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：U416. 03文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI： 10. 13282/j. cnki. wccst. 2019. 12. 003

文章編號：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)在不改變原路面狀態(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算出最佳級配，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，選取o℃瀝青混合料模量最低的情況進(jìn)行計算。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10 cmx10 cmx6 cm的測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)前試件需要在對應(yīng)溫度的溫度箱中保溫5h以上。

2.2 試驗(yàn)計算

道路正常運(yùn)營時，實(shí)際路面的層間滑移破壞不僅承受水平荷載，同時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)時的車載形變對剪應(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，試件材料在測試過程中不會因受壓而產(chǎn)生破壞，但主要是以層間產(chǎn)生滑動而發(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，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)營時也是如此，行駛車輛在緊急制動時比緩慢剎車對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。

參考文獻(xiàn)

[1]唐羽，吳國雄，陳強(qiáng)，等.半剛生基層瀝青路面基一面層間界面強(qiáng)度研究[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2016， 35（3）： 33 - 37，99.

[2]曹海波，樊孟孟，陳團(tuán)結(jié).路面低模量彈性鋪裝層設(shè)計及破冰性能研究[J].中外公路，201 7，37（4）：49 - 53.

[3]柳浩，譚憶秋，宋憲輝，等.瀝青路面基一面層間結(jié)合狀態(tài)對路面應(yīng)力響應(yīng)的影響分析[J].公路交通科技，2009，26（3）：1-6.

[4]OZER H， AL-QADII L， HASIBAKl，et a J.Pavement layer ln-terface shear strength using a hyperbolic mohrcoulombmodel and tinite element analysis [C]. T&DI：TheProceedings of the 2013 Airfield&Highway PavementConference： Sustainable and Ef-ficient Pavements.LosAngeles， California： ASCE， 201 3.

[5]白雪梅.層間接觸狀態(tài)對瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2009，28（2）：215-218.

[6]朱林濤.層間接觸狀態(tài)對瀝青路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)分析[J].城市住宅，2019，26（1）：122 -124.

[7]王曉東，何兆益.考慮制動荷載及橫觀各向同性的瀝青路面動力響應(yīng)研究[J].中外公路，2019，46（1）：62 - 66.

作者簡介：陳偉祥（1973-），高級工程師，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。