桥梁无缝伸缩缝材料疲劳开裂模拟测试方法及其测试设备技术

本发明专利技术涉及一种桥梁无缝伸缩缝材料疲劳开裂模拟测试方法及其测试设备。其测试方法包括如下步骤：1)将2块混凝土构件置于试验平台上固定制成具有凹槽的伸缩缝结构；2)待测的桥梁无缝伸缩缝材料铺筑于伸缩缝结构的凹槽中制成试件；3)设定试验温度，试件在恒定温度下保温；4)将轮胎放置于试件表面，调节轮压以及轮胎与试件之间的相对行程距离和速度，使试件与轮胎之间产生相对往复运动；5)使2块混凝土构件产生相对往复运动；6)测量桥梁无缝伸缩缝材料拉伸变形量，分别记录桥梁无缝伸缩缝产生初裂和终裂时混凝土构件和轮胎相对往复运动次数。本发明专利技术可用于测定桥梁无缝伸缩缝材料在轮胎载荷和桥梁温度收缩共同作用下的疲劳开裂所需的重复加载作用次数。

【技术实现步骤摘要】
桥梁无缝伸缩缝材料疲劳开裂模拟测试方法及其测试设备
本专利技术涉及一种桥梁无缝伸缩缝材料疲劳开裂模拟测试方法及其测试设备，具体地说是用于中小桥梁无缝伸缩缝材料在轮胎载荷和桥梁温度收缩共同作用下的疲劳开裂模拟测试方法及其测试设备。
技术介绍
桥梁伸缩缝是桥梁设计中的一个重要组成部分，它是为了满足桥梁的伸缩变形，在桥梁结构的梁端之间或其他适当位置设置的能够相对自由变形的装置。桥梁伸缩缝在桥梁结构中直接承受行车载荷的冲击，并且长期暴露在空气中，使用环境恶劣，容易破坏并且维护成本高。在桥梁结构中，伸缩缝是相对较小和便宜的一个部分，其设计、材料选择及施工过程往往没有得到足够的重视，使得其实际使用寿命远低于设计寿命，需要频繁的维修和养护，严重影响了交通畅通，频繁的维护也带来了资源的浪费与环境的破坏。目前桥梁伸缩缝破坏引起的桥梁问题屡屡被报道，桥梁养护调查研究表明伸缩缝是桥梁结构中最薄弱且养护成本最高的环节之一。法国和葡萄牙调查结果显示伸缩缝的养护成本约占到整个桥梁养护成本的7%?22%。目前国内外主要使用的桥梁伸缩装置可分为以下6种类型，即无缝式、填塞对接式、嵌固对接式、橡胶板式、钢制支承式和模数式。桥梁伸缩缝也可简单地分为开口缝和闭口缝两类。开口伸缩缝容易使水和腐蚀性的污染物进入，加快桥梁面板、支座和底层结构性能的衰减，因此这类伸缩缝已经很少使用，而闭口伸缩缝种类相对多。对于桥梁伸缩量比较小时，浙青填充式无缝伸缩缝是最常用的一种伸缩缝装置。无缝伸缩缝由于其良好的降噪能力和行车舒适性而得到了越来越多的关注。无缝伸缩缝的伸缩量一般在50_以内，主要应用于跨度较小的中小型桥梁。此外，浙青填充式伸缩缝还可以代替旧桥梁的连接缝，因此在丨H混凝土桥上的应用比例也相对高。浙青填充式桥梁无缝伸缩缝在国内又称为TST无缝伸缩缝，其结构示意图如图1a所示，典型破坏形式见图1b所示。相比于其他类型的伸缩缝，无缝伸缩缝能使桥梁结构无缝化，其主要工作原理是在桥梁梁端间隙中填入特殊的聚合物改性浙青混合料来适应由于温度和载荷引起的桥梁变形。无缝伸缩缝具有良好的整体性和耐久性，施工方便，易于维修和养护，行车舒适，造价相对较低，其主要缺点是使用寿命较低，一般为3-7年。因此如何提高其服役性能和延长其使用寿命是目前急需解决的问题。典型的无缝伸缩缝结构由泡沫棒、跨缝钢板、浙青填充料和路面槽口构成。浙青填充料是由聚合物改性浙青与间断级配或单一级配的集料组合形成的综合性能优异的材料。无缝伸缩缝结构相对较为简单，却具有复杂的服役行为。单一级配的集料之间会产生大量的空隙，浙青胶结料在填充这些空隙后，其体积可占到整个混合料的20%-40%。与传统热拌浙青混合料相比，无缝伸缩缝的浙青胶结料用量更大，这使得伸缩缝的使用性能对浙青胶结料的相关性能依赖性更为显著。浙青胶结料的高温稳定性、应力松弛性能和低温柔韧性与其制备的浙青填充料的抗永久变形、低温开裂和疲劳开裂都有直接的联系。无缝伸缩缝破坏机理很多，典型的破坏包括低温和疲劳开裂、车辙和永久变形以及与原路面的界面破坏。前期研究结果表明整个伸缩缝结构中仅有一小段有效长度承担了伸缩变形，此外跨缝钢板边缘和伸缩缝-原路面界面容易出现应力集中，容易出现低温开裂，一旦出现结构开裂则表明其已达到使用年限，必须更换。因此无缝伸缩缝材料低温时能承受的拉压疲劳次数往往决定了其使用寿命。目前国内外主要利用直接拉伸或拉压疲劳试验装置对伸缩缝材料进行低温延伸性和疲劳测试。在拉压疲劳试验方面，其原理是利用每天产生的温差计算中小桥梁伸缩缝的伸缩量，通过控制水平拉压位移模拟桥梁伸缩缝的伸缩量进行拉压疲劳试验，至试件出现裂缝来检测疲劳寿命。在模拟车辆轮胎荷载方面，现有的浙青混合料车辙试验仪或路面加速加载试验均可对道路材料施加往复行车荷载作用，但上述设备均不适用于桥梁伸缩缝结构。现有的研究结果表明桥梁伸缩缝材料是铺筑在桥缝结构中，其疲劳开裂是主要是桥梁温缩和交通荷载共同作用下产生的，因此在检测其疲劳寿命时应将伸缩缝结构、桥梁伸缩量和交通重复荷载统分结合起来，以分析桥梁温缩和交通荷载耦合作用。目前我国在桥梁无缝伸缩缝材料与结构性能检测方面还未形成相应的规范，因此急需开发出与桥梁无缝伸缩缝结构与受力相匹配的测试方法及其检测设备，以更好的指导材料优化和科学评价其使用寿命。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种桥梁无缝伸缩缝材料疲劳开裂模拟测试方法及其测试设备，可用于测定桥梁无缝伸缩缝材料在轮胎载荷和桥梁温度收缩共同作用下的疲劳开裂所需的重复加载作用次数。为了实现上述目的，本专利技术所采取的技术方案是，桥梁无缝伸缩缝材料疲劳开裂模拟测试方法，其特征在于包括如下步骤: 1)将2块混凝土构件置于试验平台上固定制成具有凹槽的伸缩缝结构； 2)待测的桥梁无缝伸缩缝材料铺筑于伸缩缝结构的凹槽中制成试件(伸缩缝结构试件)； 3)设定试验温度，试件在恒定温度下保温； 4)将轮胎放置于试件表面，调节轮压以及轮胎与试件之间的相对行程距离和速度，使试件与轮胎之间产生相对往复运动； 5)调节试件水平拉伸距离和速度，使2块混凝土构件产生相对往复运动； 6)测量桥梁无缝伸缩缝材料拉伸变形量，分别记录桥梁无缝伸缩缝产生初裂和终裂时混凝土构件和轮胎相对往复运动次数。所述步骤I)中，混凝土构件(混凝土桥梁伸缩缝构件)为L型，2块混凝土构件按镜像放置，中间形成凹槽。所述步骤2)中，桥梁无缝伸缩缝材料为改性浙青胶结料与单一级配集料(粒径10mnT20mm)组成的混合料,混合料的质量比为:改性浙青胶结料:集料=(15?25): (75?85)。[0011 ] 所述步骤3)中，试验温度为-20V?60°C，以模拟路面不同温度，保温时间为3?4小时。所述步骤4)中，轮胎施加在试件表面上的轮压为0.7MPa?2.0MPa，可根据需要调整轮压，实现加速加载的目的。所述步骤4)中，轮胎与试件之间的相对行程距离为30cm?50cm。所述步骤4)中，轮胎与试件之间的相对行进速度为2.0km/h?4.0km/h,通过慢速加载，增加轮压作用时间，提高疲劳效果。所述步骤5)中，2块混凝土构件(混凝土桥梁伸缩缝构件)产生相对往复运动距离为1mm?100mm，以满足不同规格的试件测试需求。所述步骤5)中，2块混凝土构件(混凝土桥梁伸缩缝构件)产生相对往复运动速度为10mm/min?50mm/mm,以模拟桥梁缓慢的温缩行为。上述测试方法还包括在轮胎与试件之间相对往复运动以及混凝土构件(混凝土桥梁伸缩缝构件)相对往复运动不同次数下对试件表面进行录像的步骤。实现上述测试方法的桥梁无缝伸缩缝材料疲劳开裂模拟测试设备，其特征在于:它包括用于安放试件的可移动的试验平台、滚动轮胎荷载模拟装置，伸缩缝收缩变形模拟装置以及保温和控制系统；滚动轮胎荷载模拟装置的实心橡胶轮胎27与位于试验平台上的试件16相接触，且实心橡胶轮胎27与试件16之间产生相对往复运动(模拟实际桥面行车荷载对伸缩缝材料的剪切疲劳作用);伸缩缝收缩变形模拟装置的第一连杆7与试验平台的第一钢板8相连，并使第一钢板8往复位移运动(模拟实际桥面伸缩缝产生的位移);保温和控制系统设置在滚动轮胎荷载模拟装置的外机架18上(实现调温功能)。所述试验平台包本文档来自技高网...

【技术保护点】
桥梁无缝伸缩缝材料疲劳开裂模拟测试方法，其特征在于包括如下步骤：1）将2块混凝土构件置于试验平台上固定制成具有凹槽的伸缩缝结构； 2）待测的桥梁无缝伸缩缝材料铺筑于伸缩缝结构的凹槽中制成试件；3）设定试验温度，试件在恒定温度下保温；4）将轮胎放置于试件表面，调节轮压以及轮胎与试件之间的相对行程距离和速度，使试件与轮胎之间产生相对往复运动；5）调节试件水平拉伸距离和速度，使2块混凝土构件产生相对往复运动；6）测量桥梁无缝伸缩缝材料拉伸变形量，分别记录桥梁无缝伸缩缝产生初裂和终裂时混凝土构件和轮胎相对往复运动次数。

【技术特征摘要】
1.桥梁无缝伸缩缝材料疲劳开裂模拟测试方法，其特征在于包括如下步骤: 1)将2块混凝土构件置于试验平台上固定制成具有凹槽的伸缩缝结构； 2)待测的桥梁无缝伸缩缝材料铺筑于伸缩缝结构的凹槽中制成试件； 3)设定试验温度，试件在恒定温度下保温； 4)将轮胎放置于试件表面，调节轮压以及轮胎与试件之间的相对行程距离和速度，使试件与轮胎之间产生相对往复运动； 5)调节试件水平拉伸距离和速度，使2块混凝土构件产生相对往复运动； 6)测量桥梁无缝伸缩缝材料拉伸变形量，分别记录桥梁无缝伸缩缝产生初裂和终裂时混凝土构件和轮胎相对往复运动次数。2.根据权利要求1所述的桥梁无缝伸缩缝材料疲劳开裂模拟测试方法，其特征在于:所述步骤I)中，混凝土构件为L型，2块混凝土构件按镜像放置，中间形成凹槽。3.根据权利要求1所述的桥梁无缝伸缩缝材料疲劳开裂模拟测试方法，其特征在于:所述步骤2)中，桥梁无缝伸缩缝材料为改性浙青胶结料与单一级配集料组成的混合料，混合料的质量比为:改性浙青胶结料:集料=15~25:75~85。4.根据权利要求1所述的桥梁无缝伸缩缝材料疲劳开裂模拟测试方法，其特征在于:所述步骤3)中，试验温度为-20°C~60°C，保温时间为3~4小时。5.根据权利要求1所述的桥梁无缝伸缩缝材料疲劳开裂模拟测试方法，其特征在于:所述步骤4)中，轮胎施加在试件表面上的轮压为0.7MPa~2.0MPa06.根据权利要求1所述的桥梁无缝伸缩缝材料疲劳开裂模拟测试方法，其特征在于:所述步骤4)中，轮胎与试件之间的相对行程距离为30cm~50cm。7.根据权利要求1所述的桥梁无缝伸缩缝材料疲劳开裂模拟测试方法，其特征在于:所述步骤4)中，轮胎与试件之间的相对行进速度为2.0km/h~4.0km/h。8.根据权利要求1所述的桥梁无缝伸缩缝材料疲劳开裂模拟测试方法，其特征在于:所述步骤5)中，2块混凝土构件产生相对往复运动距离为1mm~100mm。9.根据权利要求1所述的桥梁无缝伸缩缝材料疲劳开裂模拟测试方法，其特征在于:所述步骤5)中，2块混凝土构件产生相对往复运动速度为10mm/min~50mm/mm。10.根据权利要求1所述的桥梁无缝伸缩缝材料疲劳开裂模拟测试方法，其特征在于:步骤4) -5)中还包括在轮胎与试件之间相对往复运动以及混凝土构件相对往复运动不同次数下对试件表面进行录像的步骤。11.实现权利要求1所述的测试方法的桥梁无缝伸缩缝材料疲劳开裂模拟测试设备，其特征在于:它包括用于安放试件的可移动的试验平台、滚动轮胎荷载模拟装置，伸缩缝收缩变形模拟装置以及保温和控制系统；滚动轮胎荷载模拟装置的实心橡胶轮胎(27)与位于试验平台上的试件(16)相接触，且实心橡胶轮胎(27)与试件(16)之间产生相对往复运动；伸缩缝收缩变形模拟装置的第一连杆(7)与试验平台的第一钢板(8)相连，并使第一钢板(8)往复位移运动；保温和控制系统设置在滚动轮胎荷载模拟装置的外机架(18)上。12.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：磨炼同，刘爽，谢严君，束冬林，王慧丰，吴少鹏，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42