水泥混凝土路面板脫空檢測(cè)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(jiàn)[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(chē)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(guò)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(cè)試或梁式彎沉脫空測(cè)試，但操作條件容易受限，檢測(cè)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(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究了地震波法檢測(cè)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(jiàn)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(jiàn)圖2。

圖2 基層脫空工況Fig2 Base layer void

2 加載設(shè)備及測(cè)量?jī)x器

2.1 特制落錘

在鋼管上焊接鐵盤(pán)，將鐵塊套在鋼管上，鐵塊自由落體撞擊鐵盤(pán)，鐵盤(pán)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?、各?lèi)機(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(shì)，加速度頻譜特性曲線和時(shí)程曲線的形式類(lèi)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(cè)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(cè)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(cè)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(wú)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(cè)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(guò)地震波法進(jìn)行檢測(cè)判斷。

3.3.2 縱縫脫空

路面板縱縫脫空試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)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(cè)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(cè)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(cè)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(wú)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(guò)地震波法進(jìn)行檢測(cè)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?？v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(wú)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(guò)地震波法檢測(cè)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(wèn)題提供理論支持。