水泥混凝土路面板脱空检测方法研究

杨海光

大庆油田设计院有限公司

路况调查表明，近几年水泥混凝土路面角隅处和纵缝处断裂现象较为多见[1]，这直接影响道路的使用寿命与承载能力[2-5]，产生这种结果的原因是车辆超载、雨水侵蚀、唧泥以及路基不均匀沉降等因素造成水泥混凝土路面在使用过程中板底脱空，改变了板的受力状态，导致路面板纵缝和角隅产生断裂。传统方法多采用落锤式弯沉仪多级加载脱空测试或梁式弯沉脱空测试，但操作条件容易受限，检测结果误差大，而且仪器价格昂贵，使用成本较高。本文通过室内试验研究了地震波法检测水泥混凝土路面板[6-10]纵缝和角隅脱空动力响应，为治理路面板纵缝和角隅脱空提供理论支撑，可更加便捷、准确判定板底状况，治理脱空。

1 试体设计

1.1 面层与基层的设计

混凝土配合比设计根据JTG D40—2011《公路水泥混凝土路面设计规范》，设混凝土容重2 400 kg/m3。面层（基层）混凝土设计配合比见表1。

表1 面层（基层）混凝土设计配合比Tab.1 Design mix ratio of surface layer(base layer)concrete kg

1.2 浇筑试验脱空板

试验脱空板制作步骤为：①选定面层、基层尺寸。一般实际工程中单块面层的尺寸为5 000×3 750×200（单位mm，下同），本次室内水泥混泥土路面板脱空试验将其按1∶5 的比例缩小，面层模型尺寸为1 000×750×40），共制作4 块，每块72 kg（考虑铁环质量）。为了方便移动模型，在面层上安置3 个吊环。基层模型尺寸：1 300×1 050×40。脱空区域位于基层上，其厚度为30 mm，每块基层都安置有3 个吊环，方便移动。脱空区域面积分别为200×150、300×250、400×350。制作10块基层含脱空区域，3 块完整基层，每块基层约97.92 kg，共13 块基层。单块完整基层与路面板试体设计如图1 所示。②安装基层模板、预埋脱空模板（三块脱空模板尺寸：200×150×30，300 ×250×30，400×350×30），安装吊环、浇筑、养护。③安装模板浇筑面层需在基层养护一周后方可进行，以防止因基层未达到足够强度，影响基层与面层接触面的平整度，进而影响试验结果。

图1 单块完整基层和面层平面图Fig.1 Single block complete base and surface plan

综合考虑相似关系与试验条件，确定具有脱空的基层试体平面尺寸组合见图2。

图2 基层脱空工况Fig2 Base layer void

2 加载设备及测量仪器

2.1 特制落锤

在钢管上焊接铁盘，将铁块套在钢管上，铁块自由落体撞击铁盘，铁盘对试件加载荷载。

2.2 试验仪器

试验仪器包括数据采集系统、激振设备、应变计和振动传感器。采用特制落锤为激振设备，振动传感器为加速度式传感器（共3 个：1 个竖向传感器、2 个水平传感器），在水泥混凝土面层上预先粘贴应变计，记录冲击荷载作用下面层的动态应变，数据采集系统能够对地震波的反馈、各类机械振动及各自冲击信号进行采集记录。

加速度传感器以及应变计的布置形式如图3所示。

图3 传感器布置图Fig.3 Sensor layout

3 室内水泥混凝土路面板脱空试验

进行室内脱空状态、落锤高度、锤击位置的对比实验。

3.1 注意事项

基层和面层的模板高度应与其厚度一致，从而刮平混凝土，保证接触面平整度，以防前后移动面层时，在预设矩形脱空区之外产生新的脱空，影响试验的准确性。试验应在脱空模型养护28天后进行。

3.2 实物模型制作

图4 为制作水泥混凝土路面板基层和面层，图5 为对不同脱空状态的水泥混凝土路面板进行角隅脱空和纵缝脱空实验。

图4 水泥混凝土路面板Fig.4 Cement concrete pavement slab

图5 不同脱空状态的水泥混凝土路面板脱空试验Fig.5 Void test of cement concrete pavement slabs with different void states

3.3 试验结果分析

3.3.1 角隅脱空

在不同脱空面积下，仅峰值呈现递增和递减趋势，加速度频谱特性曲线和时程曲线的形式类似，故在图6 中，所列频谱特性曲线和加速度时程曲线为脱空尺寸300×250×30。表2、表3 和表4 为不同脱空面积下路面板角隅脱空实验数据。

图6 角隅脱空加速度时程曲线（落锤高度10 cm）Fig.6 Acceleration time history curve of corner void（drop hammer height 10 cm）

表2 角隅脱空不同落锤高度的测试数据（200×150×30）Tab.2 Test data of different drop hammer heights for corner void（200×150×30）

表3 角隅脱空不同落锤高度的测试数据（300×250×30）Tab.3 Test data of different drop hammer heights for corner void（300×250×30）

表4 角隅脱空不同落锤高度的测试数据（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 以及图6 可知，路面板角隅脱空面积大小对路面板动响应影响较大，当路面板脱空面积变大时，振动时间增加，应变和振动加速度增加，最大振幅对应的频率变小，其中板顶应变小于板底应变，最大加速度变大，并且以2 倍的速度增加。

当脱空面积不变时，落锤高度升高，路面板主频和振动时间几乎不变，应变和加速度变大。与板底无脱空相比，有脱空时主频变小，而振动时间、最大加速度增加。测试频率采集范围为0～500 Hz，由频谱特性曲线得出，路面板振动频率集中在0～200 Hz，200 Hz 之后，整体出现下降，路面板角隅脱空主频值约30～48 Hz，非脱空主频值约50～70 Hz。水泥混凝土路面板为刚性构件，板底脱空则使刚度变小，应变也大于非脱空区域的应变，因此振动加速度减小、振动主频变小、增加振动时间，理论分析与实验结果相符。

由试验结果可知，角隅脱空状态与水泥混凝土路面板动响应相关性较高。对于水泥混凝土路面板角隅脱空，可以通过地震波法进行检测判断。

3.3.2 纵缝脱空

路面板纵缝脱空试验数据见表5～表7，图7 所列频谱特性曲线和加速度时程曲线为脱空尺寸300×250×30。

图7 纵缝脱空加速度时程曲线（落锤高度10 cm）Fig.7 Acceleration time history curve of longitudinal seam void（drop hammer height 10 cm）

表5 纵缝脱空不同落锤高度的测试数据（200×150×30）Tab.5 Test data of different drop hammer heights for longitudinal seam void（200×150×30）

表6 纵缝脱空不同落锤高度的测试数据（300×250×30）Tab.6 Test data of different drop hammer heights for longitudinal seam void（300×250×30）

表7 纵缝脱空不同落锤高度的测试数据（400×350×30）Tab.7 Test data of different drop hammer heights for longitudinal seam void（400×350×30）

由表5～表7 及图7 可知，纵缝脱空面积对路面板动响应（最大加速度、主频、应变、振动时间）影响较大，当路面板脱空面积变大时，振动时间增加，应变和振动加速度增加，最大振幅对应的频率变小，其中板顶应变小于板底应变。同样的脱空面积下，当落锤高度升高，路面板主频和振动时间几乎不变，应变和加速度变大。与板底无脱空相比，有脱空时主频变小，而振动时间、最大加速度增加。由试验结果可知，纵缝脱空状态与水泥混凝土路面板动响应相关性较高。对于水泥混凝土路面板纵缝脱空，可以通过地震波法进行检测判断。

3.3.3 不同脱空状态数据

由表8 可知，相较于非脱空路面板，脱空状态下板顶最大加速度、最大应变均增加，而主频则降低。施加相同荷载于不同脱空状态，路面板动力响应（主频、最大加速度、板顶应变）不同，按照角隅脱空、纵缝脱空、角隅纵缝同时脱空、对边同时脱空的顺序，板顶最大加速度逐渐增加。纵缝脱空应变值最小，对边同时脱空应变值最大，二者相差5.8 倍。无论在角隅脱空区域还是在纵缝脱空区域施加锤击，对边同时脱空的最大振幅对应的频率都最小。

表8 不同脱空状态的试验数据峰值Tab.8 Peak value of test data under different void states

4 结论

通过地震波法检测不同脱空状态的水泥混凝土路面板，得出以下结论：①当路面板脱空面积变大时，振动时间增加，应变和振动加速度增加，最大振幅对应的频率变小，而且板顶应变相较于板底应变更小，不同的落锤高度也产生不同的试验结果；②与非脱空路面板相比，脱空路面板的应变、振动时间、最大加速度均有所增加，而最大振幅对应的频率小于非脱空路面板。以上结论可为预防和处理路面板脱空问题提供理论支持。