界面层剪切试验方法综述

赵锋军 戴 露 刘 勇

(长沙理工大学交通学院，湖南 长沙 410073)

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界面层剪切试验方法综述

赵锋军 戴 露 刘 勇

(长沙理工大学交通学院，湖南 长沙 410073)

采用界面剪切试验方法对不同材料组成的复合结构层间抗剪性能进行了研究，通过对比分析不同情况下的界面层剪切试验方法，探讨了其常用试验方法的使用情况及优缺点，并提出采用局部脱空叠层梁模型研究的试验方法，为界面层非线性粘结滑移状态的剪切特性试验研究提供参考。

复合结构，层间剪切，叠层梁，试验，模型

0 引言

在路面和桥面结构中，常通过使用不同材料组成的复合结构，以满足不同结构层的功能要求。如此一来便可以充分发挥每种材料的优异性能，不过这些都建立在相邻材料能够很好粘结的基础上，即不同材料在界面的粘结性。那么不同材料组成的复合结构粘结如何，需要对其界面层间抗剪性能进行评价，试验中常采用的方法是剪切试验。针对复合结构界面层抗剪性能评价，国外主要倾向于力学分析，而国内则更多是倾向于试验研究。总结多年国内外有关界面层的剪切试验的研究，主要分为直接剪切和斜剪。

1 直剪与斜剪

1.1 直接剪切

直接剪切试验是通过在预定的剪切面上直接施加剪应力和法向压力来求得材料的抗剪强度指标。根据不同情况用到的仪器设备有剪切试验机、HS-SSⅠ型路面材料剪切试验仪、便携式剪切仪和MTS-810试验机等，通过试验方案的设计，均能实现界面层的剪切性能试验。

田帅等通过直剪试验的方法，利用剪切试验机评价加铺碳纤维的桥面板与桥面铺装结构的剪切特性。试验模拟实际桥梁结构在车辆荷载作用下的抗剪能力，于垂直方向施加竖向荷载，水平荷载模拟车辆的制动进行加载，测得了层间界面水平抗剪力，从而评价其结构层间的抗剪强度是否满足要求。剪切试验机可以提供不同的试验温度、垂直压力，可以控制剪切速率，得到材料的剪变特性，包括各种材料、机械因素影响下的破坏面情况、抗剪强度、剪力与剪切位移的关系等，该试验未考虑剪切疲劳特性。

同样也是使用剪切试验机进行了直剪试验，竹晓华通过此方法研究乳化沥青用量、法向应力及层间污染对层间抗剪性能的影响。考虑的影响因素有两个为材料和结构，在试验条件方面只需要考虑垂直方向加载，故相对于考虑环境因素就较为简单了。试验测得最大剪应力，以评价层间抗剪性能。

HS-SSⅠ型路面材料剪切试验仪是长安大学针对层间直剪试验研发的仪器。该仪器能够同时考虑环境温度、正压力、剪切速率、混合料类型等因素对桥面铺装层间剪应力的影响，并根据试验测得的位移和换算得到的剪应力建立了对层间抗剪性能进行评价的剪切指标，同时根据本试验所得剪应力—剪应变关系曲线，分析层间抗剪能力的稳定性。

长沙理工大学的刘宏富和李星星在他们的硕士论文[4,5]中均用便携式剪切仪测定界面层的最大剪应力和抗剪强度。便携式剪切仪是一种针对于现场快速测得抗剪强度的试验仪器，通过它能够研究不同法向力的大小对层间抗剪强度的影响，相对于其他仪器便于携带、试验操作简便，同时又能满足工程所需的精度要求。室内试验中也常常用它来测得试件界面层的抗剪强度。但也难以保持较长时间的恒定温度，提供不同的试验温度，不过考虑到其破坏过程耗时不会很长，也有用其在高温下的抗剪强度的，不过没有环境箱的温度准确。

通过制作合适的夹具可以用MTS试验机进行竖向直剪。而MTS中的环境箱可以提供不同的试验温度，此外还可以对试件进行剪切疲劳测试。

总的来说，使用不同仪器进行的直接剪切试验都有各自的优点和不足处，要么提供不了不同的试验温度，要么不能测得界面层的剪切疲劳寿命。不但如此，而且还没有通过直剪试验研究温度、竖向荷载和剪切滑移等对界面层非线性粘结滑移状态下剪切应力应变关系影响。

1.2 斜剪

45°斜剪试验原理：将不同材料的触面(层间)放置于上、下试模之间，在上面的试模顶面施加正压力P，压力大小可由压力传感器测定。当剪切面呈45°时，则此正压力会沿45°分解，压力P分解成两个力，一个平行于切面P剪，一个垂直于剪切面P压。这样当P超过临界值时，在垂直力和水平力的综合作用下，试件就会产生剪切破坏，可模拟路面在行车荷载作用下不同材料层间的剪切作用情况。斜剪试验一般是通过自制夹具，配合加载设备完成。常用的加载设备有MTS-810液压伺服仪。利用MTS-810可以探究界面的剪切疲劳特性，而且试验操作简便，但其缺点是试件与试模接触受力部分会出现应力集中现象，会对试验结果产生一定的影响，同时分解后的压力和剪力是相互联系的，不能独自变化(见图1)。

大连理工大学的李惠婷在其硕士论文中用斜剪的方法探讨了不同工况下(即不同的材料结构组合的层间)的剪切疲劳寿命。首先通过公式P=P压/cos45°，P压=0.7MPa反算出压力P，再确定频率等其他参数。因为P压确定了所以P也确定，从而P剪也是定值，它们是P的两个分量，是相互联系的，不能单独变化。

陈世利通过斜剪仪研究不同温度对面层—基层层间抗剪性能的影响。试验过程中在竖向施加荷载，通过公式计算抗剪强度，其计算公式见式(1)，式(2)。

(1)

(2)

其中，σα为试件剪切面上正应力，MPa；τα为试件剪切面上剪应力，MPa；P为压力机所施加最大荷载，N；α为剪切角，45°；A为粘结面积，mm2；f为滚动摩擦系数。

通过测得不同温度和不同材料结构的界面最大抗剪强度以评价相应情况的抗剪性能，得到温度和材料对层间抗剪的影响。

李忠林等用斜剪仪探讨了层间剪切滑移规律。在不同温度和界面情况下施加不同大小的力，然后通过相应剪切面荷载下的位移，得到粘结滑移曲线，总结粘结滑移规律，并探讨温度和界面情况对界面粘结滑移的影响。

斜剪试验更容易实现界面层的剪切疲劳研究，但对于相互垂直两个方向的力不能单独控制，不便于研究竖向力对层间抗剪特性的影响。

2 局部脱空的叠层梁模型

针对直接剪切和斜剪试验均不能同时得到界面剪应力、剪应变这一情况，拟采用小梁模型，通过傅里叶级数展开等公式求得界面的剪切应力，再利用应变片测得层间线应变，将其转化为切应变，从而得到应力应变关系，以探究界面非线性粘结滑移状态。考虑到普通小梁试件在垂直荷载作用下首先发生弯曲破坏，并不会先达到抗剪强度，故需对层间剪应力放大，即采用局部脱空的叠层梁模型。

小梁模型既常用于理论分析也用于弯曲试验。理论分析中既可对小梁进行应力分析又可分析其应变，在弯曲试验中可以得到小梁的抗弯拉强度。借助于小梁模型的理论分析优势，可以得到不同应力情况下的应变。故将复合材料做成小梁试件，利用小梁模型对其进行理论分析，得到层间位置的应力应变的换算公式即可用以研究界面非线性粘结滑移状态下的本构方程。在理论分析中利用弹性力学对未脱层的叠层梁分析可得均布荷载作用下叠层梁的剪应力，如式(3)所示[10]。

(3)

其中，q为叠层梁上均布荷载；h2为第二层材料的厚度；I为叠层梁的惯性矩；a为叠层梁的中性轴偏离界面的位置。

小梁模型的侧面平整可以通过应变片测得不同位置的线应变，得到叠层梁上线应变的规律。然后通过式(4)换算出不同位置的剪切应变。

γ=(Δε·dx)/(dy)

(4)

由于很多仪器都可以对小梁试件进行加载试验，因此可以利用不同加载仪器的特点对加载速率试验温度进行设计和控制。比如我们可以利用MTS-810和其环境箱对其进行低温、高温试验和不同加载速率的试验。

对普通小梁加载，先发生弯曲破坏而不会产生剪切破坏，因此需要对其界面层的剪切力进行放大，让其先发生剪切破坏。采用层间局部脱空的办法使叠层梁在弯曲破坏前发生剪切破坏。对局部脱空的叠层梁界面层的弹性力学分析文献[11]中已进行了推导和验算，可以用局部脱空的叠层梁实现其界面剪切破坏。

3 结语

直接剪切试验其实现方式多种多样，研究员可根据各自需要选择试验仪器等，容易测得不同法向荷载下的抗剪强度，但不利于得到剪切疲劳特性，也不方便得到切应变随剪切条件变化而变化的情况；斜剪试验能够用于研究界面剪切疲劳特性，不过也有其不足之处，那就是其界面剪切力与法向压力是相关联的，不能独立变化，同时也很少用于探究界面剪切应力应变关系。文中介绍的局部脱层小梁模型能够测得不同剪切应力情况下的切应变，为研究界面非线性粘结滑移状态的剪切特性提供参考。

[1]田 帅，张铁志，李 野，等.加铺碳纤维桥面板与桥面铺装结构层间剪切试验研究.武汉理工大学学报，2011，33(6)：80-84.

[2]竹晓华.钢桥面铺装层间抗剪性能室内试验研究.科学技术与工程，2013，13(27)：8217-8221.

[3]贾锦绣.沥青路面与桥面铺装抗剪特性研究.西安：长安大学博士学位论文，2011.

[4]刘宏富.水泥混凝土桥面与沥青铺装层间剪切试验研究.长沙：长沙理工大学硕士学位论文，2008.

[5]李星星.钢桥面铺装中的环氧树脂胶粘剂及环氧树脂混凝土研究.长沙：长沙理工大学硕士学位论文，2007.

[6]JTJ054—94，公路工程石料试验规程.

[7]李惠婷.水泥混凝土桥面沥青铺装层剪切试验研究.大连：大连理工大学硕士学位论文，2008.

[8]陈世利.沥青路面面层—基层层间抗剪性能研究.西部交通科技，2014(2)：13-16.

[9]李忠林，凌天清，王火明，等.粘结滑移理论在桥面铺装层间受力分析中的应用.华东公路，2008，12(6)：64-66.

[10]赵锋军，李宇峙，易伟建.桥面沥青铺装层间应力分析简化模型.土木工程学报，2007，6(40)：100-104.

[11] 姚秀冬，周 叮，刘伟庆.含脱层复合材料简支梁的弹性力学解.玻璃钢/复合材料，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

赵锋军(1977- )，男，副教授； 戴 露(1988- )，男，在读硕士； 刘 勇(1993- )，男，在读本科生

U

A