阅读说明：本技术 一种多孔沥青混合料冻胀应力及其释放特征测试装置及方法 (Device and method for testing frost heaving stress and release characteristic of porous asphalt mixture ) 是由 吴胜坤 朱文兵 周俊 臧小双 桂佳佳 周大松 刘野 陈雷 冯浩 于 2019-08-02 设计创作，主要内容包括：本发明是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。通过观察融化时车辙板的应力变化,分析融化时的应力释放特征。通过对比有无车辙情况下的车辙板的冻胀应力和释放特征,判断车辙对冻融耐久性的影响。(The invention relates to a testing device and a method for measuring frost heaving stress and release characteristics of a porous asphalt mixture track plate. The device comprises a rut plate fixing device, a resistance type soil pressure cell and a static strain tester. The use of the device comprises the following steps: and forming a porous asphalt mixture track plate test piece, controlling the pore water saturation of the test piece, simulating the freeze-thaw process of the porous asphalt mixture track plate, outputting strain through a static strain tester and calculating the stress through a formula. By comparing stress changes in different directions, the directional differences of frost heaving stress and release characteristics are analyzed. Stress relief characteristics during melting were analyzed by observing stress changes in the rut plate during melting. And judging the influence of the ruts on the freeze-thaw durability by comparing the frost heaving stress and the release characteristics of the rut plates under the condition of the ruts.)

一种多孔沥青混合料冻胀应力及其释放特征测试装置及方法

技术领域

本发明属于多孔混合料应力测试的领域，具体涉及多孔混合料车辙板冻胀应力变化及释放特征的测试。

背景技术

多孔沥青路面由于具有抗滑、降噪、雨天行驶安全、有效补充地下水资源等 诸多优点，已经成为路面铺装的重要形式。但冻融损伤引起的冻融耐久性不足问 题影响了多孔沥青路面的广泛应用。因此，为了促进多孔沥青路面推广应用，应 深入开展对冻胀和残余应力引起的冻融损伤研究。

多孔沥青混合料内部孔隙结构的特殊性，使其冻融过程与损伤情况都与普通沥青混合料有着明显差别。由于含有较多的连通孔隙，孔隙水饱和度较大时，孔隙水结冰会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对混合料产生冻胀应力，引起冻胀损伤。此外，融化过程中，孔隙壁受到的冻胀压应力会逐渐衰减，但即使冰全部融化为水，混合料内仍会存在残余变形，影响其抗冻融能力。由此可见，可以通过观察应力在冻融过程中的变化来研究冻融损伤的过程。

对于多孔沥青混合料冻融损伤的研究，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。而对于冻胀应力的测试和释放特征的分析，各个国家没有统一的标准和具体的方法。因此，发明一种简单、快捷的多孔混合料冻胀应力和释放特征的测试方法，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

发明目的：本发明的目的是对多孔沥青混合料车辙板的冻胀应力变化进行全面、准确的分析和评价。

本发明所要解决的技术问题是提供结构简单、操作简便的测试装置，克服室外路面冻融时应力测试的不便，为准确测试多孔沥青混合料车辙板的冻胀应力及释放特征提供试验条件。

技术方案：

1.多孔沥青车辙板冻胀应力测试装置

一种测试多孔沥青混合料车辙板冻胀应力的装置，其特征在于：装置包括车辙板固定装置主体、电阻式土压力盒、静态应变测试仪。

所述车辙板固定装置主体由一块L型钢板和两块矩形钢板拼接而成，L型钢板和矩形钢板拼接后通过两个方向8根拉杆固定。

所述矩形钢板的中间位置焊接了两个固定土压力盒的U型槽。

土压力盒选用电阻式土压力盒，连接静态应变测试仪输出应变，通过公式计算应力。

多孔沥青混合料车辙板冻胀应力的测试方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：成型多孔沥青混合料车辙板试件，通过孔隙水饱和度的控制方法得到所需孔隙水饱和度的多孔沥青混合料车辙板试件；

步骤二：将试件放入由三块钢板和下部拉杆组合成的立方体结构中，安装上部拉杆；将土压力盒放入U型槽，调整拉杆使土压力盒受力面紧贴试件，非受力面紧贴钢板，土压力盒连接线接静态应变测试仪；

步骤三：试件和整个装置放入冰箱，调节温度至5°，静置10min～20min；调节温度至-20°，模拟多孔沥青混合料车辙板的冻胀过程，每间隔15min记录一次冻胀应变，通过公式P＝με×K计算冻胀应力；

步骤四：待静态应变测试仪读数稳定，停止冻胀过程；调节温度至15°，模拟多孔混合料车辙板的融化过程。每间隔15min记录一次释放应变量并计算应力。静态应变测试仪读数不再变化时，停止试验。

所述土压力盒安装时，受力面必须严格接触试件表面，非受力面紧贴矩形钢板。

所用计算公式P＝με×K中K为率定系数，为土压力盒的基本系数。

所述冻胀实验，调节温度至-20°前，应先在5°的环境下静置10～15min，以排除初始试验温度的不同可能造成的影响。

孔隙水饱和度控制方法的具体步骤为：

步骤一：成型多孔混合料车辙板试件并测量体积V，用塑料软薄膜和胶带裹覆多孔混合料的底面和侧面，称量多孔沥青混合料车辙板的质量m₀g，将多孔沥青混合料车辙板浸没在水中，并在-97.5kPa真空度下静置15min，恢复常压，试件在水中静置30min后称量完全饱水的多孔沥青混合料车辙板质量m₁g，计算空隙体积含量为(m₁-m₀)cm³；

步骤二：将步骤一所得的多孔沥青混合料车辙板试件烘干至恒重，向多孔沥青混合料车辙板试件注入质量m₂g的水，得到空隙饱和度为的多孔沥青混合料车辙板试件，用塑料软薄膜密封车辙板试件上表面，即获得孔隙饱和度为C的多孔沥青混合料车辙板试件。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：(1)能够准确的测试多孔沥青混合料车辙板的冻胀应力变化和释放特征，且装置结构简单，拆装方便，安全可靠，试验操作简便。(2)通过实测空隙率调节试件中水的含量以达到对不同饱和度试件的测试。(3)通过对车辙试验后的试件进行试验，可比较有无车辙对冻胀应力和其释放特征的影响。

上述内容仅是对本发明技术方案的概述，为了更清楚的了解本发明的技术手段，下面结合附图对本发明作进一步的描述。

附图说明

图1为装置主体示意图；

图2为装置俯视详图；

图3为矩形钢板内侧土压力盒细部图；

图4为装置主视图；

图5为装置左视图。

(1.待测多孔混合料车辙板、2.土压力盒连接线、3.土压力盒、4.高强拉杆、 5.L型钢板、6.矩形钢板、7.U型槽)

图6为40％饱和度车辙板冻胀应力及其释放特征曲线

具体实施方式

下面结合附图对本次所发明的多孔沥青混合料车辙板冻胀应力测试装置及方法进行进一步的详细描述。

按所需空隙率的配合比成型多孔沥青混合料车辙板并测量体积V，用塑料软薄膜和胶带裹覆试件的底面和侧面，称量多孔沥青混合料车辙板的质量m₀g；多孔沥青混合料车辙板浸没在水中后放入真空干燥箱，在真空度-97.5kPa条件下静置15min，然后打开阀门，恢复常压，试件在水中静置30min后称量完全饱水的多孔沥青混合料车辙板质量m₁g，计算空隙体积含量为(m₁-m₀)cm³。

将上述步骤所得的多孔沥青混合料车辙板试件烘干至恒重，向多孔沥青混合料车辙板试件注入质量m₂g的水，得到空隙饱和度为的多孔沥青混合料车辙板试件，用塑料软薄膜密封车辙板试件上表面，获得孔隙水饱和度为C的多孔沥青混合料车辙板试件。

将L型钢板和两块矩形钢板拼接，由下部四根拉杆固定，饱水后的多孔沥青混合料车辙板试件放入装置，安装上部拉杆，即完成如图1所示的车辙板固定装置。土压力盒固定在如图2的U型槽中，并通过调节拉杆使土压力盒受力面紧贴试件表面，非受力面紧贴钢板表面，土压力盒连接线接到静态应变测试仪上，完成装置组装。

试件和整个装置放入冰箱，调节温度至5°，静置10min～20min；温度调节至-20°，模拟多孔沥青混合料车辙板的冻胀过程，每间隔15min记录一次数据，静态应变测试仪读数稳定时停止冻胀过程；调节温度至15°，模拟多孔混合料车辙板的融化过程，每间隔15min记录一次释放应变量并计算应力。静态应变测试仪读数不再变化时，停止试验。

通过静态应变测试仪得到的数据为应变量με，通过公式P＝με×K计算应力。

对几组不同饱和度的多孔沥青车辙板进行实验，同一幅图中绘制出不同饱和度的冻胀应力和释放特征曲线，对比分析不同饱和度下应力在冻胀和释放时的变化。

通过车辙试验仪对试件进行车辙试验，对相同环境下有车辙的车辙板进行冻融试验，比较有无车辙对冻胀应力变化的影响。

实施例

本装置和方法不仅可以应用在多孔沥青混合料，在多孔水泥混合料的冻胀应力及释放特征研究上也能得到应用。

下面通过以多孔水泥混合料车辙板试件为例说明多孔混合料车辙板冻胀应力及释放特征测试方法。实施例中采用的试件为多孔水泥混合料车辙板，其配合比、空隙率见表1。

表1 实施例采用的多孔水泥混合料配合比及空隙率

按表1配合比成型多孔水泥混合料车辙板试件(以下简称试件)，在标准养护条件下养护28天，用游标卡尺测量车辙板试件的长度30cm，宽度30cm，高度5cm，计算车辙板试件的体积为4500cm³。

用塑料软薄膜和胶带裹覆多孔混合料的底面和侧面，称量多孔沥青混合料车辙板的质量7614.4g，多孔沥青混合料车辙板浸没在水中后放入真空干燥箱，在真空度-97.5kPa条件下静置15min，然后打开阀门，恢复常压，静置30min后称量其完全饱水质量8694.4g，质量差为1080g，车辙板空隙体积即为1080cm³。

将车辙板试件烘干，所需饱和度为40％，故从上表面向其中加入 1080×40％＝432g水，用塑料软薄膜和胶带将上表面密封，即得到孔隙水饱和度为40％的多孔水泥混合料车辙板试件。

将试件固定在如图1的车辙板的固定装置中，安装时留出一定空隙放置土压力盒，将土压力盒放入预设的U型槽中，调节上下的拉杆使土压力盒受力面紧贴试件，非受力面紧贴钢板。随后将土压力盒连接线接应变测试仪，调节拉杆使静态应变测试仪读数稳定。

试件和装置放入冰箱，调节温度至5°，静置15min；调节温度至-20°，开始冻胀过程，每隔15min记录一次数据，当静态应变测试仪稳定时，结束冻胀过程；调节温度至15°，开始记录车辙板试件融化时的应变，每隔15min记录一次数据，静态应变测试仪读数稳定时停止试验。

将实验数据统计在表格中并绘制曲线如图6，通过公式P＝με×K将应变转化为应力，计算得最大应力为73.5kPa。

表2 40％饱和度下的车辙板冻融应力变化表(间隔15min)

以下所述仅是本发明较佳的实例，并未对本发明的技术范围的限制。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。