本實(shí)用新型涉及道路工程領(lǐng)域路用材料模量室內(nèi)測(cè)試技術(shù)方法，尤其涉及半剛性基層材料和瀝青混合料梁的拉伸、壓縮、彎拉回彈模量測(cè)試裝置。

背景技術(shù)：

現(xiàn)階段我國瀝青路面設(shè)計(jì)方法采用結(jié)構(gòu)層材料各向同性假設(shè)的彈性層狀體系理論，在路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)簡單采用無側(cè)限抗壓回彈模量作為設(shè)計(jì)參數(shù)。然而經(jīng)大量試驗(yàn)證明，路用半剛性基層材料和瀝青混合料均表現(xiàn)出拉、壓模量不等的各向異性性質(zhì)，且一般抗壓模量遠(yuǎn)大于抗拉模量。在路面結(jié)構(gòu)層的實(shí)際受力中，一般同時(shí)存在拉應(yīng)力區(qū)與壓應(yīng)力區(qū)，尤其是采用水泥穩(wěn)定碎石材料的半剛性基層，一般處于上部受壓、下部受拉的應(yīng)力狀態(tài)。因此在進(jìn)行路面力學(xué)計(jì)算時(shí)簡單地采用較大的抗壓回彈模量作為材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，將導(dǎo)致高估路面材料的力學(xué)性能，從而使得設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果存在較大誤差，偏于不安全，嚴(yán)重影響實(shí)際路面的使用性能與使用壽命。

現(xiàn)行路面材料試驗(yàn)規(guī)程中材料模量的測(cè)試方法，主要有抗壓回彈模量測(cè)試，劈裂回彈模量測(cè)試，彎拉回彈模量測(cè)試?？箟夯貜椖Ａ繙y(cè)試主要分為頂面法或承載板法，兩者均是在無側(cè)限單向受壓狀態(tài)下進(jìn)行試驗(yàn)；劈裂回彈模量是一種間接拉伸試驗(yàn)，其應(yīng)力狀態(tài)與路面結(jié)構(gòu)層真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)較為接近；而彎拉回彈模量試驗(yàn)，雖然考慮到了路面結(jié)構(gòu)層材料實(shí)際處于上部受壓、下部受拉的應(yīng)力狀態(tài)，但模量計(jì)算的理論是基于混合料拉、壓模量相同的假設(shè)，且沒有考慮剪切作用對(duì)撓度的影響，導(dǎo)致計(jì)算出的彎拉模量誤差較大，不能準(zhǔn)確地反應(yīng)材料的真實(shí)力學(xué)性能。另外，三種模量只能通過分別制作不同形狀與尺寸的試件并分別進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)試而得到，造成材料、人力等資源的浪費(fèi)及測(cè)試結(jié)果存在較大的誤差，進(jìn)而導(dǎo)致模量測(cè)試結(jié)果不能客觀真實(shí)反映材料或結(jié)構(gòu)的抗變形能力。

基于此，本實(shí)用新型在現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的彎拉模量計(jì)算理論和試驗(yàn)方法基礎(chǔ)上，開發(fā)了一種同步測(cè)試路面材料拉伸模量、壓縮模量、彎拉模量的試驗(yàn)系統(tǒng)，為建立考慮材料拉、壓模量不同的本構(gòu)關(guān)系，進(jìn)而開展精準(zhǔn)化的路面力學(xué)分析提供了參數(shù)依據(jù)，對(duì)節(jié)約路面材料室內(nèi)試驗(yàn)成本，提高路面材料模量測(cè)試的準(zhǔn)確性及試驗(yàn)效率，進(jìn)而提高瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的精度具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型旨在提供一種可在路面材料真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)下同時(shí)測(cè)量材料靜態(tài)或動(dòng)態(tài)拉伸模量、壓縮模量、彎拉模量的測(cè)試裝置，以期獲得路面材料真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)下的拉伸模量、壓縮模量、彎拉模量，從而更好地指導(dǎo)工程實(shí)踐，提高我國路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的精度。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案：

路面材料拉伸、壓縮、彎拉回彈模量同步測(cè)試裝置，包括試件，其特征在于，包括：

MTS多功能材料測(cè)試系統(tǒng)：用于對(duì)試件進(jìn)行四點(diǎn)彎曲加載；

可移動(dòng)支座：用于加載時(shí)放置所述試件的兩端；

應(yīng)變采集系統(tǒng)：包括至少四個(gè)應(yīng)變片，其中兩個(gè)應(yīng)變片用于貼于試件上表面中點(diǎn)并采集試件上表面的壓應(yīng)變，另兩個(gè)應(yīng)變片用于貼于試件下表面中點(diǎn)并采集試件下表面的拉應(yīng)變；

位移傳感器：架設(shè)于試件中部，用于測(cè)試跨中撓度；

應(yīng)變采集儀：電氣連接于所有的應(yīng)變片；

處理終端：電氣連接于所述位移傳感器和應(yīng)變采集儀。

利用上述裝置的路面材料拉伸、壓縮、彎拉靜態(tài)回彈模量同步測(cè)試方法包括如下步驟：

S1制成試件后，將試件放入MTS多功能材料測(cè)試系統(tǒng)上，并將試件的兩端分別置于一可移動(dòng)支座上；

S2利用MTS多功能材料測(cè)試系統(tǒng)施加集中載荷P，則作用于試件上表面三分點(diǎn)處加載頭上的對(duì)稱集中載荷為P/2，則試件處于四點(diǎn)彎曲狀態(tài)，而試件中部處于純彎曲狀態(tài)；

S3在試件中點(diǎn)的上下表面分別貼上應(yīng)變片，通過應(yīng)變采集儀采集試件上表面的壓應(yīng)變和下表面的拉應(yīng)變；同時(shí)在試件中點(diǎn)架設(shè)位移傳感器，測(cè)量試件的跨中撓度；

S4處理終端根據(jù)位移傳感器測(cè)得的跨中撓度及應(yīng)變片測(cè)得的試件中點(diǎn)的上、下表面應(yīng)變數(shù)據(jù)，按照下式計(jì)算出試件的試件拉伸模量E_t、壓縮模量E_c以及彎拉模量E_f；

其中，P為步驟S2施加的集中荷載，L、b、h分別為試件的長、寬、高；ε_t為步驟S3應(yīng)變片測(cè)得的試件下表面的拉應(yīng)變；ε_c為步驟S3中應(yīng)變片測(cè)得的試件上表面的壓應(yīng)變；δ′為步驟S3中位移傳感器測(cè)得的跨中撓度，μ表示泊松比。

需要說明的是，步驟S1中，將試件安放在MTS多功能材料測(cè)試系統(tǒng)上時(shí)保證荷載方向與試件成型時(shí)的壓力方向一致，且試件兩端分別放在可移動(dòng)支座上進(jìn)行簡支支撐；在試件的承受荷載處和可移動(dòng)支座上端均涂以適量的凡士林。

需要說明的是，步驟S3的具體包括：

3.1)由MTS多功能材料測(cè)試系統(tǒng)通過位移控制方式先以擬施加的最大載荷的一半進(jìn)行兩次加載卸載預(yù)壓試驗(yàn)，使MTS多功能材料測(cè)試系統(tǒng)的加載頂板與試件表面緊密接觸；

3.2)分別進(jìn)行不同加載頻率下的200次加載、卸載循環(huán)，其中荷載最大值P_max取30％的試件破壞強(qiáng)度，荷載最小值P_min取10％的荷載最大值P_max，即荷載循環(huán)特征值P₀＝P_min/P_max＝0.1；

3.3)加載、卸載循環(huán)過程全程通過應(yīng)變采集儀記錄試件跨中上表面的壓應(yīng)變和下表面的拉應(yīng)變的變化，同時(shí)通過位移傳感器記錄試驗(yàn)試件跨中撓度變化。

一種利用上述裝置的路面材料拉伸、壓縮、彎拉動(dòng)態(tài)回彈模量同步測(cè)試方法，包括如下步驟：

S1制成試件后，將試件放入MTS多功能材料測(cè)試系統(tǒng)上，并將試件的兩端分別置于一可移動(dòng)支座上；

S2利用MTS多功能材料測(cè)試系統(tǒng)動(dòng)態(tài)施加集中載荷P，施加的荷載波形為半正矢波，則作用于試件上表面三分點(diǎn)處加載頭上的對(duì)稱集中載荷為P/2，則試件處于四點(diǎn)彎曲狀態(tài)，而試件中部處于純彎曲狀態(tài)；

S3在試件中點(diǎn)的上下表面分別貼上應(yīng)變片，通過應(yīng)變采集儀采集試件上表面的壓應(yīng)變和下表面的拉應(yīng)變；同時(shí)在試件中點(diǎn)架設(shè)位移傳感器，測(cè)量試件的跨中撓度；

S4處理終端根據(jù)位移傳感器測(cè)得的跨中撓度及應(yīng)變片測(cè)得的試件中點(diǎn)的上、下表面應(yīng)變數(shù)據(jù)，按照下式計(jì)算出試件的試件拉伸模量E_t、壓縮模量E_c以及彎拉模量E_f；

其中，P為步驟S2施加的集中荷載，L、b、h分別為試件的長、寬、高；ε_t為步驟S3應(yīng)變片測(cè)得的試件下表面的拉應(yīng)變；ε_c為步驟S3中應(yīng)變片測(cè)得的試件上表面的壓應(yīng)變；δ′為步驟S3中位移傳感器測(cè)得的跨中撓度，μ表示泊松比。

需要說明的是，步驟S1中，將試件安放在MTS多功能材料測(cè)試系統(tǒng)上時(shí)保證荷載方向與試件成型時(shí)的壓力方向一致，且試件兩端分別放在可移動(dòng)支座上進(jìn)行簡支支撐；在試件的承受荷載處和可移動(dòng)支座上端均涂以適量的凡士林。

需要說明的是，步驟S3的具體包括：

3.1)由MTS多功能材料測(cè)試系統(tǒng)通過位移控制方式先以擬施加的最大載荷的一半進(jìn)行兩次加載卸載預(yù)壓試驗(yàn)，使MTS多功能材料測(cè)試系統(tǒng)的加載頂板與試件表面緊密接觸；

3.2)分別進(jìn)行不同加載頻率下的200次加載、卸載循環(huán)，其中荷載最大值P_max取30％的試件破壞強(qiáng)度，荷載最小值P_min取10％的荷載最大值P_max，即荷載循環(huán)特征值P₀＝P_min/P_max＝0.1；

3.3)加載、卸載循環(huán)過程全程通過應(yīng)變采集儀記錄試件跨中上表面的壓應(yīng)變和下表面的拉應(yīng)變的變化，同時(shí)通過位移傳感器記錄試驗(yàn)試件跨中撓度變化；

3.4)取加載、卸載循環(huán)過程全程的最后1秒內(nèi)連續(xù)10個(gè)荷載波形的最大荷載和最小荷載，以及相應(yīng)的最大變形和最小變形，將10個(gè)荷載差值和變形差值取均值，進(jìn)行步驟S4的計(jì)算。

本實(shí)用新型的有益效果在于：

通過本實(shí)用新型裝置和方法，可以一次性測(cè)得處于路面真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)下的半剛性基層材料或?yàn)r青混合料試件的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的彎拉模量、拉伸模量及壓縮模量。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例中的測(cè)試系統(tǒng)立面圖；

圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例中的梁試件尺寸示意圖。

圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例中的貼應(yīng)變片梁試件的立面圖。

圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例中的貼應(yīng)變片梁試件的俯視圖。

圖5為本實(shí)用新型模量計(jì)算公式推導(dǎo)的受力簡化圖。

具體實(shí)施方式

以下將結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的描述，需要說明的是，本實(shí)施例以本技術(shù)方案為前提，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本實(shí)用新型的保護(hù)范圍并不限于本實(shí)施例。

如圖1所示，一種路面材料拉伸、壓縮、彎拉回彈模量同步測(cè)試裝置，包括試件1，另外還包括：

MTS多功能材料測(cè)試系統(tǒng)3：用于對(duì)試件1進(jìn)行四點(diǎn)彎曲加載；

可移動(dòng)支座7：用于加載時(shí)放置所述試件的兩端；

應(yīng)變采集系統(tǒng)：包括至少四個(gè)應(yīng)變片2，其中兩個(gè)應(yīng)變片用于貼于試件1上表面中點(diǎn)并采集試件上表面的壓應(yīng)變，另兩個(gè)應(yīng)變片用于貼于試件1下表面中點(diǎn)并采集試件下表面的拉應(yīng)變；

位移傳感器8：架設(shè)于試件1中部，用于測(cè)試試件的跨中撓度；

應(yīng)變采集儀5：電氣連接于所有的應(yīng)變片；

處理終端6：電氣連接于所述位移傳感器8和應(yīng)變采集儀5。

利用上述裝置進(jìn)行路面材料拉伸、壓縮、彎拉靜態(tài)回彈模量同步測(cè)試方法包括如下步驟：

S1制成試件后，將試件放入MTS多功能材料測(cè)試系統(tǒng)上，并將試件的兩端分別置于一可移動(dòng)支座上；

S2利用MTS多功能材料測(cè)試系統(tǒng)3施加集中載荷P，則作用于試件上表面三分點(diǎn)處加載頭上的對(duì)稱集中載荷為P/2，試件形成四點(diǎn)彎曲結(jié)構(gòu)，使試件中部處于純彎曲狀態(tài)；

S3在試件中點(diǎn)的上下表面的中點(diǎn)分別貼上應(yīng)變片，通過應(yīng)變采集儀采集試件上表面的壓應(yīng)變和下表面的拉應(yīng)變；同時(shí)在試件中點(diǎn)架設(shè)位移傳感器，測(cè)量試件的跨中撓度；

S4處理終端根據(jù)位移傳感器測(cè)得的跨中撓度及應(yīng)變片測(cè)得的試件中點(diǎn)的上、下表面應(yīng)變數(shù)據(jù)，按照下式計(jì)算出試件的試件拉伸模量E_t、壓縮模量E_c以及彎拉模量E_f；

其中，P為施加的集中荷載，L、b、h分別為試件的長、寬、高；ε_t為步驟S3應(yīng)變片測(cè)得的試件下表面的拉應(yīng)變；ε_c為步驟S3中應(yīng)變片測(cè)得的試件上表面的壓應(yīng)變；δ′為步驟S3中位移傳感器測(cè)得的跨中撓度，μ表示泊松比。

需要說明的是，步驟S1中，將試件安放在MTS多功能材料測(cè)試系統(tǒng)上時(shí)保證荷載方向與試件成型時(shí)的壓力方向一致，且試件兩端分別放在可移動(dòng)支座上進(jìn)行簡支支撐；在試件的承受荷載處和可移動(dòng)支座上端均涂以適量的凡士林。

需要說明的是，步驟S3的具體包括：

3.1)由MTS多功能材料測(cè)試系統(tǒng)通過位移控制方式先以擬施加的最大載荷的一半進(jìn)行兩次加載卸載預(yù)壓試驗(yàn)，使MTS多功能材料測(cè)試系統(tǒng)的加載頂板與試件表面緊密接觸；

3.2)分別進(jìn)行不同加載頻率下的200次加載、卸載循環(huán)，其中荷載最大值P_max取30％的試件破壞強(qiáng)度，荷載最小值P_min取10％的荷載最大值P_max，即荷載循環(huán)特征值P₀＝P_min/P_max＝0.1；

3.3)加載、卸載循環(huán)過程全程通過應(yīng)變采集儀記錄試件跨中上表面的壓應(yīng)變和下表面的拉應(yīng)變的變化，同時(shí)通過位移傳感器記錄試驗(yàn)試件跨中撓度變化。

另外，還可以利用上述裝置進(jìn)行路面材料拉伸、壓縮、彎拉動(dòng)態(tài)回彈模量同步測(cè)試，方法與上述路面材料拉伸、壓縮、彎拉靜態(tài)回彈模量同步測(cè)試方法基本相同，主要區(qū)別在于步驟S2中，利用MTS多功能材料測(cè)試系統(tǒng)3施加動(dòng)態(tài)集中載荷P，則作用于試件上表面三分點(diǎn)處加載頭上的對(duì)稱集中動(dòng)態(tài)載荷為P/2，形成四點(diǎn)彎曲結(jié)構(gòu)，使試件中部處于純彎曲狀態(tài)時(shí)，采用動(dòng)態(tài)加載的方式。以及步驟S3中，在通過應(yīng)變采集儀記錄試件跨中上表面的壓應(yīng)變和下表面的拉應(yīng)變的變化，同時(shí)通過位移傳感器記錄試驗(yàn)試件跨中撓度變化之后，取加載、卸載循環(huán)過程全程的最后1秒內(nèi)連續(xù)10個(gè)荷載波形的最大荷載和最小荷載，以及相應(yīng)的最大變形和最小變形，將10個(gè)荷載差值和變形差值取均值，進(jìn)行步驟S4的計(jì)算。

以下對(duì)試件彎拉模量E_f、壓縮模量E_c以及拉伸模量E_t的計(jì)算式的推導(dǎo)過程作進(jìn)一步地說明。計(jì)算示意圖如圖5所示。

在基于試件的拉、壓模量相同情況下，可求得彎拉模量。由材料力學(xué)可知：試件跨中橫截面慣性矩I_z，彎矩M和正應(yīng)力σ及橫截面底部最大拉應(yīng)變?chǔ)?sub>max分別為：

式(3)中y為試件橫截面高度方向上計(jì)算點(diǎn)至試件中性面的距離。式(4)中δ為跨中撓度。聯(lián)立式(1)、(2)、(3)及(4)可得不考慮剪切效應(yīng)影響的彎拉模量E為：

由于位移傳感器測(cè)得的跨中撓度δ受到試件兩端剪切段剪切變形的影響，故計(jì)算彎拉模量E_f時(shí)應(yīng)代入真實(shí)的彎曲撓度δ，即：

δ＝δ′-Δδ(6)

其中Δδ為試件兩端剪切段剪切變形對(duì)擾度的影響量，由材料力學(xué)：

而由剪切變形γ定義可得：

式(8)中為Q剪應(yīng)力，G為剪切模量。由(7)(8)可得Δδ：

聯(lián)立式(5)(6)(9)，得試件彎拉模量E_f最終表達(dá)式為：

基于試件拉、壓模量不同情況下，則可得材料的拉伸模量和壓縮模量。設(shè)純彎曲段試件橫截面的壓縮區(qū)高度為h₁，拉伸區(qū)高度為h₂，則

h₁+h₂＝h (11)

且假定材料的模量為雙線性，即在壓縮區(qū)和拉伸區(qū)材料為線彈性，則橫截面壓應(yīng)力σ_c(y)及拉應(yīng)力σ_t(y)滿足：

由截面力平衡方程及彎矩平衡方程：

可求得，橫截面上壓應(yīng)力σ_c(y)及拉應(yīng)力σ_t(y)分別為：

然后由應(yīng)變片測(cè)得的梁跨中橫截面頂部壓應(yīng)變?chǔ)?sub>c與底部拉應(yīng)變?chǔ)?sub>t，且由應(yīng)變的連續(xù)性可得：

則由式(11)和(18)可得：

最后由式(2)、(16)、(17)、(19)及(20)則可得到半剛性基層材料或?yàn)r青混合料試件的拉伸、壓縮彈性模量E_t、E_c分別為：

實(shí)施例一

現(xiàn)以水泥穩(wěn)定碎石混合料中梁試件為例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說明。

1)嚴(yán)格按照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》T0844-2009方法制備尺寸為100mm×100mm×400mm的中梁試件1，如圖2所示。按照T0845-2009標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生方法進(jìn)行養(yǎng)生90天。

2)將試件貼應(yīng)變片2處及簡支處用水泥砂漿進(jìn)行封面補(bǔ)縫，用強(qiáng)力膠將應(yīng)變片2粘上梁試件1跨中的上、下表面，注意導(dǎo)線的粘貼，間隔距離盡量大些，以免測(cè)試時(shí)試件變形導(dǎo)致電路短路，然后將導(dǎo)線與電線4電焊連接，如圖3和圖4所示。

4)將試件安放在MTS材料試驗(yàn)機(jī)上，保證荷載方向與試件成型時(shí)的壓力方向一致，兩端放在可移動(dòng)支座7上進(jìn)行簡支支撐，利用MTS多功能材料測(cè)試系統(tǒng)3施加集中載荷P，則作用于試件上表面三分點(diǎn)處加載頭上的對(duì)稱集中載荷為P/2，形成四點(diǎn)彎曲結(jié)構(gòu)，使梁試件1跨中處于純彎曲應(yīng)力狀態(tài)；在梁試件1的承受荷載處和可移動(dòng)支座7上端均涂以適量的凡士林，以減小加載頂板與移動(dòng)支座7對(duì)梁試件1造成的橫向剪切作用，從而最大限度降低試驗(yàn)誤差。

5)在梁試件跨中架設(shè)位移傳感器8，以用來測(cè)得梁試件1的跨中撓度變化；由MTS多功能材料測(cè)試系統(tǒng)3通過位移控制方式先擬施加的最大載荷的一半進(jìn)行兩次加載卸載預(yù)壓試驗(yàn)，使加載頂板與試件表面緊密接觸。然后分別進(jìn)行不同加載頻率下的200次加載、卸載循環(huán)，其中荷載最大值P_max取30％試件破壞強(qiáng)度，荷載最小值P_min取10％荷載最大值P_max，即荷載循環(huán)特征值P＝P_min/P_max＝0.1；加載、卸載循環(huán)過程全程通過應(yīng)變采集儀5記錄梁試件跨中上、下表面的應(yīng)變變化，同時(shí)通過位移傳感器8記錄梁試件跨中撓度變化；計(jì)算時(shí)取最后1秒內(nèi)連續(xù)10個(gè)荷載波形的最大荷載和最小荷載，以及相應(yīng)的最大變形和最小變形，將10個(gè)荷載差值和變形差值取均值后帶入公式(10)、(21)、(22)，分別用于計(jì)算三種動(dòng)態(tài)模量。

經(jīng)過上述步驟，可以一次性測(cè)得處于路面真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)下的水泥穩(wěn)定碎石中梁的動(dòng)態(tài)拉伸、壓縮、彎拉模量。本實(shí)施例中，以10Hz加載頻率為例，測(cè)得的數(shù)據(jù)如下：

L＝300mm，b＝100mm，h＝100mm，μ＝0.25，δ′＝0.0163mm，P＝0.557KN，ε_c＝7.04(微應(yīng)變10^-6)，ε_t＝9.77(微應(yīng)變10^-6)。

代入式(10)、(21)及(22)可得到試件動(dòng)態(tài)彎拉模量E_f及、壓縮模量E_c拉伸模量E_t分別為：

對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，可以根據(jù)以上的技術(shù)方案和構(gòu)思，作出各種相應(yīng)的改變和變形，而所有的這些改變和變形都應(yīng)該包括在本實(shí)用新型權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。