概述
道路工程研究领域中的 Universal Testing Machine(UTM)是指在通用材料的疲劳试验机上发展起来的专用试验设备,通常包括:动力系统,双柱式反力架,伺服动态作动器(气缸,油缸或电缸),环境箱,控制与数据采集系统,传感器(温度,力和位移等),试件固定装置,试验辅助工具,软件,计算机及线缆等组成的试验系统。UTM系统可以将成型的道路材料试件放在环境箱中,模拟材料的服役气候条件,通过加载杆对试件施加拉,压,弯,剪等各种形式的动态或静态作用,在此过程中,通过力和位移传感器测量材料的应力、应变响应,从而计算一系列的力学性能指标,进而用于沥青路面结构组合设计,沥青混合料配合比设计,预测材料的高低温性能,抗疲劳性能等路用性能。
试验功能
模量试验
单轴压缩动态模量,满足标准:AASHTO T342,JTG E20-2011 T0738
压缩动态模量,满足标准:AASHTO T378/TP132(小试件)AMPT方法(单轴法和围压法)
单轴抗压回弹模量,满足标准:JTG E20 T0713
单轴拉伸动态模量,满足标准:EN 12697-26方法D,JTG 3441 T0863(无机结合料稳定材料)
单轴拉压动态模量,满足标准:EN 12697-26方法E
间接拉伸回弹模量,满足标准:EN 12697-26方法C/方法F,ASTM D4123/D7369,AASHTO TP31/TP131
两点弯拉动态模量,满足标准:EN 12697-26方法A(法国标准)
四点弯拉动态模量,满足标准:EN 12697-26方法B,JTG 3441 T0862(无机结合料稳定材料)
无结合料三轴回弹模量,满足标准:JTG D50-2017附录D,AASHTO T307,EN 13286-7
高温抗车辙性能试验
单轴贯入试验,满足标准:JTG D50-2017附录F
单轴循环压缩试验,满足标准:EN 12697-25方法A
三轴循环压缩试验,满足标准:EN 12697-25方法B
应力扫描车辙试验,满足标准:AASHTO TP134 SSR
增量重复加载永久变形试验,满足标准:AASHTO T410 iRLPD
流值次数试验,满足标准:AASHTO T378
理想车辙试验,满足标准:ASTM D8360 Ideal-Rutting
抗裂性能试验(疲劳开裂和温度开裂)
两点梯形梁弯曲疲劳试验,满足标准:EN 12697-24方法A(法国标准)
三点弯曲试验,满足标准:JTG E20 T0715
三点弯曲蠕变试验,满足标准:JTG E20 T0728
四点小梁弯曲疲劳试验,满足标准:JTG E20 T0739/JTG 3441 T0853和T0863(方法B),AASHTO T321,ASTM D7640/D8237,EN 12697-24方法B
间接拉伸疲劳试验,满足标准:EN 12697-24方法E/方法F
直接拉伸疲劳试验,满足标准:AASHTO T400/T411(小试件)S-VECD
罩面层反射裂缝试验,满足标准:ASTM WK26816/Tex-248-F Overlay
理想开裂试验,满足标准:ASTM D8225 Ideal-Cracking
半圆弯曲开裂试验(常温法),满足标准:AASHTO T393,ASTM D8044,EN 12697-44
半圆弯曲开裂试验(低温法),满足标准:AASHTO T394
约束试件温度应力试验,满足标准:AASHTO TP10 TSRST,EN 12697-46 TSRST
低温温度应力和应变试验,满足标准:ASTM D8313 UTSST
碟型试件偏心拉伸试验,满足标准:ASTM D7313 DCT
松弛试验,满足标准:EN 12697-46 RT
拉伸蠕变试验,满足标准:EN 12697-46 TCT
单轴拉伸循环拉伸应力试验,满足标准:EN 12697-46 UCTST
间接拉伸蠕变柔量和强度试验,满足标准:AASHTO T322
层间黏结强度
路面结构层级粘结强度试验,满足标准:EN 12697-48 拉拔法和剪切法,AASHTO T407
主要特点
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专为道路材料试验开发的硬件和软件,具有以上所有试验功能的试验模板,可以直接调用开始试验;全球大部分的沥青混合料试验方法是基于CONTROLS-IPC的动态试验机(UTM和AMPT)开发的。
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环境箱温度范围(UTM-30:-40℃到+80℃ | UTM-130:-50℃到+100℃)覆盖主要自然气候,适用于研究道路材料在极端恶劣气候条件下的服役性能。
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加载能力(±30kN),荷载频率范围(0.01~70Hz)和丰富的加载波形足够模拟各种形式的交通荷载。
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新一代的控制器和软件支持用户开展自定义的科研性试验,不断拓展系统的试验功能。
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CONTROLS-IPC在全球已销售超过700套动态试验系统,测试结果得到业界的一致认可,便于开展试验比对工作。
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CONTROLS-IPC和永利y23455在道路材料试验设备制造,方法开发和技术服务领域各自超过近40年的经验,提供更多的超值技术服务。
型号选择
目前,CONTROLS-IPC的UTM系统共有5个常规型号,分别为:UTM-16P(气动型),UTM-30,UTM-130,UTM-130XL和UTM-250(从右至左)。其中,最受国内用户青睐的是UTM-30和UTM-130,在国内分别有40台左右的用户。如果您的主要测试对象是沥青混合料,那么UTM-30将是最合适的选择;如果您还希望研究无机结合料稳定材料,或是添加了建筑垃圾的材料等,可以选择UTM-130。中国也是世界上购买100kN以上量程UTM最多的国家。
图1:UTM产品系列
UTM-130XL是最早针对波兰用户需求开发的一款宽体结构的超大型设备,主要用于大尺寸复合结构梁型试件的疲劳试验,也可以按照我国的钢桥面技术规范开展五点弯曲疲劳试验。下图即为试件尺寸的对比,大型试件的尺寸可达:高160×宽200×长790mm;对比的小型试件为标准的四点小梁试件(50×63.5×380mm)。
图2:四点弯曲疲劳试验试件对比
UTM-250是目前加载能力最大的UTM系统,用于特殊强度材料的研究。
UTM-16P是以空气作为动力的系统,最大荷载16KN,主要优势是价格较低;但近年来,由于电动型设备的面世,我们更推荐用户选择AsphaltQube电动型设备。
试验软件
Controls-IPC 的动态试验系统的UTS及UTS Neutron软件具有既“简单”又“复杂”的特点:
“简单”是指软件具有数十个标准试验方法程序,以及标准试验的自定义模式程序,对于那些按照国际标准试验方法进行材料质量控制试验的用户来说,打开模板即可试验,操作非常方便;
“复杂”是指软件具有多种自定义的新方法开发模式,可以编写简单的应力/应变控制试验,疲劳试验,多步骤加载试验;Controls-IPC的软件开发工程师还可以根据用户的特殊试验需求来编写试验程序,共同开发新试验方法。
因此,Controls-IPC的软件能够满足不同工作性质的用户需求。
图3是常用的单轴压缩动态模量的试验结果示例,软件能够控制系统自动完成频率扫描,计算每个频率对应的动态模量,相位角等指标,并计算各种误差指标,对试验结果的质量进行控制。测试结果以表格的形式显示,并绘制成曲线实时显示;用户还可以将测试结果到处为.csv格式的文件,使用Excel等第三方程序进行后处理;或是导出符合FHWA发布的FlexMAT程序要求格式的数据来绘制动态模量主曲线。
图3:单轴压缩动态模量试验结果示例
IMACS2控制与数据采集系统
如今,Controls-IPC的所有动态试验系统均配备了IMACS2控制器。其中UTM系列为外置设计,AMPT和AsphaltQube系列为内置一体化设计。新一代的IMACS2控制器是Controls-IPC根据自身动态试验系统的需求与新的UTS Neutron软件共同开发的,具有如下的进步:
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新设计使用了新的电子元器件,延长了控制器的使用寿命,零配件在市场上易于购买;
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控制器与计算机软件通讯使用千兆网线,大幅度提高实时数据传输速度;
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控制器可以连接互联网,由制造商进行远程访问,对系统进行诊断,升级控制器固件;
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控制频率由原来的5kHz提高到25kHz,采样频率由5kHz提高到200kHz,AD转换分辨率提高到24位;
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控制器在主板上预留了RS485/232,CAN总线,HDMI输出,USB,编码器,电磁阀,步进电机等接口,为后期的系统升级和硬件组网预留了可能性。
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传感器自动识别技术,当插入带有智能芯片的传感器后,系统可以自动识别标定文件并导入,避免人工加载发生错误的可能性。
图4:IMACS2控制器
考虑到全球已有的数百个老用户,Controls-IPC为了让老用户也能享受到技术进步的便利,使用了双向兼容的设计。即:用户可以保留旧控制器,直接在电脑上安装新软件,用新软件控制就旧控制器;用户可以升级新控制器,并在软件上同时安装新旧软件,分别用新旧软件控制新控制器开展试验。