沥青及沥青混合料旋转剪切试验装置与试验方法研究

论文摘要

沥青混合料高温稳定性及抗剪强度不足是沥青路面存在的拥包、车辙等破损现象的根本原因。多年来,国内外针对沥青及沥青混合料抗剪性能试验设备与试验方法进行了广泛研究。目前,动态剪切流变试验（DSR）、Superpave剪切试验（SST）是用于测定沥青及沥青混合料动态特性并用于高温稳定性能评价的典型方法,但由于DSR功能单一、SST价格昂贵等原因而缺乏普及实用性。论文基于微型电机、变频器、扭矩传感器、位移传感器及温度传感器等硬件和自行开发的计算机自动控制系统软件,设计并组装了具有良好经济实用性、采用旋转加载方式、适用于沥青及沥青混合料、具有静态及动态剪切性能测定的系列试验装置,可进行静态破坏性能试验、动态黏弹性特性试验、振荡（疲劳）破坏性能试验、蠕变及重复蠕变回复性能试验、应力松弛及循环加载试验。计算机自动控制系统软件可完成试验进程自动控制,具有应变控制方式的正弦、余弦、三角形等动态函数加载功能,可完成试验数据自动处理和图表自动绘制。为检验试验装置的运行稳定性和试验方法的可行性,论文基于25组共470余个试件进行了沥青旋转剪切破坏性能试验研究,基于17组共150余个试件进行了振荡破坏性能试验,并考虑剪切加载速率（0.1～2.0rad/s）、试验温度（-6～40℃）、沥青类型（普通AH90、橡胶沥青及SBS改性沥青）、沥青厚度（0.5～3.5mm）、试件直径（30mm、21mm）等因素的影响。在室温20℃条件下,基于93个方形截面、AC13沥青混合料进行了沥青混合料旋转剪切破坏性能试验,重点考虑旋转剪切加载速率因素的影响。在室温20℃条件下进行了不同应力水平的沥青旋转剪切蠕变性能试验和应力松弛性能试验,并重点针对3种沥青类型、4种应力水平进行了重复蠕变回复试验,研究沥青试件的黏弹塑性变形及变形回复性能。试验检验结果表明：（1）旋转剪切破坏性能试验、振荡破坏性能试验、蠕变及重复蠕变性能试验的试验装置运行稳定、试验方法切实可行,与DSR相比具有较好的经济性和宽广的适用范围；（2）应力松弛试验装置在“持荷”阶段不能完全限制旋转轴的同向旋转位移,试验结果的准确性受到一定影响,但对于应力松弛循环加载试验,当持荷时间极短时可忽略该影响。基于论文试验装置的试验研究结果,可得出以下结论：（1）沥青试件的旋转剪切破坏存在沥青屈服、沥青脆性、纯黏结界面破坏、黏结界面破坏同时沥青脆裂等类型；加载速率、试验温度、沥青类型等对沥青试件的破坏形态、破坏剪应力、剪切变形模量、破坏加载时间等有明显影响；（2）振荡破坏过程中,复数剪切模量呈明显曲线下降趋势,但相位角的变化不明显；加载函数周期对复数剪切模量和相位角有一定影响；试验温度对复数剪切模量影响很明显,对相位角也有较大影响；沥青厚度及试件直径对复数剪切模量和相位角的影响不明显；（3）沥青类型、应力水平对沥青变形回复性能有较大影响；（4）加载速率对沥青混合料的剪切破坏加载时间、破坏应力、破坏应变有很大影响,对变形模量有明显影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• CONTENTS
• 图表目录
• 主要符号表
• 1 绪论
• 1.1 问题提出与研究意义
• 1.1.1 研究背景及问题提出
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 国内外相关研究进展
• 1.2.1 动态剪切流变试验（DSR）
• 1.2.2 动态中空圆柱试验（DHCT）
• 1.2.3 Superpave剪切试验（SST）
• 1.2.4 旋转压实及剪切性能试验（GTM方法）
• 1.2.5 三轴压缩抗剪强度试验方法
• 1.2.6 单轴压缩试验与单轴蠕变试验
• 1.2.7 直剪试验
• 1.2.8 斜剪及斜面试验方法
• 1.2.9 单轴贯入抗剪试验方法
• 1.2.10 同轴剪切试验方法
• 1.2.11 抗剪性能试验方法综合研究
• 1.2.12 旋转剪切试验方法
• 1.3 本文主要研究思路与内容
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 研究思路
• 2 材料强度理论及路面结构应力状态分析
• 2.1 材料强度理论
• 2.1.1 古典强度理论
• 2.1.2 莫尔-库仑强度理论
• 2.2 疲劳破坏基本理论
• 2.3 沥青混合料结构组成理论
• 2.3.1 沥青混合料传统结构组成理论
• 2.3.2 沥青混合料的多级空间网状结构理论
• 2.3.3 沥青混合料黏弹性力学理论
• 2.4 沥青路面结构应力分析
• 2.4.1 切向荷载及最大切向荷载系数
• 2.4.2 切向与垂直荷载组合作用的沥青路面结构计算模型
• 2.4.3 面层厚度及切向荷载变化情况下沥青路面应力变化规律
• 2.4.4 基层模量及切向荷载变化情况下沥青路面应力变化规律
• 2.5 圆轴扭转的变形及应力计算
• 2.5.1 圆轴扭转的变形与受力特点
• 2.5.2 圆轴扭转应力计算
• 2.5.3 圆轴扭转的强度与刚度
• 2.5.4 薄壁扭转应力
• 2.6 矩形截面杆件扭转变形与应力计算
• 2.7 本章小结
• 3 沥青及沥青混合料旋转剪切试验装置设计与试验方法
• 3.1 数字扭转试验机
• 3.2 沥青及沥青混合料旋转剪切试验装置
• 3.2.1 基本功能及特点
• 3.2.2 旋转剪切破坏性能试验装置
• 3.2.3 旋转剪切振荡破坏性能试验装置
• 3.2.4 旋转剪切蠕变及重复蠕变回复试验装置
• 3.2.5 旋转剪切应力松弛及循环加载试验装置
• 3.3 沥青及沥青混合料旋转剪切试验方法
• 3.3.1 旋转剪切破坏性能试验方法
• 3.3.2 旋转剪切振荡破坏性能试验方法
• 3.3.3 旋转剪切蠕变及重复蠕变回复性能试验方法
• 3.3.4 旋转剪切应力松弛及循环加载试验方法
• 3.4 计算机控制系统软件
• 3.4.1 功能概述
• 3.4.2 接口连接及信息处理模块
• 3.4.3 基本试验参数设置模块
• 3.4.4 加载设施计算机控制面板
• 3.4.5 试验模式控制模块
• 3.5 试件及试验环境温度控制
• 3.6 旋转剪切加载速率控制
• 3.7 试验数据处理方法
• 3.8 试验仪器精度要求
• 3.9 本章研究结论
• 4 沥青旋转剪切破坏性能试验研究
• 4.1 沥青旋转剪切破坏性能试验概况
• 4.1.1 试验设备及试验方法
• 4.1.2 试验试件及试验参数
• 4.2 沥青旋转剪切破坏性能的评价指标
• 4.2.1 旋转剪切破坏形态
• 4.2.2 旋转剪切最大剪应力及最大剪应变
• 4.2.3 旋转剪切变形模量
• 4.3 沥青旋转剪切破坏性能的影响因素试验研究
• 4.3.1 加载速率对沥青旋转剪切破坏性能的影响
• 4.3.2 试验温度对沥青旋转剪切破坏性能的影响
• 4.3.3 沥青类型对沥青旋转剪切破坏性能的影响
• 4.3.4 试件直径对沥青旋转剪切破坏性能的影响
• 4.3.5 沥青厚度对沥青旋转剪切破坏性能的影响
• 4.4 沥青试件旋转剪切破坏曲线影响因素
• 4.5 本章研究结论
• 5 沥青旋转剪切振荡破坏性能试验研究
• 5.1 沥青旋转剪切振荡破坏性能试验方法
• 5.1.1 试验设备及试验方法
• 5.1.2 振荡函数及振荡周期、振荡振幅
• 5.1.3 振荡试验参数
• 5.1.4 振荡试验结果数据处理及分析方法
• 5.2 沥青旋转剪切振荡破坏性能影响因素试验研究
• 5.2.1 振幅及周期对沥青旋转剪切振荡破坏性能的影响
• 5.2.2 试验温度对沥青旋转剪切振荡破坏性能的影响
• 5.2.3 试件直径对沥青旋转剪切振荡破坏性能的影响
• 5.2.4 沥青厚度对沥青旋转剪切振荡破坏性能的影响
• 5.3 振荡试验存在的问题分析
• 5.3.1 夹具对试验结果的影响
• 5.3.2 累积塑性变形的影响
• 5.3.3 相位角的计算方法
• 5.3.4 复数模量的计算方法
• 5.3.5 微型电机启动力矩与稳定性
• 5.4 本章研究结论
• 6 沥青旋转剪切蠕变及应力松弛性能试验研究
• 6.1 沥青材料的剪切蠕变性能与松弛性能
• 6.2 沥青旋转剪切蠕性能变试验
• 6.2.1 蠕变试验设备及试验方法
• 6.2.2 蠕变试验数据处理
• 6.3 沥青旋转剪切应力松弛性能试验
• 6.3.1 应力松弛试验设备及试验方法
• 6.3.2 应力松弛试验装置存在的问题
• 6.4 沥青旋转剪切重复蠕变回复性能试验
• 6.4.1 重复蠕变回复性能试验方法
• 6.4.2 重复蠕变回复性能试验研究
• 6.5 本章研究结论
• 7 沥青混合料旋转剪切破坏性能试验研究
• 7.1 沥青混合料旋转剪切破坏试验
• 7.1.1 沥青混合料旋转剪切破坏试验设备
• 7.1.2 沥青混合料旋转剪切破坏试验试件成型方法
• 7.1.3 沥青混合料旋转剪切破坏试验数据处理
• 7.2 加载速率对沥青混合料旋转剪切破坏性能的影响
• 7.2.1 加载速率对沥青混合料剪切破坏扭矩及破坏剪应力的影响
• 7.2.2 加载速率对沥青混合料剪切破坏角位移及剪切应变的影响
• 7.2.3 加载速率对沥青混合料旋转剪切模量的影响
• 7.2.4 加载速率对沥青混合料旋转剪切破坏加载时间的影响
• 7.3 本章研究结论
• 8 结论与展望
• 8.1 结论与创新点
• 8.2 创新点摘要
• 8.3 展望
• 参考文献
• 附录A 变频器工作频率与电机输出旋转速率统计表
• 附录B 沥青试件旋转剪切破坏曲线及破坏形态
• 附录C 沥青试件旋转剪切破坏性能影响因素汇总图
• 附录D 旋转剪切振荡试验理论周期时间与实际周期时间统计表
• 附录E 振荡试验角位移振幅与最大角速度及周期的关系统计表
• 附录F 沥青试件旋转剪切振荡试验时间-力矩图、应力-应变图
• 攻读博士学位期间科研项目及科研成果
• 致谢
• 作者简介