基于溫度影響的水泥混凝土路面層間接觸狀態(tài)研究

李思李，田 波

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150090;2.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究所，北京 100088)

0 引言

為了準(zhǔn)確模擬水泥混凝土路面板與基層在環(huán)境溫度、濕度變化作用下發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的實(shí)際受力狀況，從而深入研究水泥混凝土路面層間摩阻力的變化規(guī)律及影響因素，研究人員從1924年開(kāi)始開(kāi)展一系列的頂推試驗(yàn)(Push-off test)，考察基層類(lèi)型、面板厚度、界面特性、接觸狀況等因素對(duì)層間摩阻力的影響。2000年，Seung Woo Lee總結(jié)了以往8位研究人員針對(duì)層間摩阻力開(kāi)展的66組頂推試驗(yàn)的結(jié)果，結(jié)合經(jīng)典物理學(xué)摩擦理論中的Leonardo da Vinci-Amontons定律，提出了一個(gè)數(shù)學(xué)表達(dá)簡(jiǎn)單、能清晰直觀反映層間摩阻力與路面板水平位移之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，并針對(duì)不同類(lèi)型基層給出了標(biāo)準(zhǔn)狀況下該模型中參數(shù)的參考值，同時(shí)建議根據(jù)實(shí)際路面狀況對(duì)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行修正處理[1]。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于粒料基層，板厚對(duì)于層間最大摩阻系數(shù)影響不大[2]。另外，在頂推試驗(yàn)剛開(kāi)始的3～4個(gè)循環(huán)加載過(guò)程中，最大摩阻系數(shù)呈明顯下降趨勢(shì)，初始位移則有逐漸變大。同時(shí)，研究結(jié)果并未發(fā)現(xiàn)加載速率、基層溫度和濕度對(duì)摩阻力有明顯影響[3]。

1 研究思路

由于在溫度變化影響下水泥混凝土路面板會(huì)產(chǎn)生伸長(zhǎng)與收縮形變，同時(shí)下部基層幾乎不受溫度影響產(chǎn)生形變，此時(shí)混凝土板將與基層產(chǎn)生相對(duì)位移以及層間摩阻力?；诖碎_(kāi)展溫度變化影響下水泥混凝土路面板與基層間接觸狀態(tài)及摩阻力變化規(guī)律尤為關(guān)鍵。

研究思路從受溫度影響的層間接觸破壞機(jī)理分析、確定層間摩阻力關(guān)鍵影響因素以及加速模擬層間接觸破壞過(guò)程的試驗(yàn)方法展開(kāi)，最終確定具體試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)。

(1)溫度影響的層間接觸破壞機(jī)理

在溫度變化影響下，層間接觸狀態(tài)的破壞是由于面層板與基層產(chǎn)生相對(duì)位移。在短期溫差較大的環(huán)境下，由于較大的面層板伸縮量將導(dǎo)致層間狀態(tài)的直接破壞；在小溫差環(huán)境內(nèi)，面層板與基層相對(duì)位移量較小的情況下，層間接觸狀態(tài)雖然不會(huì)發(fā)生直接破壞，但面層板在長(zhǎng)期伸縮形變下，層間接觸狀態(tài)會(huì)因累計(jì)變形產(chǎn)生疲勞破壞。

(2)層間摩阻力關(guān)鍵影響因素

根據(jù)滑動(dòng)摩擦力的層間粗糙程度以及垂直于滑動(dòng)面重量?jī)纱笥绊懼笜?biāo)，確定面層板與基層間不同的層間構(gòu)造以及不同配重的水泥混凝土板作為層間摩阻力研究的關(guān)鍵因素。

(3)加速模擬層間接觸破壞過(guò)程的試驗(yàn)方法

由于層間相對(duì)位移僅因基層上面層板自身形變導(dǎo)致，所以采用固定底座的頂推試驗(yàn)?zāi)M；根據(jù)層間接觸破壞機(jī)分析，通過(guò)推加載速率的快慢模擬短期環(huán)境溫差的大小，通過(guò)單向頂推模擬大溫差環(huán)境下加速模擬層間接觸狀態(tài)的直接破壞過(guò)程，通過(guò)往返頂推模擬小溫差環(huán)境下加速模擬層間接觸狀態(tài)的疲勞破壞過(guò)程；根據(jù)層間摩阻力關(guān)鍵因素分析，通過(guò)不同的層間處治構(gòu)造模擬不同的層間接觸狀態(tài)；根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果選取最優(yōu)的層間處治構(gòu)造，通過(guò)不同配重的混凝土頂推試驗(yàn)板模擬不同厚度的混凝土面層板，由于試驗(yàn)所用混凝土板厚度尺寸足以均勻分散配重塊重量，試驗(yàn)中配重塊居中放置。

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

如圖1所示，為減小尺寸效應(yīng)對(duì)頂推試驗(yàn)結(jié)果的影響，本研究分別成型尺寸為80 cm×80 cm×26 cm 的路面板以及100 cm×100 cm×16 cm的半剛性基層，面層和基層之間通過(guò)鋪設(shè)不同介質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同接觸狀態(tài)，利用千斤頂將基層在水平方向上固定，使其在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中不發(fā)生位移。通過(guò)MTS按照不同的加載方式、不同加載速率對(duì)路面板施加水平方向荷載[4]，記錄不同位移值對(duì)應(yīng)的頂推力，并使用配重塊模擬不同厚度路面板，研究不同層間結(jié)合狀態(tài)、加載速率、加載方式(單調(diào)加載、往復(fù)加載)、路面板厚度對(duì)路面層間摩阻力的影響。試驗(yàn)設(shè)備布置圖如圖1所示。面層、基層以及瀝青功能層的配合比如表1所示。試驗(yàn)條件如表1～表2所示。

通過(guò)以上對(duì)比分析，利用閱讀的外圍去理解淺閱讀，都失之偏頗。筆者認(rèn)為，淺閱讀的淺應(yīng)該更著重于閱讀本身，在閱讀的過(guò)程中，都是有淺入深的一個(gè)漸進(jìn)過(guò)程。參與時(shí)間短、輕思考，即為淺閱讀，參與時(shí)間多、重思考，即為深閱讀。無(wú)論你讀的是什么書(shū)，目的怎樣，讀者是誰(shuí)，無(wú)一不需要經(jīng)過(guò)這個(gè)過(guò)程。那么，在由淺入深的這個(gè)過(guò)程中，首先都要進(jìn)入淺閱讀，而在淺閱讀之后，經(jīng)過(guò)主體自身的判斷，是否需要進(jìn)入深閱讀。

圖1 頂推試驗(yàn)設(shè)備

表1 面層、基層以及瀝青功能層的配合比

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

作為面層基層間摩阻力的重要指標(biāo)，摩阻力系數(shù)廣泛用于各個(gè)國(guó)家的混凝土路面設(shè)計(jì)方法中。

其物理學(xué)經(jīng)典計(jì)算公式為：

(1)

式中，μ為層間摩阻力系數(shù)；F為頂推試驗(yàn)水平推力；W為路面板重量。

表2 頂推試驗(yàn)條件

由上文面層基層間摩阻力作用對(duì)混凝土路面早期開(kāi)裂的影響因素研究可知，水泥混凝土路面由于層間結(jié)合情況、材料組成復(fù)雜，通常認(rèn)為其層間摩阻力由黏結(jié)力、層間壓力和剪切力組成[5-6]，和經(jīng)典物理學(xué)中假設(shè)摩阻力大小與受力物體的重量成線性關(guān)系的摩阻力模型不同。頂推試驗(yàn)典型摩阻力-位移如圖2所示。由圖可知，整個(gè)頂推試驗(yàn)過(guò)程大致可以分成3個(gè)階段。

圖2 頂推試驗(yàn)典型摩阻力-位移曲線

第1階段：隨著路面板與基層相對(duì)位移不斷增加，層間摩阻力呈拋物線趨勢(shì)上升，當(dāng)面層和基層的相對(duì)位移到達(dá)一定程度時(shí)，層間摩阻力達(dá)到最大值，此時(shí)對(duì)應(yīng)的位移稱(chēng)為初始位移。

第2階段：當(dāng)層間摩阻力達(dá)到最大值后，路面板與基層的相對(duì)位移繼續(xù)增加，層間摩阻力迅速降低至某一數(shù)值，表明試件層間結(jié)合狀態(tài)已經(jīng)發(fā)生破壞，路面板與基層的黏結(jié)力部分或全部喪失。

第3階段：面板與基層相對(duì)位移繼續(xù)增加，層間摩阻力幾乎保持恒定不變，表明試件進(jìn)入完全滑動(dòng)狀態(tài)。

3.1 層間結(jié)合狀態(tài)對(duì)層間摩阻力的影響

本研究對(duì)層間使用塑料薄膜、土工布、乳化瀝青、不同厚度瀝青功能層[7-13]以及直接將混凝土澆注在基層上等7種不同情況進(jìn)行頂推試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。當(dāng)加載循環(huán)次數(shù)為1次時(shí)可知，層間使用塑料薄膜對(duì)降低層間摩阻力效果最明顯，塑料薄膜作為隔離層阻止混凝土與半剛性材料之間形成黏結(jié)力[14]，大大降低了摩阻力；層間撒布乳化瀝青起到了黏結(jié)劑的作用，將混凝土和半剛性材料牢牢地黏結(jié)在一起[15]，層間摩阻力最大(對(duì)于將混凝土直接澆注在半剛性基層表面，層間不做任何處理的情況，由于層間摩阻力太大，超過(guò)MTS的最大定推力100 kN，故不考慮此結(jié)合形式)。

圖3 加載循環(huán)次數(shù)對(duì)層間摩阻力的影響

3.2 循環(huán)加載次數(shù)對(duì)層間摩阻力的影響

當(dāng)試件層間發(fā)生剪切破壞后，實(shí)際上只是層間黏結(jié)力的部分或完全喪失，而層間的受壓和剪切作用仍然存在，對(duì)摩阻力有一定的貢獻(xiàn)。通過(guò)對(duì)試件進(jìn)行循環(huán)往復(fù)加載，模擬層間處于滑動(dòng)狀態(tài)下摩阻力的大小，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。由圖可知，無(wú)論采用何種層間處治方法[16]，在經(jīng)過(guò)第1個(gè)循環(huán)加載后，試件的層間摩阻力都迅速減小，并且在隨后的多次循環(huán)加載中，摩阻力幾乎保持不變，表明混凝土與半剛性材料的黏結(jié)作用是層間摩阻力的主要來(lái)源。試件發(fā)生破壞前，在層間材料的黏結(jié)作用下，層間摩阻力保持在較高的水平[17]，試件發(fā)生破壞后，黏結(jié)作用全部或部分喪失，面層在基層上處于完全滑動(dòng)狀態(tài)，摩阻力急劇降低，在循環(huán)往復(fù)加載作用下，層間接觸狀態(tài)趨同，摩阻力幾乎保持不變。

對(duì)試件發(fā)生破壞時(shí)的破壞面研究發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，所有的層間材料都隨著路面板的移動(dòng)而與基層發(fā)生脫離[18]，這表明層間摩阻力主要作用在層間材料底部與基層頂部的交界處。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，試件的破壞面位置取決于層間摩阻力與基層材料抗剪強(qiáng)度的大小。如果層間摩阻力較小，則破壞面發(fā)生在層間材料中，如果層間摩阻力較大，則破壞發(fā)生在基層材料內(nèi)部。

3.3 加載速率及路面板厚度對(duì)層間摩阻力的影響

為模擬混凝土路面在降溫和作用下的收縮變形，利用MTS對(duì)試件進(jìn)行精確加載，加載速率從0.01 mm/min 變化到10 mm/min。同時(shí)，在26 cm原尺寸路面板上放置配重鋼板，來(lái)模擬28，32 cm等不同路面板厚度。圖4所示為塑料薄膜作為層間材料時(shí)，不同加載速率和不同板厚對(duì)層間摩阻力的影響。由圖可知，不同試驗(yàn)速率對(duì)層間摩阻力大小幾乎無(wú)影響，當(dāng)加載速率從0.01 mm/min增加到10 mm/min 過(guò)程中，摩阻系數(shù)始終保持在0.7左右，變化不大。同樣，當(dāng)路面板厚度從26 cm增加到32 cm 時(shí)，摩阻系數(shù)從0.66減小到0.58，即隨著路面板厚度的增加，層間摩阻系數(shù)有緩慢逐漸減小的趨勢(shì)。

圖4 加載速率及路面板厚度對(duì)層間摩阻力的影響

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)混凝土路面面層板與基層間不同的接觸狀態(tài)的頂推試驗(yàn)研究，可以發(fā)現(xiàn)如下結(jié)論：

(1) 整個(gè)頂推試驗(yàn)過(guò)程大致可以分成3個(gè)階段。第1階段：隨著路面板與基層相對(duì)位移不斷增加，層間摩阻力呈拋物線趨勢(shì)上升，當(dāng)面層和基層的相對(duì)位移到達(dá)一定程度時(shí)，層間摩阻力達(dá)到最大值；第2階段：當(dāng)層間摩阻力達(dá)到最大值后，路面板與基層的相對(duì)位移繼續(xù)增加，層間摩阻力迅速降低至某一數(shù)值，表明試件層間結(jié)合狀態(tài)已經(jīng)發(fā)生破壞，路面板與基層的黏結(jié)力部分或全部喪失;第3階段：面板與基層相對(duì)位移繼續(xù)增加，層間摩阻力幾乎保持恒定不變，表明試件進(jìn)入完全滑動(dòng)狀態(tài)。

(2) 無(wú)論采用何種層間處治方法，在經(jīng)過(guò)第1個(gè)循環(huán)加載后，試件的層間摩阻力都迅速減小，并且在隨后的多次循環(huán)加載中，摩阻力幾乎保持不變，表明混凝土與半剛性材料的黏結(jié)作用是層間摩阻力的主要來(lái)源。

(3) 不同試驗(yàn)速率對(duì)層間摩阻力大小幾乎無(wú)影響。隨著路面板厚度的增加，層間摩阻系數(shù)有逐漸減小的趨勢(shì)。

(4) 塑料薄膜在減小層間摩阻力的功能上最有效，土工布和瀝青功能層同樣可以作為層間材料在降低混凝土路面層間摩阻力上發(fā)揮作用。

(5) 對(duì)試件發(fā)生破壞時(shí)的破壞面研究發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，所有的層間材料都隨著路面板的移動(dòng)而與基層發(fā)生脫離，這表明層間摩阻力主要作用在層間材料底部與基層頂部的交界處。

(6) 試件發(fā)生破壞時(shí)的破壞面位置取決于層間摩阻力與基層材料抗剪強(qiáng)度的大小。如果層間摩阻力較小，則破壞面發(fā)生在層間材料中;如果層間摩阻力較大，則破壞發(fā)生在基層材料內(nèi)部。

(7) 對(duì)于廣泛采用半剛性基層的混凝土路面，層間宜使用塑料薄膜或者其他材料，將混凝土直接澆注在基層上時(shí)，在混凝土水化作用下，路面板和基層牢牢地黏結(jié)在一起，形成較強(qiáng)的層間摩阻力，在溫度變化作用下會(huì)產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，對(duì)路面結(jié)構(gòu)受力性能產(chǎn)生不利影響。