界面層剪切試驗方法綜述

趙鋒軍 戴 露 劉 勇

(長沙理工大學交通學院，湖南 長沙 410073)

γ=(Δε·dx)/(dy)

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界面層剪切試驗方法綜述

趙鋒軍 戴 露 劉 勇

(長沙理工大學交通學院，湖南 長沙 410073)

采用界面剪切試驗方法對不同材料組成的復合結構層間抗剪性能進行了研究，通過對比分析不同情況下的界面層剪切試驗方法，探討了其常用試驗方法的使用情況及優(yōu)缺點，并提出采用局部脫空疊層梁模型研究的試驗方法，為界面層非線性粘結滑移狀態(tài)的剪切特性試驗研究提供參考。

復合結構，層間剪切，疊層梁，試驗，模型

0 引言

在路面和橋面結構中，常通過使用不同材料組成的復合結構，以滿足不同結構層的功能要求。如此一來便可以充分發(fā)揮每種材料的優(yōu)異性能，不過這些都建立在相鄰材料能夠很好粘結的基礎上，即不同材料在界面的粘結性。那么不同材料組成的復合結構粘結如何，需要對其界面層間抗剪性能進行評價，試驗中常采用的方法是剪切試驗。針對復合結構界面層抗剪性能評價，國外主要傾向于力學分析，而國內(nèi)則更多是傾向于試驗研究?？偨Y多年國內(nèi)外有關界面層的剪切試驗的研究，主要分為直接剪切和斜剪。

1 直剪與斜剪

1.1 直接剪切

直接剪切試驗是通過在預定的剪切面上直接施加剪應力和法向壓力來求得材料的抗剪強度指標。根據(jù)不同情況用到的儀器設備有剪切試驗機、HS-SSⅠ型路面材料剪切試驗儀、便攜式剪切儀和MTS-810試驗機等，通過試驗方案的設計，均能實現(xiàn)界面層的剪切性能試驗。

田帥等通過直剪試驗的方法，利用剪切試驗機評價加鋪碳纖維的橋面板與橋面鋪裝結構的剪切特性。試驗模擬實際橋梁結構在車輛荷載作用下的抗剪能力，于垂直方向施加豎向荷載，水平荷載模擬車輛的制動進行加載，測得了層間界面水平抗剪力，從而評價其結構層間的抗剪強度是否滿足要求。剪切試驗機可以提供不同的試驗溫度、垂直壓力，可以控制剪切速率，得到材料的剪變特性，包括各種材料、機械因素影響下的破壞面情況、抗剪強度、剪力與剪切位移的關系等，該試驗未考慮剪切疲勞特性。

同樣也是使用剪切試驗機進行了直剪試驗，竹曉華通過此方法研究乳化瀝青用量、法向應力及層間污染對層間抗剪性能的影響?？紤]的影響因素有兩個為材料和結構，在試驗條件方面只需要考慮垂直方向加載，故相對于考慮環(huán)境因素就較為簡單了。試驗測得最大剪應力，以評價層間抗剪性能。

HS-SSⅠ型路面材料剪切試驗儀是長安大學針對層間直剪試驗研發(fā)的儀器。該儀器能夠同時考慮環(huán)境溫度、正壓力、剪切速率、混合料類型等因素對橋面鋪裝層間剪應力的影響，并根據(jù)試驗測得的位移和換算得到的剪應力建立了對層間抗剪性能進行評價的剪切指標，同時根據(jù)本試驗所得剪應力—剪應變關系曲線，分析層間抗剪能力的穩(wěn)定性。

長沙理工大學的劉宏富和李星星在他們的碩士論文[4,5]中均用便攜式剪切儀測定界面層的最大剪應力和抗剪強度。便攜式剪切儀是一種針對于現(xiàn)場快速測得抗剪強度的試驗儀器，通過它能夠研究不同法向力的大小對層間抗剪強度的影響，相對于其他儀器便于攜帶、試驗操作簡便，同時又能滿足工程所需的精度要求。室內(nèi)試驗中也常常用它來測得試件界面層的抗剪強度。但也難以保持較長時間的恒定溫度，提供不同的試驗溫度，不過考慮到其破壞過程耗時不會很長，也有用其在高溫下的抗剪強度的，不過沒有環(huán)境箱的溫度準確。

通過制作合適的夾具可以用MTS試驗機進行豎向直剪。而MTS中的環(huán)境箱可以提供不同的試驗溫度，此外還可以對試件進行剪切疲勞測試。

總的來說，使用不同儀器進行的直接剪切試驗都有各自的優(yōu)點和不足處，要么提供不了不同的試驗溫度，要么不能測得界面層的剪切疲勞壽命。不但如此，而且還沒有通過直剪試驗研究溫度、豎向荷載和剪切滑移等對界面層非線性粘結滑移狀態(tài)下剪切應力應變關系影響。

1.2 斜剪

45°斜剪試驗原理：將不同材料的觸面(層間)放置于上、下試模之間，在上面的試模頂面施加正壓力P，壓力大小可由壓力傳感器測定。當剪切面呈45°時，則此正壓力會沿45°分解，壓力P分解成兩個力，一個平行于切面P剪，一個垂直于剪切面P壓。這樣當P超過臨界值時，在垂直力和水平力的綜合作用下，試件就會產(chǎn)生剪切破壞，可模擬路面在行車荷載作用下不同材料層間的剪切作用情況。斜剪試驗一般是通過自制夾具，配合加載設備完成。常用的加載設備有MTS-810液壓伺服儀。利用MTS-810可以探究界面的剪切疲勞特性，而且試驗操作簡便，但其缺點是試件與試模接觸受力部分會出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，會對試驗結果產(chǎn)生一定的影響，同時分解后的壓力和剪力是相互聯(lián)系的，不能獨自變化(見圖1)。

大連理工大學的李惠婷在其碩士論文中用斜剪的方法探討了不同工況下(即不同的材料結構組合的層間)的剪切疲勞壽命。首先通過公式P=P壓/cos45°，P壓=0.7MPa反算出壓力P，再確定頻率等其他參數(shù)。因為P壓確定了所以P也確定，從而P剪也是定值，它們是P的兩個分量，是相互聯(lián)系的，不能單獨變化。

陳世利通過斜剪儀研究不同溫度對面層—基層層間抗剪性能的影響。試驗過程中在豎向施加荷載，通過公式計算抗剪強度，其計算公式見式(1)，式(2)。

(1)

(2)

其中，σα為試件剪切面上正應力，MPa；τα為試件剪切面上剪應力，MPa；P為壓力機所施加最大荷載，N；α為剪切角，45°；A為粘結面積，mm2；f為滾動摩擦系數(shù)。

通過測得不同溫度和不同材料結構的界面最大抗剪強度以評價相應情況的抗剪性能，得到溫度和材料對層間抗剪的影響。

李忠林等用斜剪儀探討了層間剪切滑移規(guī)律。在不同溫度和界面情況下施加不同大小的力，然后通過相應剪切面荷載下的位移，得到粘結滑移曲線，總結粘結滑移規(guī)律，并探討溫度和界面情況對界面粘結滑移的影響。

斜剪試驗更容易實現(xiàn)界面層的剪切疲勞研究，但對于相互垂直兩個方向的力不能單獨控制，不便于研究豎向力對層間抗剪特性的影響。

2 局部脫空的疊層梁模型

針對直接剪切和斜剪試驗均不能同時得到界面剪應力、剪應變這一情況，擬采用小梁模型，通過傅里葉級數(shù)展開等公式求得界面的剪切應力，再利用應變片測得層間線應變，將其轉(zhuǎn)化為切應變，從而得到應力應變關系，以探究界面非線性粘結滑移狀態(tài)?？紤]到普通小梁試件在垂直荷載作用下首先發(fā)生彎曲破壞，并不會先達到抗剪強度，故需對層間剪應力放大，即采用局部脫空的疊層梁模型。

小梁模型既常用于理論分析也用于彎曲試驗。理論分析中既可對小梁進行應力分析又可分析其應變，在彎曲試驗中可以得到小梁的抗彎拉強度。借助于小梁模型的理論分析優(yōu)勢，可以得到不同應力情況下的應變。故將復合材料做成小梁試件，利用小梁模型對其進行理論分析，得到層間位置的應力應變的換算公式即可用以研究界面非線性粘結滑移狀態(tài)下的本構方程。在理論分析中利用彈性力學對未脫層的疊層梁分析可得均布荷載作用下疊層梁的剪應力，如式(3)所示[10]。

(3)

其中，q為疊層梁上均布荷載；h2為第二層材料的厚度；I為疊層梁的慣性矩；a為疊層梁的中性軸偏離界面的位置。

小梁模型的側(cè)面平整可以通過應變片測得不同位置的線應變，得到疊層梁上線應變的規(guī)律。然后通過式(4)換算出不同位置的剪切應變。

γ=(Δε·dx)/(dy)

(4)

由于很多儀器都可以對小梁試件進行加載試驗，因此可以利用不同加載儀器的特點對加載速率試驗溫度進行設計和控制。比如我們可以利用MTS-810和其環(huán)境箱對其進行低溫、高溫試驗和不同加載速率的試驗。

對普通小梁加載，先發(fā)生彎曲破壞而不會產(chǎn)生剪切破壞，因此需要對其界面層的剪切力進行放大，讓其先發(fā)生剪切破壞。采用層間局部脫空的辦法使疊層梁在彎曲破壞前發(fā)生剪切破壞。對局部脫空的疊層梁界面層的彈性力學分析文獻[11]中已進行了推導和驗算，可以用局部脫空的疊層梁實現(xiàn)其界面剪切破壞。

3 結語

直接剪切試驗其實現(xiàn)方式多種多樣，研究員可根據(jù)各自需要選擇試驗儀器等，容易測得不同法向荷載下的抗剪強度，但不利于得到剪切疲勞特性，也不方便得到切應變隨剪切條件變化而變化的情況；斜剪試驗能夠用于研究界面剪切疲勞特性，不過也有其不足之處，那就是其界面剪切力與法向壓力是相關聯(lián)的，不能獨立變化，同時也很少用于探究界面剪切應力應變關系。文中介紹的局部脫層小梁模型能夠測得不同剪切應力情況下的切應變，為研究界面非線性粘結滑移狀態(tài)的剪切特性提供參考。

[1]田 帥，張鐵志，李 野，等.加鋪碳纖維橋面板與橋面鋪裝結構層間剪切試驗研究.武漢理工大學學報，2011，33(6)：80-84.

[2]竹曉華.鋼橋面鋪裝層間抗剪性能室內(nèi)試驗研究.科學技術與工程，2013，13(27)：8217-8221.

[3]賈錦繡.瀝青路面與橋面鋪裝抗剪特性研究.西安：長安大學博士學位論文，2011.

[4]劉宏富.水泥混凝土橋面與瀝青鋪裝層間剪切試驗研究.長沙：長沙理工大學碩士學位論文，2008.

[5]李星星.鋼橋面鋪裝中的環(huán)氧樹脂膠粘劑及環(huán)氧樹脂混凝土研究.長沙：長沙理工大學碩士學位論文，2007.

[6]JTJ054—94，公路工程石料試驗規(guī)程.

[7]李惠婷.水泥混凝土橋面瀝青鋪裝層剪切試驗研究.大連：大連理工大學碩士學位論文，2008.

[8]陳世利.瀝青路面面層—基層層間抗剪性能研究.西部交通科技，2014(2)：13-16.

[9]李忠林，凌天清，王火明，等.粘結滑移理論在橋面鋪裝層間受力分析中的應用.華東公路，2008，12(6)：64-66.

[10]趙鋒軍，李宇峙，易偉建.橋面瀝青鋪裝層間應力分析簡化模型.土木工程學報，2007，6(40)：100-104.

[11] 姚秀冬，周 叮，劉偉慶.含脫層復合材料簡支梁的彈性力學解.玻璃鋼/復合材料，2009(5)：18-22.

Onsurveyofshearingtestmethodsatinterfacelayers

ZhaoFengjunDaiLuLiuYong

(College of Communications, Changsha University of Technology, Changsha 410073, China)

Thepaperresearchestheadoptionoftheinterfaceshearingtestmethodsfortheanti-shearingperformanceamonglayersofcompositestructureswithdifferentmaterials,explorestheusages,advantagesanddisadvantagesofcommontestmethodsbyanalyzingandcomparingtheinterfacelayershearingtestmethodsunderdifferentcircumstances,andpointsoutthetestmethodsfortheresearchonthelocalvoidlaminatedbeammodel,soastoprovidesomereferencefortheshearingfeaturesresearchinthenon-linearbondslipstateoftheinterfacelayer.

compositestructure,interlayershearing,laminatedbeam,test,model

1009-6825(2015)01-0150-02

2014-10-31

趙鋒軍(1977- )，男，副教授； 戴 露(1988- )，男，在讀碩士； 劉 勇(1993- )，男，在讀本科生

U

A