瀝青混合料與CA砂漿的阻尼特性研究

黃云飛

(華設設計集團股份有限公司,南京 210014)

瀝青混合料為道路路面最常見的鋪筑材料,而CA砂漿因具備優異的粘結性和高流動性,成為高速鐵路軌下基礎最普遍的墊層填充材料。鮮少研究從減振降噪的角度出發,對CA砂漿和瀝青混合料進行對比研究。論文從探索二者材料的降噪效果出發,對不同影響環境下二者的阻尼特性及相關性進行研究。材料的阻尼特性越好,減振降噪的效果也就越好[1]。

任何材料均具備阻尼特性[2],可將瀝青混合料與CA砂漿均視為不同的兩種阻尼材料進行研究。對于材料的阻尼作用原理,主要與動態力學松弛特性有關,物體在振動作用下,吸收機械能,而后將其化為熱能,最后體現為受振動及振動傳遞消減的阻尼作用[3]。輸入交替循環的應力,純彈性材料應力與應變增減同步,故應力-應變曲線表現為直線;粘彈性阻尼材料應變往往滯后于應力,這種反映出來的滯后現象[4],經處理可作滯后曲線圖,而材料損耗能量的內在因素正是材料這種應變的滯后性。

采用動態蠕變試驗的方法,可得到材料應力應變關系,從而繪制滯回曲線圖。由于滯回曲線所圍成的面積反映的是材料在加載卸載過程中所耗散的能量,即體現的是材料的阻尼特性,因此研究利用滯回曲線的這一特點可量化瀝青混合料和CA砂漿的阻尼,并通過面積計算得到阻尼參數損耗因子值來表征阻尼特性,從而更加直觀地進行分析研究。

1 計算理論

1.1 損耗因子η

可以表征阻尼性能的參數很多,如:比阻尼能力、對數衰減率、相位角差正切、彈性模量、品質因子的倒數、阻尼比、損耗因子、動態模量等[5,6]。論文主要采用損耗因子來反映材料的阻尼特性。用ΔW表示每個振動周期內耗散的能量,也稱之為阻尼能;用W表示每個周期內總的應變能。從能量的角度,耗散能與貯存能的比值

(1)

從而

(2)

用損耗因子η表達阻尼特性,顯然,該值越大,阻尼性能越好。

1.2 滯回曲線圖解損耗因子值

利用動態蠕變試驗可獲得應力-應變關系,在動態蠕變實驗中,輸入并卸載交替循環的力得到的力與變形曲線圖經處理后得到應力-應變滯回曲線圖,如圖1所示。該滯回曲線面積即阻尼材料(瀝青混合料或CA砂漿)耗散的能量ΔW,而材料獲得的總能量W為輸入的應力所形成的應力-應變曲線圖的面積。通過圖解,得到相應的ΔW、W,帶入式(2)即可得到損耗因子η。

2 瀝青混合料與CA砂漿試驗方案設計

2.1 試驗方法

采用澳洲的UTM-25伺服液壓多功能材料試驗機,對需要測試其損耗因子的瀝青混合料、CA砂漿進行單軸無側限、動態重復蠕變試驗。將試件放進試驗儀,控制并輸入交替循環的簡諧應力,測量并記錄試件隨時間變形的變化數據,外力與變形的關系曲線圖將由儀器傳輸到顯示屏。力與變形的曲線經由處理可得關于應力-應變的關系曲線,然后得到材料的滯回曲線,再根據上述方法計算。

2.2 試件成型

選用玄武巖的AC-13瀝青混合料,采用4.8%的油石比,通過馬歇爾試驗法,級配曲線如圖2所示;CA砂漿由南京某司提供的配合比配制而成,配合比見表1。

表1 CA砂漿試件原材料及配合比

1)AC-13瀝青混合料試件成型

采用的AC-13試件為d=100 mm、h=150 mm的標準圓柱體。礦料加熱溫度控制在180～190 ℃,瀝青的加熱溫度宜控制在170～180 ℃之間,持續加熱4 h以上,拌合瀝青混合料的溫度調整至175～185 ℃。采用旋轉壓實儀將瀝青混合料壓實成型。經由壓實、鉆芯和切割步驟,試件將完成成型制備過程。

2)CA砂漿試件成型

根據表1采用的CA砂漿配合比,該試件的成型只需在常溫條件下完成。該配合比調制的CA砂漿通常作為高鐵軌下墊層材料,所用的施工方式是將拌合好的CA砂漿灌入到高鐵軌下對應墊層,故而拌合時CA砂漿為高流態,是一種自密實材料。因此制備時,將CA砂漿灌入指定模具后可以自動成型,約4 h后即可拆模。試驗采用的CA砂漿試件的尺寸與瀝青混合料試件的尺寸相同。

2.3 試驗方案

準備好成型的AC-13瀝青混合料試件與CA砂漿試件,溫度條件40 ℃。考慮瀝青混合料與CA砂漿分別在道路路面與高鐵軌下基礎中的應用,考慮不同頻率下二者阻尼特性的變化規律與關系,采用單軸無側限蠕變實驗時,分別設置頻率0.2 Hz、0.5 Hz、1 Hz、5 Hz、10 Hz、25 Hz 六組頻率組,每頻率下均設兩個試件作為平行試件。對不同頻率下的試件分別做好編號。

3 試驗結果分析

3.1 AC-13瀝青混合料試驗結果分析

針對0.2～25 Hz條件下的AC-13瀝青混合料的應力-應變關系進行分析,在不同頻率下,選擇一個典型循環周期的應力-應變,其滯后曲線所圍成的滯后環如圖3所示。

從圖3可以看出,隨著頻率增大,滯后環的面積先隨之增大然后縮小。當達到25 Hz的頻率時,滯后曲線在起終點處出現不能閉合現象,這反映了粘性變形不能及時恢復到原位置。分別對以上不同頻率組下AC-13瀝青混合料兩試件做試驗,獲取多次周期下應力-應變關系,取具有代表性的三組以驗證其規律。此外,根據獲得的滯后曲線圖及數據,通過計算,得到對應滯后曲線圍成的面積,即耗散能△W,而上曲線與橫坐標所圍面積即加載過程中賦予的總能量W。利用損耗因子式(2)求解,計算結果見表2。

表2 AC-13瀝青混合料各頻率環境中的損耗因子值

通過以上計算的損耗因子值得出:40 ℃溫度下,頻率處于1～10 Hz之間,其阻尼較大,并驗證了AC-13瀝青混合料隨頻率的不斷增大,其阻尼性能先增后減,約在頻率1～10 Hz間損耗因子會出現最大值。

由此,從減振降噪性能角度看,1～10 Hz頻率下瀝青混合料更為環保,車輛行駛的舒適性更好,不會給車輛和路面造成較大損壞;從能源角度看,該頻率范圍下,阻尼性能越好,機械能轉化成熱能而耗散的能量便越多。總體來看,瀝青混合料在10 Hz左右條件下作為公路路面的行駛條件,表現出較好的阻尼特性。

3.2 CA砂漿試驗結果分析

針對0.2～25 Hz條件下的CA砂漿應力-應變關系,同樣選擇相應頻率下的一個循環周期的應力應變,AC砂漿滯后曲線所圍滯后環如圖4所示。

根據圖4,高頻下CA砂漿應力-應變曲線比低頻下的曲線更趨于線性。顯然,CA砂漿在低頻率環境下,滯后環并不閉合。對比瀝青混合料,低頻中的CA砂漿粘性更好,以至于粘性變形不可恢復所以存在一定殘留變形,其表現即為位移無法回到原位存在顯著缺口。同理,利用損耗因子式(2)求解得表3。

在同樣40 ℃溫度下,CA砂漿與瀝青混合料阻尼性能表現出一致性,均隨頻率的增大呈現出先增后降,且小于1 Hz時增大,到高頻段后迅速降低。表3表明,40 ℃溫度時,當頻率處于0.2～1 Hz之間,CA砂漿阻尼特性較好。從阻尼的減振降噪角度出發,CA砂漿在該頻率范圍更環保,列車的行駛舒適性也更好,則對列車及高鐵軌下基礎的損害也較低;從能源角度看,該頻率范圍內,阻尼性能越好,機械能轉化成熱能而消耗的能量便也越多。總體而言,CA砂漿在低頻段表現較優異的阻尼特性。

3.3 瀝青混合料與CA砂漿試驗結果對比分析

用表2和表3的計算值處理獲得對比關系如圖5所示。圖5中兩折線在1～5 Hz間相交,該交點為兩材料達同等阻尼水平的臨界點,臨界頻率前0.2～1 Hz下CA砂漿的損耗因子值相對較高,而臨界頻率后5～25 Hz的范圍AC-13的損耗因子值更高。顯然,低頻環境中CA砂漿能發揮更良好的阻尼特性,高頻環境下瀝青混合料阻尼效果更好。高鐵軌下基礎以承受0.2 Hz或0.5 Hz頻率為主,CA砂漿更具阻尼減振優勢,而對于道路路面,以承受10 Hz為代表頻率,更適合選用瀝青混合料來發揮材料的阻尼優勢。

4 結 論

a.根據瀝青混合料的動態蠕變試驗分析,AC-13改性瀝青混合料其阻尼性能隨頻率的增大呈現先增后減的規律且具極值,1～10 Hz頻率之間阻尼效果較好。

b.CA砂漿動態蠕變阻尼分析試驗表明,1 Hz以下頻率時與瀝青混合料阻尼趨勢相似,損耗因子值變大,阻尼增大;5 Hz頻率以上,損耗因子下降,CA砂漿阻尼效果迅速衰減。

c.頻率段1～5 Hz之間瀝青混合料與CA砂漿存在臨界頻率點,此時二者阻尼效果相同;低于此頻率,CA砂漿阻尼優于AC-13瀝青混合料;高于臨界頻率時,AC-13瀝青混合料阻尼特性優于CA砂漿,反映了瀝青混合料與CA砂漿分別在道路路面和高鐵軌下基礎中均能將各自的阻尼特性較好發揮,該研究結果為工程中選用合適的材料提供了重要的參考價值。