沥青混合料低温冻断试验装置的研究.docx

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沥青混合料低温冻断试验装置的研究

沥青混合料低温冻断试验装置的研究

张磊程小亮韩超欧阳剑

交通科学与工程学院

指导教师：

谭忆秋薛忠军

一、课题研究目的

沥青路面低温开裂现象在寒冷地区普遍存在，裂缝的存在严重影响了路面的使用性能。

基于低温断裂机理的混合料低温冻断试验能很好地评价沥青混合料的低温抗裂性能。

然而，由于目前各国研制的试验设备均存在一定的局限性或缺陷，低温冻断试验一直未能被广泛采用。

低温冻断试验的核心思想是模拟路面实际降温过程中混合料的受力状况。

本研究拟开发一套沥青混合料冻断试验装置，在一个能模拟沥青路面温度变化的环境箱内，固定矩形棱柱体试件两端，在保持其固定端的间距不变的条件下降低试件的环境温度，直至试件断裂，测出试件的温度-应力曲线，由断裂温度、断裂强度、温度-应力曲线斜率等指标评价沥青混合料的低温性能。

因此，如何提高试验精度，保证试验结果准确性和复现性是设备开发的关键和难点。

本项目将侧重于有效减小降温过程中因夹具、支架等自身变形引起的系统误差，准确量测试件的试验温度，拟通过位移补偿、采用特殊材料和多传感器测量试件表面温度等方面的创新，突破该技术瓶颈。

冻断设备的研发使科学评价混合料低温性能，合理预测路面低温开裂温度成为可能，具有重要的科研和工程应用价值。

二、课题背景

（1）国内外研究现状

沥青路面使用期开裂是世界各国普遍存在的问题，沥青路面在温度骤降或温差较大地区，会由于温度应力的作用而产生裂缝，低温缩裂在中国北方地区是十分普遍的，它的产生严重危害道路的使用寿命和质量，是沥青路面的主要破坏形式之一[1-3]。

其危害在于：

一方面降低了道路使用性能，影响行车舒适性；另一方面降低了路面的结构性能，大量裂缝的存在使得路表水、空气及其它有害物质可通过裂隙浸入路面结构内部，并沿着混合料的孔隙渗入路面基层和路基，使路面基层和路基发软，路面结构承载力下降，在行车荷载作用下产生唧浆、唧泥、冲刷，界面层出现局部脱空，进而在路面形成局部凹陷，最终导致路面发生网裂与坑槽，严重地影响车辆的行驶质量，极大地降低了路面的使用寿命。

在季节性冰冻地区当温度降至冰点时，滞留在路面结构孔隙中的水分还将产生冻胀，导致路面材料的内部损伤和损伤积累，进一步加速路面的破坏。

因此，提高路面的抗裂性能是沥青路面设计的重要研究内容，而正确评价沥青混合料的低温抗裂性能是沥青混合料设计的前提[4-6]。

对于沥青路面低温开裂的问题，国内外学者对此进行了大量的理论和试验研究[7-9]。

自20世纪60年代加拿大率先对沥青面层的低温收缩开裂进行系统调查研究以来，路面抗裂与材料低温性能指标一直是国际道路界的重要研究内容，尤其是美国SHRP计划，将沥青与沥青混合料的低温性能列为主要研究内容[10]。

加拿大、澳大利亚及欧洲许多国家也先后制定了类似的研究计划，提出了目前常用的沥青混合料低温抗裂性能评价方法：

①直接拉伸试验；②间接拉伸试验；③直接拉伸蠕变试验；④弯曲梁试验；⑤约束试件温度应力试验（ThermalStressRestrainedSpecimenTest简称TSRST）也称冻断试验；⑥热膨胀和收缩系数试验等。

美国公路研究战略计划（SHRP）采用对现场条件的模拟性、试验结果在力学模型中的应用性、老化和潮湿状态下的适用性、易操作性以及仪器成本等指标对以上几种方法进行了评价。

评价结果表明，只有TSRST试验和热膨胀系数试验两种试验方法能正确地模拟现场状况，其它试验都只是间接测量沥青混凝土的降温响应[11-12]。

因此，美国SHRP提出采用约束试件温度应力试验（TSRST）来研究沥青路面的低温开裂问题。

我国在“七五”、“八五”国家攻关专题中，对沥青及沥青混合料的低温性能作了一些研究。

在“八五”期间提出以0℃沥青混合料弯曲蠕变实验的变速度作为沥青混合料低温抗裂性评价指标，蠕变速率越大，表明其抗裂性能越好，0℃弯曲蠕变实验虽然简单，力学概念也较清楚，但无法直接预测沥青混合料的低温开裂温度[13-14]。

冻断试验装置最早是由美国俄勒冈州立大学开发，后来日本菅原等学者对冻断试验装置也进行了研究。

冻断试验的关键是在环境温度变化时，保持试件长度不随温度变化而改变。

目前，国外冻断试验装置基本上可以归纳为两种类型，一种是小环境温度箱方案[15-16]，其特点是为了避免试验机架受到温度变化的影响，只将试件和夹具的一部分置于小环境温度箱降温，其余部分仍处在常温中，避免因温度变化产生变形，但试件夹具仍处在小环境温度箱中，随着温度的降低产生变形，对试验结果有一定影响。

另一种是大环境温度箱方案，整个试验机放在温度箱中，试验机架是由线膨胀系数很小的铟钢制成的固定框架，试验中忽略了试验机架和各联结处随温度变化的变形，对试验结果也有一定影响。

用这两种类型的设备进行试验，其共同特点就是由于部分或全部机架和夹具随温度和应力变化的变形被略去，所以可能导致冻断试验温度偏低[17-18]。

我国从20世纪80年代就开展了冻断试验装置和试验方法的研究，对试验机和量测系统随温度的变形采用了自动补偿方式，从试验原理上解决了因温度降低和应力不断增大使得试验机和夹具等产生变形对试验结果的影响，试验结果更加真实可靠[17]。

该设备测量的温度是环境箱的温度，不是沥青混合料试件的温度。

F.Olard等人认为，控温箱内的温度分布是不均匀的，温度传感器的布置位置，将影响到试验结果[19-20]。

综上，研发一种沥青混合料低温冻断试验装置能正确地模拟现场状况，既可以减小机架和夹具随温度变化产生的变形对试验结果的影响，又能反映试件真实温度的设备，对评价沥青混合料的低温性能和沥青混合料设计具有积极而深远的意义。

（2）研究趋势

沥青路面的低温开裂现象是普遍存在的，是道路工程界至今未能很好解决的难题之一。

大量的方法用于评价沥青路面的低温抗裂性能，1965年Monismithetal.最先提出了TSRST试验，由于试验条件要求高未能得到广泛推广。

之后为准确地评价沥青混合料的低温抗裂性能又提出了多种评价方法，如：

1968年Jonesetal.提出了温度收缩系数试验；1972年BusbyandRander提出了弯曲梁试验；1973年Haas提出了直接拉伸蠕变试验和直接拉伸试验；1987年Anderson提出了间接拉伸试验；1986年Osterkamp重新提出了TSRST试验。

1994年美国的SHRP计划对上述试验方法从多指标进行考察，认为TSRST试验方法能正确地模拟现场状况，其它试验都只是间接测量沥青混凝土的降温响应。

从沥青混合料低温抗裂性能评价方法发展历程来看，评价方法经历了从复杂到简单，在从简单到复杂的一个过程，主要的发展趋势是评价方法要适应时代发展的经济水平和技术要求，目前经济发展水平高，技术标准要求高，沥青混合料设计提倡精细设计、微观设计。

因此，有必要准确评价沥青混合料的低温抗裂性能，为沥青混合料设计提供依据。

要准确评价沥青混合料的低温性能，就需要低温抗裂试验装置能正确模拟现场状况，冻断试验原理可以很好的模拟路面实际状况，关键的问题是如何提高冻断试验装置的测量精度，因此研发高测量精度的低温冻断试验装置具有重要的科研价值和广阔的市场前景。

三、课题研究主要内容

（1）沥青混合料低温冻断装置的整体设计；

（2）采用特殊材料、位移补偿等方法来减小机架、传感器等自变形对试验结果的影响；

（3）利用多个温度传感器测量试件的温度，避免温度不均匀的影响，使测量结果更加真实可靠；

（4）开发试验操作系统；

（5）利用所开发的设备研究几种沥青混合料的收缩能力和低温抗裂性能。

四、结论

4.1　试验设备整体介绍

本项目开发的沥青混合料低温冻断试验装置能够进行沥青混合料冻断试验和沥青混合料收缩能力的研究。

由于低温冻断系统中的试件、试件夹具、试验机传力系统所用的材料，它们都随温度变化而发生变形，此外系统中各构件和各个接头处都会随着力的产生和增大而发生变形的弹性部件，同时由于位移传感器本身和传感器夹具材料都有一定的线膨胀系数，因此位移量测系统受温度变化的影响也是不可忽略的。

如果不消除这种影响，所得到的结果就会失去科学性，不具有评价能力。

为了避免上述情况的发生，使测量结果科学有效，提出了“实时位移补偿”控制原理，以保证沥青混合料试件在量测范围内的长度在降温过程中始终保持不变。

最终该试验装置采用了闭环控制，利用高精度的位移传感器实现了“实时位移补偿”控制技术，使测得的试验结果真实可靠。

现已完成该装置的开发与调试工作，最终形成一整套试验系统。

如图1所示。

图1　冻断试验系统实物图

该试验设备允许沥青混合料的最大变形量为4cm。

其传动系统采用的是步进电机加滚珠丝杠组成，定位精度可达到0.5um，由于位移传感器的精度为6um，故本设备最终控制变形的精度为6um。

环境箱的温度控制范围20℃到-40℃，控制精度±0.5℃，降温速率可调，最大降温速率可达到15℃/h。

数据采集装置以10次/每秒的速率采集数据。

该试验设备的量测系统主要由位移传感器、温度传感器和拉压传感器组成。

其标定方法及标定曲线如下所示：

（1）位移传感器的标定

位移传感器是本试验设备量测系统的重要组成部分，并且承担着反馈和控制作用。

该位移传感器的精度为6um,采用的是精度为1um的标定设备进行标定，标定设备如图2所示：

图2　位移传感器的标定设备

平行测量5次后，得到如下试验数据：

图3　位移传感器标定曲线

对上述曲线进行回归处理，得到位移传感器标定函数：

，式中，

为位移值，单位

，

为电压值，单位

。

（2）温度传感器的标定

温度传感器的精度为0.25℃，拟采用精度为0.1℃的水银温度计标定。

具体方法如下所述：

将温度传感器放入恒温水浴箱中，在升温的过程中，通过对水温的监测来标定温度传感器。

但实际操作中，当温度传感器与水接触时，输出的电压产生了极大的波动，始终不能稳定，无法进行标定。

经过与厂家联系，将温度传感器返厂进行检测，最终采用了厂家建议的标定方法，其标定函数为：

，其中，

为温度值,单位为℃，

为电压值，单位为

。

（3）拉压传感器的标定

由于拉压传感器的量程较大，试验室的条件无法进行标定，因此采用了厂方给出的标定数据，如图4所示：

图4拉压传感器标定数据曲线

将该曲线加归，得到拉压传感器的标定函数为：

，式中，

为拉力值，单位为

，

为电压值，单位为

。

当此传感器与变送器相连时，其输出电压为-10

～+10

，量程为0～20KN，但采集卡的采集范围为-5

～+5

，因此，最终反映在程序中的标定函数为：

，式中，

为拉力值，单位为

，

为电压值，单位为

。

4.2　冻断设备控制程序简介

利用自行开发的程序能够实现数据采集、数据处理、试验机的控制和数据的处理及绘图等功能，同时该程序具有过载保护、施加预应力等功能，能够实时显示每个传感器所采集到的数据，并能够实现数据图形化结果显示，便于掌握试验情况。

该程序包括“试验参数设置”、“试验机调试”、“实时数据显示”和“实测数据显示”四个功能面板。

如图5-图8所示。

该程序具有便于操作、显示信息丰富、在试验拉伸过程中，程序能够对拉伸长度进行实时比较判断，从而能够有效的避免拉伸不足现象，使试验结果更加准确等特点。

图5　试验参数设置面板

“试验参数设置”面板主要是设定试验相关信息，包括试件型号、预应力和拉伸速度等设置项，这些参数会被记录在测量后生成的数据文件中。

图6　试验机调试面板

“试验机调试”面板的主要功能是调整步进电机和施加预应力，调整步进电机是为了试件的装夹，施加预应力是为了消除机械部分的间隙；

图7　实时数据显示面板

“实时数据显示”面板显示试验中的重要参数（包括温度、应力和变形）随时间变化的波形图，并且能够实时绘制出温度应力曲线；

图8　实测数据显示面板

“实测数据显示”面板显示未经处理的