弹性薄层自破冰路面层间剪切试验研究

陈伟祥 晏鹏博 樊孟孟 王锴

摘要：弹性薄层自破冰路面结构中，低模量弹性铺装层与原路面面层两种材料性能差异较大，其层间界面的良好粘接至关重要。文章采用自制夹具进行层间斜剪试验，研究了剪切速率和试验温度变化与层间界面剪应力之间的关系;通过试验发现弹性薄层自破冰路面结构中低模量弹性铺装层与原路面层间的剪应力随温度的升高而略有增大，随剪切速率的增大而增大。

关键词：弹性薄层;自破冰路面;剪应力;剪切速率;温度

中图分类号：U416. 03文献标识码：A DOI： 10. 13282/j. cnki. wccst. 2019. 12. 003

文章编号：1673 - 4874（2019）12 - 0008 - 03

0 引言

弹性薄层自破冰路面结构是一种全新的路面结构形式，该结构在不改变原路面状态的情况下在其上层加铺一层功能层，所加铺功能层模量相对较低，可利用车载产生自破冰的效果。由于低模量弹性铺装层、沥青面层和层间粘结剂在材料、模量、结构、强度等方面存在着差异，因此，诸多因素影响着低模量弹性铺装层与原路面层间界面力学强度。

本文开展对弹性薄层自破冰路面耐久性的系统研究，深入分析结构层的受力情况，通过层间剪切试验，得出弹性薄层自破冰路面结构的层间剪应力与剪切速率、试验温度具有较好的相关性，从而为弹性薄层自破冰路面加铺层与原路面层间剪应力的预估提供了一种参考方法。

1 研究思路

弹性薄层自破冰路面铺装的目的是通过车辆荷载，使路面铺装层产生一定的变形量，从而诱发冰层破裂。由于冰层弹性模量较大，而弹性铺装层所选用的材料模量较小，较大的模量差，使冰层承受了大部分的车辆荷载，在冰层协同面层一起变形的过程中，冰层由于变形过大，从而导致冰层开裂。

弹性薄层自破冰路面铺装层的优点是：温度敏感性很低，在车辆荷载下具有较大的变形，同时在车辆离开后，能够迅速地恢复变形。这种路面和现有路面完全不同，其集料采用具有低模量及可恢复属性的弹性橡胶颗粒，胶结料采用温度敏感性较低的聚氨酯类材料替代，而且还可以在常温下施工。通过这种改变以实现“路面+车辆”主动破冰的目的，其结构组合如图1所示。该路面材料与传统路面材料性能差异较大，两者之间的接触界面强度很难控制。

2 剪切试验

研究剪切试验过程中的试验外加条件（如剪切速率、试验温度等）对剪应力的影响，并探索其规律性。

2.1 材料参数及实验方案

2.1.1 材料参数

材料随着温度的变化其弹性模量也会变化，本文室内试验采用的低模量弹性铺装层混合料为级配橡胶粉拌和30%的双组份聚氨酯，其中以6目、10目、20目、40目和80目5种废旧轮胎橡胶粉采用最大密度法计算出最佳级配，与双组份聚氨酯拌和均匀后作为混合料，该混合料与沥青路面面层模量受温度影响较小。所用聚氨酯性能参数如表1所示。

沥青虽然属于粘弹性材料，但是在冬季低温下，沥青混合料表现为刚性体。为了能够更加表现出弹性铺装层在自破冰方面的优势，选取o℃沥青混合料模量最低的情况进行计算。具体铺装层材料参数见表2。

由于低模量弹性铺装层与沥青混凝土面层材料性能差异较大，两者之间的粘接比较困难，一方面要确保层间的粘结强度，避免层间的剥离或者滑移;另一方面也需要有性能过渡的作用，以实现弹性薄层自破冰路面结构受力的均匀性。通过大量的实验比选，最终确定了以改性环氧树脂作为层间粘结剂，其性能参数如表3所示。

2.1.2 实验方案及步骤

（1）制作試件

为更好地分析实际路面行车受力状态，本文在研究中自主研发制成剪切测试试件。首先依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20 - 2011）成型AC-1 3车辙试件，尺寸为30 cm×30 cm×5 cm，待其完全固化成型后在其表面刷涂层间粘结剂，用量为0. 35～0. 40 kg/m2;静置30 min后将定量的级配橡胶颗粒与聚氨酯胶拌和均匀的混合料摊铺在试件表面，捣平，用30 kg的平板静压10 min，常温静置养护7d，得到车辙板上1 cm厚的弹性橡胶混合料层，再将其切割成9个10 cmx10 cmx6 cm的测试试件用于剪切试验（如图2所示）。

（2）剪切速率

采用3种剪切速率，分别为：5 mm/min.15 mm/min、50 mm/min，加载采用应变控制的方式。

（3）试验温度

采用4种试验温度-25℃、0℃、25℃、50℃进行斜剪试验，分别表征不同温度环境下的剪应力。试验前试件需要在对应温度的温度箱中保温5h以上。

2.2 试验计算

道路正常运营时，实际路面的层间滑移破坏不仅承受水平荷载，同时还承受车辆等垂直荷载，因此本文采用斜剪模式（倾角为45°）。另考虑到上层低模量弹性层试验时的车载形变对剪应力作用的影响，试验中在上层弹性层下端套上厚度为3 mm、高度为5mm的钢圈，这种模式能更好地模拟弹性薄层自破冰路面的实际层间受力。剪切试验如图3所示。

由已知的倾角和试件的尺寸，推出剪应力的计算公式，如式（1）：

式中：r ——剪应力（MPa）;

F——外部垂直的压力（N）;

s——有效剪切面积（ m2），该实验中为 100 cm2。

3 试验结果与分析

3.1 试验结果

通过多次平行试验，统计平均数据后可得低模量弹性铺装层与原路面层间斜剪试验的结果如表4所示。

3.2 结果分析

3.2.1 试验温度对剪应力的影响

低模量弹性铺装层与原路面层间斜剪试验的试验温度与剪应力的影响关系如图4所示。

由图4可知，弹性薄层自破冰路面结构中低模量弹性铺装层与原路面层间的剪应力随温度的升高略有增加，但变化幅度不大，且变化基本趋于线性。由于层间粘结材料选用改性环氧树脂，该树脂属热固型树脂，待其固化后自身对于温度不敏感。在一定温度范围内，随温度的降低其脆性逐渐增加，抗剪性能也随之降低。低模量弹性铺装层受压力作用变形较大，且层间粘结材料弹性变形性也较大，试件材料在测试过程中不会因受压而产生破坏，但主要是以层间产生滑动而发生破坏。因此，该新型路面结构的后期推广应用须着重关注其层间抗剪性能。

3.2.2 剪切速率对剪应力的影响

低模量弹性铺装层与原路面层间斜剪试验的剪切速率v与剪应力的影响关系如图5所示。

由图5可知，在同一温度下，低模量弹性铺装层与原路面层间剪应力随着剪切速率的增加而增加，且速率越大剪应力的增加越明显。即在速率不断增大时，层间接触状态变化较大，逐渐由完全接触状态向光滑接触状态变化，从而发生层间滑移的可能性变大。实际交通运营时也是如此，行驶车辆在紧急制动时比缓慢刹车对路面的剪切破坏可能性大。

4 结语

（1）弹性薄层自破冰路面结构中低模量弹性铺装层与原路面层间的剪应力受材料、温度、试验条件等诸多因素影响;

（2）随着温度的升高，弹性薄层自破冰路面结構中低模量弹性铺装层与原路面层间的剪应力略有增加;

（3）在相同温度下，低模量弹性铺装层与原路面层间剪应力随着剪切速率的增加而增大，且速率越大剪应力的增大越明显。

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作者简介：陈伟祥（1973-），高级工程师，主要从事公路管理工作;

晏鹏博（1989-），硕士，工程师，主要从事公路管理工作;

樊孟孟（1988-），硕士，工程师，主要从事道路材料研究工作;

王锴（1989-），硕士，工程师，主要从事道路材料研究工作。