带沥青夹层的水泥混凝土路面结构的减振效应研究

肖成明，朱志广，胡邦胜

(广西交通职业技术学院，广西 南宁 530023)

0 引言

水泥混凝土路面是一种使用率非常高的路面形式，相较其他类型的路面结构，具有强度高(抗压强度和抗弯拉强度)、稳定性好、耐久性能较好以及有利于夜间行车的优点；但水泥混凝土路面属于刚性路面结构，在车辆动荷载作用下，减振效果和能量吸收效果较差，易发生断裂破坏。为了解决这一问题，本文提出在水泥混凝土路面板与刚性基层之间设置柔性沥青夹层(沥青混合料本文均简称为沥青夹层)的措施。当水泥混凝土路面板受到车辆冲击时，车辆荷载通过路面板传递给柔性沥青夹层，沥青夹层受到挤压变形，以减小振动和吸收能量，从而降低荷载对路面的作用力，进而降低或者减缓荷载水泥混凝土路面的破坏速率，有可能提高其使用年限。

目前，国内外对路面结构的动力响应试验研究较少。李倩[1]利用落锤式弯沉仪(fwd)和大型加速加载装置(alf)对路面结构的动力响应进行了试验研究。温佳宇[2]对刚性路面弯沉在落锤式弯沉仪荷载作用下的动力响应进行了分析，建立了刚性路面在落锤式弯沉仪荷载作用下的瞬态动力分析模型。董忠红等[3]建立了一个修筑足尺试验场，利用加速加载装置测试了车轮荷载作用下表层底部的动力响应。一些学者基于室内加载试验和理论分析，对路面结构的动态响应进行了研究，建立了用于解决车辙评价标准的车辙预测模型，提出了分层车辙评价方法。陈少幸等[4]针对半刚性试验路疲劳性能的加速加载试验，采用短周期单元模拟渐进疲劳损伤模型，分析了沥青层模量和沥青层底部应变在加速加载过程中的变化规律，并利用实车加速加载试验装置，对道路结构在移动车辆荷载作用下的动态响应进行了测试，研究了轴载、行车速度和轮胎压力对路面结构动态响应的影响。一些学者对功能梯度夹层板进行了理论研究[5-7]。梁家平[8]建立了三维有限元模型，分析了带有沥青隔离层的混凝土路面结构在移动荷载作用下的动力响应。戴楚源[9]在其硕士论文中采用了自行设计研发的落球冲击试验装置，而本文就是采用该装置进行落球试验。

以上学者对路面结构动力响应的研究主要集中在水泥混凝土路面板下脱空、水泥混凝土路面板的剩余强度、沥青路面的车辙或理论研究等方面，国内外对于沥青夹层对水泥混凝土的减振和能量吸收效应的动力响应的试验研究较少。

本文研究采用落球冲击小型路面板振动试验方法获得路面结构的振动信号，通过对比分析有无沥青夹层的冲击振动试验数据研究沥青夹层对冲击荷载的减振和吸能效果，通过对比沥青夹层是否掺入橡胶粉的小型路面板振动试验数据，研究橡胶粉的掺入对沥青夹层的减振和吸能效果的提升作用。试验结果说明，沥青夹层的加入提高了水泥混凝土路面板的减振和吸能效果，减缓了车辆冲击荷载对水泥路面的冲击破坏作用，进而延长其疲劳寿命，最终使得水泥路面的使用寿命得以延长。

1 试验方案

1.1 测试模型的结构

本研究采用小尺寸的水泥混凝土板模拟实际水泥混凝土路面板。为了对比有沥青夹层的水泥混凝土路面和无沥青夹层的水泥混凝土路面的减振和吸能效果，采用了长62.5 cm、宽50 cm的4种试验模型：(1)没有沥青夹层(PCC)的水泥混凝土面板；(2)沥青夹层厚度为2 cm(PCC-2)的水泥混凝土面板；(3)添加橡胶粉的沥青夹层厚度为2 cm(PCC-2XJ)的水泥混凝土面板；(4)未添加橡胶粉沥青夹层厚度为4 cm(PCC-4)的水泥混凝土面板。采用贫混凝土材料即C15作为基层，水泥混凝土面层浇筑材料则采用常规的C30混凝土，沥青夹层采用AC-10沥青混合料。根据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)和《公路工程沥青及沥青混合料标准试验方法》(JTJ 052-2000)，确定了沥青混合料的集料级配范围和最佳沥青用量(本试验取5%)。无沥青夹层测试模型的结构尺寸如图1(a)所示，从下到上依次为2 cm厚橡胶垫层、8 cm厚贫混凝土层和5 cm厚水泥混凝土面层，而设置有沥青夹层的结构多一层缓冲隔离层，具体结构对比如图1(b)所示。

(a)无沥青夹层的路面结构

(b)有沥青夹层的路面结构

1.2 落球冲击振动试验

采用落球冲击振动荷载模拟车辆振动信号的强度，本试验仪器选用dh-5922动态信号测试仪采集和处理路面结构的频域振动信号数据，分析路面结构振动响应的阻尼规律，使其反映出减振性能。本试验选用同一个钢球自由下落且让钢球在下落过程中不发生转动，即能保证每一次撞击提供的冲击荷载保持一致。在落球振动试验方法中，钢球从试样上方一定高度(根据试验目的不同选择高度是否一致)自由落下，分别撞击试样侧面的中心、角落和中心。在测试中，钢球自由地落在一个中空的圆筒里。在这个时候，钢球撞击试样，对试样产生瞬间的冲击效应，即可用dh-5922动态信号采集仪采集混凝土板指定位置产生的振动数据。为保证钢球下落过程中不受外界风速变化的影响，在钢球自由落体的轨迹上套上一个略大于落球直径的圆筒塑料管。

2 沥青混合料减振吸能的试验结果分析

2.1 振动试验的落球位置和测点位置布置

钢球从不同的高度落下，落球击中试件的正中心及侧面的中心、角落和中心。将磁电式振动传感器分别安装在测点处，研究设置沥青隔离层对水泥混凝土路面的减振作用效果，并研究振动响应影响的边界范围。圆圈中心为落球点位置，黑色矩形区域为用磁电式振动传感器进行振动数据采集的测点，如图2所示。图2中钢球落点为板中心，设置4个测点从下到上为测点1、测点2、测点3和测点4。

图2 落球点(测点)位置变化尺寸示意图(cm)

2.2 沥青夹层对路面板的减振作用分析

将钢球自由落体的高度设置为60 cm，落球位置为板的中心处。下页图3所示分别为无沥青夹层板(PCC)、2 cm厚沥青夹层板(PCC-2)、2 cm厚添加橡胶粉的沥青夹层板(PCC-2XJ)和4 cm厚未添加橡胶粉的沥青夹层板(PCC-4)的振动响应变化曲线。

钢球下落高度均为60 cm，通过分析图3中的数据信息，在无沥青夹层板(PCC)上所测的振动数据的最大峰值比其他三种板的对应位置的振动最大峰值大，无沥青夹层板(PCC)上所测的振动数据的最小峰值的绝对值比其他三种板对应位置的振动最小峰值的绝对值大，且无沥青夹层板(PCC)上所测的振动数据的最大峰值与最小峰值之差比其他三种板的对应位置最大峰值与最小峰值之差大。简单归纳数据得出规律：无沥青夹层路面板受到相同大小的冲击荷载作用时，在对应相同位置产生振动响应的最大峰值、最小峰值的绝对值、最大峰值与最小峰值之差比其他三种设置有沥青夹层路面板都要大。

上述试验数据结果表明，沥青夹层的添加使得水泥混凝土路面的振动响应峰值大大降低，当然路面承受的冲击荷载的振动作用能力就得以增强，进而会减缓水泥路面的破坏，延长路面板的使用寿命。

2.3 掺胶粉和未掺胶粉的沥青夹层路面结构试验结果分析

为了对比掺加橡胶粉和未掺加橡胶粉的沥青夹层的减振效果，将钢球的下落高度设置为60 cm，落球位置为板中心处。AC-10沥青的用量为5.0%(此过程本文略)，添加橡胶粉的细度为28，添加量为15%。如表1所示，对是否掺入橡胶粉的沥青隔离层的混凝土板进行试验数据对比，目的在于检验橡胶粉是否能进一步提高减振效果。

表1 采集所得的振动数据比较表

由表1可知，当钢球下落高度为60 cm时，掺橡胶粉沥青夹层路面板的最大峰值与最小峰值之差的绝对值为0.480 mm，与不掺橡胶粉沥青夹层路面板相比，减少了6.88%。掺橡胶粉和不掺橡胶粉的沥青夹层对水泥混凝土路面结构的阻尼作用分别为51.93%和41.43%。可以看出橡胶粉的掺入能大大降低带沥青夹层的路面板的振动幅值，进而大大提高其减振作用。

根据上述分析，在沥青夹层中加入一定量的橡胶粉，可以有效地降低路面结构的振动响应幅值，具有更显著的减振效果，能进一步加强夹层的阻尼作用，并可以有效地吸收车轮对路面板产生的振动能量。

3 结语

本次研究利用动态信号测试分析系统，采集小型路面板结构试件受冲击载荷作用时的频率和振动信号，研究路面结构振动响应的阻尼规律，分析沥青夹层的减振和吸能效果。其主要结论如下：

(1)沥青夹层的设置可以有效地降低水泥混凝土路面板的振动响应峰值，从而减小由外部冲击荷载引起的路面板的高振幅振动，并能有效地吸收路面板的振动能量，即减振性能增强，从而减少路面结构的断裂破坏。

(2)橡胶粉的掺入，能够进一步提升带沥青夹层的水泥混凝土板的减振作用。在沥青夹层中掺入一定量(如掺量15%)的橡胶粉后，其减振效果更加明显。