趙鋒軍 戴 露 劉 勇

(長(zhǎng)沙理工大學(xué)交通學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410073)

γ=(Δε·dx)/(dy)

?

界面層剪切試驗(yàn)方法綜述

趙鋒軍 戴 露 劉 勇

(長(zhǎng)沙理工大學(xué)交通學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410073)

采用界面剪切試驗(yàn)方法對(duì)不同材料組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)層間抗剪性能進(jìn)行了研究，通過對(duì)比分析不同情況下的界面層剪切試驗(yàn)方法，探討了其常用試驗(yàn)方法的使用情況及優(yōu)缺點(diǎn)，并提出采用局部脫空疊層梁模型研究的試驗(yàn)方法，為界面層非線性粘結(jié)滑移狀態(tài)的剪切特性試驗(yàn)研究提供參考。

復(fù)合結(jié)構(gòu)，層間剪切，疊層梁，試驗(yàn)，模型

0 引言

在路面和橋面結(jié)構(gòu)中，常通過使用不同材料組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，以滿足不同結(jié)構(gòu)層的功能要求。如此一來便可以充分發(fā)揮每種材料的優(yōu)異性能，不過這些都建立在相鄰材料能夠很好粘結(jié)的基礎(chǔ)上，即不同材料在界面的粘結(jié)性。那么不同材料組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)粘結(jié)如何，需要對(duì)其界面層間抗剪性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，試驗(yàn)中常采用的方法是剪切試驗(yàn)。針對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)界面層抗剪性能評(píng)價(jià)，國(guó)外主要傾向于力學(xué)分析，而國(guó)內(nèi)則更多是傾向于試驗(yàn)研究。總結(jié)多年國(guó)內(nèi)外有關(guān)界面層的剪切試驗(yàn)的研究，主要分為直接剪切和斜剪。

1 直剪與斜剪

1.1 直接剪切

直接剪切試驗(yàn)是通過在預(yù)定的剪切面上直接施加剪應(yīng)力和法向壓力來求得材料的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。根據(jù)不同情況用到的儀器設(shè)備有剪切試驗(yàn)機(jī)、HS-SSⅠ型路面材料剪切試驗(yàn)儀、便攜式剪切儀和MTS-810試驗(yàn)機(jī)等，通過試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，均能實(shí)現(xiàn)界面層的剪切性能試驗(yàn)。

田帥等通過直剪試驗(yàn)的方法，利用剪切試驗(yàn)機(jī)評(píng)價(jià)加鋪碳纖維的橋面板與橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的剪切特性。試驗(yàn)?zāi)M實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)在車輛荷載作用下的抗剪能力，于垂直方向施加豎向荷載，水平荷載模擬車輛的制動(dòng)進(jìn)行加載，測(cè)得了層間界面水平抗剪力，從而評(píng)價(jià)其結(jié)構(gòu)層間的抗剪強(qiáng)度是否滿足要求。剪切試驗(yàn)機(jī)可以提供不同的試驗(yàn)溫度、垂直壓力，可以控制剪切速率，得到材料的剪變特性，包括各種材料、機(jī)械因素影響下的破壞面情況、抗剪強(qiáng)度、剪力與剪切位移的關(guān)系等，該試驗(yàn)未考慮剪切疲勞特性。

同樣也是使用剪切試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了直剪試驗(yàn)，竹曉華通過此方法研究乳化瀝青用量、法向應(yīng)力及層間污染對(duì)層間抗剪性能的影響?？紤]的影響因素有兩個(gè)為材料和結(jié)構(gòu)，在試驗(yàn)條件方面只需要考慮垂直方向加載，故相對(duì)于考慮環(huán)境因素就較為簡(jiǎn)單了。試驗(yàn)測(cè)得最大剪應(yīng)力，以評(píng)價(jià)層間抗剪性能。

HS-SSⅠ型路面材料剪切試驗(yàn)儀是長(zhǎng)安大學(xué)針對(duì)層間直剪試驗(yàn)研發(fā)的儀器。該儀器能夠同時(shí)考慮環(huán)境溫度、正壓力、剪切速率、混合料類型等因素對(duì)橋面鋪裝層間剪應(yīng)力的影響，并根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得的位移和換算得到的剪應(yīng)力建立了對(duì)層間抗剪性能進(jìn)行評(píng)價(jià)的剪切指標(biāo)，同時(shí)根據(jù)本試驗(yàn)所得剪應(yīng)力—剪應(yīng)變關(guān)系曲線，分析層間抗剪能力的穩(wěn)定性。

長(zhǎng)沙理工大學(xué)的劉宏富和李星星在他們的碩士論文[4,5]中均用便攜式剪切儀測(cè)定界面層的最大剪應(yīng)力和抗剪強(qiáng)度。便攜式剪切儀是一種針對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)快速測(cè)得抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)儀器，通過它能夠研究不同法向力的大小對(duì)層間抗剪強(qiáng)度的影響，相對(duì)于其他儀器便于攜帶、試驗(yàn)操作簡(jiǎn)便，同時(shí)又能滿足工程所需的精度要求。室內(nèi)試驗(yàn)中也常常用它來測(cè)得試件界面層的抗剪強(qiáng)度。但也難以保持較長(zhǎng)時(shí)間的恒定溫度，提供不同的試驗(yàn)溫度，不過考慮到其破壞過程耗時(shí)不會(huì)很長(zhǎng)，也有用其在高溫下的抗剪強(qiáng)度的，不過沒有環(huán)境箱的溫度準(zhǔn)確。

通過制作合適的夾具可以用MTS試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行豎向直剪。而MTS中的環(huán)境箱可以提供不同的試驗(yàn)溫度，此外還可以對(duì)試件進(jìn)行剪切疲勞測(cè)試。

總的來說，使用不同儀器進(jìn)行的直接剪切試驗(yàn)都有各自的優(yōu)點(diǎn)和不足處，要么提供不了不同的試驗(yàn)溫度，要么不能測(cè)得界面層的剪切疲勞壽命。不但如此，而且還沒有通過直剪試驗(yàn)研究溫度、豎向荷載和剪切滑移等對(duì)界面層非線性粘結(jié)滑移狀態(tài)下剪切應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系影響。

1.2 斜剪

45°斜剪試驗(yàn)原理：將不同材料的觸面(層間)放置于上、下試模之間，在上面的試模頂面施加正壓力P，壓力大小可由壓力傳感器測(cè)定。當(dāng)剪切面呈45°時(shí)，則此正壓力會(huì)沿45°分解，壓力P分解成兩個(gè)力，一個(gè)平行于切面P剪，一個(gè)垂直于剪切面P壓。這樣當(dāng)P超過臨界值時(shí)，在垂直力和水平力的綜合作用下，試件就會(huì)產(chǎn)生剪切破壞，可模擬路面在行車荷載作用下不同材料層間的剪切作用情況。斜剪試驗(yàn)一般是通過自制夾具，配合加載設(shè)備完成。常用的加載設(shè)備有MTS-810液壓伺服儀。利用MTS-810可以探究界面的剪切疲勞特性，而且試驗(yàn)操作簡(jiǎn)便，但其缺點(diǎn)是試件與試模接觸受力部分會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，同時(shí)分解后的壓力和剪力是相互聯(lián)系的，不能獨(dú)自變化(見圖1)。

大連理工大學(xué)的李惠婷在其碩士論文中用斜剪的方法探討了不同工況下(即不同的材料結(jié)構(gòu)組合的層間)的剪切疲勞壽命。首先通過公式P=P壓/cos45°，P壓=0.7MPa反算出壓力P，再確定頻率等其他參數(shù)。因?yàn)镻壓確定了所以P也確定，從而P剪也是定值，它們是P的兩個(gè)分量，是相互聯(lián)系的，不能單獨(dú)變化。

陳世利通過斜剪儀研究不同溫度對(duì)面層—基層層間抗剪性能的影響。試驗(yàn)過程中在豎向施加荷載，通過公式計(jì)算抗剪強(qiáng)度，其計(jì)算公式見式(1)，式(2)。

(1)

(2)

其中，σα為試件剪切面上正應(yīng)力，MPa；τα為試件剪切面上剪應(yīng)力，MPa；P為壓力機(jī)所施加最大荷載，N；α為剪切角，45°；A為粘結(jié)面積，mm2；f為滾動(dòng)摩擦系數(shù)。

通過測(cè)得不同溫度和不同材料結(jié)構(gòu)的界面最大抗剪強(qiáng)度以評(píng)價(jià)相應(yīng)情況的抗剪性能，得到溫度和材料對(duì)層間抗剪的影響。

李忠林等用斜剪儀探討了層間剪切滑移規(guī)律。在不同溫度和界面情況下施加不同大小的力，然后通過相應(yīng)剪切面荷載下的位移，得到粘結(jié)滑移曲線，總結(jié)粘結(jié)滑移規(guī)律，并探討溫度和界面情況對(duì)界面粘結(jié)滑移的影響。

斜剪試驗(yàn)更容易實(shí)現(xiàn)界面層的剪切疲勞研究，但對(duì)于相互垂直兩個(gè)方向的力不能單獨(dú)控制，不便于研究豎向力對(duì)層間抗剪特性的影響。

2 局部脫空的疊層梁模型

針對(duì)直接剪切和斜剪試驗(yàn)均不能同時(shí)得到界面剪應(yīng)力、剪應(yīng)變這一情況，擬采用小梁模型，通過傅里葉級(jí)數(shù)展開等公式求得界面的剪切應(yīng)力，再利用應(yīng)變片測(cè)得層間線應(yīng)變，將其轉(zhuǎn)化為切應(yīng)變，從而得到應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，以探究界面非線性粘結(jié)滑移狀態(tài)?？紤]到普通小梁試件在垂直荷載作用下首先發(fā)生彎曲破壞，并不會(huì)先達(dá)到抗剪強(qiáng)度，故需對(duì)層間剪應(yīng)力放大，即采用局部脫空的疊層梁模型。

小梁模型既常用于理論分析也用于彎曲試驗(yàn)。理論分析中既可對(duì)小梁進(jìn)行應(yīng)力分析又可分析其應(yīng)變，在彎曲試驗(yàn)中可以得到小梁的抗彎拉強(qiáng)度。借助于小梁模型的理論分析優(yōu)勢(shì)，可以得到不同應(yīng)力情況下的應(yīng)變。故將復(fù)合材料做成小梁試件，利用小梁模型對(duì)其進(jìn)行理論分析，得到層間位置的應(yīng)力應(yīng)變的換算公式即可用以研究界面非線性粘結(jié)滑移狀態(tài)下的本構(gòu)方程。在理論分析中利用彈性力學(xué)對(duì)未脫層的疊層梁分析可得均布荷載作用下疊層梁的剪應(yīng)力，如式(3)所示[10]。

(3)

其中，q為疊層梁上均布荷載；h2為第二層材料的厚度；I為疊層梁的慣性矩；a為疊層梁的中性軸偏離界面的位置。

小梁模型的側(cè)面平整可以通過應(yīng)變片測(cè)得不同位置的線應(yīng)變，得到疊層梁上線應(yīng)變的規(guī)律。然后通過式(4)換算出不同位置的剪切應(yīng)變。

γ=(Δε·dx)/(dy)

(4)

由于很多儀器都可以對(duì)小梁試件進(jìn)行加載試驗(yàn)，因此可以利用不同加載儀器的特點(diǎn)對(duì)加載速率試驗(yàn)溫度進(jìn)行設(shè)計(jì)和控制。比如我們可以利用MTS-810和其環(huán)境箱對(duì)其進(jìn)行低溫、高溫試驗(yàn)和不同加載速率的試驗(yàn)。

對(duì)普通小梁加載，先發(fā)生彎曲破壞而不會(huì)產(chǎn)生剪切破壞，因此需要對(duì)其界面層的剪切力進(jìn)行放大，讓其先發(fā)生剪切破壞。采用層間局部脫空的辦法使疊層梁在彎曲破壞前發(fā)生剪切破壞。對(duì)局部脫空的疊層梁界面層的彈性力學(xué)分析文獻(xiàn)[11]中已進(jìn)行了推導(dǎo)和驗(yàn)算，可以用局部脫空的疊層梁實(shí)現(xiàn)其界面剪切破壞。

3 結(jié)語

直接剪切試驗(yàn)其實(shí)現(xiàn)方式多種多樣，研究員可根據(jù)各自需要選擇試驗(yàn)儀器等，容易測(cè)得不同法向荷載下的抗剪強(qiáng)度，但不利于得到剪切疲勞特性，也不方便得到切應(yīng)變隨剪切條件變化而變化的情況；斜剪試驗(yàn)?zāi)軌蛴糜谘芯拷缑婕羟衅谔匦?，不過也有其不足之處，那就是其界面剪切力與法向壓力是相關(guān)聯(lián)的，不能獨(dú)立變化，同時(shí)也很少用于探究界面剪切應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。文中介紹的局部脫層小梁模型能夠測(cè)得不同剪切應(yīng)力情況下的切應(yīng)變，為研究界面非線性粘結(jié)滑移狀態(tài)的剪切特性提供參考。

[1]田 帥，張鐵志，李 野，等.加鋪碳纖維橋面板與橋面鋪裝結(jié)構(gòu)層間剪切試驗(yàn)研究.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，33(6)：80-84.

[2]竹曉華.鋼橋面鋪裝層間抗剪性能室內(nèi)試驗(yàn)研究.科學(xué)技術(shù)與工程，2013，13(27)：8217-8221.

[3]賈錦繡.瀝青路面與橋面鋪裝抗剪特性研究.西安：長(zhǎng)安大學(xué)博士學(xué)位論文，2011.

[4]劉宏富.水泥混凝土橋面與瀝青鋪裝層間剪切試驗(yàn)研究.長(zhǎng)沙：長(zhǎng)沙理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008.

[5]李星星.鋼橋面鋪裝中的環(huán)氧樹脂膠粘劑及環(huán)氧樹脂混凝土研究.長(zhǎng)沙：長(zhǎng)沙理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007.

[6]JTJ054—94，公路工程石料試驗(yàn)規(guī)程.

[7]李惠婷.水泥混凝土橋面瀝青鋪裝層剪切試驗(yàn)研究.大連：大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008.

[8]陳世利.瀝青路面面層—基層層間抗剪性能研究.西部交通科技，2014(2)：13-16.

[9]李忠林，凌天清，王火明，等.粘結(jié)滑移理論在橋面鋪裝層間受力分析中的應(yīng)用.華東公路，2008，12(6)：64-66.

[10]趙鋒軍，李宇峙，易偉建.橋面瀝青鋪裝層間應(yīng)力分析簡(jiǎn)化模型.土木工程學(xué)報(bào)，2007，6(40)：100-104.

[11] 姚秀冬，周 叮，劉偉慶.含脫層復(fù)合材料簡(jiǎn)支梁的彈性力學(xué)解.玻璃鋼/復(fù)合材料，2009(5)：18-22.

Onsurveyofshearingtestmethodsatinterfacelayers

ZhaoFengjunDaiLuLiuYong

(College of Communications, Changsha University of Technology, Changsha 410073, China)

Thepaperresearchestheadoptionoftheinterfaceshearingtestmethodsfortheanti-shearingperformanceamonglayersofcompositestructureswithdifferentmaterials,explorestheusages,advantagesanddisadvantagesofcommontestmethodsbyanalyzingandcomparingtheinterfacelayershearingtestmethodsunderdifferentcircumstances,andpointsoutthetestmethodsfortheresearchonthelocalvoidlaminatedbeammodel,soastoprovidesomereferencefortheshearingfeaturesresearchinthenon-linearbondslipstateoftheinterfacelayer.

compositestructure,interlayershearing,laminatedbeam,test,model

1009-6825(2015)01-0150-02

2014-10-31

趙鋒軍(1977- )，男，副教授； 戴 露(1988- )，男，在讀碩士； 劉 勇(1993- )，男，在讀本科生

U

A