沥青路面层间剪应力检测仪开发与应用＊

刘海明，宋绪丁，霍亚光，周 寅

（1.长安大学现代工程训练中心，陕西 西安 710064；2.长安大学 工程机械学院，陕西 西安 710064）

0 引言

随着我国交通运输业的不断发展，公路路面早期破坏问题也日益突出。此类破坏现象主要是路面层间的滑移、路面表层的拥包和车辙。造成此类破坏的原因是层间接触面的粘结力小于层间的剪应力而引起的［1］。因此，为了避免此类破坏现象发生，必须加强公路粘结层之间抗剪强度的检测，通过抗剪强度检测查找施工路面的薄弱部位，及时采取必要的补救措施，使施工质量得以有效保障。目前，国内现有的试验仪器各不相同，其中戴经梁教授设计开发的DLG－A型路面材料剪切仪［2－4］和长沙理工大学开发的45－D0548型便携式剪切仪器［5－7］具有典型的代表性。国外的现有的试验仪器存在价格昂贵，体积较大，且不适于现场检测等缺点。现有的仪器使用的是220 V交流电源，但是层间检测仪器一般是在野外施工现场进行检测，而检测地点往往很难找稳定的220 V交流电源，若用发电机来发电会带来电磁干扰，在很大程度上影响检测结果的可靠性。

开发了一套非交流电源供电的沥青路面层间剪应力检测仪。该仪器稳定性和可靠性高，采用直流蓄电池供电，能更方便的用于户外检测。在对大量试验数据分析和总结的基础上，对沥青路面层间的性能指标给出统一的判断标准，使工程技术人员可方便地根据工程性质选择具有适当性能的粘结材料。与此同时，工程技术人员还能够实时控制施工过程，确保施工质量。

1 检测仪的设计开发

1.1 检测仪的结构组成及其工作原理

该检测仪由底座、安装在底座上的蜗杆蜗轮减速箱和导座、步进电机、蜗杆蜗轮减速器、力传感器、螺杆、水平向推动杆、剪切件等组成［8］。步进电机通过同步带与蜗杆连接，蜗杆与蜗轮构成蜗轮蜗杆传动副，蜗轮与螺杆构成梯形螺纹副，螺杆与水平向推动杆之间安装有力传感器，水平向推动杆端部安装有剪切件，其结构如图1所示。

图1 检测仪结构示意图Fig.1 Structural diagram of measuring instrument

本装置中，力传感器的检测范围为5～500 kg，综合精度为0.02% ～0.03%FS.在试验时，先通过上位机软件，对剪切的速度进行设置，然后启动步进电机8正向转动，步进电机8通过蜗杆带轮3和同步带9驱动蜗杆4转动，蜗杆4在蜗轮蜗杆副的作用下驱动蜗轮7转动，蜗轮7在梯形螺纹副的作用下驱动螺杆6向前水平移动，从而推动剪切件13进行剪切试样。与此同时，控制系统不断采集来自力传感器10的剪切力数据，并通过USB接口将此数据传给上位机，实时以曲线图来显示剪切力的变化。当完成剪切试验后，剪切件可在上位机软件控制下退至初始位置，方便进行下次剪切实验。

1.2 控制系统总体方案设计

本检测仪的控制系统以TI(Texas Instruments)公司推出的MSP430单片机为控制核心，来实现力传感器的信号采集、信号放大、信号滤波处理以及数据传输等功能；USB芯片实现USB接口，并把单片机采集到的数据信号传输至上位机；上位机完成对数据信号的接收和显示、存储、处理以及计算等功能。单片机生成步进电机的脉冲信号，该信号经过步进电机驱动器来驱动步进电机的运转。同时增加相关按钮和指示灯，方便操作者手动控制步进电机的正反转，并显示当前系统运行状态［9］。其系统结构框图如图2所示。

图2 控制系统结构框图Fig.2 Structure block diagram of control system

1.3 控制系统软件设计

本控制系统选用图形化编程软件LabVIEW作为开发平台，因为LabVIEW能够为用户提供直观、易用、简明的图形编程方式［10］。采用人机交互式前面板操作界面，将各类信号用图形按扭显示在面板上，用于显示所测量参数的数据。在检测之前，使用者可在前面板进行初始化参数的设置，其中包括波形图的纵横坐标、传感器的量程以及电机的转速。在检测过程中，检测数据可以通过数值显示控件和波形图表显示出来，并且检测数据和检测图像可以手动调零和清除；检测完成之后，控制系统还可以保存数据和图像，并生成检测报告；本检测系统还具有数据回放的功能，方便地回放检测结果，便于使用者观看和分析。本控制系统的操作界面如图3所示。

图3 系统操作界面Fig.3 Operation interface of system

2 检测仪的应用

2.1 检测实例

为了检验该系统的具体使用情况，分别选择甘肃境内某高速公路、河北境内某大修公路、贵阳某大修公路为试验路段进行检测，试验内容分别介绍如下

1)甘肃境内某高速公路，以下简称路段A，粘结层采用的材料是乳化沥青。共取直径为100 mm的圆柱状马歇尔试样47个(其中右幅27个，左幅20个)。

2)河北境内某大修公路，以下简称路段B，粘结层采用的材料是SBS改性沥青。共取直径为100 mm的圆柱状马歇尔试样80个(全部为右幅)。

试验过程中，整个设备运行稳定，使用正常，能够很好的满足检测要求。图4所示的是其中一个检测点的剪切力曲线。由图4可知，该设备具有很好的抗干扰能力，检测数据准确，曲线连续光滑，没有产生信号突变。

图4 剪切力曲线Fig.4 Curve of shear stress

2.2 检测结果分析

表1为三个路段的剪应力强度试验统计结果。

A路段上下面层之间的粘接层是乳化沥青，试验现场的平均温度是12.5℃，上下面层层间剪应力强度平均值是0.557 MPa，B路段上下面层之间的粘接层是SBS改性沥青，试验现场的平均温度是27℃，上下面层层间剪应力强度平均值是0.964 MPa.

表1 A，B路段上面层与下面层层间剪应力强度试验统计结果Tab.1 Statistical results for strength of shear stress between upper layer and lower layer of A section and B section MPa

表2中数据为路面各层间不同粘结层材料的平均剪切强度值，由该统计表可得出，SBS改性沥青整体粘结强度明显高于乳化沥青。SBS改性沥青用于基面与面层层间时，其平均剪应力强度是0.36 MPa，SBS改性沥青用于面层与面层层间时，其平均剪应力强度高达0.956 MPa.与之相对，乳化沥青用于基面与面层层间时，其平均剪应力强度是0.168 MPa，仅为 SBS改性沥青的0.47倍，乳化沥青用于面层与面层层间时，其平均剪应力强度是0.557 MPa，仅为 SBS改性沥青的0.58倍。由此可见，SBS改性沥青与乳化沥青相比，可以有效提高路面各层间的剪应力强度。

表2 不同粘层材料下路面结构各层剪切强度试验统计结果Tab.2 Statistical results for strength of each layer for different tack coats MPa

相关研究表明，SBS改性沥青的抗剪性能优于乳化沥青。通过该仪器的检测数据对比分析可知检测结果与上述研究结果一致，检测结果表明该仪器工作稳定可靠，适合于室内外沥青路面层间检测。

3 结论

开发的一套沥青路面层间剪应力检测仪，采用蓄电池供电，具有很高的便携性，也可大大降低电磁干扰对检测结果的影响。解决了现有沥青路面层间检测仪存在的问题与不足。通过试验，该设备对沥青路面层间剪应力的检测结果准确，表明该设备运行稳定可靠，完全满足检测仪的室内外沥青路面层间检测。

References

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