沥青混合料与CA砂浆的阻尼特性研究

黄云飞

(华设设计集团股份有限公司,南京 210014)

沥青混合料为道路路面最常见的铺筑材料,而CA砂浆因具备优异的粘结性和高流动性,成为高速铁路轨下基础最普遍的垫层填充材料。鲜少研究从减振降噪的角度出发,对CA砂浆和沥青混合料进行对比研究。论文从探索二者材料的降噪效果出发,对不同影响环境下二者的阻尼特性及相关性进行研究。材料的阻尼特性越好,减振降噪的效果也就越好[1]。

任何材料均具备阻尼特性[2],可将沥青混合料与CA砂浆均视为不同的两种阻尼材料进行研究。对于材料的阻尼作用原理,主要与动态力学松弛特性有关,物体在振动作用下,吸收机械能,而后将其化为热能,最后体现为受振动及振动传递消减的阻尼作用[3]。输入交替循环的应力,纯弹性材料应力与应变增减同步,故应力-应变曲线表现为直线;粘弹性阻尼材料应变往往滞后于应力,这种反映出来的滞后现象[4],经处理可作滞后曲线图,而材料损耗能量的内在因素正是材料这种应变的滞后性。

采用动态蠕变试验的方法,可得到材料应力应变关系,从而绘制滞回曲线图。由于滞回曲线所围成的面积反映的是材料在加载卸载过程中所耗散的能量,即体现的是材料的阻尼特性,因此研究利用滞回曲线的这一特点可量化沥青混合料和CA砂浆的阻尼,并通过面积计算得到阻尼参数损耗因子值来表征阻尼特性,从而更加直观地进行分析研究。

1 计算理论

1.1 损耗因子η

可以表征阻尼性能的参数很多,如:比阻尼能力、对数衰减率、相位角差正切、弹性模量、品质因子的倒数、阻尼比、损耗因子、动态模量等[5,6]。论文主要采用损耗因子来反映材料的阻尼特性。用ΔW表示每个振动周期内耗散的能量,也称之为阻尼能;用W表示每个周期内总的应变能。从能量的角度,耗散能与贮存能的比值

(1)

从而

(2)

用损耗因子η表达阻尼特性,显然,该值越大,阻尼性能越好。

1.2 滞回曲线图解损耗因子值

利用动态蠕变试验可获得应力-应变关系,在动态蠕变实验中,输入并卸载交替循环的力得到的力与变形曲线图经处理后得到应力-应变滞回曲线图,如图1所示。该滞回曲线面积即阻尼材料(沥青混合料或CA砂浆)耗散的能量ΔW,而材料获得的总能量W为输入的应力所形成的应力-应变曲线图的面积。通过图解,得到相应的ΔW、W,带入式(2)即可得到损耗因子η。

2 沥青混合料与CA砂浆试验方案设计

2.1 试验方法

采用澳洲的UTM-25伺服液压多功能材料试验机,对需要测试其损耗因子的沥青混合料、CA砂浆进行单轴无侧限、动态重复蠕变试验。将试件放进试验仪,控制并输入交替循环的简谐应力,测量并记录试件随时间变形的变化数据,外力与变形的关系曲线图将由仪器传输到显示屏。力与变形的曲线经由处理可得关于应力-应变的关系曲线,然后得到材料的滞回曲线,再根据上述方法计算。

2.2 试件成型

选用玄武岩的AC-13沥青混合料,采用4.8%的油石比,通过马歇尔试验法,级配曲线如图2所示;CA砂浆由南京某司提供的配合比配制而成,配合比见表1。

表1 CA砂浆试件原材料及配合比

1)AC-13沥青混合料试件成型

采用的AC-13试件为d=100 mm、h=150 mm的标准圆柱体。矿料加热温度控制在180～190 ℃,沥青的加热温度宜控制在170～180 ℃之间,持续加热4 h以上,拌合沥青混合料的温度调整至175～185 ℃。采用旋转压实仪将沥青混合料压实成型。经由压实、钻芯和切割步骤,试件将完成成型制备过程。

2)CA砂浆试件成型

根据表1采用的CA砂浆配合比,该试件的成型只需在常温条件下完成。该配合比调制的CA砂浆通常作为高铁轨下垫层材料,所用的施工方式是将拌合好的CA砂浆灌入到高铁轨下对应垫层,故而拌合时CA砂浆为高流态,是一种自密实材料。因此制备时,将CA砂浆灌入指定模具后可以自动成型,约4 h后即可拆模。试验采用的CA砂浆试件的尺寸与沥青混合料试件的尺寸相同。

2.3 试验方案

准备好成型的AC-13沥青混合料试件与CA砂浆试件,温度条件40 ℃。考虑沥青混合料与CA砂浆分别在道路路面与高铁轨下基础中的应用,考虑不同频率下二者阻尼特性的变化规律与关系,采用单轴无侧限蠕变实验时,分别设置频率0.2 Hz、0.5 Hz、1 Hz、5 Hz、10 Hz、25 Hz 六组频率组,每频率下均设两个试件作为平行试件。对不同频率下的试件分别做好编号。

3 试验结果分析

3.1 AC-13沥青混合料试验结果分析

针对0.2～25 Hz条件下的AC-13沥青混合料的应力-应变关系进行分析,在不同频率下,选择一个典型循环周期的应力-应变,其滞后曲线所围成的滞后环如图3所示。

从图3可以看出,随着频率增大,滞后环的面积先随之增大然后缩小。当达到25 Hz的频率时,滞后曲线在起终点处出现不能闭合现象,这反映了粘性变形不能及时恢复到原位置。分别对以上不同频率组下AC-13沥青混合料两试件做试验,获取多次周期下应力-应变关系,取具有代表性的三组以验证其规律。此外,根据获得的滞后曲线图及数据,通过计算,得到对应滞后曲线围成的面积,即耗散能△W,而上曲线与横坐标所围面积即加载过程中赋予的总能量W。利用损耗因子式(2)求解,计算结果见表2。

表2 AC-13沥青混合料各频率环境中的损耗因子值

通过以上计算的损耗因子值得出:40 ℃温度下,频率处于1～10 Hz之间,其阻尼较大,并验证了AC-13沥青混合料随频率的不断增大,其阻尼性能先增后减,约在频率1～10 Hz间损耗因子会出现最大值。

由此,从减振降噪性能角度看,1～10 Hz频率下沥青混合料更为环保,车辆行驶的舒适性更好,不会给车辆和路面造成较大损坏;从能源角度看,该频率范围下,阻尼性能越好,机械能转化成热能而耗散的能量便越多。总体来看,沥青混合料在10 Hz左右条件下作为公路路面的行驶条件,表现出较好的阻尼特性。

3.2 CA砂浆试验结果分析

针对0.2～25 Hz条件下的CA砂浆应力-应变关系,同样选择相应频率下的一个循环周期的应力应变,AC砂浆滞后曲线所围滞后环如图4所示。

根据图4,高频下CA砂浆应力-应变曲线比低频下的曲线更趋于线性。显然,CA砂浆在低频率环境下,滞后环并不闭合。对比沥青混合料,低频中的CA砂浆粘性更好,以至于粘性变形不可恢复所以存在一定残留变形,其表现即为位移无法回到原位存在显著缺口。同理,利用损耗因子式(2)求解得表3。

在同样40 ℃温度下,CA砂浆与沥青混合料阻尼性能表现出一致性,均随频率的增大呈现出先增后降,且小于1 Hz时增大,到高频段后迅速降低。表3表明,40 ℃温度时,当频率处于0.2～1 Hz之间,CA砂浆阻尼特性较好。从阻尼的减振降噪角度出发,CA砂浆在该频率范围更环保,列车的行驶舒适性也更好,则对列车及高铁轨下基础的损害也较低;从能源角度看,该频率范围内,阻尼性能越好,机械能转化成热能而消耗的能量便也越多。总体而言,CA砂浆在低频段表现较优异的阻尼特性。

3.3 沥青混合料与CA砂浆试验结果对比分析

用表2和表3的计算值处理获得对比关系如图5所示。图5中两折线在1～5 Hz间相交,该交点为两材料达同等阻尼水平的临界点,临界频率前0.2～1 Hz下CA砂浆的损耗因子值相对较高,而临界频率后5～25 Hz的范围AC-13的损耗因子值更高。显然,低频环境中CA砂浆能发挥更良好的阻尼特性,高频环境下沥青混合料阻尼效果更好。高铁轨下基础以承受0.2 Hz或0.5 Hz频率为主,CA砂浆更具阻尼减振优势,而对于道路路面,以承受10 Hz为代表频率,更适合选用沥青混合料来发挥材料的阻尼优势。

4 结 论

a.根据沥青混合料的动态蠕变试验分析,AC-13改性沥青混合料其阻尼性能随频率的增大呈现先增后减的规律且具极值,1～10 Hz频率之间阻尼效果较好。

b.CA砂浆动态蠕变阻尼分析试验表明,1 Hz以下频率时与沥青混合料阻尼趋势相似,损耗因子值变大,阻尼增大;5 Hz频率以上,损耗因子下降,CA砂浆阻尼效果迅速衰减。

c.频率段1～5 Hz之间沥青混合料与CA砂浆存在临界频率点,此时二者阻尼效果相同;低于此频率,CA砂浆阻尼优于AC-13沥青混合料;高于临界频率时,AC-13沥青混合料阻尼特性优于CA砂浆,反映了沥青混合料与CA砂浆分别在道路路面和高铁轨下基础中均能将各自的阻尼特性较好发挥,该研究结果为工程中选用合适的材料提供了重要的参考价值。