肖成明，朱志廣，胡邦勝

(廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530023)

0 引言

水泥混凝土路面是一種使用率非常高的路面形式，相較其他類型的路面結(jié)構(gòu)，具有強(qiáng)度高(抗壓強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度)、穩(wěn)定性好、耐久性能較好以及有利于夜間行車的優(yōu)點(diǎn)；但水泥混凝土路面屬于剛性路面結(jié)構(gòu)，在車輛動(dòng)荷載作用下，減振效果和能量吸收效果較差，易發(fā)生斷裂破壞。為了解決這一問(wèn)題，本文提出在水泥混凝土路面板與剛性基層之間設(shè)置柔性瀝青夾層(瀝青混合料本文均簡(jiǎn)稱為瀝青夾層)的措施。當(dāng)水泥混凝土路面板受到車輛沖擊時(shí)，車輛荷載通過(guò)路面板傳遞給柔性瀝青夾層，瀝青夾層受到擠壓變形，以減小振動(dòng)和吸收能量，從而降低荷載對(duì)路面的作用力，進(jìn)而降低或者減緩荷載水泥混凝土路面的破壞速率，有可能提高其使用年限。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)路面結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)研究較少。李倩[1]利用落錘式彎沉儀(fwd)和大型加速加載裝置(alf)對(duì)路面結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。溫佳宇[2]對(duì)剛性路面彎沉在落錘式彎沉儀荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了分析，建立了剛性路面在落錘式彎沉儀荷載作用下的瞬態(tài)動(dòng)力分析模型。董忠紅等[3]建立了一個(gè)修筑足尺試驗(yàn)場(chǎng)，利用加速加載裝置測(cè)試了車輪荷載作用下表層底部的動(dòng)力響應(yīng)。一些學(xué)者基于室內(nèi)加載試驗(yàn)和理論分析，對(duì)路面結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了研究，建立了用于解決車轍評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的車轍預(yù)測(cè)模型，提出了分層車轍評(píng)價(jià)方法。陳少幸等[4]針對(duì)半剛性試驗(yàn)路疲勞性能的加速加載試驗(yàn)，采用短周期單元模擬漸進(jìn)疲勞損傷模型，分析了瀝青層模量和瀝青層底部應(yīng)變?cè)诩铀偌虞d過(guò)程中的變化規(guī)律，并利用實(shí)車加速加載試驗(yàn)裝置，對(duì)道路結(jié)構(gòu)在移動(dòng)車輛荷載作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了測(cè)試，研究了軸載、行車速度和輪胎壓力對(duì)路面結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響。一些學(xué)者對(duì)功能梯度夾層板進(jìn)行了理論研究[5-7]。梁家平[8]建立了三維有限元模型，分析了帶有瀝青隔離層的混凝土路面結(jié)構(gòu)在移動(dòng)荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)。戴楚源[9]在其碩士論文中采用了自行設(shè)計(jì)研發(fā)的落球沖擊試驗(yàn)裝置，而本文就是采用該裝置進(jìn)行落球試驗(yàn)。

以上學(xué)者對(duì)路面結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的研究主要集中在水泥混凝土路面板下脫空、水泥混凝土路面板的剩余強(qiáng)度、瀝青路面的車轍或理論研究等方面，國(guó)內(nèi)外對(duì)于瀝青夾層對(duì)水泥混凝土的減振和能量吸收效應(yīng)的動(dòng)力響應(yīng)的試驗(yàn)研究較少。

本文研究采用落球沖擊小型路面板振動(dòng)試驗(yàn)方法獲得路面結(jié)構(gòu)的振動(dòng)信號(hào)，通過(guò)對(duì)比分析有無(wú)瀝青夾層的沖擊振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)研究瀝青夾層對(duì)沖擊荷載的減振和吸能效果，通過(guò)對(duì)比瀝青夾層是否摻入橡膠粉的小型路面板振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究橡膠粉的摻入對(duì)瀝青夾層的減振和吸能效果的提升作用。試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，瀝青夾層的加入提高了水泥混凝土路面板的減振和吸能效果，減緩了車輛沖擊荷載對(duì)水泥路面的沖擊破壞作用，進(jìn)而延長(zhǎng)其疲勞壽命，最終使得水泥路面的使用壽命得以延長(zhǎng)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 測(cè)試模型的結(jié)構(gòu)

本研究采用小尺寸的水泥混凝土板模擬實(shí)際水泥混凝土路面板。為了對(duì)比有瀝青夾層的水泥混凝土路面和無(wú)瀝青夾層的水泥混凝土路面的減振和吸能效果，采用了長(zhǎng)62.5 cm、寬50 cm的4種試驗(yàn)?zāi)Ｐ停?1)沒(méi)有瀝青夾層(PCC)的水泥混凝土面板；(2)瀝青夾層厚度為2 cm(PCC-2)的水泥混凝土面板；(3)添加橡膠粉的瀝青夾層厚度為2 cm(PCC-2XJ)的水泥混凝土面板；(4)未添加橡膠粉瀝青夾層厚度為4 cm(PCC-4)的水泥混凝土面板。采用貧混凝土材料即C15作為基層，水泥混凝土面層澆筑材料則采用常規(guī)的C30混凝土，瀝青夾層采用AC-10瀝青混合料。根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)和《公路工程瀝青及瀝青混合料標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》(JTJ 052-2000)，確定了瀝青混合料的集料級(jí)配范圍和最佳瀝青用量(本試驗(yàn)取5%)。無(wú)瀝青夾層測(cè)試模型的結(jié)構(gòu)尺寸如圖1(a)所示，從下到上依次為2 cm厚橡膠墊層、8 cm厚貧混凝土層和5 cm厚水泥混凝土面層，而設(shè)置有瀝青夾層的結(jié)構(gòu)多一層緩沖隔離層，具體結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖1(b)所示。

(a)無(wú)瀝青夾層的路面結(jié)構(gòu)

(b)有瀝青夾層的路面結(jié)構(gòu)

1.2 落球沖擊振動(dòng)試驗(yàn)

采用落球沖擊振動(dòng)荷載模擬車輛振動(dòng)信號(hào)的強(qiáng)度，本試驗(yàn)儀器選用dh-5922動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試儀采集和處理路面結(jié)構(gòu)的頻域振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)，分析路面結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)的阻尼規(guī)律，使其反映出減振性能。本試驗(yàn)選用同一個(gè)鋼球自由下落且讓鋼球在下落過(guò)程中不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，即能保證每一次撞擊提供的沖擊荷載保持一致。在落球振動(dòng)試驗(yàn)方法中，鋼球從試樣上方一定高度(根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康牟煌x擇高度是否一致)自由落下，分別撞擊試樣側(cè)面的中心、角落和中心。在測(cè)試中，鋼球自由地落在一個(gè)中空的圓筒里。在這個(gè)時(shí)候，鋼球撞擊試樣，對(duì)試樣產(chǎn)生瞬間的沖擊效應(yīng)，即可用dh-5922動(dòng)態(tài)信號(hào)采集儀采集混凝土板指定位置產(chǎn)生的振動(dòng)數(shù)據(jù)。為保證鋼球下落過(guò)程中不受外界風(fēng)速變化的影響，在鋼球自由落體的軌跡上套上一個(gè)略大于落球直徑的圓筒塑料管。

2 瀝青混合料減振吸能的試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 振動(dòng)試驗(yàn)的落球位置和測(cè)點(diǎn)位置布置

鋼球從不同的高度落下，落球擊中試件的正中心及側(cè)面的中心、角落和中心。將磁電式振動(dòng)傳感器分別安裝在測(cè)點(diǎn)處，研究設(shè)置瀝青隔離層對(duì)水泥混凝土路面的減振作用效果，并研究振動(dòng)響應(yīng)影響的邊界范圍。圓圈中心為落球點(diǎn)位置，黑色矩形區(qū)域?yàn)橛么烹娛秸駝?dòng)傳感器進(jìn)行振動(dòng)數(shù)據(jù)采集的測(cè)點(diǎn)，如圖2所示。圖2中鋼球落點(diǎn)為板中心，設(shè)置4個(gè)測(cè)點(diǎn)從下到上為測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)3和測(cè)點(diǎn)4。

圖2 落球點(diǎn)(測(cè)點(diǎn))位置變化尺寸示意圖(cm)

2.2 瀝青夾層對(duì)路面板的減振作用分析

將鋼球自由落體的高度設(shè)置為60 cm，落球位置為板的中心處。下頁(yè)圖3所示分別為無(wú)瀝青夾層板(PCC)、2 cm厚瀝青夾層板(PCC-2)、2 cm厚添加橡膠粉的瀝青夾層板(PCC-2XJ)和4 cm厚未添加橡膠粉的瀝青夾層板(PCC-4)的振動(dòng)響應(yīng)變化曲線。

鋼球下落高度均為60 cm，通過(guò)分析圖3中的數(shù)據(jù)信息，在無(wú)瀝青夾層板(PCC)上所測(cè)的振動(dòng)數(shù)據(jù)的最大峰值比其他三種板的對(duì)應(yīng)位置的振動(dòng)最大峰值大，無(wú)瀝青夾層板(PCC)上所測(cè)的振動(dòng)數(shù)據(jù)的最小峰值的絕對(duì)值比其他三種板對(duì)應(yīng)位置的振動(dòng)最小峰值的絕對(duì)值大，且無(wú)瀝青夾層板(PCC)上所測(cè)的振動(dòng)數(shù)據(jù)的最大峰值與最小峰值之差比其他三種板的對(duì)應(yīng)位置最大峰值與最小峰值之差大。簡(jiǎn)單歸納數(shù)據(jù)得出規(guī)律：無(wú)瀝青夾層路面板受到相同大小的沖擊荷載作用時(shí)，在對(duì)應(yīng)相同位置產(chǎn)生振動(dòng)響應(yīng)的最大峰值、最小峰值的絕對(duì)值、最大峰值與最小峰值之差比其他三種設(shè)置有瀝青夾層路面板都要大。

上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果表明，瀝青夾層的添加使得水泥混凝土路面的振動(dòng)響應(yīng)峰值大大降低，當(dāng)然路面承受的沖擊荷載的振動(dòng)作用能力就得以增強(qiáng)，進(jìn)而會(huì)減緩水泥路面的破壞，延長(zhǎng)路面板的使用壽命。

2.3 摻膠粉和未摻膠粉的瀝青夾層路面結(jié)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果分析

為了對(duì)比摻加橡膠粉和未摻加橡膠粉的瀝青夾層的減振效果，將鋼球的下落高度設(shè)置為60 cm，落球位置為板中心處。AC-10瀝青的用量為5.0%(此過(guò)程本文略)，添加橡膠粉的細(xì)度為28，添加量為15%。如表1所示，對(duì)是否摻入橡膠粉的瀝青隔離層的混凝土板進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，目的在于檢驗(yàn)橡膠粉是否能進(jìn)一步提高減振效果。

表1 采集所得的振動(dòng)數(shù)據(jù)比較表

由表1可知，當(dāng)鋼球下落高度為60 cm時(shí)，摻橡膠粉瀝青夾層路面板的最大峰值與最小峰值之差的絕對(duì)值為0.480 mm，與不摻橡膠粉瀝青夾層路面板相比，減少了6.88%。摻橡膠粉和不摻橡膠粉的瀝青夾層對(duì)水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)的阻尼作用分別為51.93%和41.43%?？梢钥闯鱿鹉z粉的摻入能大大降低帶瀝青夾層的路面板的振動(dòng)幅值，進(jìn)而大大提高其減振作用。

根據(jù)上述分析，在瀝青夾層中加入一定量的橡膠粉，可以有效地降低路面結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)幅值，具有更顯著的減振效果，能進(jìn)一步加強(qiáng)夾層的阻尼作用，并可以有效地吸收車輪對(duì)路面板產(chǎn)生的振動(dòng)能量。

3 結(jié)語(yǔ)

本次研究利用動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)，采集小型路面板結(jié)構(gòu)試件受沖擊載荷作用時(shí)的頻率和振動(dòng)信號(hào)，研究路面結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)的阻尼規(guī)律，分析瀝青夾層的減振和吸能效果。其主要結(jié)論如下：

(1)瀝青夾層的設(shè)置可以有效地降低水泥混凝土路面板的振動(dòng)響應(yīng)峰值，從而減小由外部沖擊荷載引起的路面板的高振幅振動(dòng)，并能有效地吸收路面板的振動(dòng)能量，即減振性能增強(qiáng)，從而減少路面結(jié)構(gòu)的斷裂破壞。

(2)橡膠粉的摻入，能夠進(jìn)一步提升帶瀝青夾層的水泥混凝土板的減振作用。在瀝青夾層中摻入一定量(如摻量15%)的橡膠粉后，其減振效果更加明顯。