路面结构及桥面铺装粘结界面抗剪特性的测试装置.pdf

本发明涉及一种路面结构及桥面铺装粘结界面抗剪特性的测试装置，其基于力学原理和室内试验，有效模拟路面和桥面实际受力状况，能够实现剪切角度在0-80°之间的连续变化，满足不同工况的需要，适用于铺装结构的设计与研究、室内试验以及工程检测。本装置包括上、下两个部分，每一部分包括承载板、滚轴、弧形基座、半圆形夹具、内部夹头、夹具固定装置。整个装置还包括角度刻度盘和角度指针等附属部件，用于指示剪切角度的大小。内部夹头内放置方形试件，半圆形夹具与基座可以相对转动，在设定剪切角度后，通过夹具固定装置将夹具与基座

1、  一种路面结构及桥面铺装粘结界面抗剪特性的测试装置，其特征在于：包括上、下两部分，每一部分包括承载板、滚轴、弧形基座、半圆形夹具、内部夹头、夹具固定装置。整个装置还包括角度刻度盘和角度指针等附属部件。内部夹头用于放置方形试件，内部夹头与半圆形夹具连结在一起，半圆形夹具的圆弧半径与弧形基座的相同，两者紧密结合，可以相对转动。通过夹具固定装置可以将半圆形夹具与弧形基座固定。弧形基座的另一侧水平面通过滚轴与承载板滚动接触，从而使承载板受载荷作用产生竖向位移的同时，也可以实现弧形基座与承载板之间的水平移动。

2、  根据权利要求1所述的路面结构及桥面铺装粘结界面抗剪特性的测试装置，其特征在于：通过半圆形夹具与弧形基座之间的相对转动，并可以实现剪切角度在0-80°之间的连续变化，涵盖了路面以及桥面铺装在行车荷载作用下粘结界面的各种受力状况。

3、  根据权利要求1所述的路面结构及桥面铺装粘结界面抗剪特性的测试装置，其特征在于：通过筒单的单轴加载设备，即可实现对试件竖向力与水平力的综合作用，反映工程实际的受力状况。

4、  根据权利要求1所述的路面结构及桥面铺装粘结界面抗剪特性的测试装置，其特征在于：试件尺寸可以调节，不仅适用于路面结构及桥面铺装，也可以用于工程结构，如钢混结构等涉及粘结界面的工程设计、室内试验研究和现场工程检测。

5、  根据权利要求1所述的路面结构及桥面铺装粘结界面抗剪特性的测试装置，其特征在于：单轴加载并且通过装置的几何构造设计使荷载作用线通过整个测试装置的中心，克服了由于荷载作用不对称而产生的弯矩影响，提高了装置的试验精度和操作稳定性。

6、  根据权利要求1所述的路面结构及桥面铺装粘结界面抗剪特性的测试装置，其特征在于：通过变换不同的剪切角度，可以确定一组正应力σ和剪应力τ值，从而得到剪切强度线，进而求得粘结界面(或混合料)的内摩擦角和粘聚力c等重要参数，为力学模拟分析提供有效参数取值。

路面结构及桥面铺装粘结界面抗剪特性的测试装置
技术领域
本发明属于道路工程领域，是一种路面结构及桥面铺装力学特性设备，涉及路面结构粘结界面和桥面铺装粘结界面抗剪特性的测试，适用于铺装结构的设计与研究、室内试验以及现场工程检测。
背景技术
粘结界面是路面结构以及桥面铺装的重要组成部分，如在桥面铺装中，它将铺装层与桥面板粘结成一个整体，充分发挥铺装层与桥面板的复合作用，改善桥面板与铺装层之间的受力状况，增强铺装层的疲劳抵抗性能。其主要作用是使桥面板和铺装下层成为一体，协调桥面板与铺装层变形，使两者共同承担车轮荷载的作用，它是整个桥面铺装结构形成有机整体的关键，其性能的好坏对桥面铺装的耐久性有着直接影响。当所设粘结界面的粘结力不足，抗水平剪切能力较弱时，路面结构或桥面铺装结构的整体性被破坏，在水平方向上易产生相对位移而发生剪切破坏，并产生推移、拥包、脱层等病害，车轮荷载的剧烈冲击作用还易使路面或桥面出现松散、剥落等病害，尤其在重载超载情况下，层间所受剪应力更大，破坏更为严重。因此为了检验粘结界面的粘结状态，指导路面或铺装结构设计和施工工艺，必须对其抗剪特性进行有效的测试。
目前国内外关于路面结构或桥面铺装粘结界面抗剪特性的测定还没有形成标准的试验方法，更没有统一的测试设备，大多参照土工试验原理，如直接剪切试验，无法模拟实际工程工作状况，对于路面或桥面铺装的适用性有待提高。
本发明的粘结界面抗剪特性测试装置，基于力学分析和试验经验，原理简单，操作方便，能够有效模拟路面及桥面铺装在行车荷载作用下的实际受力状况；通过单轴加载设备即可实现粘结界面所受的竖向力和水平力的综合作用；并且能够实现剪切角度的连续调整，满足不同路面结构或桥面铺装结构在各种车辆荷载作用下的不同受力工况的需要，使用范围广泛；加载方向通过装置中心，克服了直接剪切试验中由于荷载作用不对称而产生的弯矩影响，提高了装置的操作稳定性；试件尺寸可以调节，不仅适用于路面结构及桥面铺装，也可以用于工程结构，如钢混结构等涉及粘结界面的工程设计研究、室内试验和实际工程检测，为实际工程质量控制提供保障，具有良好的发展前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种路面结构及桥面铺装粘结界面抗剪特性的测试装置，为达此目的，本发明包括上、下两部分，每一部分包括承载板、滚轴、弧形基座、半圆形夹具、内部夹头、夹具固定装置，见图1。整个装置还包括角度刻度盘和角度指针等附属部件，用于指示剪切角度的大小。内部夹头用于放置方形试件，内部夹头与半圆形夹具连结在一起。半圆形夹具与内部夹头也可以合为一体，如图2所示。半圆形夹具的圆弧半径与弧形基座相同，两者紧密结合，可以相对转动，从而实现试件粘结界面剪切角度的连续变化。在设定某一角度后，通过夹具固定装置将半圆形夹具与弧形基座固定；基座的另一侧水平面通过滚轴与承载板滚动接触，可通过单轴加载设备的加载头对承载板进行加载，从而使承载板受荷载作用产生竖向位移的同时，也可以实现弧形基座与承载板之间的水平移动。其主要特点如下：
1、路面和桥面在车辆行驶荷载作用下，由于路面摩擦系数的存在，实际承受竖向力和水平力的综合作用，见图3所示，本装置通过剪切角的设置，能够体现竖向力与水平力的综合作用，有效模拟了工程实际，使工程设计或检测更为合理、精确。
根据图3，由于路面或桥面铺装受到车轮的竖向压力和水平摩擦力，其结构层之间的粘结界面必然受到竖向作用力σ和水平剪切力τ，采用tanα＝τ/σ表示水平剪切力与竖向作用力的比值，α即为剪切角。由于路面或桥面铺装的层间粘结界面的受力状态(包括剪切角)与结构层材料类型、厚度等几何参数、荷载类型、以及加载位置密切相关，因此针对每一种工况(确定的结构层材料类型、厚度等几何参数、荷载类型、以及加载位置)，须采用不同的剪切角进行试验，才能有效模拟现场工程结构的受力情况。
可以根据设计资料应用路面力学理论计算或桥面系结构理论计算获得剪切角度，也可以通过结构模拟数值分析获得剪切角度，还可以通过现场摩擦力测试、应变测试等方式分析得到剪切角度，以下以有限元模拟计算方法为例说明获得剪切角度的过程：
在调查我国高速公路沥青路面结构并参考沥青路面设计规范的基础上，拟定典型路面结构及其参数，如表1所示。
表1典型路面结构及其参数

根据典型路面结构建立有限元模型，按照我国沥青路面设计规范采用的标准荷载模式BZZ-100，计算路面粘结界面的最大剪应力位置所处的受力状况，可以得到相应剪切角度。参考我国《城市道路设计规范》，水平荷载系数f按路面交叉口、停车处的缓慢制动力，和突然紧急制动力条件，分别取0.2、0.5。计算可知，上面层、中面层层间粘结界面即4cm厚度处的剪应力值最大，如表2所示。
表2剪切角度计算结果

注：“-”表示受压。
2、通过半圆形夹具与弧形基座之间的相对转动，可以实现剪切角度在0-80°之间的连续变化，如图4所示，不仅涵盖了路面以及桥面铺装在行车荷载作用下的各种受力状况，还可应用于包括开启桥，纵坡较大的拱桥等特殊情况。一套装置可以适用于各种实际工程，大大拓宽了适用范围。
3、装置内部夹头的尺寸H、L可以更换调整，见图1，以适用于不同尺寸的试件(长宽高均可以变化)，不仅适用于路面结构及桥面铺装，也可以用于工程结构，如钢混结构等涉及粘结界面的工程设计与研究、室内试验和实际工程检测。
4、本装置的加载方向通过试件中心，与直接剪切试验相比，克服了由于荷载作用不对称而产生的弯矩影响(如图5)，提高了装置的操作稳定性，如图6所示。
5、通过变换不同的剪切角度，可以确定一组σ和τ值，从而得到剪切强度线，进而求得粘结界面(或混合料)的内摩擦角和粘聚力c等重要参数，为力学模拟分析提供有效参数取值。
附图说明
图1为路面结构及桥面铺装粘结界面抗剪特性的测试装置组成结构示意图
图中，1-上承载板，2-滚轴，3-上弧形基座，4-半圆形夹具(上部)，5-内部夹头(上部)，6-内部夹头(下部)，7-半圆形夹具(下部)，8-下承载板，9-下弧形基座，10-试件粘结界面，11-试件，12-角度刻度盘，13-夹具固定装置，14-角度指针。
图2为半圆形夹具与内部夹头合为一体的测试装置示意图
图3为实际路面和桥面在车辆行驶荷载作用下的受力示意图，其中a)为实际路面在车辆行驶荷载作用下的受力示意图，b)为桥面在车辆行驶荷载作用下的受力示意图
图4为最小剪切角和最大剪切角时的剪切角工况示意图，其中a)最小剪切角0°时的剪切角工况示意图，b)为最大剪切角80°时的剪切角工况示意图
图5为直接剪切试验受力分析示意图(图中15为试件，16为剪力盒)
图6为本发明装置的受力分析示意图
具体实施方式
采用该测试装置的工作步骤：
A.试件制作
可以采用碾压成型方式制作测试铺装剪切特性的试件，先在试模内铺设铺装下层，再洒布粘结材料，然后铺设上层，冷却后锯切为试块方型复合试件11，中间为粘结界面10。
B.试验准备
将制作好的试件安放在内部夹头5和6的凹槽中，转动测试装置的半圆形夹具4和7，使指针14指向刻度盘12上的指定位置，然后通过夹具固定装置13将半圆形夹具(上部)4与上弧形基座3固定，同时将半圆形夹具(下部)7与下弧形基座9固定，保证试验过程中装置的稳定。调整装置的位置，使试件中心与加载中心位于同一竖直线上。调试加载设备，设定加载速率等试验参数。
C.试验
待试验准备工作结束后，通过加载设备的控制系统，启动试验，并通过数据采集系统记录相关试验数据。
D.试验数据处理
当试件破坏或试验出现峰值后，控制系统自动停止试验，存取相关试验数据，进行分析处理可以获得抗剪强度参数等结果。数据保存与处理后，卸除试件，准备下一次试验。
采用该测试装置的主要原理：
本发明测试装置适用于涉及粘结界面的路面结构及桥面铺装结构的设计与研究、室内试验以及实际工程检测等领域：
1.应用于路面与桥面铺装设计：对于已经确定的路面或桥面铺装结构设计方案，可以通过本发明的测试装置，按不利荷载条件下的剪切角进行试验，确定粘结层材料是否满足要求。
2.应用于路面与桥面铺装室内(实验室)试验：可以选定一种粘结层材料，应用本发明的测试装置，变化剪切角度进行多组试验，获得该粘结层材料在不同工况下的剪切强度指标值；实际上，不同种类的粘结层材料有各自的适用范围，针对不同应用的工程，可以根据荷载情况确定典型的剪切角，然后应用本发明的测试装置进行试验，比选最合适的粘结层材料。
3.应用于路面与桥面铺装现场检测：根据实际工程的设计和使用条件确定代表性的剪切角，可以在工程现场检测取样，应用本发明的测试装置进行试验获得剪切强度，对比在相同剪切角条件下实验室试验获得的指标值，来确定现场施工质量是否满足设计要求。
4.此外，该装置还可以在0～80°范围任意变化剪切角度，对任一种粘结层材料进行测试，以确定不同角度范围的c，参数，作为评价在任意工况下路面结构及桥面铺装粘结界面抗剪特性的指标值。
试件的剪切面与荷载方向成一定角时，平行于剪切面切向分力作用所产生的最大抗剪应力，称为抗剪强度。对所得试验数据进行简单计算即可得到粘结界面的抗剪强度。通过简单的单轴加载设备，以恒定的加载速率对装置进行加载，直至试件破坏或出现荷载峰值，该极限荷载为P，则试件粘结界面的正应力和抗剪强度为：
σ=PcosαA]]>
τ=PsinαA]]>
式中：σ-试件剪切面上的正应力，MPa；τ-试件剪切面上的剪应力，MPa；P-作用荷载，N；A-试件受剪面积，mm²；α-剪切面与水平面的夹角，即剪切角。
用不同的α角剪切试件，则每一个角度可以确定一对σ，τ值，把这些值画在直角坐标τ-σ的曲线图上，连接求得的各点(至少3点)就可得到剪切强度线，其斜率即为内摩擦角的正切tan截距即为粘聚力c。