瀝青路面層間剪應力檢測儀開發與應用＊

劉海明，宋緒丁，霍亞光，周 寅

（1.長安大學現代工程訓練中心，陜西 西安 710064；2.長安大學 工程機械學院，陜西 西安 710064）

0 引言

隨著我國交通運輸業的不斷發展，公路路面早期破壞問題也日益突出。此類破壞現象主要是路面層間的滑移、路面表層的擁包和車轍。造成此類破壞的原因是層間接觸面的粘結力小于層間的剪應力而引起的［1］。因此，為了避免此類破壞現象發生，必須加強公路粘結層之間抗剪強度的檢測，通過抗剪強度檢測查找施工路面的薄弱部位，及時采取必要的補救措施，使施工質量得以有效保障。目前，國內現有的試驗儀器各不相同，其中戴經梁教授設計開發的DLG－A型路面材料剪切儀［2－4］和長沙理工大學開發的45－D0548型便攜式剪切儀器［5－7］具有典型的代表性。國外的現有的試驗儀器存在價格昂貴，體積較大，且不適于現場檢測等缺點。現有的儀器使用的是220 V交流電源，但是層間檢測儀器一般是在野外施工現場進行檢測，而檢測地點往往很難找穩定的220 V交流電源，若用發電機來發電會帶來電磁干擾，在很大程度上影響檢測結果的可靠性。

開發了一套非交流電源供電的瀝青路面層間剪應力檢測儀。該儀器穩定性和可靠性高，采用直流蓄電池供電，能更方便的用于戶外檢測。在對大量試驗數據分析和總結的基礎上，對瀝青路面層間的性能指標給出統一的判斷標準，使工程技術人員可方便地根據工程性質選擇具有適當性能的粘結材料。與此同時，工程技術人員還能夠實時控制施工過程，確保施工質量。

1 檢測儀的設計開發

1.1 檢測儀的結構組成及其工作原理

該檢測儀由底座、安裝在底座上的蝸桿蝸輪減速箱和導座、步進電機、蝸桿蝸輪減速器、力傳感器、螺桿、水平向推動桿、剪切件等組成［8］。步進電機通過同步帶與蝸桿連接，蝸桿與蝸輪構成蝸輪蝸桿傳動副，蝸輪與螺桿構成梯形螺紋副，螺桿與水平向推動桿之間安裝有力傳感器，水平向推動桿端部安裝有剪切件，其結構如圖1所示。

圖1 檢測儀結構示意圖Fig.1 Structural diagram of measuring instrument

本裝置中，力傳感器的檢測范圍為5～500 kg，綜合精度為0.02% ～0.03%FS.在試驗時，先通過上位機軟件，對剪切的速度進行設置，然后啟動步進電機8正向轉動，步進電機8通過蝸桿帶輪3和同步帶9驅動蝸桿4轉動，蝸桿4在蝸輪蝸桿副的作用下驅動蝸輪7轉動，蝸輪7在梯形螺紋副的作用下驅動螺桿6向前水平移動，從而推動剪切件13進行剪切試樣。與此同時，控制系統不斷采集來自力傳感器10的剪切力數據，并通過USB接口將此數據傳給上位機，實時以曲線圖來顯示剪切力的變化。當完成剪切試驗后，剪切件可在上位機軟件控制下退至初始位置，方便進行下次剪切實驗。

1.2 控制系統總體方案設計

本檢測儀的控制系統以TI(Texas Instruments)公司推出的MSP430單片機為控制核心，來實現力傳感器的信號采集、信號放大、信號濾波處理以及數據傳輸等功能；USB芯片實現USB接口，并把單片機采集到的數據信號傳輸至上位機；上位機完成對數據信號的接收和顯示、存儲、處理以及計算等功能。單片機生成步進電機的脈沖信號，該信號經過步進電機驅動器來驅動步進電機的運轉。同時增加相關按鈕和指示燈，方便操作者手動控制步進電機的正反轉，并顯示當前系統運行狀態［9］。其系統結構框圖如圖2所示。

圖2 控制系統結構框圖Fig.2 Structure block diagram of control system

1.3 控制系統軟件設計

本控制系統選用圖形化編程軟件LabVIEW作為開發平臺，因為LabVIEW能夠為用戶提供直觀、易用、簡明的圖形編程方式［10］。采用人機交互式前面板操作界面，將各類信號用圖形按扭顯示在面板上，用于顯示所測量參數的數據。在檢測之前，使用者可在前面板進行初始化參數的設置，其中包括波形圖的縱橫坐標、傳感器的量程以及電機的轉速。在檢測過程中，檢測數據可以通過數值顯示控件和波形圖表顯示出來，并且檢測數據和檢測圖像可以手動調零和清除；檢測完成之后，控制系統還可以保存數據和圖像，并生成檢測報告；本檢測系統還具有數據回放的功能，方便地回放檢測結果，便于使用者觀看和分析。本控制系統的操作界面如圖3所示。

圖3 系統操作界面Fig.3 Operation interface of system

2 檢測儀的應用

2.1 檢測實例

為了檢驗該系統的具體使用情況，分別選擇甘肅境內某高速公路、河北境內某大修公路、貴陽某大修公路為試驗路段進行檢測，試驗內容分別介紹如下

1)甘肅境內某高速公路，以下簡稱路段A，粘結層采用的材料是乳化瀝青。共取直徑為100 mm的圓柱狀馬歇爾試樣47個(其中右幅27個，左幅20個)。

2)河北境內某大修公路，以下簡稱路段B，粘結層采用的材料是SBS改性瀝青。共取直徑為100 mm的圓柱狀馬歇爾試樣80個(全部為右幅)。

試驗過程中，整個設備運行穩定，使用正常，能夠很好的滿足檢測要求。圖4所示的是其中一個檢測點的剪切力曲線。由圖4可知，該設備具有很好的抗干擾能力，檢測數據準確，曲線連續光滑，沒有產生信號突變。

圖4 剪切力曲線Fig.4 Curve of shear stress

2.2 檢測結果分析

表1為三個路段的剪應力強度試驗統計結果。

A路段上下面層之間的粘接層是乳化瀝青，試驗現場的平均溫度是12.5℃，上下面層層間剪應力強度平均值是0.557 MPa，B路段上下面層之間的粘接層是SBS改性瀝青，試驗現場的平均溫度是27℃，上下面層層間剪應力強度平均值是0.964 MPa.

表1 A，B路段上面層與下面層層間剪應力強度試驗統計結果Tab.1 Statistical results for strength of shear stress between upper layer and lower layer of A section and B section MPa

表2中數據為路面各層間不同粘結層材料的平均剪切強度值，由該統計表可得出，SBS改性瀝青整體粘結強度明顯高于乳化瀝青。SBS改性瀝青用于基面與面層層間時，其平均剪應力強度是0.36 MPa，SBS改性瀝青用于面層與面層層間時，其平均剪應力強度高達0.956 MPa.與之相對，乳化瀝青用于基面與面層層間時，其平均剪應力強度是0.168 MPa，僅為 SBS改性瀝青的0.47倍，乳化瀝青用于面層與面層層間時，其平均剪應力強度是0.557 MPa，僅為 SBS改性瀝青的0.58倍。由此可見，SBS改性瀝青與乳化瀝青相比，可以有效提高路面各層間的剪應力強度。

表2 不同粘層材料下路面結構各層剪切強度試驗統計結果Tab.2 Statistical results for strength of each layer for different tack coats MPa

相關研究表明，SBS改性瀝青的抗剪性能優于乳化瀝青。通過該儀器的檢測數據對比分析可知檢測結果與上述研究結果一致，檢測結果表明該儀器工作穩定可靠，適合于室內外瀝青路面層間檢測。

3 結論

開發的一套瀝青路面層間剪應力檢測儀，采用蓄電池供電，具有很高的便攜性，也可大大降低電磁干擾對檢測結果的影響。解決了現有瀝青路面層間檢測儀存在的問題與不足。通過試驗，該設備對瀝青路面層間剪應力的檢測結果準確，表明該設備運行穩定可靠，完全滿足檢測儀的室內外瀝青路面層間檢測。

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