本发明涉及力学试验领域，具体涉及一种沥青混合料集料接触强度剪切试验装置及其试验方法。
背景技术：
沥青混合料是由矿料、沥青及空隙构成的多相颗粒材料。压实混合料的集料表面包裹沥青，矿料颗粒间的界面接触、界面滑移导致的摩擦效应及迁移机制决定了混合料的宏观力学特性，进而影响沥青路面的使用性能。但由于缺乏足够的试验手段，目前的剪切试验主要针对堆积矿料，无法测得压实状态下沥青混合料的颗粒界面剪切强度，使得在混合料强度分析过程中缺少颗粒的“切向弹性刚度”这一参数，在力学模拟过程中易导致误差。因此，专门针对沥青混合料的集料界面强度测定方法的研究与相关设备的开发是非常必要的。该设备有助于提升混合料的设计水平，实现精细化、可控化、数字化的材料设计理念。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种沥青混合料集料接触强度剪切试验装置及其试验方法，以解决现有技术中无法测得压实状态下沥青混合料的颗粒界面剪切强度技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种沥青混合料集料接触强度剪切试验装置，包括试验平台、拉力动力箱、推力动力箱和小车，所述拉力动力箱和所述推力动力箱分别设置于所述试验平台的相邻两个侧面上，所述试验平台上设有轨道，所述轨道与所述拉力动力箱的拉力输出端的端面垂直设置，所述小车设置于所述轨道上并可在所述轨道上来回运动，所述小车上可拆卸的连接有第一套筒，所述第一套筒的端面与所述推力动力箱相对设置，所述试验平台上可拆卸的连接有第二套筒，所述第二套筒设置于所述轨道的一侧，所述第二套筒的端面与所述第一套筒的端面平行设置。
作为优选方案，所述推力动力箱包括带滚轮的推力装置，所述推力装置设置于所述推力动力箱的推力输出端端面上。
作为优选方案，所述第一套筒和所述第二套筒为形状、大小相同的圆柱体结构，所述圆柱体结构包括上半体和下半体，所述上半体的外壁设有第一连接位，所述下半体上设有与所述第一连接位相对于的第二连接位，所述第一连接位和所述第二连接位通过螺栓连接；所述小车与所述第一套筒通过直杆连接，所述直杆贯穿所述第一连接位和第二连接位设置。
作为优选方案，所述第一套筒和所述第二套筒在高度方向上对齐设置，所述第一套筒外侧的侧壁上设有第一定位孔，所述第一定位孔的端面与所述第一套筒的端面平行，所述第二套筒设有与所述第一套筒上的第一定位孔相对应的第二定位孔，所述第一定位孔和第二定位孔均设有内螺纹。
作为优选方案，所述设置于第一套筒侧壁上的第一定位孔的数量为2，所述2个第一定位孔分别设置于所述上半体和所述下半体上。
作为优选方案，所述第一套筒上设有散力板，所述散力板可拆卸连接于所述第一套筒靠近所述推力动力箱一端的端面上。
作为优选方案，所述拉力动力箱的侧壁上设有控制面板。
作为优选方案，所述拉力动力箱的内部设有提供拉力的电机；所述推力动力箱的内部设有提供推力的电机。
为实现上述相同目的，本发明提供了一种沥青混合料集料接触强度剪切试验的试验方法，包括如下步骤，
s000、将第一试验试件和第二试验试件分别放置于第一套筒和第二套筒内部，然后将设置于所述第一套筒上的螺栓拧紧至所述第一试验试件只能在所述第一套筒的内部来回运动；将设置于所述第二套筒上的螺栓拧紧至所述第二试验试件不能相对于所述第二套筒运动；其中，所述第一试验试件和第二试验试件均为由沥青混合料集料制成的圆柱体结构且所述第一试验试件和所述第二试验试件的形状大小相同；
s100、将散力板固定于所述第一套筒靠近推力动力箱一端的端面上；
s200、通过移动小车将所述第一套筒移动至与所述第一套筒的端面对齐，在所述第一试验试件和所述第二试验试件之间设置应力胶片；
s300、启动推力装置推动所述第一试验试件相对于所述第二试验试件运动，使所述第一试验试件和所述第二试验试件之间产生压力p，所述第一试验试件和所述第二试验试件相互接触的两个端面上的颗粒在应力胶片上留下印痕；
s400、将所述推力装置从所述第一试验试件的表面移开，使所述第一试验试件和所述第二试验试件之间的压力消失，取出应力胶片并统计所述第一试验试件和所述第二试验试件之间的接触面积；
s500、再次启动推力装置，使两个试件相接触，同时将设置于所述第一套筒上的螺栓拧紧至所述第一试验试件不能相对于所述第一套筒运动，在分别设置于所述第一套筒和所述第二套筒上的第一定位孔和第二定位孔内插入定位杆，其中，所述第一定位孔和第二定位孔内均设有内螺纹，所述定位杆上设有与所述内螺纹相对应的外螺纹，实现固定所述第一试验试件和所述第二试验试件之间的相对位置；
s600、将所述第一套筒从小车上拆离，将所述第二套筒从试验平台上拆离，将所述第一试验试件、第二试验试件、第一套筒和第二套筒组成的整体从试验平台上取出，将所述定位杆拧紧至所述第一套筒和所述第二套筒相接触，然后对所述第一试验试件和所述第二试验试件进行加热，使所述第一试验试件和所述第二试验试件之间的接触面粘结在一起；
s700、将所述第一套筒安装至小车上，将所述第二套筒安装至试验平台上，重新将所述第一试验试件、第二试验试件、第一套筒和第二套筒组成的整体安装至试验平台上，将设置于所述第一套筒上的螺栓拧松至所述第一试验试件只能在所述第一套筒的内部来回运动；
s800、再次启动推力装置推动所述第一试验试件相对于所述第二试验试件运动，使所述第一试验试件和所述第二试验试件之间产生压力p，启动拉力动力箱，对小车施加拉力，逐渐增大拉力动力箱的拉力，当拉力动力箱提供的拉力正好使所述小车开始移动时，记录拉力动力箱的拉力值q、推力装置的压力值p和小车位移s随时间的变化曲线；
s900、计算沥青混合料集料界面剪切强度，依据颗粒接触面切向弹性刚度的力学理论关系式：
计算界面弹性刚度指标，式中：kt接触界面的切向弹性刚度；r为散体颗粒的等效半径，可通过接触面积、接触点数量反算；
作为优选方案，所述步骤s400中采用数字图像处理软件统计所述第一试验试件和所述第二试验试件之间的接触面积。
本发明所提供的沥青混合料集料接触强度剪切试验装置，包括试验平台、拉力动力箱、推力动力箱和小车，所述小车上可拆卸的连接有第一套筒，所述试验平台上可拆卸的连接有第二套筒，所述第二套筒设置于所述轨道的一侧，所述第二套筒的端面与所述第一套筒的端面平行设置；本发明通过第一套筒和第二套筒分别夹持第一试验试件和第二试验试件，其中，第一试验试件和第二试验试件均为由沥青混合料集料制成的圆柱体结构，通过推力动力箱推动第一试验试件，使得第一试验试件和第二试验试件之间产生压力p，从而可以获取第一试验试件和第二试验试件之间的接触面积，通过拉力动力箱在两个试验试件之间提供切向荷载并记录所提供的切向荷载的具体数值，通过推力动力箱提供法向荷载并记录所提供的法向荷载的具体数值，在获取了第一试验试件和第二试验试件之间的接触面积以及切向荷载和法向荷载之后即可计算沥青混合料集料界面剪切强度。此外，通过将所述第一套筒和第二套筒水平放置，并将试验试件水平放置于第一套筒和第二套筒内，有效的消除了试验试件自重对试验数据的影响。本发明通过设计一套用于的沥青混合料集料接触强度剪切试验的试验装置，解决了现有技术中无法测得压实状态下沥青混合料的颗粒界面剪切强度技术问题，且本发明所提供的试验装置能够精确模拟沥青混合料集料颗粒之间相对滑移，有助于提升混合料的设计水平，实现精细化、可控化、数字化的材料设计理念。
进一步地，本发明通过设置推力装置用以推动试验试件，同时可以模拟试验试件之间的法向载荷，通过将所述推力装置设计为带滚轮的形式，在试验过程中，对小车施加拉力、小车被拉动时，滚轮可以有效避免来自推力装置对小车在移动方向上产生的摩擦力，从而减小了试验误差。
进一步地，本发明通过在第一套筒上设置散力板，当推力装置推动第一试验试件时，将推力装置施加的荷载作用于散力板上，有利于推力装置提供的载荷均匀的分布到第一试验试件上，避免了应力集中。
本发明所提供的沥青混合料集料接触强度剪切试验的试验方法，通过在第一试验试件和第二试验试件之间设置应力胶片，利用推力装置推动第二试验试件相对于第一试验试件运动，使第一试验试件和第二试验试件之间产生压力p，再次过程中第一试验试件和第二试验试件相互接触的两个端面上的颗粒在应力胶片上留下印痕，通过所述印痕即可统计第一试验试件和第二试验试件之间的接触面积；通过拉力动力箱在两个试验试件之间提供切向荷载并记录所提供的切向荷载的具体数值，通过推力动力箱提供法向荷载并记录所提供的法向荷载的具体数值，在获取了第一试验试件和第二试验试件之间的接触面积以及切向荷载和法向荷载之后即可计算沥青混合料集料界面剪切强度。本发明针对所设计的沥青混合料集料接触强度剪切试验装置提供的试验方法，解决了现有技术中无法测得压实状态下沥青混合料的颗粒界面剪切强度技术问题，且本发明所提供的试验装置能够精确模拟沥青混合料集料颗粒之间相对滑移，有助于提升混合料的设计水平，实现精细化、可控化、数字化的材料设计理念。
附图说明
图1为发明沥青混合料集料接触强度剪切试验装置的俯视图；
图2为发明沥青混合料集料接触强度剪切试验装置的左视图；
图3为发明沥青混合料集料接触强度剪切试验装置的主视图；
图4为本发明中小车的截面示意图。
其中：1、拉力动力箱；2、推力动力箱；3、试验平台；4、第二套筒；5、第一套筒；6、轨道；7、滚轮；8、推力装置；9、第二定位孔；10、小车；11、控制面板；12、螺栓；13、第一定位孔；14、直杆；51、上半体；52、下半体。
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的范围。
如图1-4所示为本发明所提供的一种沥青混合料集料接触强度剪切试验装置，包括试验平台3、拉力动力箱1、推力动力箱2和小车10，所述拉力动力箱1和所述推力动力箱2分别设置于所述试验平台3的相邻两个侧面上，所述试验平台3上设有轨道6，所述轨道6与所述拉力动力箱1的拉力输出端的端面垂直设置，所述小车10设置于所述轨道6上并可在所述轨道6上来回运动，所述小车10上可拆卸的连接有第一套筒5，所述第一套筒5的端面与所述推力动力箱2相对设置，所述试验平台3上可拆卸的连接有第二套筒4，所述第二套筒4设置于所述轨道6的一侧，所述第二套筒4的端面与所述第一套筒5的端面平行设置。本发明通过第一套筒5和第二套筒4分别夹持第一试验试件和第二试验试件，其中，第一试验试件和第二试验试件均为由沥青混合料集料制成的圆柱体结构，通过推力动力箱2推动第一试验试件，使得第一试验试件和第二试验试件之间产生压力p，从而可以获取第一试验试件和第二试验试件之间的接触面积，通过拉力动力箱1在两个试验试件之间提供切向荷载并记录所提供的切向荷载的具体数值，通过推力动力箱2提供法向荷载并记录所提供的法向荷载的具体数值，在获取了第一试验试件和第二试验试件之间的接触面积以及切向荷载和法向荷载之后即可计算沥青混合料集料界面剪切强度。此外，通过将所述第一套筒5和第二套筒4水平放置，并将试验试件水平放置于第一套筒5和第二套筒4内，有效的消除了试验试件自重对试验数据的影响。本发明通过设计一套用于的沥青混合料集料接触强度剪切试验的试验装置，解决了现有技术中无法测得压实状态下沥青混合料的颗粒界面剪切强度技术问题，且本发明所提供的试验装置能够精确模拟沥青混合料集料颗粒之间相对滑移，有助于提升混合料的设计水平，实现精细化、可控化、数字化的材料设计理念。
进一步地，所述推力动力箱2包括带滚轮7的推力装置8，所述推力装置8设置于所述推力动力箱2的推力输出端端面上。本发明通过设置推力装置8用以推动试验试件，同时可以模拟试验试件之间的法向载荷，通过将所述推力装置8设计为带滚轮7的形式，在试验过程中，对小车10施加拉力、小车10被拉动时，滚轮7可以有效避免来自推力装置8对小车10在移动方向上产生的摩擦力，从而减小了试验误差。
进一步地，所述第一套筒5和所述第二套筒4为形状、大小相同的圆柱体结构，所述圆柱体结构包括上半体51和下半体52，所述上半体51的外壁设有第一连接位，所述下半体52上设有与所述第一连接位相对于的第二连接位，所述第一连接位和所述第二连接位通过螺栓12连接；所述小车10与所述第一套筒5通过直杆14连接，所述直杆14贯穿所述第一连接位和第二连接位设置。在本实施例中，在进行试验时，所选用的试验试件的截面略大于所述第一套筒5和所述第二套筒4的截面积，本实施例中所选用的试验试件的直径为15cm。通过调节螺栓12的拧紧程度，即可实现对所夹持的试验试件的自由度的控制，如在试验开始时，然后将设置于所述第一套筒5上的螺栓12拧紧至所述第一试验试件不能相对于所述第一套筒5运动，即将第一试验试件的自由度限制为0；同时，将设置于所述第二套筒4上的螺栓12拧紧至所述第二试验试件只能在所述第二套筒4的内部来回运动，此时第二试验试件的自由度为2，只能在第二套筒4的内部来回运动或绕自身轴线转动。
进一步地，所述第一套筒5和所述第二套筒4在高度方向上对齐设置，所述第一套筒5外侧的侧壁上设有第一定位孔13，所述第一定位孔13的端面与所述第一套筒5的端面平行，所述第二套筒4设有与所述第一套筒5上的第一定位孔13相对应的第二定位孔9，所述第一定位孔13和第二定位孔9内均设有内螺纹。通过设置第一定位孔13和第二定位孔9，同时在第一定位孔13和第二定位孔9内均设置内螺纹，试验时在第一定位孔13和第二定位孔9内插入带有外螺纹的定位杆，即可实现固定所述第一试验试件和所述第二试验试件之间的相对位置关系的作用。
进一步地，所述设置于第一套筒5侧壁上的第一定位孔13的数量为2，所述2个第一定位孔13分别设置于所述上半体51和所述下半体52上。通过进一步对第一定位孔13的数量和位置的布置，有效的保证了定位的效果。
进一步地，所述第一套筒5上设有散力板，所述散力板可拆卸连接于所述第一套筒5靠近所述推力动力箱2一端的端面上。本发明通过在第一套筒5上设置散力板，当推力装置8推动第一试验试件时，将推力装置8施加的荷载作用于散力板上，有利于推力装置8提供的载荷均匀的分布到第一试验试件上，避免了应力集中。
进一步地，通过在所述拉力动力箱1的侧壁上设有控制面板11，从而实现对整个试验装置的控制。所述拉力动力箱1的内部设有提供拉力的电机；所述推力动力箱2的内部设有提供推力的电机。
一种沥青混合料集料接触强度剪切试验的试验方法，包括如下步骤，
s000、将第一试验试件和第二试验试件分别放置于第一套筒5和第二套筒4内部，然后将设置于所述第一套筒5上的螺栓12拧紧至所述第一试验试件只能在所述第一套筒5的内部来回运动；将设置于所述第二套筒4上的螺栓12拧紧至所述第二试验试件不能相对于所述第二套筒4运动；其中，所述第一试验试件和第二试验试件均为由沥青混合料集料制成的圆柱体结构且所述第一试验试件和所述第二试验试件的形状大小相同；
s100、将散力板固定于所述第一套筒5靠近推力动力箱2一端的端面上；
s200、通过移动小车10将所述第一套筒5移动至与所述第一套筒5的端面对齐，在所述第一试验试件和所述第二试验试件之间设置应力胶片；
s300、启动推力装置8推动所述第一试验试件相对于所述第二试验试件运动，使所述第一试验试件和所述第二试验试件之间产生压力p，所述第一试验试件和所述第二试验试件相互接触的两个端面上的颗粒在应力胶片上留下印痕；
s400、将所述推力装置8从所述第一试验试件的表面移开，使所述第一试验试件和所述第二试验试件之间的压力消失，取出应力胶片并统计所述第一试验试件和所述第二试验试件之间的接触面积；
s500、再次启动推力装置8，使两个试件相接触，同时将设置于所述第一套筒5上的螺栓12拧紧至所述第一试验试件不能相对于所述第一套筒5运动，在分别设置于所述第一套筒5和所述第二套筒4上的第一定位孔13和第二定位孔9内插入定位杆，其中，所述第一定位孔13和第二定位孔9内均设有内螺纹，所述定位杆上设有与所述内螺纹相对应的外螺纹，实现固定所述第一试验试件和所述第二试验试件之间的相对位置；如图3所示，由于所述直杆14在竖直方向上将所述小车10与所述第一套筒5连接，所以，当所述定位杆旋入所述第一定位孔13和第二定位孔9时，由于直杆14的阻挡，所述第一套筒5和所述第二套筒4不会发生相对移动。
s600、将所述第一套筒5从小车10上拆离，将所述第二套筒4从试验平台3上拆离，将所述第一试验试件、第二试验试件、第一套筒5和第二套筒4组成的整体从试验平台3上取出，将所述定位杆拧紧至所述第一套筒5和所述第二套筒4相接触，然后对所述第一试验试件和所述第二试验试件进行加热，使所述第一试验试件和所述第二试验试件之间的接触面粘结在一起；在本步骤中，由于所述第一套筒5从小车10上拆离，即将所述直杆14拆离，将所述直杆14拆离之后，所述第一套筒5可相对于所述第二套筒4发生相对移动。
s700、将所述第一套筒5安装至小车10上，将所述第二套筒4安装至试验平台3上，重新将所述第一试验试件、第二试验试件、第一套筒5和第二套筒4组成的整体安装至试验平台3上，将设置于所述第一套筒5上的螺栓12拧松至所述第一试验试件只能在所述第一套筒5的内部来回运动；作为优选的方法，在本步骤中将所述定位杆拧松至步骤s500时的状态。
s800、再次启动推力装置8推动所述第一试验试件相对于所述第二试验试件运动，使所述第一试验试件和所述第二试验试件之间产生压力p，启动拉力动力箱1，对小车10施加拉力，逐渐增大拉力动力箱1的拉力，当拉力动力箱1提供的拉力正好使所述小车10开始移动时，记录拉力动力箱1的拉力值q、推力装置8的压力值p和小车10的位移s随时间的变化曲线，其中小车位移s用于反算切向应变；
s900、计算沥青混合料集料界面剪切强度，依据颗粒接触面切向弹性刚度的力学理论关系式：
计算界面弹性刚度指标，式中：kt接触界面的切向弹性刚度；r为散体颗粒的等效半径，可通过接触面积、接触点数量反算；
沥青混合料作为典型的三相体系，其宏观力学特性受制于内部颗粒的分布特性以及沥青胶浆性能。因此可以采用散体力学理论分析沥青混合料的力学性能，研究颗粒黏连状态和骨架特征对宏观材料性能的影响。目前可用沥青混合料剪切模量的散体力学模型计算得到材料的剪切强度指标，如式(2)所示：
式中：gδ为均匀应变假定时的剪切模量；r为散体颗粒的等效半径；λ为切向与法向刚度比值；ks为颗粒切向弹性刚度；kn为颗粒法向弹性刚度；n/v为散体材料单位体积内接触点数量。根据式(1)利用试验所测得的接触面积、接触点数量可计算出颗粒切向弹性刚度ks，进而得到λ的取值，最终计算得到沥青混合料的剪切模量。同时，式(1)和式(2)亦可用于散体力学模型的优化研究。
本发明所提供的沥青混合料集料接触强度剪切试验的试验方法，通过在第一试验试件和第二试验试件之间设置应力胶片，利用推力装置8推动第二试验试件相对于第一试验试件运动，使第一试验试件和第二试验试件之间产生压力p，再次过程中第一试验试件和第二试验试件相互接触的两个端面上的颗粒在应力胶片上留下印痕，通过所述印痕即可统计第一试验试件和第二试验试件之间的接触面积；通过拉力动力箱1在两个试验试件之间提供切向荷载并记录所提供的切向荷载的具体数值，通过推力动力箱2提供法向荷载并记录所提供的法向荷载的具体数值，在获取了第一试验试件和第二试验试件之间的接触面积以及切向荷载和法向荷载之后即可计算沥青混合料集料界面剪切强度。本发明针对所设计的沥青混合料集料接触强度剪切试验装置提供的试验方法，解决了现有技术中无法测得压实状态下沥青混合料的颗粒界面剪切强度技术问题，且本发明所提供的试验装置能够精确模拟沥青混合料集料颗粒之间相对滑移，有助于提升混合料的设计水平，实现精细化、可控化、数字化的材料设计理念。
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。