帶瀝青夾層的水泥混凝土路面結構的減振效應研究

肖成明，朱志廣，胡邦勝

(廣西交通職業技術學院，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構，具有強度高(抗壓強度和抗彎拉強度)、穩定性好、耐久性能較好以及有利于夜間行車的優點；但水泥混凝土路面屬于剛性路面結構，在車輛動荷載作用下，減振效果和能量吸收效果較差，易發生斷裂破壞。為了解決這一問題，本文提出在水泥混凝土路面板與剛性基層之間設置柔性瀝青夾層(瀝青混合料本文均簡稱為瀝青夾層)的措施。當水泥混凝土路面板受到車輛沖擊時，車輛荷載通過路面板傳遞給柔性瀝青夾層，瀝青夾層受到擠壓變形，以減小振動和吸收能量，從而降低荷載對路面的作用力，進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，國內外對路面結構的動力響應試驗研究較少。李倩[1]利用落錘式彎沉儀(fwd)和大型加速加載裝置(alf)對路面結構的動力響應進行了試驗研究。溫佳宇[2]對剛性路面彎沉在落錘式彎沉儀荷載作用下的動力響應進行了分析，建立了剛性路面在落錘式彎沉儀荷載作用下的瞬態動力分析模型。董忠紅等[3]建立了一個修筑足尺試驗場，利用加速加載裝置測試了車輪荷載作用下表層底部的動力響應。一些學者基于室內加載試驗和理論分析，對路面結構的動態響應進行了研究，建立了用于解決車轍評價標準的車轍預測模型，提出了分層車轍評價方法。陳少幸等[4]針對半剛性試驗路疲勞性能的加速加載試驗，采用短周期單元模擬漸進疲勞損傷模型，分析了瀝青層模量和瀝青層底部應變在加速加載過程中的變化規律，并利用實車加速加載試驗裝置，對道路結構在移動車輛荷載作用下的動態響應進行了測試，研究了軸載、行車速度和輪胎壓力對路面結構動態響應的影響。一些學者對功能梯度夾層板進行了理論研究[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構在移動荷載作用下的動力響應。戴楚源[9]在其碩士論文中采用了自行設計研發的落球沖擊試驗裝置，而本文就是采用該裝置進行落球試驗。

以上學者對路面結構動力響應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度、瀝青路面的車轍或理論研究等方面，國內外對于瀝青夾層對水泥混凝土的減振和能量吸收效應的動力響應的試驗研究較少。

本文研究采用落球沖擊小型路面板振動試驗方法獲得路面結構的振動信號，通過對比分析有無瀝青夾層的沖擊振動試驗數據研究瀝青夾層對沖擊荷載的減振和吸能效果，通過對比瀝青夾層是否摻入橡膠粉的小型路面板振動試驗數據，研究橡膠粉的摻入對瀝青夾層的減振和吸能效果的提升作用。試驗結果說明，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水泥路面的沖擊破壞作用，進而延長其疲勞壽命，最終使得水泥路面的使用壽命得以延長。

1 試驗方案

1.1 測試模型的結構

本研究采用小尺寸的水泥混凝土板模擬實際水泥混凝土路面板。為了對比有瀝青夾層的水泥混凝土路面和無瀝青夾層的水泥混凝土路面的減振和吸能效果，采用了長62.5 cm、寬50 cm的4種試驗模型：(1)沒有瀝青夾層(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的C30混凝土，瀝青夾層采用AC-10瀝青混合料。根據《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40-2004)和《公路工程瀝青及瀝青混合料標準試驗方法》(JTJ 052-2000)，確定了瀝青混合料的集料級配范圍和最佳瀝青用量(本試驗取5%)。無瀝青夾層測試模型的結構尺寸如圖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，而設置有瀝青夾層的結構多一層緩沖隔離層，具體結構對比如圖1(b)所示。

(a)無瀝青夾層的路面結構

(b)有瀝青夾層的路面結構

1.2 落球沖擊振動試驗

采用落球沖擊振動荷載模擬車輛振動信號的強度，本試驗儀器選用dh-5922動態信號測試儀采集和處理路面結構的頻域振動信號數據，分析路面結構振動響應的阻尼規律，使其反映出減振性能。本試驗選用同一個鋼球自由下落且讓鋼球在下落過程中不發生轉動，即能保證每一次撞擊提供的沖擊荷載保持一致。在落球振動試驗方法中，鋼球從試樣上方一定高度(根據試驗目的不同選擇高度是否一致)自由落下，分別撞擊試樣側面的中心、角落和中心。在測試中，鋼球自由地落在一個中空的圓筒里。在這個時候，鋼球撞擊試樣，對試樣產生瞬間的沖擊效應，即可用dh-5922動態信號采集儀采集混凝土板指定位置產生的振動數據。為保證鋼球下落過程中不受外界風速變化的影響，在鋼球自由落體的軌跡上套上一個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結果分析

2.1 振動試驗的落球位置和測點位置布置

鋼球從不同的高度落下，落球擊中試件的正中心及側面的中心、角落和中心。將磁電式振動傳感器分別安裝在測點處，研究設置瀝青隔離層對水泥混凝土路面的減振作用效果，并研究振動響應影響的邊界范圍。圓圈中心為落球點位置，黑色矩形區域為用磁電式振動傳感器進行振動數據采集的測點，如圖2所示。圖2中鋼球落點為板中心，設置4個測點從下到上為測點1、測點2、測點3和測點4。

圖2 落球點(測點)位置變化尺寸示意圖(cm)

2.2 瀝青夾層對路面板的減振作用分析

將鋼球自由落體的高度設置為60 cm，落球位置為板的中心處。下頁圖3所示分別為無瀝青夾層板(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)的振動響應變化曲線。

鋼球下落高度均為60 cm，通過分析圖3中的數據信息，在無瀝青夾層板(PCC)上所測的振動數據的最大峰值比其他三種板的對應位置的振動最大峰值大，無瀝青夾層板(PCC)上所測的振動數據的最小峰值的絕對值比其他三種板對應位置的振動最小峰值的絕對值大，且無瀝青夾層板(PCC)上所測的振動數據的最大峰值與最小峰值之差比其他三種板的對應位置最大峰值與最小峰值之差大。簡單歸納數據得出規律：無瀝青夾層路面板受到相同大小的沖擊荷載作用時，在對應相同位置產生振動響應的最大峰值、最小峰值的絕對值、最大峰值與最小峰值之差比其他三種設置有瀝青夾層路面板都要大。

上述試驗數據結果表明，瀝青夾層的添加使得水泥混凝土路面的振動響應峰值大大降低，當然路面承受的沖擊荷載的振動作用能力就得以增強，進而會減緩水泥路面的破壞，延長路面板的使用壽命。

2.3 摻膠粉和未摻膠粉的瀝青夾層路面結構試驗結果分析

為了對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%(此過程本文略)，添加橡膠粉的細度為28，添加量為15%。如表1所示，對是否摻入橡膠粉的瀝青隔離層的混凝土板進行試驗數據對比，目的在于檢驗橡膠粉是否能進一步提高減振效果。

表1 采集所得的振動數據比較表

由表1可知，當鋼球下落高度為60 cm時，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水泥混凝土路面結構的阻尼作用分別為51.93%和41.43%。可以看出橡膠粉的摻入能大大降低帶瀝青夾層的路面板的振動幅值，進而大大提高其減振作用。

根據上述分析，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構的振動響應幅值，具有更顯著的減振效果，能進一步加強夾層的阻尼作用，并可以有效地吸收車輪對路面板產生的振動能量。

3 結語

本次研究利用動態信號測試分析系統，采集小型路面板結構試件受沖擊載荷作用時的頻率和振動信號，研究路面結構振動響應的阻尼規律，分析瀝青夾層的減振和吸能效果。其主要結論如下：

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

(2)橡膠粉的摻入，能夠進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。