新版交通部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)配套試驗設(shè)備推薦系列之無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料篇
發(fā)布時間：2024-04-08
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來源：歐美大地
本篇為新版交通部行業(yè)試驗標(biāo)準(zhǔn)配套試驗設(shè)備解讀系列文章的第2篇：JTG 3441-2024公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程（以下均簡稱“新規(guī)范”）新增試驗設(shè)備。
相比于集料新規(guī)范，無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料的新規(guī)范變動較小，只增加了5種新的試驗方法：
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T0861密度測試方法（真空塑封法）
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T0862動態(tài)彎拉回彈模量試驗方法
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T0863拉伸試驗方法
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T0864單軸壓縮模量試驗方法（側(cè)面法）
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T0865疲勞試驗方法（B法）
這5種試驗方法涉及以下的試驗設(shè)備。
1 真空密度測試儀（CoreLok）
近年來，一些學(xué)者開始關(guān)注無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類基層的級配組成和體積特性，提出了無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料的毛體積密度、最大理論密度、空隙率等體積指標(biāo)，進(jìn)一步完善了無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類基層的材料組成設(shè)計理論。由于無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料的吸水率較大，無法采用水中重法和表干法進(jìn)行毛體積密度測定，故參考ASTM D7370真空密封法提出了真空塑封法的密度測試方法。
注：下劃線紅字部分摘自新規(guī)范條文說明。
真空密度測試儀（CoreLok）實際上是一種業(yè)內(nèi)眾多單位已經(jīng)比較熟悉，并大量應(yīng)用于瀝青混合料壓實試件毛體積密度試驗的測試設(shè)備。其試驗方法早在2011年就收錄到JTG E20-2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程中（詳見T0707蠟封法的條文說明），用于測定吸水率大于2%的瀝青混凝土或瀝青碎石混合料。
/圖1：CoreLok真空密度測試儀/
本方法中建議將試件放置在105℃的溫度的烘箱中烘干6個小時，用于蒸發(fā)掉試件中含有的水分，這種除濕方法效率較低。預(yù)算充裕的用戶可以考慮購買專用的真空干燥機(jī)CoreDry PRO，通過真空除濕的方法去除試件中的水分，只需15分鐘即可獲得干燥的試件。同時，因為無需加熱，也避免了高溫對于試件老化的影響。
/圖2：CoreDry PRO真空干燥機(jī)/
該方法同樣由真空密度測試儀CoreLok的制造商美國InstroTek公司開發(fā)，目前這種真空除濕的試件處理方法也成為了美國的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法：ASTM D7227和AASHTO R79。這種試驗設(shè)備與CoreLok一樣，也是一種多用途的試件處理工具，還可以用于瀝青混合料的快速干燥，以及去除乳化瀝青中的水分，得到用于其他性能試驗的乳化瀝青殘留物。
/圖3：乳化瀝青干燥托盤和支架/
2 路面材料多功能動態(tài)試驗系統(tǒng)（UTM-130）
新規(guī)范中增加的其他4種試驗方法都是基于動態(tài)材料試驗機(jī)來完成的，主要是在動態(tài)荷載條件下，以壓縮，拉伸和彎曲三種不同的作用形式來測量材料的模量，以及增加了與瀝青混合料四點(diǎn)小梁彎曲疲勞試驗方法一樣的疲勞試驗方法，來測定無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料的疲勞壽命。
? T0862動態(tài)彎拉回彈模量試驗方法
舊規(guī)范中彎拉回彈模量試驗采用的是靜態(tài)加載，僅年來，因為動態(tài)試驗機(jī)的進(jìn)一步普及，新規(guī)范增補(bǔ)了動態(tài)試驗測量彎拉回彈模量的試驗方法。加載的器具（如圖4所示）與舊規(guī)范中的要求一致，但加載條件更改為：半正弦荷載波形，頻率10Hz，無間歇時間，每級荷載作用次數(shù)為200次，以0.1P，0.2P，0.3P，0.4P，0.5P和0.6P的6級應(yīng)力水平進(jìn)行應(yīng)力振幅掃描。
這種試件夾持工具除了可以完成動態(tài)和靜態(tài)彎拉回彈模量試驗外，也可以按照T0851方法的要求測量試件的彎拉強(qiáng)度，得到的彎拉強(qiáng)度可以作為T0865疲勞試驗方法B應(yīng)力控制模式時的破壞強(qiáng)度P，以便確定疲勞試驗的荷載水平。
/圖4：彎拉試驗的試件夾持工具/
? T0863拉伸試驗方法
新規(guī)范中增加的拉伸試驗方法主要參考法標(biāo)NF 98-230-1振動壓實試件成型方法和NF 98-232-2直接拉伸試驗測定力學(xué)性能的試驗方法，測得試件的直接拉伸強(qiáng)度和拉伸模量。
/圖5：拉伸動態(tài)模量試驗形式/
? T0864單軸壓縮模量試驗方法（側(cè)面法）
該試驗方法實際上已收錄在2017年更新的JTG D50-2017公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范中，即附錄E的試驗方法。這種試驗方法的位移測量傳感器安裝形式與我們熟悉的JTG E20-2011 T0738瀝青混合料單軸壓縮動態(tài)模量類似。都是在側(cè)面安裝3個120°角平均分布的位移傳感器，通過測量試件中段的變形計算平均值來計算材料的動態(tài)模量。
/圖6：頂面法和側(cè)面法同時安裝的試驗形式/
? T0865疲勞試驗方法（B法）
在疲勞試驗方面，新規(guī)范借鑒了瀝青混合料疲勞試驗的經(jīng)驗，增加了基于JTG E20-2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程中T0739試驗方法改進(jìn)的試驗方法。與原規(guī)程中的T0856方法（即新規(guī)范的T0856方法A）相比，這種試驗設(shè)備可以對試件施加正弦荷載，能夠以應(yīng)力控制和應(yīng)變控制兩種方式進(jìn)行試驗，使試件跨中的底面和頂面同時承受拉伸與壓縮兩種荷載模式的交變作用。兩種方法的主要差異見表1。
/表1：疲勞試驗方法A和B的差異/
新規(guī)范的兩個主要編寫單位交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院和山東省交通科學(xué)研究院均是使用Controls-IPC的UTM-100路面材料多功能動態(tài)試驗系統(tǒng)完成的相關(guān)試驗方法研究并編寫新規(guī)范。如今，UTM-100已經(jīng)升級為UTM-130，即最大靜態(tài)荷載提高到±130kN，最大動態(tài)荷載為±100kN。（對于特殊需求來說，還可以訂制UTM-250，UTM-130XL等特殊型號）
/圖7：UTM-130路面材料多功能動態(tài)試驗系統(tǒng)/
4個新增的試驗方法中，動態(tài)彎拉、拉伸和壓縮模量的試驗?zāi)K可以直接放入UTM-130的環(huán)境箱內(nèi)使用。疲勞試驗方法B則有如下4種試驗方式：
/表2：四點(diǎn)小梁彎曲疲勞試驗的設(shè)備形式/
這幾種設(shè)備的形式各有利弊，適用于不同實驗室條件和需求的用戶使用。一些選型的建議包括：
氣動式設(shè)備。獨(dú)立式氣動四點(diǎn)小梁疲勞試驗機(jī)可以放入UTM的環(huán)境箱中使用，也可以搭配任何獨(dú)立的溫控箱進(jìn)行使用。對于疲勞試驗任務(wù)量很大的用戶，適合選用獨(dú)立式設(shè)備（包括獨(dú)立控制器）加配獨(dú)立溫控箱的方案。這樣，用戶可以同時進(jìn)行四點(diǎn)小梁彎曲疲勞試驗，以及UTM材料試驗機(jī)的其他力學(xué)試驗?；蚴菚簳r經(jīng)費(fèi)有限，但后期可以升級的用戶，可以在一期建設(shè)時，利用UTM和控制器和溫控箱搭配獨(dú)立式設(shè)備開展試驗；在二期建設(shè)時，購買獨(dú)立溫控箱和控制器將其組合成1套獨(dú)立的疲勞試驗系統(tǒng)。
電動式設(shè)備。相比于氣壓和液壓技術(shù)，電動技術(shù)具有噪音極低、維護(hù)簡單、集成度高、占地面積小等優(yōu)勢。我們目前具有兩款AsphaltQube系列的電動系統(tǒng)，均可以完成四點(diǎn)小梁疲勞試驗。
/圖8：電動型四點(diǎn)小梁疲勞試驗系統(tǒng)/
液壓式設(shè)備。液壓式設(shè)備使用UTM系統(tǒng)的液壓動力進(jìn)行加載，并使用UTM系統(tǒng)的溫控箱和控制器。適合預(yù)算有限的用戶，或是需要進(jìn)行大荷載疲勞試驗的用戶使用。標(biāo)準(zhǔn)的液壓式夾具可以滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的試驗需求，當(dāng)選購UTM-130XL型試驗機(jī)和超深環(huán)境箱時，可以選購超大型四點(diǎn)彎曲疲勞試驗夾具，來進(jìn)行超大尺寸的梁型試件試驗，開展諸如路面結(jié)構(gòu)組合梁型試件的疲勞試驗，或是鋼橋面鋪裝試驗方法中的三點(diǎn)或五點(diǎn)彎曲試驗方法。
/圖9：超大型四點(diǎn)梁疲勞試驗機(jī)（左）和超大型試件和標(biāo)準(zhǔn)試件的對比效果（右）/
3 新規(guī)范試驗方法的配套試件成型設(shè)備
在2009年版舊規(guī)范到如今2024年版新規(guī)范之間的15年間，國內(nèi)的儀器制造水平取得了長足的進(jìn)步，因此在新規(guī)范中對試件成型提出了更高的要求。例如：T0865疲勞試驗方法B的3.1條建議“按照輪碾成型方法成型無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料板塊試件，板塊試件尺寸為430mm×300mm×80mm。然后用高精度金剛石雙面鋸對板塊試件進(jìn)行切割”，這里涉及了3個成型設(shè)備的進(jìn)步：
? 輪碾成型機(jī)
以外，無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試件成型是按照T0844的壓力試驗機(jī)靜壓成型。在新規(guī)范中，則建議了與瀝青混合料試件成型方式相同的輪碾成型方式。這種變化提高了實驗室輪碾壓實儀的利用率，值得注意的是：
新一代的高級輪碾壓實儀主要按照EN 12697-33試件成型方法中的方法5.3設(shè)計，碾壓頭深入試模，試模和壓頭沿軌道一同運(yùn)動。
注：EN 12697-33標(biāo)準(zhǔn)中共有4種成型方法，5.1為法國標(biāo)準(zhǔn)的充氣輪胎碾壓形式；5.2為光滑鋼輪壓實方法；5.4為扇形鋼輪碾壓鋼條成型的方法，即原PMW漢堡車轍試件成型機(jī)的壓實方法。因為方法普及范圍，設(shè)備復(fù)雜程度，設(shè)備成本等原因，5.1，5.2和5.4三種方法的成型設(shè)備遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如5.3方法的成型設(shè)備普及。
/圖10：EN 12697-33試件成型方法標(biāo)準(zhǔn)中方法5.3的壓頭深入試模碾壓形式/
新一代高級輪碾壓實機(jī)具有高度控制和力控制兩種控制方式，可以按照EN 12697-33標(biāo)準(zhǔn)7.3.2.1條的要求進(jìn)行高度控制模式的預(yù)壓實和力控制模式的主壓實兩階段壓實。以此來獲得表面平整，密度均勻的板塊型試件。
/圖11：EN 12697-33要求的壓實程序/
為滿足不同試驗方法對試件尺寸的要求，高級輪碾壓實儀支持通過更換壓頭和試模來得到不同尺寸的試件。主要的尺寸包括：
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300mm×300mm，主要為中國標(biāo)準(zhǔn)的車轍動穩(wěn)定度試驗成型試件。
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320mm×260mm，主要為漢堡車轍試驗標(biāo)準(zhǔn)成型試件。（漢堡車轍試驗建議以旋轉(zhuǎn)壓實成型圓柱體試件或現(xiàn)場取芯試驗為主；也可以考慮直接使用300mm×300mm車轍板進(jìn)行試驗；該尺寸僅為“必須嚴(yán)格按照漢堡車轍試驗標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行車轍板試件”的用戶提供）
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500mm×300mm，用于成型板塊試件后切割四點(diǎn)小梁彎曲疲勞試件。
其他特殊應(yīng)用目的尺寸的試模和壓頭可根據(jù)實際情況進(jìn)行訂制。此外，還可以訂制壓頭和試模的加熱功能，以及振動壓實功能。
? 金剛石雙面鋸
為保證在力學(xué)試驗階段，荷載能夠在試件內(nèi)部均勻傳遞，不發(fā)生偏載的情況。新規(guī)范的拉伸，壓縮和彎拉動態(tài)試驗方法中對于試件成型的要求中都建議宜使用雙面鋸。因此，目前雙面鋸正在逐漸替代單面鋸成為市場上的主流產(chǎn)品。而新一代的雙面鋸在借鑒傳統(tǒng)進(jìn)口設(shè)備功能特性的基礎(chǔ)上，結(jié)合目前道路材料的要求進(jìn)行了眾多的改進(jìn)。這些改進(jìn)包括：
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提高鋸片最大間距至150mm，滿足切割動態(tài)壓縮、拉伸圓柱體試件的要求；
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開發(fā)特制夾具，一次性切割4個直徑38mm小試件，用于小試件的動態(tài)模量和拉伸疲勞試驗；
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特殊訂制半圓形、漢堡型、Overlay型、梯形梁等特殊試件的切割夾具；
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用于切割過程觀察的特殊玻璃窗；
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靜音設(shè)計，大幅度降低切割時的噪音。
/圖13：金剛石雙面鋸/
? 全自動取芯機(jī)
在動態(tài)拉伸和壓縮試驗中，圓柱體試件的獲取涉及到取芯。以往，用戶為了獲取高質(zhì)量的芯樣，或是從特殊尺寸的試件中鉆芯，會購買進(jìn)口的取芯機(jī)。但目前進(jìn)口的道路材料實驗室多功能取芯機(jī)主要以半自動形式為主，需要手搖控制鉆頭的進(jìn)給。當(dāng)試件數(shù)量較多時，無疑增加了試驗人員的負(fù)擔(dān)。
因此，我們基于道路材料（瀝青混凝土，無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類材料，超高性能水泥混凝土，巖石等）試驗中各種常規(guī)試驗和科研試驗對于圓柱體試件尺寸的需求，開發(fā)了全自動的多功能實驗室取芯機(jī)，為每種試驗配備專用的鉆頭，試件夾持工具來輕松獲取圓柱體芯樣。
/圖14：全自動取芯機(jī)/
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