含有固定槽10，所述固定槽10与底板8的形状相同，所述螺孔9设置于所述固定槽10的中部。

通过固定槽10对底板8进行限位，方便应力测试单元定位和压紧。

一种多孔沥青混合料冻胀应力与冻胀应变测试方法，在实施例1的基础上进行进一步的优化：

进一步的，步骤S4中，沥青混合料试件12的顶面通过环氧树脂胶水粘贴有多处应变片13。

使用环氧树脂胶水粘贴应变片13，可通过点粘方式粘贴，效果好，设置多处应变片13对不同部位进行测试，提高测试效果。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。