水泥混凝土路面板脫空檢測方法研究

楊海光

大慶油田設(shè)計(jì)院有限公司

路況調(diào)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(chǎn)生這種結(jié)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(dǎo)致路面板縱縫和角隅產(chǎn)生斷裂。傳統(tǒng)方法多采用落錘式彎沉儀多級(jí)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(jié)果誤差大，而且儀器價(jià)格昂貴，使用成本較高。本文通過室內(nèi)試驗(yàn)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(dòng)力響應(yīng)，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(zhǔn)確判定板底狀況，治理脫空。

1 試體設(shè)計(jì)

1.1 面層與基層的設(shè)計(jì)

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

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

1.2 澆筑試驗(yàn)脫空板

試驗(yàn)脫空板制作步驟為：①選定面層、基層尺寸。一般實(shí)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(nèi)水泥混泥土路面板脫空試驗(yàn)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(zhì)量）。為了方便移動(dòng)模型，在面層上安置3 個(gè)吊環(huán)。基層模型尺寸：1 300×1 050×40。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(gè)吊環(huán)，方便移動(dòng)。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(shè)計(jì)如圖1 所示。②安裝基層模板、預(yù)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(hù)。③安裝模板澆筑面層需在基層養(yǎng)護(hù)一周后方可進(jìn)行，以防止因基層未達(dá)到足夠強(qiáng)度，影響基層與面層接觸面的平整度，進(jìn)而影響試驗(yàn)結(jié)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(guān)系與試驗(yàn)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(shè)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(duì)試件加載荷載。

2.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)儀器包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、激振設(shè)備、應(yīng)變計(jì)和振動(dòng)傳感器。采用特制落錘為激振設(shè)備，振動(dòng)傳感器為加速度式傳感器（共3 個(gè)：1 個(gè)豎向傳感器、2 個(gè)水平傳感器），在水泥混凝土面層上預(yù)先粘貼應(yīng)變計(jì)，記錄沖擊荷載作用下面層的動(dòng)態(tài)應(yīng)變，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠?qū)Φ卣鸩ǖ姆答仭⒏黝悪C(jī)械振動(dòng)及各自沖擊信號(hào)進(jìn)行采集記錄。

加速度傳感器以及應(yīng)變計(jì)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(nèi)水泥混凝土路面板脫空試驗(yàn)

進(jìn)行室內(nèi)脫空狀態(tài)、落錘高度、錘擊位置的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

3.1 注意事項(xiàng)

基層和面層的模板高度應(yīng)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(dòng)面層時(shí)，在預(yù)設(shè)矩形脫空區(qū)之外產(chǎn)生新的脫空，影響試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)應(yīng)在脫空模型養(yǎng)護(hù)28天后進(jìn)行。

3.2 實(shí)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(duì)不同脫空狀態(tài)的水泥混凝土路面板進(jìn)行角隅脫空和縱縫脫空實(shí)驗(yàn)。

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(yàn)Fig.5 Void test of cement concrete pavement slabs with different void states

3.3 試驗(yàn)結(jié)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(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖6 角隅脫空加速度時(shí)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(duì)路面板動(dòng)響應(yīng)影響較大，當(dāng)路面板脫空面積變大時(shí)，振動(dòng)時(shí)間增加，應(yīng)變和振動(dòng)加速度增加，最大振幅對(duì)應(yīng)的頻率變小，其中板頂應(yīng)變小于板底應(yīng)變，最大加速度變大，并且以2 倍的速度增加。

當(dāng)脫空面積不變時(shí)，落錘高度升高，路面板主頻和振動(dòng)時(shí)間幾乎不變，應(yīng)變和加速度變大。與板底無脫空相比，有脫空時(shí)主頻變小，而振動(dòng)時(shí)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(dòng)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(gòu)件，板底脫空則使剛度變小，應(yīng)變也大于非脫空區(qū)域的應(yīng)變，因此振動(dòng)加速度減小、振動(dòng)主頻變小、增加振動(dòng)時(shí)間，理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，角隅脫空狀態(tài)與水泥混凝土路面板動(dòng)響應(yīng)相關(guān)性較高。對(duì)于水泥混凝土路面板角隅脫空，可以通過地震波法進(jìn)行檢測判斷。

3.3.2 縱縫脫空

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

圖7 縱縫脫空加速度時(shí)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(duì)路面板動(dòng)響應(yīng)（最大加速度、主頻、應(yīng)變、振動(dòng)時(shí)間）影響較大，當(dāng)路面板脫空面積變大時(shí)，振動(dòng)時(shí)間增加，應(yīng)變和振動(dòng)加速度增加，最大振幅對(duì)應(yīng)的頻率變小，其中板頂應(yīng)變小于板底應(yīng)變。同樣的脫空面積下，當(dāng)落錘高度升高，路面板主頻和振動(dòng)時(shí)間幾乎不變，應(yīng)變和加速度變大。與板底無脫空相比，有脫空時(shí)主頻變小，而振動(dòng)時(shí)間、最大加速度增加。由試驗(yàn)結(jié)果可知，縱縫脫空狀態(tài)與水泥混凝土路面板動(dòng)響應(yīng)相關(guān)性較高。對(duì)于水泥混凝土路面板縱縫脫空，可以通過地震波法進(jìn)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(yīng)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(dòng)力響應(yīng)（主頻、最大加速度、板頂應(yīng)變）不同，按照角隅脫空、縱縫脫空、角隅縱縫同時(shí)脫空、對(duì)邊同時(shí)脫空的順序，板頂最大加速度逐漸增加。縱縫脫空應(yīng)變值最小，對(duì)邊同時(shí)脫空應(yīng)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(duì)邊同時(shí)脫空的最大振幅對(duì)應(yīng)的頻率都最小。

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

4 結(jié)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(jié)論：①當(dāng)路面板脫空面積變大時(shí)，振動(dòng)時(shí)間增加，應(yīng)變和振動(dòng)加速度增加，最大振幅對(duì)應(yīng)的頻率變小，而且板頂應(yīng)變相較于板底應(yīng)變更小，不同的落錘高度也產(chǎn)生不同的試驗(yàn)結(jié)果；②與非脫空路面板相比，脫空路面板的應(yīng)變、振動(dòng)時(shí)間、最大加速度均有所增加，而最大振幅對(duì)應(yīng)的頻率小于非脫空路面板。以上結(jié)論可為預(yù)防和處理路面板脫空問題提供理論支持。