基于溫度影響的水泥混凝土路面層間接觸狀態研究

李思李，田 波

(1.哈爾濱工業大學 交通科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150090;2.交通運輸部公路科學研究所，北京 100088)

0 引言

為了準確模擬水泥混凝土路面板與基層在環境溫度、濕度變化作用下發生相對運動的實際受力狀況，從而深入研究水泥混凝土路面層間摩阻力的變化規律及影響因素，研究人員從1924年開始開展一系列的頂推試驗(Push-off test)，考察基層類型、面板厚度、界面特性、接觸狀況等因素對層間摩阻力的影響。2000年，Seung Woo Lee總結了以往8位研究人員針對層間摩阻力開展的66組頂推試驗的結果，結合經典物理學摩擦理論中的Leonardo da Vinci-Amontons定律，提出了一個數學表達簡單、能清晰直觀反映層間摩阻力與路面板水平位移之間關系的數學模型，并針對不同類型基層給出了標準狀況下該模型中參數的參考值，同時建議根據實際路面狀況對標準參數進行修正處理[1]。通過研究發現，對于粒料基層，板厚對于層間最大摩阻系數影響不大[2]。另外，在頂推試驗剛開始的3～4個循環加載過程中，最大摩阻系數呈明顯下降趨勢，初始位移則有逐漸變大。同時，研究結果并未發現加載速率、基層溫度和濕度對摩阻力有明顯影響[3]。

1 研究思路

由于在溫度變化影響下水泥混凝土路面板會產生伸長與收縮形變，同時下部基層幾乎不受溫度影響產生形變，此時混凝土板將與基層產生相對位移以及層間摩阻力。基于此開展溫度變化影響下水泥混凝土路面板與基層間接觸狀態及摩阻力變化規律尤為關鍵。

研究思路從受溫度影響的層間接觸破壞機理分析、確定層間摩阻力關鍵影響因素以及加速模擬層間接觸破壞過程的試驗方法展開，最終確定具體試驗方案的設計。

(1)溫度影響的層間接觸破壞機理

在溫度變化影響下，層間接觸狀態的破壞是由于面層板與基層產生相對位移。在短期溫差較大的環境下，由于較大的面層板伸縮量將導致層間狀態的直接破壞；在小溫差環境內，面層板與基層相對位移量較小的情況下，層間接觸狀態雖然不會發生直接破壞，但面層板在長期伸縮形變下，層間接觸狀態會因累計變形產生疲勞破壞。

(2)層間摩阻力關鍵影響因素

根據滑動摩擦力的層間粗糙程度以及垂直于滑動面重量兩大影響指標，確定面層板與基層間不同的層間構造以及不同配重的水泥混凝土板作為層間摩阻力研究的關鍵因素。

(3)加速模擬層間接觸破壞過程的試驗方法

由于層間相對位移僅因基層上面層板自身形變導致，所以采用固定底座的頂推試驗模擬；根據層間接觸破壞機分析，通過推加載速率的快慢模擬短期環境溫差的大小，通過單向頂推模擬大溫差環境下加速模擬層間接觸狀態的直接破壞過程，通過往返頂推模擬小溫差環境下加速模擬層間接觸狀態的疲勞破壞過程；根據層間摩阻力關鍵因素分析，通過不同的層間處治構造模擬不同的層間接觸狀態；根據試驗結果選取最優的層間處治構造，通過不同配重的混凝土頂推試驗板模擬不同厚度的混凝土面層板，由于試驗所用混凝土板厚度尺寸足以均勻分散配重塊重量，試驗中配重塊居中放置。

2 試驗方案設計

如圖1所示，為減小尺寸效應對頂推試驗結果的影響，本研究分別成型尺寸為80 cm×80 cm×26 cm 的路面板以及100 cm×100 cm×16 cm的半剛性基層，面層和基層之間通過鋪設不同介質來實現不同接觸狀態，利用千斤頂將基層在水平方向上固定，使其在整個試驗過程中不發生位移。通過MTS按照不同的加載方式、不同加載速率對路面板施加水平方向荷載[4]，記錄不同位移值對應的頂推力，并使用配重塊模擬不同厚度路面板，研究不同層間結合狀態、加載速率、加載方式(單調加載、往復加載)、路面板厚度對路面層間摩阻力的影響。試驗設備布置圖如圖1所示。面層、基層以及瀝青功能層的配合比如表1所示。試驗條件如表1～表2所示。

通過以上對比分析，利用閱讀的外圍去理解淺閱讀，都失之偏頗。筆者認為，淺閱讀的淺應該更著重于閱讀本身，在閱讀的過程中，都是有淺入深的一個漸進過程。參與時間短、輕思考，即為淺閱讀，參與時間多、重思考，即為深閱讀。無論你讀的是什么書，目的怎樣，讀者是誰，無一不需要經過這個過程。那么，在由淺入深的這個過程中，首先都要進入淺閱讀，而在淺閱讀之后，經過主體自身的判斷，是否需要進入深閱讀。

圖1 頂推試驗設備

表1 面層、基層以及瀝青功能層的配合比

3 試驗結果分析

作為面層基層間摩阻力的重要指標，摩阻力系數廣泛用于各個國家的混凝土路面設計方法中。

其物理學經典計算公式為：

(1)

式中，μ為層間摩阻力系數；F為頂推試驗水平推力；W為路面板重量。

表2 頂推試驗條件

由上文面層基層間摩阻力作用對混凝土路面早期開裂的影響因素研究可知，水泥混凝土路面由于層間結合情況、材料組成復雜，通常認為其層間摩阻力由黏結力、層間壓力和剪切力組成[5-6]，和經典物理學中假設摩阻力大小與受力物體的重量成線性關系的摩阻力模型不同。頂推試驗典型摩阻力-位移如圖2所示。由圖可知，整個頂推試驗過程大致可以分成3個階段。

圖2 頂推試驗典型摩阻力-位移曲線

第1階段：隨著路面板與基層相對位移不斷增加，層間摩阻力呈拋物線趨勢上升，當面層和基層的相對位移到達一定程度時，層間摩阻力達到最大值，此時對應的位移稱為初始位移。

第2階段：當層間摩阻力達到最大值后，路面板與基層的相對位移繼續增加，層間摩阻力迅速降低至某一數值，表明試件層間結合狀態已經發生破壞，路面板與基層的黏結力部分或全部喪失。

第3階段：面板與基層相對位移繼續增加，層間摩阻力幾乎保持恒定不變，表明試件進入完全滑動狀態。

3.1 層間結合狀態對層間摩阻力的影響

本研究對層間使用塑料薄膜、土工布、乳化瀝青、不同厚度瀝青功能層[7-13]以及直接將混凝土澆注在基層上等7種不同情況進行頂推試驗，試驗結果如圖3所示。當加載循環次數為1次時可知，層間使用塑料薄膜對降低層間摩阻力效果最明顯，塑料薄膜作為隔離層阻止混凝土與半剛性材料之間形成黏結力[14]，大大降低了摩阻力；層間撒布乳化瀝青起到了黏結劑的作用，將混凝土和半剛性材料牢牢地黏結在一起[15]，層間摩阻力最大(對于將混凝土直接澆注在半剛性基層表面，層間不做任何處理的情況，由于層間摩阻力太大，超過MTS的最大定推力100 kN，故不考慮此結合形式)。

圖3 加載循環次數對層間摩阻力的影響

3.2 循環加載次數對層間摩阻力的影響

當試件層間發生剪切破壞后，實際上只是層間黏結力的部分或完全喪失，而層間的受壓和剪切作用仍然存在，對摩阻力有一定的貢獻。通過對試件進行循環往復加載，模擬層間處于滑動狀態下摩阻力的大小，試驗結果如圖3所示。由圖可知，無論采用何種層間處治方法[16]，在經過第1個循環加載后，試件的層間摩阻力都迅速減小，并且在隨后的多次循環加載中，摩阻力幾乎保持不變，表明混凝土與半剛性材料的黏結作用是層間摩阻力的主要來源。試件發生破壞前，在層間材料的黏結作用下，層間摩阻力保持在較高的水平[17]，試件發生破壞后，黏結作用全部或部分喪失，面層在基層上處于完全滑動狀態，摩阻力急劇降低，在循環往復加載作用下，層間接觸狀態趨同，摩阻力幾乎保持不變。

對試件發生破壞時的破壞面研究發現，在整個試驗過程中，所有的層間材料都隨著路面板的移動而與基層發生脫離[18]，這表明層間摩阻力主要作用在層間材料底部與基層頂部的交界處。同時可以發現，試件的破壞面位置取決于層間摩阻力與基層材料抗剪強度的大小。如果層間摩阻力較小，則破壞面發生在層間材料中，如果層間摩阻力較大，則破壞發生在基層材料內部。

3.3 加載速率及路面板厚度對層間摩阻力的影響

為模擬混凝土路面在降溫和作用下的收縮變形，利用MTS對試件進行精確加載，加載速率從0.01 mm/min 變化到10 mm/min。同時，在26 cm原尺寸路面板上放置配重鋼板，來模擬28，32 cm等不同路面板厚度。圖4所示為塑料薄膜作為層間材料時，不同加載速率和不同板厚對層間摩阻力的影響。由圖可知，不同試驗速率對層間摩阻力大小幾乎無影響，當加載速率從0.01 mm/min增加到10 mm/min 過程中，摩阻系數始終保持在0.7左右，變化不大。同樣，當路面板厚度從26 cm增加到32 cm 時，摩阻系數從0.66減小到0.58，即隨著路面板厚度的增加，層間摩阻系數有緩慢逐漸減小的趨勢。

圖4 加載速率及路面板厚度對層間摩阻力的影響

4 結論

通過對混凝土路面面層板與基層間不同的接觸狀態的頂推試驗研究，可以發現如下結論：

(1) 整個頂推試驗過程大致可以分成3個階段。第1階段：隨著路面板與基層相對位移不斷增加，層間摩阻力呈拋物線趨勢上升，當面層和基層的相對位移到達一定程度時，層間摩阻力達到最大值；第2階段：當層間摩阻力達到最大值后，路面板與基層的相對位移繼續增加，層間摩阻力迅速降低至某一數值，表明試件層間結合狀態已經發生破壞，路面板與基層的黏結力部分或全部喪失;第3階段：面板與基層相對位移繼續增加，層間摩阻力幾乎保持恒定不變，表明試件進入完全滑動狀態。

(2) 無論采用何種層間處治方法，在經過第1個循環加載后，試件的層間摩阻力都迅速減小，并且在隨后的多次循環加載中，摩阻力幾乎保持不變，表明混凝土與半剛性材料的黏結作用是層間摩阻力的主要來源。

(3) 不同試驗速率對層間摩阻力大小幾乎無影響。隨著路面板厚度的增加，層間摩阻系數有逐漸減小的趨勢。

(4) 塑料薄膜在減小層間摩阻力的功能上最有效，土工布和瀝青功能層同樣可以作為層間材料在降低混凝土路面層間摩阻力上發揮作用。

(5) 對試件發生破壞時的破壞面研究發現，在整個試驗過程中，所有的層間材料都隨著路面板的移動而與基層發生脫離，這表明層間摩阻力主要作用在層間材料底部與基層頂部的交界處。

(6) 試件發生破壞時的破壞面位置取決于層間摩阻力與基層材料抗剪強度的大小。如果層間摩阻力較小，則破壞面發生在層間材料中;如果層間摩阻力較大，則破壞發生在基層材料內部。

(7) 對于廣泛采用半剛性基層的混凝土路面，層間宜使用塑料薄膜或者其他材料，將混凝土直接澆注在基層上時，在混凝土水化作用下，路面板和基層牢牢地黏結在一起，形成較強的層間摩阻力，在溫度變化作用下會產生較大的溫度應力，對路面結構受力性能產生不利影響。