本发明涉及道路工程技术领域，具体涉及一种沥青剪切疲劳性能的试验装置及方法。
背景技术：
路面使用期间，在车轮荷载的反复作用下，路面长期处于应力应变交替变化的状态，使得路面结构的强度下降。当荷载作用次数超过一定次数时，因荷载产生的路面应力就会超过强度减弱后的路面结构抗力，致使路面结构发生疲劳破坏。在实际的路面结构中，疲劳破坏的现象十分严重。
路面结构中沥青混合料的疲劳破坏归根结底是：沥青混合料中颗粒与颗粒之间的沥青疲劳破坏。目前，国内多采用试验室小型试件的疲劳试验来对路面的沥青混合料进行疲劳性能的研究，包括弯曲疲劳试验，直接拉伸试验，间接拉伸试验等，在这些试验中，试件的破坏多是由于沥青发生拉伸或者压缩方面的疲劳破坏，而缺少对沥青进行具体的剪切疲劳寿命测试的试验。
技术实现要素：
本发明的目的在于，克服现有技术的不足，设计出一套测试沥青剪切疲劳寿命的试验装置及方法，与实际路面结构上产生的剪切疲劳破坏模型接近，从而有助于从本质上认识沥青剪切疲劳破坏特性，实现沥青混合料的精细化设计。
本发明的第一方面提出一种沥青剪切疲劳性能的试验装置，其包括加载组件、试验台座、压块、转轴；
所述转轴的一端穿设于所述试验台座内，所述试验台座内安装有安装平台，所述压块滑动安装于所述安装平台上且位于所述转轴的一侧，所述压块与所述转轴相对的一面具有与所述转轴的外侧面相配合的抵接面，所述转轴的外侧面设有第一沥青层，所述压块的抵接面上设有第二沥青层，所述抵接面通过所述第一沥青层与所述压块上的所述第二沥青层相抵接；
所述加载组件能够在所述转轴上加载扭矩。
作为优选方案，所述加载组件包括驱动电机、传动机构、弹簧及加载杆；
所述传动机构的输入端与所述驱动电机的动力输出端相连，所述传动机构的输出端与所述弹簧的一端相连，所述弹簧的另一端与所述加载杆的一端相连，所述加载杆的另一端与所述转轴相连；
所述驱动电机转动能够带动所述弹簧压缩或拉伸，所述弹簧压缩或拉伸的方向与所述加载杆垂直，所述加载杆的旋转方向与所述转轴垂直；
所述弹簧与所述加载杆之间还连接有力传感器，所述加载杆上设有刻度。
作为优选方案，所述传动机构包括转盘、连杆及滑块，所述转盘连接于所述驱动电机的动力输出端，所述连杆的一端连接于所述转盘，所述连杆的另一端与所述滑块相连，所述弹簧的一端与所述滑块相连；
所述驱动电机转动能够带动所述滑块直线往返运动，进而带动所述弹簧压缩或拉伸。
作为优选方案，该沥青剪切疲劳性能的试验装置还包括安装架，所述安装架上开设有滑槽，所述滑块滑动设于所述滑槽内。
作为优选方案，所述安装平台上设有垫块，所述垫块与所述安装平台滑动相连，所述压块安装于所述垫块上，所述安装平台上设有刻度。
作为优选方案，沿所述转轴的外周周向间隔设置有至少两个所述压块。
作为优选方案，沿所述转轴的轴向间隔设置有至少两个所述压块。
作为优选方案，所述试验台座内部限定有密封的试验腔，所述转轴的一端穿设于所述试验腔内，且所述安装平台及所述压块均设于所述试验腔内。
同样的目的，本发明的第二方面还提出一种沥青剪切疲劳性能的试验方法，其采用如第一方面中任一项所述的沥青剪切疲劳性能的试验装置，具体包括以下步骤：
确定沥青的抗剪强度：
确定当压块滑动至抵接所述转轴时，所述第一沥青层与所述第二沥青层之间的第一接触面积；
通过滑动压块使其靠近并抵接转轴，根据设定的试验压应力与所述第一接触面积确定第一试验压力，将压块与转轴之间的抵接力设置为所述第一试验压力；
通过加热的方式，使位于所述压块与所述转轴之间的所述第一沥青层与第二沥青层相粘合；
通过启动加载组件，使加载组件在所述转轴上加载不同的扭矩；
当所述第一沥青层与所述第二沥青层的粘结处发生破坏时，确定此刻所述加载组件施加于所述转轴上的扭矩为破坏扭矩；
根据公式
在确定沥青的抗剪强度后，测试沥青的剪切疲劳性能，包括以下步骤：
重新更换设有第一沥青层的转轴及设有第二沥青层的压块，并确定当压块滑动至抵接所述转轴时，所述第一沥青层与所述第二沥青层之间的第二接触面积；
设定疲劳试验剪切应力，根据所述疲劳试验剪切应力，第二接触面积以及转轴的半径计算得到该疲劳试验剪切应力下的沥青疲劳试验扭矩t1，具体公式为：
滑动压块使其靠近并抵接转轴，根据所述设定的试验压应力与所述第二接触面积确定第二试验压力，将压块与转轴之间的抵接力设置为第二试验压力；
通过加热的方式，使位于所述压块与所述转轴之间的所述第一沥青层与第二沥青层相粘合；
通过启动加载组件，使加载组件在转轴上循环加载所述疲劳试验扭矩；
当第一沥青层与第二沥青层的粘结处发生破坏时，确定此时的加载次数即为沥青在此试验剪切应力下的疲劳寿命。
作为优选方案，具体通过以下步骤确定当所述压块滑动至抵接所述转轴时，所述第一沥青层与所述第二沥青层之间的接触面积：
在所述压块与所述转轴之间设置压力胶片，通过将压块滑动至抵接所述转轴，以使得压力胶片发生凹陷变形，松开所述压块后计算所述压力胶片发生凹陷变形的面积，即为第一沥青层和第二沥青层之间的接触面积。
作为优选方案，所述疲劳试验剪切应力为所述沥青的抗剪强度的0.1～0.6倍。
本发明具有的优点和有益效果：
本发明在沥青疲劳试验原理的基础上，提供了一种沥青剪切疲劳寿命的试验装置和试验方法，试验装置设置有压块与转轴，且压块与转轴上均设置有沥青层；试验过程中，将压块与转轴相抵接，使得压块与转轴之间的沥青受到挤压作用；将压块与转轴之间的沥青层粘合后，再通过加载组件给转轴循环加载扭矩，使得沥青受到循环的剪切应力的作用，当沥青发生破坏时即能够确定沥青的剪切疲劳性能；该剪切疲劳性能的试验条件与交通荷载在实际路面结构上产生的剪切疲劳破坏模型较为接近，能够较为准确地模拟路面沥青层在实际生活中的剪切破坏情况，试验结果有较强的实际工程意义，可为路面的精细化设计提供较好的试验数据。
附图说明
图1为一种沥青层剪切疲劳的试验装置主视图；
图2为一种沥青层剪切疲劳的试验装置侧视图；
其中，1、加载组件；11、弹簧；12、加载杆；13、力传感器；14、传动机构；15、滑块；16、连杆；17、转盘；18、驱动电机；2、试验台座；21、安装平台；22、试验腔；3、压块；4、转轴；5、安装架；6、垫块；7、轴承。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明。
本发明实施例提出一种沥青剪切疲劳性能的试验装置，具体如图1及图2所示，其包括加载组件1、试验台座2、压块3和转轴4；所述转轴4的一端转动穿设于所述试验台座内2，所述试验台座2内安装有安装平台21，所述压块3粘连在垫块6上并滑动安装于所述安装平台21上且位于所述转轴4的一侧，所述压块3与所述转轴4相对的一面具有与所述转轴4的外侧面相配合的抵接面，所述转轴4的外侧面设有第一沥青层，所述压块3的抵接面上设有第二沥青层，所述抵接面通过所述第一沥青层与所述压块3上的所述第二沥青层相抵接；所述加载组件1能够在所述转轴4上加载扭矩。
基于上述试验装置，具体的沥青剪切疲劳性能的试验方法包括以下步骤：
首先，确定沥青的抗剪强度：
确定当压块3滑动至抵接所述转轴4时，所述第一沥青层与所述第二沥青层之间的第一接触面积；
通过滑动压块3使其靠近并抵接转轴4，根据设定的试验压应力与所述第一接触面积确定第一试验压力，将压块3与转轴4之间的抵接力设置为所述第一试验压力；
通过加热的方式，使位于所述压块3与所述转轴4之间的所述第一沥青层与第二沥青层相粘合；
通过启动加载组件1，使加载组件1在所述转轴4上加载不同的扭矩；
当所述第一沥青层与所述第二沥青层的粘结处发生破坏时，确定此刻所述加载组件施加于所述转轴4上的扭矩为破坏扭矩；
抗剪强度根据所述破坏扭矩、所述第一沥青层与所述第二沥青层间的第一接触面积以及转轴的半径计算得出，具体的计算公式为：
在确定沥青的抗剪强度后，确定沥青的疲劳性能，包括以下步骤：
重新更换设有第一沥青层的转轴4及设有第二沥青层的压块3，并确定当压块3滑动至抵接所述转轴4时，所述第一沥青层与所述第二沥青层之间的第二接触面积；
设定疲劳试验剪切应力，根据所述疲劳试验剪切应力，第二接触面积以及转轴的半径计算得到该疲劳试验剪切应力下的沥青疲劳试验扭矩t1，具体公式为：
滑动压块3使其靠近并抵接转轴4，根据所述设定的试验压应力与所述第二接触面积确定第二试验压力，将压块3与转轴4之间的抵接力设置为第二试验压力；
通过加热的方式，使位于所述压块3与所述转轴4之间的所述第一沥青层与第二沥青层相粘合；
通过启动加载组件1，使加载组件1在转轴4上循环加载所述疲劳试验扭矩；
当第一沥青层与第二沥青层的粘结处发生破坏时，确定此时的加载次数即为沥青在此试验剪切应力下的疲劳寿命。
基于上述技术方案，沥青在疲劳试验过程中，既受到了压块3的压应力作用，同时加载组件1对转轴4进行循坏加载过程中，沥青受到恒定循环的剪切应力作用，这种应力控制的剪切疲劳加载方式与交通荷载在实际路面结构上产生的剪切疲劳破坏模型较为接近，因此，试验结果有较强的实际工程意义，有助于实现沥青混合料的精细化设计。
示例性地，本实施例中，通常采用140℃～160℃的热风使得第一沥青层与第二沥青层相粘合。
示例性地，为了能够使得试验结果更加准确可靠，通常在确定沥青的抗剪强度以及确定沥青的疲劳次数时，均需要进行多次平行试验，并以多次平行试验结果的平均值作为最终的实验值。
示例性地，在确定沥青的疲劳性能试验时，在转轴上循环加载疲劳试验扭矩；具体地，加载周期为1s，加载时间为0.1s，卸载时间为0.9s。
优选的，具体通过以下步骤确定当所述压块3滑动至抵接所述转轴4时，所述第一沥青层与所述第二沥青层之间的接触面积：
在所述压块3与所述转轴4之间设置压力胶片，通过将压块3滑动至抵接所述转轴4，以使得压力胶片发生凹陷变形，松开所述压块3后计算所述压力胶片发生凹陷变形的面积，即为第一沥青层和第二沥青层之间的接触面积。
由于第一沥青层和第二沥青层之间的接触面积难以直接得出，因此设置压力胶片并通过计算压力胶片发生凹陷变形的面积能够快速准确地计算接触面积；示例性地，通过数据图像软件统计压力胶片凹陷变形的面积。
优选的，所述疲劳试验剪切应力为所述沥青的抗剪强度的0.1～0.6倍；通常，为了更加全面地了解沥青的剪切疲劳性能，需要研究沥青在不同疲劳试验剪切应力下的抗剪疲劳寿命。
示例性地，本实施例中，转轴4和压块3均采用破碎面少、棱角性低、表面洁净的岩性石料制成，不仅能够便于沥青层的制备，且能够防止试验过程中转轴4和压块3在受到挤压作用下发生破坏，避免对试验结果产生影响。
另外，本实施例中，运用比表面积的方法控制第一沥青层和第二沥青层的厚度，确定一次性搅拌需要添加的沥青用量。具体的思路是：通过计算确定出转轴4、压块3的总表面积s总；接着依据试验要求选择的沥青层厚度d；最后，一次性搅拌所需添加的沥青含量由h＝s总*d求得。优选地，抗剪强度试验与疲劳剪切试验的沥青层厚度相同。
将加工好的，待试验的所有转轴4和压块3放到搅拌锅里，添加定量的流动状态的沥青，在搅拌机的作用下充分搅拌，使得沥青完整地裹附在转轴4和压块3表面。最后，取出转轴4和压块3，在室温中冷却。
本实施例中，优选地，所述加载组件1包括弹簧11、加载杆12、力传感器13、传动机构14和驱动电机18；所述传动机构14与所述驱动电机18的动力输出端相连，所述传动机构14的输出端与所述弹簧11一端相连，弹簧11的另一端与所述加载杆12的一端相连，所述加载杆12的另一端与所述转轴4相连；所述驱动电机18转动能够带动所述弹簧11压缩或拉伸，所述弹簧11压缩或拉伸的方向与所述加载杆12垂直，所述加载杆12的旋转方向与所述转轴4垂直；所述弹簧11与所述加载杆12之间还连接有力传感器13，所述加载杆12上设有刻度。
在确定沥青的抗剪强度时，需要先确定破坏扭矩，在确定破坏扭矩时需要通过加载组件1在转轴4上加载不同的扭矩，具体是通过改变力臂来实现扭矩的变化；具体地，本实施例中，加载杆12上套设有连杆套筒(附图中未示出)，连杆套筒的一端与力传感器13相连，通过滑动连杆套筒在加载杆12上的位置来改变力臂的大小。
驱动电机18转动能够带动弹簧11周期性地拉伸和收缩，从而使得弹簧11与加载杆12之间的力呈周期性的变化；另外，由于力臂在疲劳试验时不发生变化，使得在疲劳试验中，转轴4上施加的扭矩呈周期性的变化；具体地，上述试验装置，通过力传感器13能够直接读取弹簧11上的力，配合加载杆上12的刻度，可以精确的求出加载在转轴4上的瞬时扭矩，从而可精确地计算出各时刻加载组件加载于转轴4上的扭矩。
优选的，所述传动机构14包括滑块15、连杆16和转盘17，所述转盘17连接于所述驱动电机18的动力输出端，所述连杆16的一端连接于所述转盘17，所述连杆16的另一端与所述滑块15相连，所述弹簧11的一端与所述滑块15相连；所述驱动电机18转动能够带动所述滑块15直线往返运动，进而带动所述弹簧11压缩或拉伸。
启动驱动电机18，驱动电机18转动能够带动转盘17旋转，进而驱使滑块15在作直线往返运动，进而可带动弹簧11拉伸或压缩。
示例性地，在试验过程中，根据加载周期来设置驱动电机18的转速；本实施例中，设置驱动电机18的转速为0.05转/min，驱动电机18转动带动加载杆12在平面范围内发生小角度的转动。
示例性地，上述驱动电机18为三相异步电机，其转速可调。
优选的，本实施例中的沥青剪切疲劳性能的试验装置还包括安装架5，所述安装架5上设置有滑槽，所述滑块15滑动设于所述滑槽内，安装架5主要用于对滑块15进行支撑导向，滑块15被限制在滑槽内，只能在沿直线作往返运动。
优选的，所述安装平台21上设有垫块6，所述垫块6与所述安装平台21滑动相连，所述压块3安装于所述垫块6上，所述安装平台21上设有刻度；具体地，可在安装平台21上设置有刻度，可通过记录垫块6在安装平台21上的位置刻度，从而确定每次压块3加载于转轴4上的压力。
示例性地，本实施例中，压块3通过ab胶粘贴在垫块6上。
具体地，在每次沥青剪切疲劳性能的试验过程中，当垫块6在安装平台21上滑动到相同的刻度位置，则可保证压块3与转轴4间的试验压应力的大小大致相同。
优选的，沿所述转轴4的外周周向间隔设置有至少两个所述压块3，使得转轴周向受力均匀，从而防止受力不均匀导致转轴在试验中发生折断。
同样地，沿所述转轴4的轴向间隔设置有至少两个所述压块3，可保证转轴4沿轴性设置有多个支撑点，防止转轴4在试验过程中发生倾斜等现象。
优选的，所述试验台座1内部限定有密封的试验腔22，所述转轴4的一端转动穿设于所述试验腔内，且所述及安装平台21所述压块3均设于所述试验腔22内；由于设置有密封的试验腔22，在试验过程中，能够控制试验温度，通常设定的试验温度为10℃～60℃，该试验温度与实际路面的温度范围较为符合，从而进一步提高试验结果在实际工程中的参考价值。
示例性地，转轴4外部套设有轴承7，转轴4通过轴承7转动连接于试验台座1；示例性地，轴承7为滚珠轴承，且在转轴4的上、下两端分别设置有一滚珠轴承。
综上，本发明实施例提供了一种沥青剪切疲劳寿命的试验装置和试验方法，具体设置有压块与转轴，且压块与转轴上均设置沥青层；试验过程中，将压块与转轴相抵接，使得压块与转轴之间的沥青层受到挤压作用，加热使得压块与转轴之间的沥青层粘合后，通过加载组件给转轴循环加载扭矩，当沥青层发生破坏时即能够确定沥青的剪切疲劳寿命；采用应力控制的方式在转轴上循环加载剪切应力的同时，压块对转轴有压应力作用，此种方式产生的剪切疲劳破坏与交通荷载在实际路面结构上产生的剪切疲劳破坏模型较为接近，试验结果有较强的实际工程意义。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
1.一种沥青剪切疲劳性能的试验装置，其特征在于，包括加载组件、试验台座、压块、转轴；
所述转轴的一端穿设于所述试验台座内，所述试验台座内安装有安装平台，所述压块滑动安装于所述安装平台上且位于所述转轴的一侧，所述压块与所述转轴相对的一面具有与所述转轴的外侧面相配合的抵接面，所述转轴的外侧面设有第一沥青层，所述压块的抵接面上设有第二沥青层，所述抵接面通过所述第一沥青层与所述压块上的所述第二沥青层相抵接；
所述加载组件能够在所述转轴上加载扭矩。
2.如权利要求1所述的沥青剪切疲劳性能的试验装置，其特征在于，所述加载组件包括驱动电机、传动机构、弹簧及加载杆；
所述传动机构的输入端与所述驱动电机的动力输出端相连，所述传动机构的输出端与所述弹簧的一端相连，所述弹簧的另一端与所述加载杆的一端相连，所述加载杆的另一端与所述转轴相连；
所述驱动电机转动能够带动所述弹簧压缩或拉伸，所述弹簧压缩或拉伸的方向与所述加载杆垂直，所述加载杆的旋转方向与所述转轴垂直；
所述弹簧与所述加载杆之间还连接有力传感器，所述加载杆上设有刻度。
3.如权利要求2所述的沥青剪切疲劳性能的试验装置，其特征在于，所述传动机构包括转盘、连杆及滑块，所述转盘连接于所述驱动电机的动力输出端，所述连杆的一端连接于所述转盘，所述连杆的另一端与所述滑块相连，所述弹簧的一端与所述滑块相连；
所述驱动电机转动能够带动所述滑块直线往返运动，进而带动所述弹簧压缩或拉伸。
4.如权利要求3所述的沥青剪切疲劳性能的试验装置，其特征在于，还包括安装架，所述安装架上开设有滑槽，所述滑块滑动设于所述滑槽内。
5.如权利要求1所述的沥青剪切疲劳性能的试验装置，其特征在于，所述安装平台上设有垫块，所述垫块与所述安装平台滑动相连，所述压块安装于所述垫块上，所述安装平台上设有刻度。
6.如权利要求1所述的沥青剪切疲劳性能的试验装置，其特征在于，沿所述转轴的外周周向间隔设置有至少两个所述压块。
7.如权利要求1所述的沥青剪切疲劳性能的试验装置，其特征在于，沿所述转轴的轴向间隔设置有至少两个所述压块。
8.如权利要求1所述的沥青剪切疲劳性能的试验装置，其特征在于，所述试验台座内部限定有密封的试验腔，所述转轴的一端穿设于所述试验腔内，且所述及安装平台所述压块均设于所述试验腔内。
9.一种沥青剪切疲劳性能的试验方法，其特征在于，采用如权利要求1-8中任一项所述的沥青剪切疲劳性能的试验装置，具体包括以下步骤：
确定沥青的抗剪强度：
确定当压块滑动至抵接所述转轴时，所述第一沥青层与所述第二沥青层之间的第一接触面积；
滑动压块使其靠近并抵接转轴，根据设定的试验压应力与所述第一接触面积确定第一试验压力，将压块与转轴之间的抵接力设置为所述第一试验压力；
通过加热的方式，使位于所述压块与所述转轴之间的所述第一沥青层与第二沥青层相粘合；
通过启动加载组件，使加载组件在所述转轴上加载不同的扭矩；
当所述第一沥青层与所述第二沥青层的粘结处发生破坏时，确定此刻所述加载组件施加于所述转轴上的扭矩为破坏扭矩；
根据公式
在确定沥青的抗剪强度后，测试沥青的剪切疲劳性能，包括以下步骤：
重新更换设有第一沥青层的转轴及设有第二沥青层的压块，并确定当压块滑动至抵接所述转轴时，所述第一沥青层与所述第二沥青层之间的第二接触面积；
设定疲劳试验剪切应力，根据所述疲劳试验剪切应力，第二接触面积以及转轴的半径计算得到该疲劳试验剪切应力下的沥青疲劳试验扭矩t1，具体公式为：
滑动压块使其靠近并抵接转轴，根据所述设定的试验压应力与所述第二接触面积确定第二试验压力，将压块与转轴之间的抵接力设置为第二试验压力；
通过加热的方式，使位于所述压块与所述转轴之间的所述第一沥青层与第二沥青层相粘合；
启动加载组件，使加载组件在转轴上循环加载所述疲劳试验扭矩；
当第一沥青层与第二沥青层的粘结处发生破坏时，确定此时的加载次数即为沥青在此疲劳试验剪切应力下的剪切疲劳寿命。
10.如权利要求9所述的沥青剪切疲劳性能的试验方法，其特征在于，具体通过以下步骤确定当所述压块滑动至抵接所述转轴时，所述第一沥青层与所述第二沥青层之间的接触面积：
在所述压块与所述转轴之间设置压力胶片，通过将压块滑动至抵接所述转轴，以使得压力胶片发生凹陷变形，松开所述压块后计算所述压力胶片发生凹陷变形的面积，即为第一沥青层和第二沥青层之间的接触面积。
11.如权利要求9所述的沥青剪切疲劳性能的试验方法，其特征在于，所述疲劳试验剪切应力为所述沥青的抗剪强度的0.1～0.6倍。
技术总结