基于温度影响的水泥混凝土路面层间接触状态研究

李思李，田 波

(1.哈尔滨工业大学 交通科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150090;2.交通运输部公路科学研究所，北京 100088)

0 引言

为了准确模拟水泥混凝土路面板与基层在环境温度、湿度变化作用下发生相对运动的实际受力状况，从而深入研究水泥混凝土路面层间摩阻力的变化规律及影响因素，研究人员从1924年开始开展一系列的顶推试验(Push-off test)，考察基层类型、面板厚度、界面特性、接触状况等因素对层间摩阻力的影响。2000年，Seung Woo Lee总结了以往8位研究人员针对层间摩阻力开展的66组顶推试验的结果，结合经典物理学摩擦理论中的Leonardo da Vinci-Amontons定律，提出了一个数学表达简单、能清晰直观反映层间摩阻力与路面板水平位移之间关系的数学模型，并针对不同类型基层给出了标准状况下该模型中参数的参考值，同时建议根据实际路面状况对标准参数进行修正处理[1]。通过研究发现，对于粒料基层，板厚对于层间最大摩阻系数影响不大[2]。另外，在顶推试验刚开始的3～4个循环加载过程中，最大摩阻系数呈明显下降趋势，初始位移则有逐渐变大。同时，研究结果并未发现加载速率、基层温度和湿度对摩阻力有明显影响[3]。

1 研究思路

由于在温度变化影响下水泥混凝土路面板会产生伸长与收缩形变，同时下部基层几乎不受温度影响产生形变，此时混凝土板将与基层产生相对位移以及层间摩阻力。基于此开展温度变化影响下水泥混凝土路面板与基层间接触状态及摩阻力变化规律尤为关键。

研究思路从受温度影响的层间接触破坏机理分析、确定层间摩阻力关键影响因素以及加速模拟层间接触破坏过程的试验方法展开，最终确定具体试验方案的设计。

(1)温度影响的层间接触破坏机理

在温度变化影响下，层间接触状态的破坏是由于面层板与基层产生相对位移。在短期温差较大的环境下，由于较大的面层板伸缩量将导致层间状态的直接破坏；在小温差环境内，面层板与基层相对位移量较小的情况下，层间接触状态虽然不会发生直接破坏，但面层板在长期伸缩形变下，层间接触状态会因累计变形产生疲劳破坏。

(2)层间摩阻力关键影响因素

根据滑动摩擦力的层间粗糙程度以及垂直于滑动面重量两大影响指标，确定面层板与基层间不同的层间构造以及不同配重的水泥混凝土板作为层间摩阻力研究的关键因素。

(3)加速模拟层间接触破坏过程的试验方法

由于层间相对位移仅因基层上面层板自身形变导致，所以采用固定底座的顶推试验模拟；根据层间接触破坏机分析，通过推加载速率的快慢模拟短期环境温差的大小，通过单向顶推模拟大温差环境下加速模拟层间接触状态的直接破坏过程，通过往返顶推模拟小温差环境下加速模拟层间接触状态的疲劳破坏过程；根据层间摩阻力关键因素分析，通过不同的层间处治构造模拟不同的层间接触状态；根据试验结果选取最优的层间处治构造，通过不同配重的混凝土顶推试验板模拟不同厚度的混凝土面层板，由于试验所用混凝土板厚度尺寸足以均匀分散配重块重量，试验中配重块居中放置。

2 试验方案设计

如图1所示，为减小尺寸效应对顶推试验结果的影响，本研究分别成型尺寸为80 cm×80 cm×26 cm 的路面板以及100 cm×100 cm×16 cm的半刚性基层，面层和基层之间通过铺设不同介质来实现不同接触状态，利用千斤顶将基层在水平方向上固定，使其在整个试验过程中不发生位移。通过MTS按照不同的加载方式、不同加载速率对路面板施加水平方向荷载[4]，记录不同位移值对应的顶推力，并使用配重块模拟不同厚度路面板，研究不同层间结合状态、加载速率、加载方式(单调加载、往复加载)、路面板厚度对路面层间摩阻力的影响。试验设备布置图如图1所示。面层、基层以及沥青功能层的配合比如表1所示。试验条件如表1～表2所示。

通过以上对比分析，利用阅读的外围去理解浅阅读，都失之偏颇。笔者认为，浅阅读的浅应该更着重于阅读本身，在阅读的过程中，都是有浅入深的一个渐进过程。参与时间短、轻思考，即为浅阅读，参与时间多、重思考，即为深阅读。无论你读的是什么书，目的怎样，读者是谁，无一不需要经过这个过程。那么，在由浅入深的这个过程中，首先都要进入浅阅读，而在浅阅读之后，经过主体自身的判断，是否需要进入深阅读。

图1 顶推试验设备

表1 面层、基层以及沥青功能层的配合比

3 试验结果分析

作为面层基层间摩阻力的重要指标，摩阻力系数广泛用于各个国家的混凝土路面设计方法中。

其物理学经典计算公式为：

(1)

式中，μ为层间摩阻力系数；F为顶推试验水平推力；W为路面板重量。

表2 顶推试验条件

由上文面层基层间摩阻力作用对混凝土路面早期开裂的影响因素研究可知，水泥混凝土路面由于层间结合情况、材料组成复杂，通常认为其层间摩阻力由黏结力、层间压力和剪切力组成[5-6]，和经典物理学中假设摩阻力大小与受力物体的重量成线性关系的摩阻力模型不同。顶推试验典型摩阻力-位移如图2所示。由图可知，整个顶推试验过程大致可以分成3个阶段。

图2 顶推试验典型摩阻力-位移曲线

第1阶段：随着路面板与基层相对位移不断增加，层间摩阻力呈抛物线趋势上升，当面层和基层的相对位移到达一定程度时，层间摩阻力达到最大值，此时对应的位移称为初始位移。

第2阶段：当层间摩阻力达到最大值后，路面板与基层的相对位移继续增加，层间摩阻力迅速降低至某一数值，表明试件层间结合状态已经发生破坏，路面板与基层的黏结力部分或全部丧失。

第3阶段：面板与基层相对位移继续增加，层间摩阻力几乎保持恒定不变，表明试件进入完全滑动状态。

3.1 层间结合状态对层间摩阻力的影响

本研究对层间使用塑料薄膜、土工布、乳化沥青、不同厚度沥青功能层[7-13]以及直接将混凝土浇注在基层上等7种不同情况进行顶推试验，试验结果如图3所示。当加载循环次数为1次时可知，层间使用塑料薄膜对降低层间摩阻力效果最明显，塑料薄膜作为隔离层阻止混凝土与半刚性材料之间形成黏结力[14]，大大降低了摩阻力；层间撒布乳化沥青起到了黏结剂的作用，将混凝土和半刚性材料牢牢地黏结在一起[15]，层间摩阻力最大(对于将混凝土直接浇注在半刚性基层表面，层间不做任何处理的情况，由于层间摩阻力太大，超过MTS的最大定推力100 kN，故不考虑此结合形式)。

图3 加载循环次数对层间摩阻力的影响

3.2 循环加载次数对层间摩阻力的影响

当试件层间发生剪切破坏后，实际上只是层间黏结力的部分或完全丧失，而层间的受压和剪切作用仍然存在，对摩阻力有一定的贡献。通过对试件进行循环往复加载，模拟层间处于滑动状态下摩阻力的大小，试验结果如图3所示。由图可知，无论采用何种层间处治方法[16]，在经过第1个循环加载后，试件的层间摩阻力都迅速减小，并且在随后的多次循环加载中，摩阻力几乎保持不变，表明混凝土与半刚性材料的黏结作用是层间摩阻力的主要来源。试件发生破坏前，在层间材料的黏结作用下，层间摩阻力保持在较高的水平[17]，试件发生破坏后，黏结作用全部或部分丧失，面层在基层上处于完全滑动状态，摩阻力急剧降低，在循环往复加载作用下，层间接触状态趋同，摩阻力几乎保持不变。

对试件发生破坏时的破坏面研究发现，在整个试验过程中，所有的层间材料都随着路面板的移动而与基层发生脱离[18]，这表明层间摩阻力主要作用在层间材料底部与基层顶部的交界处。同时可以发现，试件的破坏面位置取决于层间摩阻力与基层材料抗剪强度的大小。如果层间摩阻力较小，则破坏面发生在层间材料中，如果层间摩阻力较大，则破坏发生在基层材料内部。

3.3 加载速率及路面板厚度对层间摩阻力的影响

为模拟混凝土路面在降温和作用下的收缩变形，利用MTS对试件进行精确加载，加载速率从0.01 mm/min 变化到10 mm/min。同时，在26 cm原尺寸路面板上放置配重钢板，来模拟28，32 cm等不同路面板厚度。图4所示为塑料薄膜作为层间材料时，不同加载速率和不同板厚对层间摩阻力的影响。由图可知，不同试验速率对层间摩阻力大小几乎无影响，当加载速率从0.01 mm/min增加到10 mm/min 过程中，摩阻系数始终保持在0.7左右，变化不大。同样，当路面板厚度从26 cm增加到32 cm 时，摩阻系数从0.66减小到0.58，即随着路面板厚度的增加，层间摩阻系数有缓慢逐渐减小的趋势。

图4 加载速率及路面板厚度对层间摩阻力的影响

4 结论

通过对混凝土路面面层板与基层间不同的接触状态的顶推试验研究，可以发现如下结论：

(1) 整个顶推试验过程大致可以分成3个阶段。第1阶段：随着路面板与基层相对位移不断增加，层间摩阻力呈抛物线趋势上升，当面层和基层的相对位移到达一定程度时，层间摩阻力达到最大值；第2阶段：当层间摩阻力达到最大值后，路面板与基层的相对位移继续增加，层间摩阻力迅速降低至某一数值，表明试件层间结合状态已经发生破坏，路面板与基层的黏结力部分或全部丧失;第3阶段：面板与基层相对位移继续增加，层间摩阻力几乎保持恒定不变，表明试件进入完全滑动状态。

(2) 无论采用何种层间处治方法，在经过第1个循环加载后，试件的层间摩阻力都迅速减小，并且在随后的多次循环加载中，摩阻力几乎保持不变，表明混凝土与半刚性材料的黏结作用是层间摩阻力的主要来源。

(3) 不同试验速率对层间摩阻力大小几乎无影响。随着路面板厚度的增加，层间摩阻系数有逐渐减小的趋势。

(4) 塑料薄膜在减小层间摩阻力的功能上最有效，土工布和沥青功能层同样可以作为层间材料在降低混凝土路面层间摩阻力上发挥作用。

(5) 对试件发生破坏时的破坏面研究发现，在整个试验过程中，所有的层间材料都随着路面板的移动而与基层发生脱离，这表明层间摩阻力主要作用在层间材料底部与基层顶部的交界处。

(6) 试件发生破坏时的破坏面位置取决于层间摩阻力与基层材料抗剪强度的大小。如果层间摩阻力较小，则破坏面发生在层间材料中;如果层间摩阻力较大，则破坏发生在基层材料内部。

(7) 对于广泛采用半刚性基层的混凝土路面，层间宜使用塑料薄膜或者其他材料，将混凝土直接浇注在基层上时，在混凝土水化作用下，路面板和基层牢牢地黏结在一起，形成较强的层间摩阻力，在温度变化作用下会产生较大的温度应力，对路面结构受力性能产生不利影响。