彈性薄層自破冰路面層間剪切試驗(yàn)研究

陳偉祥 晏鵬博 樊孟孟 王鍇

摘要：彈性薄層自破冰路面結(jié)構(gòu)中，低模量彈性鋪裝層與原路面面層兩種材料性能差異較大，其層間界面的良好粘接至關(guān)重要。文章采用自制夾具進(jìn)行層間斜剪試驗(yàn)，研究了剪切速率和試驗(yàn)溫度變化與層間界面剪應(yīng)力之間的關(guān)系;通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)彈性薄層自破冰路面結(jié)構(gòu)中低模量彈性鋪裝層與原路面層間的剪應(yīng)力隨溫度的升高而略有增大，隨剪切速率的增大而增大。

關(guān)鍵詞：彈性薄層;自破冰路面;剪應(yīng)力;剪切速率;溫度

中圖分類號(hào)：U416. 03文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI： 10. 13282/j. cnki. wccst. 2019. 12. 003

文章編號(hào)：1673 - 4874（2019）12 - 0008 - 03

0 引言

彈性薄層自破冰路面結(jié)構(gòu)是一種全新的路面結(jié)構(gòu)形式，該結(jié)構(gòu)在不改變?cè)访鏍顟B(tài)的情況下在其上層加鋪一層功能層，所加鋪功能層模量相對(duì)較低，可利用車載產(chǎn)生自破冰的效果。由于低模量彈性鋪裝層、瀝青面層和層間粘結(jié)劑在材料、模量、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度等方面存在著差異，因此，諸多因素影響著低模量彈性鋪裝層與原路面層間界面力學(xué)強(qiáng)度。

本文開展對(duì)彈性薄層自破冰路面耐久性的系統(tǒng)研究，深入分析結(jié)構(gòu)層的受力情況，通過層間剪切試驗(yàn)，得出彈性薄層自破冰路面結(jié)構(gòu)的層間剪應(yīng)力與剪切速率、試驗(yàn)溫度具有較好的相關(guān)性，從而為彈性薄層自破冰路面加鋪層與原路面層間剪應(yīng)力的預(yù)估提供了一種參考方法。

1 研究思路

彈性薄層自破冰路面鋪裝的目的是通過車輛荷載，使路面鋪裝層產(chǎn)生一定的變形量，從而誘發(fā)冰層破裂。由于冰層彈性模量較大，而彈性鋪裝層所選用的材料模量較小，較大的模量差，使冰層承受了大部分的車輛荷載，在冰層協(xié)同面層一起變形的過程中，冰層由于變形過大，從而導(dǎo)致冰層開裂。

彈性薄層自破冰路面鋪裝層的優(yōu)點(diǎn)是：溫度敏感性很低，在車輛荷載下具有較大的變形，同時(shí)在車輛離開后，能夠迅速地恢復(fù)變形。這種路面和現(xiàn)有路面完全不同，其集料采用具有低模量及可恢復(fù)屬性的彈性橡膠顆粒，膠結(jié)料采用溫度敏感性較低的聚氨酯類材料替代，而且還可以在常溫下施工。通過這種改變以實(shí)現(xiàn)“路面+車輛”主動(dòng)破冰的目的，其結(jié)構(gòu)組合如圖1所示。該路面材料與傳統(tǒng)路面材料性能差異較大，兩者之間的接觸界面強(qiáng)度很難控制。

2 剪切試驗(yàn)

研究剪切試驗(yàn)過程中的試驗(yàn)外加條件（如剪切速率、試驗(yàn)溫度等）對(duì)剪應(yīng)力的影響，并探索其規(guī)律性。

2.1 材料參數(shù)及實(shí)驗(yàn)方案

2.1.1 材料參數(shù)

材料隨著溫度的變化其彈性模量也會(huì)變化，本文室內(nèi)試驗(yàn)采用的低模量彈性鋪裝層混合料為級(jí)配橡膠粉拌和30%的雙組份聚氨酯，其中以6目、10目、20目、40目和80目5種廢舊輪胎橡膠粉采用最大密度法計(jì)算出最佳級(jí)配，與雙組份聚氨酯拌和均勻后作為混合料，該混合料與瀝青路面面層模量受溫度影響較小。所用聚氨酯性能參數(shù)如表1所示。

瀝青雖然屬于粘彈性材料，但是在冬季低溫下，瀝青混合料表現(xiàn)為剛性體。為了能夠更加表現(xiàn)出彈性鋪裝層在自破冰方面的優(yōu)勢(shì)，選取o℃瀝青混合料模量最低的情況進(jìn)行計(jì)算。具體鋪裝層材料參數(shù)見表2。

由于低模量彈性鋪裝層與瀝青混凝土面層材料性能差異較大，兩者之間的粘接比較困難，一方面要確保層間的粘結(jié)強(qiáng)度，避免層間的剝離或者滑移;另一方面也需要有性能過渡的作用，以實(shí)現(xiàn)彈性薄層自破冰路面結(jié)構(gòu)受力的均勻性。通過大量的實(shí)驗(yàn)比選，最終確定了以改性環(huán)氧樹脂作為層間粘結(jié)劑，其性能參數(shù)如表3所示。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)方案及步驟

（1）制作試件

為更好地分析實(shí)際路面行車受力狀態(tài)，本文在研究中自主研發(fā)制成剪切測(cè)試試件。首先依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20 - 2011）成型AC-1 3車轍試件，尺寸為30 cm×30 cm×5 cm，待其完全固化成型后在其表面刷涂層間粘結(jié)劑，用量為0. 35～0. 40 kg/m2;靜置30 min后將定量的級(jí)配橡膠顆粒與聚氨酯膠拌和均勻的混合料攤鋪在試件表面，搗平，用30 kg的平板靜壓10 min，常溫靜置養(yǎng)護(hù)7d，得到車轍板上1 cm厚的彈性橡膠混合料層，再將其切割成9個(gè)10 cmx10 cmx6 cm的測(cè)試試件用于剪切試驗(yàn)（如圖2所示）。

（2）剪切速率

采用3種剪切速率，分別為：5 mm/min.15 mm/min、50 mm/min，加載采用應(yīng)變控制的方式。

（3）試驗(yàn)溫度

采用4種試驗(yàn)溫度-25℃、0℃、25℃、50℃進(jìn)行斜剪試驗(yàn)，分別表征不同溫度環(huán)境下的剪應(yīng)力。試驗(yàn)前試件需要在對(duì)應(yīng)溫度的溫度箱中保溫5h以上。

2.2 試驗(yàn)計(jì)算

道路正常運(yùn)營時(shí)，實(shí)際路面的層間滑移破壞不僅承受水平荷載，同時(shí)還承受車輛等垂直荷載，因此本文采用斜剪模式（傾角為45°）。另考慮到上層低模量彈性層試驗(yàn)時(shí)的車載形變對(duì)剪應(yīng)力作用的影響，試驗(yàn)中在上層彈性層下端套上厚度為3 mm、高度為5mm的鋼圈，這種模式能更好地模擬彈性薄層自破冰路面的實(shí)際層間受力。剪切試驗(yàn)如圖3所示。

由已知的傾角和試件的尺寸，推出剪應(yīng)力的計(jì)算公式，如式（1）：

式中：r ——剪應(yīng)力（MPa）;

F——外部垂直的壓力（N）;

s——有效剪切面積（ m2），該實(shí)驗(yàn)中為 100 cm2。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

通過多次平行試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)平均數(shù)據(jù)后可得低模量彈性鋪裝層與原路面層間斜剪試驗(yàn)的結(jié)果如表4所示。

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 試驗(yàn)溫度對(duì)剪應(yīng)力的影響

低模量彈性鋪裝層與原路面層間斜剪試驗(yàn)的試驗(yàn)溫度與剪應(yīng)力的影響關(guān)系如圖4所示。

由圖4可知，彈性薄層自破冰路面結(jié)構(gòu)中低模量彈性鋪裝層與原路面層間的剪應(yīng)力隨溫度的升高略有增加，但變化幅度不大，且變化基本趨于線性。由于層間粘結(jié)材料選用改性環(huán)氧樹脂，該樹脂屬熱固型樹脂，待其固化后自身對(duì)于溫度不敏感。在一定溫度范圍內(nèi)，隨溫度的降低其脆性逐漸增加，抗剪性能也隨之降低。低模量彈性鋪裝層受壓力作用變形較大，且層間粘結(jié)材料彈性變形性也較大，試件材料在測(cè)試過程中不會(huì)因受壓而產(chǎn)生破壞，但主要是以層間產(chǎn)生滑動(dòng)而發(fā)生破壞。因此，該新型路面結(jié)構(gòu)的后期推廣應(yīng)用須著重關(guān)注其層間抗剪性能。

3.2.2 剪切速率對(duì)剪應(yīng)力的影響

低模量彈性鋪裝層與原路面層間斜剪試驗(yàn)的剪切速率v與剪應(yīng)力的影響關(guān)系如圖5所示。

由圖5可知，在同一溫度下，低模量彈性鋪裝層與原路面層間剪應(yīng)力隨著剪切速率的增加而增加，且速率越大剪應(yīng)力的增加越明顯。即在速率不斷增大時(shí)，層間接觸狀態(tài)變化較大，逐漸由完全接觸狀態(tài)向光滑接觸狀態(tài)變化，從而發(fā)生層間滑移的可能性變大。實(shí)際交通運(yùn)營時(shí)也是如此，行駛車輛在緊急制動(dòng)時(shí)比緩慢剎車對(duì)路面的剪切破壞可能性大。

4 結(jié)語

（1）彈性薄層自破冰路面結(jié)構(gòu)中低模量彈性鋪裝層與原路面層間的剪應(yīng)力受材料、溫度、試驗(yàn)條件等諸多因素影響;

（2）隨著溫度的升高，彈性薄層自破冰路面結(jié)構(gòu)中低模量彈性鋪裝層與原路面層間的剪應(yīng)力略有增加;

（3）在相同溫度下，低模量彈性鋪裝層與原路面層間剪應(yīng)力隨著剪切速率的增加而增大，且速率越大剪應(yīng)力的增大越明顯。

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作者簡介：陳偉祥（1973-），高級(jí)工程師，主要從事公路管理工作;

晏鵬博（1989-），碩士，工程師，主要從事公路管理工作;

樊孟孟（1988-），碩士，工程師，主要從事道路材料研究工作;

王鍇（1989-），碩士，工程師，主要從事道路材料研究工作。