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新版交通部行业标准配套试验设备推荐系列之无机结合料稳定材料篇
发布时间:2024-04-08 浏览次数:8137 来源:欧美大地
本篇为新版交通部行业试验标准配套试验设备解读系列文章的第2篇:JTG 3441-2024公路工程无机结合料稳定材料试验规程(以下均简称“新规范”)新增试验设备。
相比于集料新规范,无机结合料稳定材料的新规范变动较小,只增加了5种新的试验方法:
  • T0861密度测试方法(真空塑封法)
  • T0862动态弯拉回弹模量试验方法
  • T0863拉伸试验方法
  • T0864单轴压缩模量试验方法(侧面法)
  • T0865疲劳试验方法(B法)
这5种试验方法涉及以下的试验设备。

真空密度测试仪(CoreLok)
近年来,一些学者开始关注无机结合料稳定类基层的级配组成和体积特性,提出了无机结合料稳定材料的毛体积密度、最大理论密度、空隙率等体积指标,进一步完善了无机结合料稳定类基层的材料组成设计理论。由于无机结合料稳定材料的吸水率较大,无法采用水中重法和表干法进行毛体积密度测定,故参考ASTM D7370真空密封法提出了真空塑封法的密度测试方法。
注:下划线红字部分摘自新规范条文说明。
真空密度测试仪(CoreLok)实际上是一种业内众多单位已经比较熟悉,并大量应用于沥青混合料压实试件毛体积密度试验的测试设备。其试验方法早在2011年就收录到JTG E20-2011公路工程沥青及沥青混合料试验规程中(详见T0707蜡封法的条文说明),用于测定吸水率大于2%的沥青混凝土或沥青碎石混合料。


/图1:CoreLok真空密度测试仪/

本方法中建议将试件放置在105℃的温度的烘箱中烘干6个小时,用于蒸发掉试件中含有的水分,这种除湿方法效率较低。预算充裕的用户可以考虑购买专用的真空干燥机CoreDry PRO,通过真空除湿的方法去除试件中的水分,只需15分钟即可获得干燥的试件。同时,因为无需加热,也避免了高温对于试件老化的影响。


/图2:CoreDry PRO真空干燥机/

该方法同样由真空密度测试仪CoreLok的制造商美国InstroTek公司开发,目前这种真空除湿的试件处理方法也成为了美国的标准试验方法:ASTM D7227和AASHTO R79。这种试验设备与CoreLok一样,也是一种多用途的试件处理工具,还可以用于沥青混合料的快速干燥,以及去除乳化沥青中的水分,得到用于其他性能试验的乳化沥青残留物。


/图3:乳化沥青干燥托盘和支架/



路面材料多功能动态试验系统(UTM-130)
新规范中增加的其他4种试验方法都是基于动态材料试验机来完成的,主要是在动态荷载条件下,以压缩,拉伸和弯曲三种不同的作用形式来测量材料的模量,以及增加了与沥青混合料四点小梁弯曲疲劳试验方法一样的疲劳试验方法,来测定无机结合料稳定材料的疲劳寿命。
▷ T0862动态弯拉回弹模量试验方法
旧规范中弯拉回弹模量试验采用的是静态加载,仅年来,因为动态试验机的进一步普及,新规范增补了动态试验测量弯拉回弹模量的试验方法。加载的器具(如图4所示)与旧规范中的要求一致,但加载条件更改为:半正弦荷载波形,频率10Hz,无间歇时间,每级荷载作用次数为200次,以0.1P,0.2P,0.3P,0.4P,0.5P和0.6P的6级应力水平进行应力振幅扫描。
这种试件夹持工具除了可以完成动态和静态弯拉回弹模量试验外,也可以按照T0851方法的要求测量试件的弯拉强度,得到的弯拉强度可以作为T0865疲劳试验方法B应力控制模式时的破坏强度P,以便确定疲劳试验的荷载水平。


/图4:弯拉试验的试件夹持工具/

▷ T0863拉伸试验方法
新规范中增加的拉伸试验方法主要参考法标NF 98-230-1振动压实试件成型方法和NF 98-232-2直接拉伸试验测定力学性能的试验方法,测得试件的直接拉伸强度和拉伸模量。


/图5:拉伸动态模量试验形式/

▷ T0864单轴压缩模量试验方法(侧面法)
该试验方法实际上已收录在2017年更新的JTG D50-2017公路沥青路面设计规范中,即附录E的试验方法。这种试验方法的位移测量传感器安装形式与我们熟悉的JTG E20-2011 T0738沥青混合料单轴压缩动态模量类似。都是在侧面安装3个120°角平均分布的位移传感器,通过测量试件中段的变形计算平均值来计算材料的动态模量。


/图6:顶面法和侧面法同时安装的试验形式/

▷ T0865疲劳试验方法(B法)
在疲劳试验方面,新规范借鉴了沥青混合料疲劳试验的经验,增加了基于JTG E20-2011公路工程沥青及沥青混合料试验规程中T0739试验方法改进的试验方法。与原规程中的T0856方法(即新规范的T0856方法A)相比,这种试验设备可以对试件施加正弦荷载,能够以应力控制和应变控制两种方式进行试验,使试件跨中的底面和顶面同时承受拉伸与压缩两种荷载模式的交变作用。两种方法的主要差异见表1。

/表1:疲劳试验方法A和B的差异/


新规范的两个主要编写单位交通运输部公路科学研究院和山东省交通科学研究院均是使用Controls-IPC的UTM-100路面材料多功能动态试验系统完成的相关试验方法研究并编写新规范。如今,UTM-100已经升级为UTM-130,即最大静态荷载提高到±130kN,最大动态荷载为±100kN。(对于特殊需求来说,还可以订制UTM-250,UTM-130XL等特殊型号)


/图7:UTM-130路面材料多功能动态试验系统/

4个新增的试验方法中,动态弯拉、拉伸和压缩模量的试验模块可以直接放入UTM-130的环境箱内使用。疲劳试验方法B则有如下4种试验方式:

/表2:四点小梁弯曲疲劳试验的设备形式/


这几种设备的形式各有利弊,适用于不同实验室条件和需求的用户使用。一些选型的建议包括:
气动式设备。独立式气动四点小梁疲劳试验机可以放入UTM的环境箱中使用,也可以搭配任何独立的温控箱进行使用。对于疲劳试验任务量很大的用户,适合选用独立式设备(包括独立控制器)加配独立温控箱的方案。这样,用户可以同时进行四点小梁弯曲疲劳试验,以及UTM材料试验机的其他力学试验。或是暂时经费有限,但后期可以升级的用户,可以在一期建设时,利用UTM和控制器和温控箱搭配独立式设备开展试验;在二期建设时,购买独立温控箱和控制器将其组合成1套独立的疲劳试验系统。
电动式设备。相比于气压和液压技术,电动技术具有噪音极低、维护简单、集成度高、占地面积小等优势。我们目前具有两款AsphaltQube系列的电动系统,均可以完成四点小梁疲劳试验。


/图8:电动型四点小梁疲劳试验系统/

液压式设备。液压式设备使用UTM系统的液压动力进行加载,并使用UTM系统的温控箱和控制器。适合预算有限的用户,或是需要进行大荷载疲劳试验的用户使用。标准的液压式夹具可以满足规范标准的试验需求,当选购UTM-130XL型试验机和超深环境箱时,可以选购超大型四点弯曲疲劳试验夹具,来进行超大尺寸的梁型试件试验,开展诸如路面结构组合梁型试件的疲劳试验,或是钢桥面铺装试验方法中的三点或五点弯曲试验方法。


/图9:超大型四点梁疲劳试验机(左)和超大型试件和标准试件的对比效果(右)/



新规范试验方法的配套试件成型设备
在2009年版旧规范到如今2024年版新规范之间的15年间,国内的仪器制造水平取得了长足的进步,因此在新规范中对试件成型提出了更高的要求。例如:T0865疲劳试验方法B的3.1条建议“按照轮碾成型方法成型无机结合料稳定材料板块试件,板块试件尺寸为430mm×300mm×80mm。然后用高精度金刚石双面锯对板块试件进行切割”,这里涉及了3个成型设备的进步:
▷ 轮碾成型机
以外,无机结合料稳定材料试件成型是按照T0844的压力试验机静压成型。在新规范中,则建议了与沥青混合料试件成型方式相同的轮碾成型方式。这种变化提高了实验室轮碾压实仪的利用率,值得注意的是:
新一代的高级轮碾压实仪主要按照EN 12697-33试件成型方法中的方法5.3设计,碾压头深入试模,试模和压头沿轨道一同运动。
注:EN 12697-33标准中共有4种成型方法,5.1为法国标准的充气轮胎碾压形式;5.2为光滑钢轮压实方法;5.4为扇形钢轮碾压钢条成型的方法,即原PMW汉堡车辙试件成型机的压实方法。因为方法普及范围,设备复杂程度,设备成本等原因,5.1,5.2和5.4三种方法的成型设备远远不如5.3方法的成型设备普及。


/图10:EN 12697-33试件成型方法标准中方法5.3的压头深入试模碾压形式/

新一代高级轮碾压实机具有高度控制和力控制两种控制方式,可以按照EN 12697-33标准7.3.2.1条的要求进行高度控制模式的预压实和力控制模式的主压实两阶段压实。以此来获得表面平整,密度均匀的板块型试件。


/图11:EN 12697-33要求的压实程序/

为满足不同试验方法对试件尺寸的要求,高级轮碾压实仪支持通过更换压头和试模来得到不同尺寸的试件。主要的尺寸包括:
  • 300mm×300mm,主要为中国标准的车辙动稳定度试验成型试件。
  • 320mm×260mm,主要为汉堡车辙试验标准成型试件。(汉堡车辙试验建议以旋转压实成型圆柱体试件或现场取芯试验为主;也可以考虑直接使用300mm×300mm车辙板进行试验;该尺寸仅为“必须严格按照汉堡车辙试验标准要求进行车辙板试件”的用户提供)
  • 500mm×300mm,用于成型板块试件后切割四点小梁弯曲疲劳试件。
其他特殊应用目的尺寸的试模和压头可根据实际情况进行订制。此外,还可以订制压头和试模的加热功能,以及振动压实功能。



金刚石双面锯
为保证在力学试验阶段,荷载能够在试件内部均匀传递,不发生偏载的情况。新规范的拉伸,压缩和弯拉动态试验方法中对于试件成型的要求中都建议宜使用双面锯。因此,目前双面锯正在逐渐替代单面锯成为市场上的主流产品。而新一代的双面锯在借鉴传统进口设备功能特性的基础上,结合目前道路材料的要求进行了众多的改进。这些改进包括:
  • 提高锯片最大间距至150mm,满足切割动态压缩、拉伸圆柱体试件的要求;
  • 开发特制夹具,一次性切割4个直径38mm小试件,用于小试件的动态模量和拉伸疲劳试验;
  • 特殊订制半圆形、汉堡型、Overlay型、梯形梁等特殊试件的切割夹具;
  • 用于切割过程观察的特殊玻璃窗;
  • 静音设计,大幅度降低切割时的噪音。


/图13:金刚石双面锯/

全自动取芯机
在动态拉伸和压缩试验中,圆柱体试件的获取涉及到取芯。以往,用户为了获取高质量的芯样,或是从特殊尺寸的试件中钻芯,会购买进口的取芯机。但目前进口的道路材料实验室多功能取芯机主要以半自动形式为主,需要手摇控制钻头的进给。当试件数量较多时,无疑增加了试验人员的负担。
因此,我们基于道路材料(沥青混凝土,无机结合料稳定类材料,超高性能水泥混凝土,岩石等)试验中各种常规试验和科研试验对于圆柱体试件尺寸的需求,开发了全自动的多功能实验室取芯机,为每种试验配备专用的钻头,试件夹持工具来轻松获取圆柱体芯样。


/图14:全自动取芯机/


如果您对标准中的相关设备及“超规范”研究感兴趣,请联系欧美大地,共同探讨相关应用,或订制开发特殊的试验方法和设备。


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