[发明专利]测定集料-沥青胶浆界面在拉剪混合模态下曲折破坏强度的试验装置及方法

权利要求书

1.一种测定集料-沥青胶浆界面在拉剪混合模态下曲折破坏强度的试验装置，其特征在于：所述测定集料-沥青胶浆界面在拉剪混合模态下曲折破坏强度的试验装置包括试验基板(1)、膜厚调控机构、两个第一立板(2)和两个第二立板(3)，试验基板(1)是水平设置的长方形板体，两个第一立板(2)竖直并排设置在试验基板(1)一端的上表面上，两个第二立板(3)竖直并排设置在试验基板(1)另一端的上表面上，试验件(4)设置在试验基板(1)上表面的中部，所述膜厚调控机构设置在两个第一立板(2)的外侧，且所述膜厚调控机构夹住试验件(4)；石料夹具、石料和沥青胶浆制成的石料-沥青胶浆-石料“三明治”界面圆盘结构，为使试件试验时受力良好，石料外缘与石料夹具通过聚氨酯粘结，然后通过石料夹具与牵拉装置连接并受力，石料夹具组成的圆盘结构为满足试件沿不同角度受力要求，在石料夹具边缘按15°间隔钻有螺孔，试验时将其固定于试验基板。

2.根据权利要求1所述的一种测定集料-沥青胶浆界面在拉剪混合模态下曲折破坏强度的试验装置，其特征在于：所述膜厚调控机构包括标尺(5)、固定卡板(6)、移动卡板(7)、滑套(8)、固定板(9)、调节板(10)和调节螺栓(11)，固定卡板(6)的上端与标尺(5)的左端固定连接，移动卡板(7)的上端与滑套(8)连接，滑套(8)套装在标尺(5)上，固定板(8)的下端固定在标尺(5)的左端上，调节板(10)的下端与滑套(8)固定连接，调节螺栓(11)的左端穿过固定板(9)上螺孔与调节板(10)连接，试验件4夹装在固定卡板(6)与移动卡板(7)之间。

3.一种利用权利要求1所述试验装置测定集料-沥青胶浆界面在拉剪混合模态下曲折破坏强度的方法，其特征在于：所述测定集料-沥青胶浆界面在拉剪混合模态下曲折破坏强度的方法是通过如下步骤实现的：

步骤一、制备试样：

步骤一(一)、根据《公路沥青路面施工技术规范》中规定配置沥青胶浆，沥青胶浆中矿粉与沥青的质量比分别为0.9:1、1:1、1.1:1；

步骤一(二)、将沥青加入到搅拌用的金属容器中，用垫有石棉网的电炉子对其进行加热，并用控温器控温160℃，待温度升高到160℃左右时，将部分矿粉缓缓加入到盛有沥青的金属容器里，边加热边用工具进行搅拌，此时将高速剪切乳化机所配备的剪切转子的速度控制在1500rpm；

步骤一(三)、用玻璃棒或勺子搅拌沥青，慢慢向金属容器中加入矿粉，并继续搅拌，矿粉加入金属容器的时间不超过五分钟；

步骤一(四)、持续搅拌三分钟，直至沥青和矿粉完全融合，完成制备；

步骤二、制备试验件(4)：

步骤二(一)、在试验基板(1)上涂抹凡士林，将半圆石料用环氧树脂与石料夹具粘接在一起，然后将石料夹具90°螺孔固定于试验基板(1)上；

步骤二(二)、将膜厚调控机构放置在试验基板(1)上，将厚度小于0.05mm的油性纸窄带放于石料界面中心，用于引入界面裂纹；

步骤二(三)、保持石料平面距离为10mm，将加热的沥青胶浆徐徐加到圆盘之间的槽中，到1/3高度位置停止，通过调节螺栓(11)调节固定卡板(6)与移动卡板(7)之间的距离，使石料间的沥青胶浆膜达到试验膜厚；

步骤二(四)、在室温条件冷却时间不少于1.5小时，然后用热刮刀挂除高出圆盘的沥青胶浆，使沥青胶浆面与圆盘面齐平，沥青胶浆的刮法应自圆盘的中心刮向两端，且表面应刮得平滑；

步骤二(五)、抽出油性纸并检查沥青胶浆薄膜外缘是否出现较大凸出或较大凹入，若出现较大凸出，可将凸出沥青胶浆小心刮除，若出现较大凹入，需清洗石料表面重新制样；

步骤三、开始试验：

步骤三(一)、将试验件(4)固定于试验基板(1)上，并对试验基板(1)及试验件(4)保温不少于一小时，试验温度为10℃、20℃和30℃；

步骤三(二)、将试验基板(1)的固定螺栓卸下，启动外部牵拉设备，并对试验件(4)所受到的载荷与变形进行实时监测，直至试验件(4)发生曲折破坏，记录下试验件(4)破坏时所能承受的极限载荷值与最大变形量，得到集料-沥青胶浆T-S曲线，T表示拉力，S表示位移曲线，T最大值即为此测试角度下的最大应力强度；

步骤三(三)清洗试验试件(4)，重复试验试件(4)制备步骤，变换石料种类、测试角度和粉胶比分别测得不同集料-沥青胶浆组合在不同受拉方向的最大应力强度；

步骤四：建立集料-沥青胶浆界面评价准则：

步骤四(一)、建立集料-沥青胶浆的界面化模型，定义应力强度因子：

公式(1-1)中K₁表示断裂力学中裂纹为张开裂纹的应力强度因子，K₂表示断裂力学中裂纹为剪开裂纹的应力强度因子，r表示以裂尖为坐标原点时，采用角坐标时的半径取值，σ_y表示以边界元法求得的接近裂尖处的y向正应力，τ_xy表示以边界元法求得的接近裂尖处的xy面的剪应力，ε表示裂尖处的应变，h取值为0.28或2，a表示试验时给定裂缝长度的一半；

步骤四(二)、通过步骤三得到集料-沥青胶浆界面不同最大应力强度，进而利用边界元法，对各试件进行弹性分析得到集料-沥青胶浆界面裂缝处的受力特性，最终结合数值外插法求得对应于破坏荷载的应力强度因子；

步骤四(三)、建立基于界面力学的破坏准则：

公式(1-2)、(1-3)、(1-4)、(1-5)中K₁表示断裂力学中裂纹为张开裂纹的应力强度因子，K₂表示断裂力学中裂纹为剪开裂纹的应力强度因子，K_1c表示界面抵抗玻剥离的能力，K_2c表示界面抵抗剪切的能力，μ₁表示沥青胶浆剪切弹性模量，μ₂表示石料剪切弹性模量，v₁表示沥青胶浆泊松比，v₂表示石料泊松比，k₁表示沥青胶浆卡帕参数，平面应变时，k₁＝3-4v₁，平面应力时，k₁＝(3-v₁)/(1+v₁)，k₂表示石料卡帕参数，平面应变时，k₂＝3-4v₂，平面应力时，k₂＝(3-v₂)/(1+v₂)，ε表示裂尖处的应变；

步骤四(四)、通过试验和边界元法得到应力强度因子，将其描点并与公式(1-2)进行对比，进而评价任意角度的界面强度，当公式(1-2)左边小于1时，集料-沥青胶浆界面没有失效，当公式(1-2)左边大于1时，集料-沥青胶浆界面失效。