本篇為新版交通部行業試驗標準配套試驗設備解讀系列文章的第2篇：JTG 3441-2024公路工程無機結合料穩定材料試驗規程（以下均簡稱“新規范”）新增試驗設備。
相比于集料新規范，無機結合料穩定材料的新規范變動較小，只增加了5種新的試驗方法：
-
T0861密度測試方法（真空塑封法）
-
T0862動態彎拉回彈模量試驗方法
-
T0863拉伸試驗方法
-
T0864單軸壓縮模量試驗方法（側面法）
-
T0865疲勞試驗方法（B法）
這5種試驗方法涉及以下的試驗設備。
1 真空密度測試儀（CoreLok）
近年來，一些學者開始關注無機結合料穩定類基層的級配組成和體積特性，提出了無機結合料穩定材料的毛體積密度、最大理論密度、空隙率等體積指標，進一步完善了無機結合料穩定類基層的材料組成設計理論。由于無機結合料穩定材料的吸水率較大，無法采用水中重法和表干法進行毛體積密度測定，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范條文說明。
真空密度測試儀（CoreLok）實際上是一種業內眾多單位已經比較熟悉，并大量應用于瀝青混合料壓實試件毛體積密度試驗的測試設備。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，用于蒸發掉試件中含有的水分，這種除濕方法效率較低。預算充裕的用戶可以考慮購買專用的真空干燥機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/
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，目前這種真空除濕的試件處理方法也成為了美國的標準試驗方法：ASTM D7227和AASHTO R79。這種試驗設備與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試驗系統（UTM-130）
新規范中增加的其他4種試驗方法都是基于動態材料試驗機來完成的，主要是在動態荷載條件下，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小梁彎曲疲勞試驗方法一樣的疲勞試驗方法，來測定無機結合料穩定材料的疲勞壽命。
? T0862動態彎拉回彈模量試驗方法
舊規范中彎拉回彈模量試驗采用的是靜態加載，僅年來，因為動態試驗機的進一步普及，新規范增補了動態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，每級荷載作用次數為200次，以0.1P，0.2P，0.3P，0.4P，0.5P和0.6P的6級應力水平進行應力振幅掃描。
這種試件夾持工具除了可以完成動態和靜態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度，得到的彎拉強度可以作為T0865疲勞試驗方法B應力控制模式時的破壞強度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
新規范中增加的拉伸試驗方法主要參考法標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性能的試驗方法，測得試件的直接拉伸強度和拉伸模量。
/圖5：拉伸動態模量試驗形式/
? T0864單軸壓縮模量試驗方法（側面法）
該試驗方法實際上已收錄在2017年更新的JTG D50-2017公路瀝青路面設計規范中，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模量類似。都是在側面安裝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模量。
/圖6：頂面法和側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，新規范借鑒了瀝青混合料疲勞試驗的經驗，增加了基于JTG E20-2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程中T0739試驗方法改進的試驗方法。與原規程中的T0856方法（即新規范的T0856方法A）相比，這種試驗設備可以對試件施加正弦荷載，能夠以應力控制和應變控制兩種方式進行試驗，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/
新規范的兩個主要編寫單位交通運輸部公路科學研究院和山東省交通科學研究院均是使用Controls-IPC的UTM-100路面材料多功能動態試驗系統完成的相關試驗方法研究并編寫新規范。如今，UTM-100已經升級為UTM-130，即最大靜態荷載提高到±130kN，最大動態荷載為±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試驗系統/
4個新增的試驗方法中，動態彎拉、拉伸和壓縮模量的試驗模塊可以直接放入UTM-130的環境箱內使用。疲勞試驗方法B則有如下4種試驗方式：
/表2：四點小梁彎曲疲勞試驗的設備形式/
這幾種設備的形式各有利弊，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：
氣動式設備。獨立式氣動四點小梁疲勞試驗機可以放入UTM的環境箱中使用，也可以搭配任何獨立的溫控箱進行使用。對于疲勞試驗任務量很大的用戶，適合選用獨立式設備（包括獨立控制器）加配獨立溫控箱的方案。這樣，用戶可以同時進行四點小梁彎曲疲勞試驗，以及UTM材料試驗機的其他力學試驗。或是暫時經費有限，但后期可以升級的用戶，可以在一期建設時，利用UTM和控制器和溫控箱搭配獨立式設備開展試驗；在二期建設時，購買獨立溫控箱和控制器將其組合成1套獨立的疲勞試驗系統。
電動式設備。相比于氣壓和液壓技術，電動技術具有噪音極低、維護簡單、集成度高、占地面積小等優勢。我們目前具有兩款AsphaltQube系列的電動系統，均可以完成四點小梁疲勞試驗。
/圖8：電動型四點小梁疲勞試驗系統/
液壓式設備。液壓式設備使用UTM系統的液壓動力進行加載，并使用UTM系統的溫控箱和控制器。適合預算有限的用戶，或是需要進行大荷載疲勞試驗的用戶使用。標準的液壓式夾具可以滿足規范標準的試驗需求，當選購UTM-130XL型試驗機和超深環境箱時，可以選購超大型四點彎曲疲勞試驗夾具，來進行超大尺寸的梁型試件試驗，開展諸如路面結構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或五點彎曲試驗方法。
/圖9：超大型四點梁疲勞試驗機（左）和超大型試件和標準試件的對比效果（右）/
3 新規范試驗方法的配套試件成型設備
在2009年版舊規范到如今2024年版新規范之間的15年間，國內的儀器制造水平取得了長足的進步，因此在新規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結合料穩定材料板塊試件，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行切割”，這里涉及了3個成型設備的進步：
? 輪碾成型機
以外，無機結合料穩定材料試件成型是按照T0844的壓力試驗機靜壓成型。在新規范中，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設計，碾壓頭深入試模，試模和壓頭沿軌道一同運動。
注：EN 12697-33標準中共有4種成型方法，5.1為法國標準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的壓實方法。因為方法普及范圍，設備復雜程度，設備成本等原因，5.1，5.2和5.4三種方法的成型設備遠遠不如5.3方法的成型設備普及。
/圖10：EN 12697-33試件成型方法標準中方法5.3的壓頭深入試模碾壓形式/
新一代高級輪碾壓實機具有高度控制和力控制兩種控制方式，可以按照EN 12697-33標準7.3.2.1條的要求進行高度控制模式的預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：
-
300mm×300mm，主要為中國標準的車轍動穩定度試驗成型試件。
-
320mm×260mm，主要為漢堡車轍試驗標準成型試件。（漢堡車轍試驗建議以旋轉壓實成型圓柱體試件或現場取芯試驗為主；也可以考慮直接使用300mm×300mm車轍板進行試驗；該尺寸僅為“必須嚴格按照漢堡車轍試驗標準要求進行車轍板試件”的用戶提供）
-
500mm×300mm，用于成型板塊試件后切割四點小梁彎曲疲勞試件。
其他特殊應用目的尺寸的試模和壓頭可根據實際情況進行訂制。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
為保證在力學試驗階段，荷載能夠在試件內部均勻傳遞，不發生偏載的情況。新規范的拉伸，壓縮和彎拉動態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品。而新一代的雙面鋸在借鑒傳統進口設備功能特性的基礎上，結合目前道路材料的要求進行了眾多的改進。這些改進包括：
-
提高鋸片最大間距至150mm，滿足切割動態壓縮、拉伸圓柱體試件的要求；
-
開發特制夾具，一次性切割4個直徑38mm小試件，用于小試件的動態模量和拉伸疲勞試驗；
-
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；
-
用于切割過程觀察的特殊玻璃窗；
-
靜音設計，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
在動態拉伸和壓縮試驗中，圓柱體試件的獲取涉及到取芯。以往，用戶為了獲取高質量的芯樣，或是從特殊尺寸的試件中鉆芯，會購買進口的取芯機。但目前進口的道路材料實驗室多功能取芯機主要以半自動形式為主，需要手搖控制鉆頭的進給。當試件數量較多時，無疑增加了試驗人員的負擔。
因此，我們基于道路材料（瀝青混凝土，無機結合料穩定類材料，超高性能水泥混凝土，巖石等）試驗中各種常規試驗和科研試驗對于圓柱體試件尺寸的需求，開發了全自動的多功能實驗室取芯機，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/
如果您對標準中的相關設備及“超規范”研究感興趣，請聯系歐美大地，共同探討相關應用，或訂制開發特殊的試驗方法和設備。
技術支持：service@epc.com.hk
