专利名称：一种沥青混合料三轴试验装置及试验方法
技术领域：
本发明属于道路工程领域，具体为一种浙青混合料三轴试验装置及试验方法。
背景技术：
截至2012年底，我国已建成通车的高速公路居世界第二位，其中90%以上为浙青路面。在高等级公路浙青路面的施工建设过程中，道路工作者解决了大量的技术难题、积累了丰富的实践经验。但从近年来已投入运营的浙青路面使用状况来看，许多浙青路面结构未达到设计寿命便出现了不同程度的病害，造成了巨大的经济损失和不良的社会影响。特别是近年来，超载重载车辆的大幅增加，使得浙青路面在使用过程中会遇到各种各样的破坏与损伤。在研究这些问题时，一次荷载作用下的强度问题研究是各种破坏问题研究的基础。长期以来，浙青混合料强度特性研究一直是国内外道路工作者关心的热点问题，但已有的浙青混合料的强度试验多为单轴试验，鲜有关于浙青混合料多轴强度的研究。《公路浙青与浙青混合料试验规程》中用于评定浙青混合料力学性能的强度试验方法有:(I)弯曲试验、(2)单轴压缩试验、(3)劈裂试验、(4)三轴剪切试验。弯曲试验、单轴压缩试验和劈裂试验为单轴试验方法，无法模拟实际工况下浙青混合料的三向受力状态。浙青混合料常规三轴试验是两个主应力相等的三轴试验，其试验过程为:用橡皮膜将试件包裹后放在压力室中，通过压缩空气对试件施加围压，使试件处于σ 2=0 3=0。的应力状态，然后通过活塞施加轴压，使试件在轴向产生偏应力差发生破坏。由于试件端部由橡胶膜包裹，难以与加载轴粘结，也就无法进行浙青混合料的三轴拉伸试验。事实上，已有的浙青混合料常规三轴试验方法仅能进行低围压下的三轴压缩破坏试验，该试验方法的最大缺陷是无法在试件内部形成三个主应力不等的应力状态、不能反映中间主应力对材料强度的影响。在车轮荷载的作用下，浙青混凝土处于明显的多轴应力状态，其承受的三向主应力不等，且可能是压应力或拉应力的不同组合，已有的常规三轴试验方法显然不能反映浙青混合料在实际工作条件下的力学特性。就试验仪器方法和试验仪器而言，现有的三轴试验方法多利用三轴试验仪从三个主应力方向对立方体试样加载，以反映复杂应力状态下材料的力学特性。自1936年Kjellman成功设计真三轴仪以来，国内外先后研制了多种真三轴试验仪。我国水利电力部水利科学研究院、清华大学、同济大学、河海大学、大连理工大学、武汉岩土力学研究所从20世纪80年代开始研制多轴应力试验装置，取得了较好的效果。按照中间主应力的施加方式，三轴试验仪一般可分为“刚性加载方式”、“柔性加载方式”、“刚柔复合加载方式”三种类型。相对刚性加载方式与柔性加载方式而言，复合加载方式的三轴试验仪易于操控，已有的真三轴试验仪多为复合式加载方式。但采用立方体加载的真三轴试验仪也存在一些缺陷:(I)真三轴仪的加载方式存在缺陷。在对立方体试件三向加载过程中，存在刚性加载板之间相互制约、刚性板约束试件的变形以及柔性液囊之间相互干扰的问题。为了解决这一问题，通常在竖向加压板与水平加压板之间预留有空隙以避免试验过程中加压板之间的相互挤压，但是预留的空隙会造成试样中产生不均匀的应力和应变(即产生隅角效应)，影响着试验结果的准确性。(2)已有的真三轴试验仪不适合于浙青混合料。目前，国内外开发的真三轴仪主要适用于岩土材料。通常情况下，土工三轴试验仪施加的最大压应力为3-5MPa，而AC-13型浙青混合料在20°C时的抗压强度可达到6MPa，若降低试验温度或采用更粗的级配，浙青混合料的抗压强度会进一步增大。显然，对于浙青混合料而言土工三轴试验仪量程偏小，无法使浙青混合料发生破坏。而岩石三轴试验仪小主应力方向施加的应力为IOOMPa左右，大主应力方向能施加的应力为800MPa左右，若按精度为1%计算，其试验误差为8MPa，已超过浙青混合料的单轴抗压强度。显然，对于浙青混合料而言，岩石真三轴试验机量程偏大、精度偏低、误差过大。事实上，不同的材料需要不同的材料试验机，为了研究冰的力学性能，美国MTS公司专门研发了一种适合冰的真三轴试验机和控制系统。(3)已有的真三轴试验机不便于推广应用。设计真三轴试验仪对机器设计、动力装置、试件加工、测试元件的要求均较高，从而导致三轴试验机的研制具有耗时长、花费大、技术难度高、风险性大的特点。如某单位研制混凝土三轴试验装置，前后历经十余年，动用了大量的人力、物力、财力。由于三轴试验仪的研发过程十分复杂、且周期长、价格昂贵，难以进行大规模的推广应用。受到技术因素及其它方面的限制，国内外尚未开发出适合于浙青混合料的三轴试验装置，这已成为制约浙青混合料强度特性研究的瓶颈。

发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足提供一种简单易行、成本低廉、便于推广、适合于浙青混合料并能避免传统三轴仪隅角效应的浙青混合料三轴试验装置及试验方法。本发明通过以下技术方案实现上述目的一种浙青混合料三轴试验装置，包括MTS材料试验机和气压控制台，还包括外气囊组件、内气囊组件、上压板和下压板，所述外气囊组件和内气囊组件由所述气压控制台提供可调的气压，所述外气囊组件的外气囊设置在中空圆柱体试件的外侧并且包裹所述中空圆柱体试件的外圆柱表面，所述内气囊组件的内气囊安装在中空圆柱体试件的内孔中并且与所述中空圆柱体试件内孔紧密接触，所述上压板和下压板分别固定在所述中空圆柱体试件的上表面和下表面，所述下压板与所述MTS材料试验机支撑座连接，所述上压板与所述MTS材料试验机的伸缩臂连接。所述外气囊组件包括套筒、气囊压板、外气囊和螺杆，所述套筒表面设有连通所述套筒内外侧的进气口，所述套筒包括上套筒和下套筒，所述上套筒和下套筒密封卡装在一起，所述外气囊橡胶膜为空心圆柱体，所述外气囊橡胶膜形成的空心圆柱体的直径等于或大于中空圆柱体试件的直径，所述外气囊橡胶膜放置在所述套筒内侧并且所述外气囊橡胶膜的两端卡装在所述套筒两端并由所述气囊压板压紧固定，所述套筒上侧和下侧的所述气囊压板之间通过螺杆固定，使得所述气囊压板将所述外气囊橡胶膜紧压在所述套筒的两端，所述外气囊橡胶膜与所述套筒之间形成外气囊，所述套筒上的进气口与所述外气囊连通。所述内气囊组件包括内气囊气芯、内气囊固定装置和内气囊橡胶膜，所述内气囊气芯一端设有进气口，所述内气囊气芯中部位置设有出气口，所述内气囊橡胶膜为空心圆柱体，所述内气囊橡胶膜形成的空心圆柱体的直径等于或小于中空圆柱体试件内孔的直径，所述内气囊固定装置包括锁紧螺母和密封套锥，所述内气囊橡胶膜套装在所述内气囊气芯外并且所述内气囊橡胶膜两端通过所述密封套锥固定在所述内气囊气芯的两端，所述锁紧螺母将所述密封套锥紧固在所述内气囊气芯上，使得所述内气囊橡胶膜与所述内气囊气芯之间形成内气囊，所述密封套锥的直径小于所述中空圆柱体试件内孔的直径，使得所述内气囊置于所述中空圆柱体试件内孔中，所述内气囊气芯的出气口与所述内气囊连通。所述气囊压板包括外气囊内端压板和外气囊外端压板，所述外气囊内端压板将所述外气囊橡胶膜紧压在所述套筒内侧，所述外气囊外端压板将所述外气囊橡胶膜紧压在所述套筒外侧，所述外气囊内端压板和外气囊外端压板通过所述的螺杆固定。所述内气囊橡胶膜和外气囊橡胶膜为两端厚、中间薄的结构。所述的气压控制台包括由一个总气阀控制的两条相同的输出线路，两条输出线路分别与所述外气囊组件和所述内气囊组件连通，所述输出线路包括从总气阀到出气口依次连接的增压泵、高压气瓶、高压阀、减压调节阀、精密压力表、压力传感器、排气阀和输出阀，所述高精度压力表显示实际通入所述内气囊组件和外气囊组件的气压，所述压力传感器分别记录所述内气囊组件和外气囊组件的气压，并将压力转换成电信号送到数据记录仪，所述输出阀和排气阀对所述内气囊组件和外气囊组件加压和卸压。所述下压板与所述MTS材料试验机支撑座之间设有外气囊支撑调节座，所述外气囊支撑调节座包括支撑座和调节板，所述支撑座固定在所述调节板上，所述调节板下方设置在所述MTS材料试验机支撑座上，所述支撑座与下压板连接，所述调节板上设有调节杆，所述外气囊组件通过所述调节杆支撑，所述调节板通过所述调节杆调节外气囊组件与中空圆柱体试件的相对位置。一种浙青混合料三轴试验方法，包括如下步骤，(a)制作试件:采用静压法或旋转压实法制作试件，钻芯取样获得中空圆柱体试件；(b)保温:将内气囊组件、外气囊组件、上压板和下压板、外气囊支撑调节座和中空圆柱体试件，控温于15°C环境箱中进行保温，确保浙青混合料试件的保温时间在6小时以上，保温后在温控箱中进彳丁试验；(c)气压控制台操作:打开气源对气压控制台进行充气，充气完成后关闭气源，调节好内气囊和外气囊的气压后，打开输入阀对内气囊及外气囊输入压缩空气；(d)开启气压控制台的数据采集系统及MTS材料试验机，以恒定的速度施加拉伸或压缩荷载，使试件在内气压、外气压及轴向荷载的共同作用下发生破坏，试验结束后，保存试验数据，关闭高压阀，打开卸气阀排尽气囊及气管内的压缩空气，取出试件后本次试验结束。步骤(a)中所述中空圆柱体试件在钻内孔前将定位居中帽套在试件表面保证钻孔位置居中。步骤(d)中所述的数据采集仪能采集气压数据，所述的加载速率为2mm/min，温度为15°C，试验时间为5分钟，数据采集密度设为10点/S。由于采用上述结构和方法浙青混合料三轴试验装置构建了试件的复杂受力环境，使浙青混合料强度研究领域从单轴受力状态扩展到三向受力状态。该试验装置和方法具有如下优点:(I)调整内气压、外气压和轴向荷载的大小，能形成不同的三向受力状态，能很好的模拟车轮荷载作用下浙青混合料的多轴应力状态，解决了已有的三轴试验装置不适合于浙青混合料的问题，使浙青混合料强度研究领域从一维受力状态扩展到三向受力状态，对研究复杂受力状态下浙青混合料的力学特性具有重要意义；(2)由于采用刚柔复合式加载方式，使得浙青混合料三轴试验装置具有易于操控的优点，压板、外气囊和内气囊互不干涉，较好的解决了传统三轴试验方法中的隅角效应；(3)所述的气压控制台为所述外气囊组件和内气囊组件提供稳定、精确、可调的气压；(4)试验装置成本低廉、试验方法简单易行、便于推广。综上所述，本发明一一种浙青混合料气囊三轴试验装置及方法具有简单易行，便于推广，能避免试件转角处的隅角效应、能较好的模拟车轮荷载作用下浙青混凝土受力状态的优点。气囊三轴试验装置使浙青混合料强度研究领域从单轴受力状态扩展到三向受力状态，对研究复杂受力状态下浙青混合料的力学特性、浙青混合料设计和浙青路面损害防治具有重要意义。


图1 (a)是本发明的结构示意图；图1 (b)是图1 (a) A-A面的剖视图；图2是本发明套筒的结构示意图；图3 Ca)是本发明外气囊的结构示意图；图3 (b)是图3 (a) B-B面的剖视图；图3 (c)是本发明外气囊组件的剖视图；图4是本发明内气囊的结构示意图；图5是本发明气压控制台系统图；图6是典型的浙青混合料三轴试验曲线及破坏点的定义具体实施例方式下面结合附图，进一步详细说明本专利的具体实施方式
。实施例:1、制作试件:采用静压法或旋转压实法制作浙青混合料试件，钻芯取样得到外径为100mm,内径为20mm,高为IOOmm中空圆柱体试件。为了保证钻孔位置居中，设计并制作了外径为101_，内径21_的圆环形定位居中帽，在钻孔前将定位居中帽套在试件表面，若钻头能顺利通过定位居中帽，则可精确的保证钻孔位置居中。2、试件受力状态的确定:浙青混合料气囊三轴试验所采用的试件为中空圆柱体，内气囊和外气囊分别对试件内腔和外壁施加气压P1和Po，MTS材料试验机对试件施加轴向荷载P。由弹性力学可知，内半径为r、外半径为R、横截面积为A的中空圆柱体，受内压Pp外压P。和轴向荷载P的作用，在距试件中心P处，所受的径向应力σ ρ、环向应力乂和轴向应力σ ζ分别为
权利要求
1.一种浙青混合料三轴试验装置，包括MTS材料试验机和气压控制台，还包括外气囊组件、内气囊组件、上压板和下压板，其特征在于，所述外气囊组件和内气囊组件由所述气压控制台提供可调的气压，所述外气囊组件的外气囊设置在中空圆柱体试件的外侧并且包裹所述中空圆柱体试件的外圆柱表面，所述内气囊组件的内气囊安装在中空圆柱体试件的内孔中并且与所述中空圆柱体试件内孔紧密接触，所述上压板和下压板分别固定在所述中空圆柱体试件的上表面和下表面，所述下压板与所述MTS材料试验机支撑座连接，所述上压板与所述MTS材料试验机的伸缩臂连接。
2.根据权利要求1所述的浙青混合料三轴试验装置，其特征在于，所述外气囊组件包括套筒、气囊压板、外气囊和螺杆，所述套筒表面设有连通所述套筒内外侧的进气口，所述套筒包括上套筒和下套筒，所述上套筒和下套筒密封卡装在一起，所述外气囊橡胶膜为空心圆柱体，所述外气囊橡胶膜形成的空心圆柱体的直径等于或大于中空圆柱体试件的直径，所述外气囊橡胶膜放置在所述套筒内侧并且所述外气囊橡胶膜的两端卡装在所述套筒两端并由所述气囊压板压紧固定，所述套筒上侧和下侧的所述气囊压板之间通过螺杆固定，使得所述气囊压板将所述外气囊橡胶膜紧压在所述套筒的两端，所述外气囊橡胶膜与所述套筒之间形成外气囊，所述套筒上的进气口与所述外气囊连通。
所述内气囊组件包括内气囊气芯、内气囊固定装置和内气囊橡胶膜，所述内气囊气芯一端设有进气口，所述内气囊气芯 中部位置设有出气口，所述内气囊橡胶膜为空心圆柱体，所述内气囊橡胶膜形成的空心圆柱体的直径等于或小于中空圆柱体试件内孔的直径，所述内气囊固定装置包括锁紧螺母和密封套锥，所述内气囊橡胶膜套装在所述内气囊气芯外并且所述内气囊橡胶膜两端通过所述密封套锥固定在所述内气囊气芯的两端，所述锁紧螺母将所述密封套锥紧固在所述内气囊气芯上，使得所述内气囊橡胶膜与所述内气囊气芯之间形成内气囊，所述密封套锥的直径小于所述中空圆柱体试件内孔的直径，使得所述内气囊置于所述中空圆柱体试件内孔中，所述内气囊气芯的出气口与所述内气囊连通。
3.根据权利要求2所述的浙青混合料三轴试验装置，其特征在于，所述气囊压板包括外气囊内端压板和外气囊外端压板，所述外气囊内端压板将所述外气囊橡胶膜紧压在所述套筒内侧，所述外气囊外端压板将所述外气囊橡胶膜紧压在所述套筒外侧，所述外气囊内端压板和外气囊外端压板通过所述的螺杆固定。
4.根据权利要求2所述的浙青混合料三轴试验装置，其特征在于，所述内气囊橡胶膜和外气囊橡胶膜为两端厚、中间薄的结构。
5.根据权利要求2所述的浙青混合料三轴试验装置，其特征在于，所述的气压控制台包括由一个总气阀控制的两条相同的输出线路，两条输出线路分别与所述外气囊组件和所述内气囊组件连通，所述输出线路包括从总气阀到出气口依次连接的增压泵、高压气瓶、高压阀、减压调节阀、精密压力表、压力传感器、排气阀和输出阀，所述高精度压力表显示实际通入所述内气囊组件和外气囊组件的气压，所述压力传感器分别记录所述内气囊组件和外气囊组件的气压，并将压力转换成电信号送到数据记录仪，所述输出阀和排气阀对所述内气囊组件和外气囊组件加压和卸压。
6.根据权利要求1或2所述的浙青混合料三轴试验装置及试验方法，其特征在于，所述下压板与所述MTS材料试验机支撑座之间设有外气囊支撑调节座，所述外气囊支撑调节座包括支撑座和调节板，所述支撑座固定在所述调节板上，所述调节板下方设置在所述MTS材料试验机支撑座上，所述支撑座与下压板连接，所述调节板上设有调节杆，所述外气囊组件通过所述调节杆支撑，所述调节板通过所述调节杆调节外气囊组件与中空圆柱体试件的相对位置。
7.一种浙青混合料三轴试验方法，利用权利要求1至6所述的浙青混合料三轴试验装置，其特征在于，包括如下步骤， (a)制作试件:采用静压法或旋转压实法制作试件，钻芯取样获得中空圆柱体试件； (b)保温:将内气囊组件、外气囊组件、上压板和下压板、外气囊支撑调节座和中空圆柱体试件，控温于15°C环境箱中进行保温，确保浙青混合料试件的保温时间在6小时以上，保温后在温控箱中进彳丁试验； (C)气压控制台操作:打开气源对气压控制台进行充气，充气完成后关闭气源，调节好内气囊和外气囊的气压后，打开输入阀对内气囊及外气囊输入压缩空气； (d)开启气压控制台的数据采集系统及MTS材料试验机，以恒定的速度施加拉伸或压缩荷载，使试件在内气压、外气压及轴向荷载的共同作用下发生破坏，试验结束后，保存试验数据，关闭高压阀，打开卸气阀排尽气囊及气管内的压缩空气，取出试件后本次试验结束。
8.根据权利要求7所述的浙青混合料三轴试验方法，其特征在于，步骤(a)中所述中空圆柱体试件在钻内孔前将定位居中帽套在试件表面保证钻孔位置居中。
9.根据权利要求7所述 的浙青混合料三轴试验方法，其特征在于，步骤(d)中所述的数据采集仪能采集气压数据，所述的加载速率为2mm/min，温度为15°C，试验时间为5分钟，数据采集密度设为10点/S。
全文摘要
一种沥青混合料三轴试验装置，包括外气囊组件、内气囊组件、上压板、下压板、气压控制台，所述外气囊组件的外气囊放置在试件的外侧并且包裹所述试件的外侧面，所述内气囊组件的内气囊安装在试件的内孔中并且与所述试件的内孔表面紧密接触，所述的气压控制台能为所述的内气囊组件和外气囊组件提供稳定的气压。本装置不仅具有易于操控的特点，还能避免传统的立方体三轴试件转角处的隅角效应。一种沥青混合料三轴试验方法，解决了已有的三轴试验装置不适合于沥青混合料的问题，使沥青混合料强度研究领域从一维受力状态扩展到三向受力状态，对研究复杂受力状态下沥青混合料的力学特性、沥青混合料设计和沥青路面损害防治具有重要意义。
文档编号G01N3/12GK103076225SQ201210583729
公开日2013年5月1日 申请日期2012年12月28日 优先权日2012年12月28日
发明者郑健龙, 钱国平, 黄拓 申请人:长沙理工大学