彈性薄層自破冰路面層間剪切試驗研究

陳偉祥 晏鵬博 樊孟孟 王鍇

摘要：彈性薄層自破冰路面結構中，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重要。文章采用自制夾具進行層間斜剪試驗，研究了剪切速率和試驗溫度變化與層間界面剪應力之間的關系;通過試驗發現彈性薄層自破冰路面結構中低模量彈性鋪裝層與原路面層間的剪應力隨溫度的升高而略有增大，隨剪切速率的增大而增大。

關鍵詞：彈性薄層;自破冰路面;剪應力;剪切速率;溫度

中圖分類號：U416. 03文獻標識碼：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構是一種全新的路面結構形式，該結構在不改變原路面狀態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劑在材料、模量、結構、強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強度。

本文開展對彈性薄層自破冰路面耐久性的系統研究，深入分析結構層的受力情況，通過層間剪切試驗，得出彈性薄層自破冰路面結構的層間剪應力與剪切速率、試驗溫度具有較好的相關性，從而為彈性薄層自破冰路面加鋪層與原路面層間剪應力的預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，使路面鋪裝層產生一定的變形量，從而誘發冰層破裂。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，在冰層協同面層一起變形的過程中，冰層由于變形過大，從而導致冰層開裂。

彈性薄層自破冰路面鋪裝層的優點是：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，能夠迅速地恢復變形。這種路面和現有路面完全不同，其集料采用具有低模量及可恢復屬性的彈性橡膠顆粒，膠結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。通過這種改變以實現“路面+車輛”主動破冰的目的，其結構組合如圖1所示。該路面材料與傳統路面材料性能差異較大，兩者之間的接觸界面強度很難控制。

2 剪切試驗

研究剪切試驗過程中的試驗外加條件（如剪切速率、試驗溫度等）對剪應力的影響，并探索其規律性。

2.1 材料參數及實驗方案

2.1.1 材料參數

材料隨著溫度的變化其彈性模量也會變化，本文室內試驗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，瀝青混合料表現為剛性體。為了能夠更加表現出彈性鋪裝層在自破冰方面的優勢，選取o℃瀝青混合料模量最低的情況進行計算。具體鋪裝層材料參數見表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強度，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，以實現彈性薄層自破冰路面結構受力的均勻性。通過大量的實驗比選，最終確定了以改性環氧樹脂作為層間粘結劑，其性能參數如表3所示。

2.1.2 實驗方案及步驟

（1）制作試件

為更好地分析實際路面行車受力狀態，本文在研究中自主研發制成剪切測試試件。首先依據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（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，常溫靜置養護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（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，加載采用應變控制的方式。

（3）試驗溫度

采用4種試驗溫度-25℃、0℃、25℃、50℃進行斜剪試驗，分別表征不同溫度環境下的剪應力。試驗前試件需要在對應溫度的溫度箱中保溫5h以上。

2.2 試驗計算

道路正常運營時，實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時的車載形變對剪應力作用的影響，試驗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際層間受力。剪切試驗如圖3所示。

由已知的傾角和試件的尺寸，推出剪應力的計算公式，如式（1）：

式中：r ——剪應力（MPa）;

F——外部垂直的壓力（N）;

s——有效剪切面積（ m2），該實驗中為 100 cm2。

3 試驗結果與分析

3.1 試驗結果

通過多次平行試驗，統計平均數據后可得低模量彈性鋪裝層與原路面層間斜剪試驗的結果如表4所示。

3.2 結果分析

3.2.1 試驗溫度對剪應力的影響

低模量彈性鋪裝層與原路面層間斜剪試驗的試驗溫度與剪應力的影響關系如圖4所示。

由圖4可知，彈性薄層自破冰路面結構中低模量彈性鋪裝層與原路面層間的剪應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。由于層間粘結材料選用改性環氧樹脂，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，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生破壞，但主要是以層間產生滑動而發生破壞。因此，該新型路面結構的后期推廣應用須著重關注其層間抗剪性能。

3.2.2 剪切速率對剪應力的影響

低模量彈性鋪裝層與原路面層間斜剪試驗的剪切速率v與剪應力的影響關系如圖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力隨著剪切速率的增加而增加，且速率越大剪應力的增加越明顯。即在速率不斷增大時，層間接觸狀態變化較大，逐漸由完全接觸狀態向光滑接觸狀態變化，從而發生層間滑移的可能性變大。實際交通運營時也是如此，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 結語

（1）彈性薄層自破冰路面結構中低模量彈性鋪裝層與原路面層間的剪應力受材料、溫度、試驗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構中低模量彈性鋪裝層與原路面層間的剪應力略有增加;

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

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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。