水泥混凝土路面板脫空檢測方法研究

楊海光

大慶油田設計院有限公司

路況調查表明，近幾年水泥混凝土路面角隅處和縱縫處斷裂現(xiàn)象較為多見[1]，這直接影響道路的使用壽命與承載能力[2-5]，產生這種結果的原因是車輛超載、雨水侵蝕、唧泥以及路基不均勻沉降等因素造成水泥混凝土路面在使用過程中板底脫空，改變了板的受力狀態(tài)，導致路面板縱縫和角隅產生斷裂。傳統(tǒng)方法多采用落錘式彎沉儀多級加載脫空測試或梁式彎沉脫空測試，但操作條件容易受限，檢測結果誤差大，而且儀器價格昂貴，使用成本較高。本文通過室內試驗研究了地震波法檢測水泥混凝土路面板[6-10]縱縫和角隅脫空動力響應，為治理路面板縱縫和角隅脫空提供理論支撐，可更加便捷、準確判定板底狀況，治理脫空。

1 試體設計

1.1 面層與基層的設計

混凝土配合比設計根據(jù)JTG D40—2011《公路水泥混凝土路面設計規(guī)范》，設混凝土容重2 400 kg/m3。面層（基層）混凝土設計配合比見表1。

表1 面層（基層）混凝土設計配合比Tab.1 Design mix ratio of surface layer(base layer)concrete kg

1.2 澆筑試驗脫空板

試驗脫空板制作步驟為：①選定面層、基層尺寸。一般實際工程中單塊面層的尺寸為5 000×3 750×200（單位mm，下同），本次室內水泥混泥土路面板脫空試驗將其按1∶5 的比例縮小，面層模型尺寸為1 000×750×40），共制作4 塊，每塊72 kg（考慮鐵環(huán)質量）。為了方便移動模型，在面層上安置3 個吊環(huán)?；鶎幽Ｐ统叽纾? 300×1 050×40。脫空區(qū)域位于基層上，其厚度為30 mm，每塊基層都安置有3 個吊環(huán)，方便移動。脫空區(qū)域面積分別為200×150、300×250、400×350。制作10塊基層含脫空區(qū)域，3 塊完整基層，每塊基層約97.92 kg，共13 塊基層。單塊完整基層與路面板試體設計如圖1 所示。②安裝基層模板、預埋脫空模板（三塊脫空模板尺寸：200×150×30，300 ×250×30，400×350×30），安裝吊環(huán)、澆筑、養(yǎng)護。③安裝模板澆筑面層需在基層養(yǎng)護一周后方可進行，以防止因基層未達到足夠強度，影響基層與面層接觸面的平整度，進而影響試驗結果。

圖1 單塊完整基層和面層平面圖Fig.1 Single block complete base and surface plan

綜合考慮相似關系與試驗條件，確定具有脫空的基層試體平面尺寸組合見圖2。

圖2 基層脫空工況Fig2 Base layer void

2 加載設備及測量儀器

2.1 特制落錘

在鋼管上焊接鐵盤，將鐵塊套在鋼管上，鐵塊自由落體撞擊鐵盤，鐵盤對試件加載荷載。

2.2 試驗儀器

試驗儀器包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、激振設備、應變計和振動傳感器。采用特制落錘為激振設備，振動傳感器為加速度式傳感器（共3 個：1 個豎向傳感器、2 個水平傳感器），在水泥混凝土面層上預先粘貼應變計，記錄沖擊荷載作用下面層的動態(tài)應變，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠對地震波的反饋、各類機械振動及各自沖擊信號進行采集記錄。

加速度傳感器以及應變計的布置形式如圖3所示。

圖3 傳感器布置圖Fig.3 Sensor layout

3 室內水泥混凝土路面板脫空試驗

進行室內脫空狀態(tài)、落錘高度、錘擊位置的對比實驗。

3.1 注意事項

基層和面層的模板高度應與其厚度一致，從而刮平混凝土，保證接觸面平整度，以防前后移動面層時，在預設矩形脫空區(qū)之外產生新的脫空，影響試驗的準確性。試驗應在脫空模型養(yǎng)護28天后進行。

3.2 實物模型制作

圖4 為制作水泥混凝土路面板基層和面層，圖5 為對不同脫空狀態(tài)的水泥混凝土路面板進行角隅脫空和縱縫脫空實驗。

圖4 水泥混凝土路面板Fig.4 Cement concrete pavement slab

圖5 不同脫空狀態(tài)的水泥混凝土路面板脫空試驗Fig.5 Void test of cement concrete pavement slabs with different void states

3.3 試驗結果分析

3.3.1 角隅脫空

在不同脫空面積下，僅峰值呈現(xiàn)遞增和遞減趨勢，加速度頻譜特性曲線和時程曲線的形式類似，故在圖6 中，所列頻譜特性曲線和加速度時程曲線為脫空尺寸300×250×30。表2、表3 和表4 為不同脫空面積下路面板角隅脫空實驗數(shù)據(jù)。

圖6 角隅脫空加速度時程曲線（落錘高度10 cm）Fig.6 Acceleration time history curve of corner void（drop hammer height 10 cm）

表2 角隅脫空不同落錘高度的測試數(shù)據(jù)（200×150×30）Tab.2 Test data of different drop hammer heights for corner void（200×150×30）

表3 角隅脫空不同落錘高度的測試數(shù)據(jù)（300×250×30）Tab.3 Test data of different drop hammer heights for corner void（300×250×30）

表4 角隅脫空不同落錘高度的測試數(shù)據(jù)（400×350×30）Tab.4 Test data of different drop hammer heights for corner void（400×350×30）

由表2、表3 和表4 以及圖6 可知，路面板角隅脫空面積大小對路面板動響應影響較大，當路面板脫空面積變大時，振動時間增加，應變和振動加速度增加，最大振幅對應的頻率變小，其中板頂應變小于板底應變，最大加速度變大，并且以2 倍的速度增加。

當脫空面積不變時，落錘高度升高，路面板主頻和振動時間幾乎不變，應變和加速度變大。與板底無脫空相比，有脫空時主頻變小，而振動時間、最大加速度增加。測試頻率采集范圍為0～500 Hz，由頻譜特性曲線得出，路面板振動頻率集中在0～200 Hz，200 Hz 之后，整體出現(xiàn)下降，路面板角隅脫空主頻值約30～48 Hz，非脫空主頻值約50～70 Hz。水泥混凝土路面板為剛性構件，板底脫空則使剛度變小，應變也大于非脫空區(qū)域的應變，因此振動加速度減小、振動主頻變小、增加振動時間，理論分析與實驗結果相符。

由試驗結果可知，角隅脫空狀態(tài)與水泥混凝土路面板動響應相關性較高。對于水泥混凝土路面板角隅脫空，可以通過地震波法進行檢測判斷。

3.3.2 縱縫脫空

路面板縱縫脫空試驗數(shù)據(jù)見表5～表7，圖7 所列頻譜特性曲線和加速度時程曲線為脫空尺寸300×250×30。

圖7 縱縫脫空加速度時程曲線（落錘高度10 cm）Fig.7 Acceleration time history curve of longitudinal seam void（drop hammer height 10 cm）

表5 縱縫脫空不同落錘高度的測試數(shù)據(jù)（200×150×30）Tab.5 Test data of different drop hammer heights for longitudinal seam void（200×150×30）

表6 縱縫脫空不同落錘高度的測試數(shù)據(jù)（300×250×30）Tab.6 Test data of different drop hammer heights for longitudinal seam void（300×250×30）

表7 縱縫脫空不同落錘高度的測試數(shù)據(jù)（400×350×30）Tab.7 Test data of different drop hammer heights for longitudinal seam void（400×350×30）

由表5～表7 及圖7 可知，縱縫脫空面積對路面板動響應（最大加速度、主頻、應變、振動時間）影響較大，當路面板脫空面積變大時，振動時間增加，應變和振動加速度增加，最大振幅對應的頻率變小，其中板頂應變小于板底應變。同樣的脫空面積下，當落錘高度升高，路面板主頻和振動時間幾乎不變，應變和加速度變大。與板底無脫空相比，有脫空時主頻變小，而振動時間、最大加速度增加。由試驗結果可知，縱縫脫空狀態(tài)與水泥混凝土路面板動響應相關性較高。對于水泥混凝土路面板縱縫脫空，可以通過地震波法進行檢測判斷。

3.3.3 不同脫空狀態(tài)數(shù)據(jù)

由表8 可知，相較于非脫空路面板，脫空狀態(tài)下板頂最大加速度、最大應變均增加，而主頻則降低。施加相同荷載于不同脫空狀態(tài)，路面板動力響應（主頻、最大加速度、板頂應變）不同，按照角隅脫空、縱縫脫空、角隅縱縫同時脫空、對邊同時脫空的順序，板頂最大加速度逐漸增加?？v縫脫空應變值最小，對邊同時脫空應變值最大，二者相差5.8 倍。無論在角隅脫空區(qū)域還是在縱縫脫空區(qū)域施加錘擊，對邊同時脫空的最大振幅對應的頻率都最小。

表8 不同脫空狀態(tài)的試驗數(shù)據(jù)峰值Tab.8 Peak value of test data under different void states

4 結論

通過地震波法檢測不同脫空狀態(tài)的水泥混凝土路面板，得出以下結論：①當路面板脫空面積變大時，振動時間增加，應變和振動加速度增加，最大振幅對應的頻率變小，而且板頂應變相較于板底應變更小，不同的落錘高度也產生不同的試驗結果；②與非脫空路面板相比，脫空路面板的應變、振動時間、最大加速度均有所增加，而最大振幅對應的頻率小于非脫空路面板。以上結論可為預防和處理路面板脫空問題提供理論支持。