不同表面紋理的水泥路面抗滑性能研究

張青江

（山西路橋集團(tuán)長(zhǎng)臨高速公路有限公司，山西 太原 030006）

水泥混凝土路面表面紋理大致分為微觀構(gòu)造和宏觀構(gòu)造兩種，試驗(yàn)表明具有豐富紋理的路面，其抗滑性能顯著提高[1-3]。露石水泥混凝土路面是一種具有豐富表面紋理的路面，由于后期清掃除表面水泥砂漿顆粒，露出骨料，相較于普通刻槽路面，更加耐磨。

1 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

國(guó)內(nèi)外針對(duì)露石混凝土路面抗滑衰減的研究方法有多種，其中最為接近實(shí)際抗滑衰減效果的試驗(yàn)為大型直道試驗(yàn)，但由于大型直道試驗(yàn)一般試驗(yàn)室難以實(shí)現(xiàn)[4]。因此，采用擺式儀和構(gòu)造深度測(cè)試儀（手工鋪砂）測(cè)試路面的抗滑性；采用改進(jìn)型水泥膠砂耐磨試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行模擬抗滑性能衰減的模擬試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)方法

為了比較普通水泥路面的抗滑構(gòu)造方式的不同，成型了450 mm×450 mm×30 mm的薄板試件，進(jìn)行表面拉毛、刻槽、露石3種表層處理方式的路面構(gòu)造方式。成型了1組450 mm×450 mm×30 mm AC13瀝青混凝土抗車轍試件。

為了模擬露石路面的抗滑衰減規(guī)律，使用相同配合比，制備（150×150×150）mm的露石方形試塊多組，分別編號(hào)，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28 d，取出后烘干。分別購(gòu)得市面上兩種類型混凝土固化劑進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，采集上述方形露石試塊的露石深度、構(gòu)造深度（由于試塊露石面積較小，可采用等分標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造深度測(cè)試砂的質(zhì)量，只使用其中的一半測(cè)試砂進(jìn)行測(cè)試，再利用體積反求出構(gòu)造深度的方法進(jìn)行測(cè)試）、露石度和抗滑擺值數(shù)據(jù)等指標(biāo)。為使試驗(yàn)結(jié)果更為真實(shí)可信，按照上述采集數(shù)據(jù)將試塊按照相近指標(biāo)分為3組，分別為刷圖固化劑1和固化劑2和不刷涂固化劑的對(duì)照組，在相同環(huán)境下，按照固化劑使用說明進(jìn)行二次養(yǎng)生。到達(dá)養(yǎng)生周期后，進(jìn)行混凝土磨耗試驗(yàn)。

2 抗滑性能的比較

2.1 路面類型與抗滑性能比較

為了比較拉毛處理普通水泥路面、刻槽處理水泥路面、小粒徑露石路面、大粒徑露石路面、瀝青路面5種形式的抗滑性能，測(cè)試了構(gòu)造深度（手工鋪砂法）和擺值BPN20，試驗(yàn)結(jié)果如表1。為了更直觀地看到不同紋理路面的抗滑性能差異，使用ORIGIN繪制成折線圖，見圖1。

表1 不同紋理路面抗滑性能統(tǒng)計(jì)表

圖1 不同路面類型構(gòu)造深度與擺值對(duì)比

根據(jù)圖1可以看出，不同路面紋理類型，其構(gòu)造深度與抗滑值均存在差異，其中露石混凝土路面的構(gòu)造深度和抗滑擺值均高于其他幾種紋理的路面。并且，由于粗集料類型的不同，同是露石混凝土路面，其構(gòu)造深度和抗滑擺值也存在一定差異。分析原因?yàn)椋郝访婵够凳潜碚髀访媾c輪胎之間具有良好的附著力和潮濕狀態(tài)具有較短的制動(dòng)距離的物理量，與路面構(gòu)造深度息息相關(guān)。通過鋪砂檢測(cè)，采用大粒徑的露石混凝土路面其表面具有豐富的微觀和宏觀構(gòu)造，路面構(gòu)造深度平均值為1.56 mm，其抗滑性能最優(yōu)。

2.2 露石度與抗滑性能分析

因砂的細(xì)度模數(shù)影響露石路面的露石度，因而有研究學(xué)者認(rèn)為砂的細(xì)度模數(shù)影響露石度，而露石度是影響露石路面抗滑性能的主要指標(biāo)，為此對(duì)比砂細(xì)度模數(shù)因素對(duì)露石路面抗滑性能的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

試驗(yàn)取3種不同的砂進(jìn)行篩分，使用相同的配合比制成不同的露石混凝土試件，并采集相關(guān)數(shù)據(jù)見表2。其中露石度的采集方法是制作一個(gè)10 cm×10 cm的小方框，放置于露石試塊表面，記錄下框內(nèi)的露出集料個(gè)數(shù)。

表2 使用不同細(xì)度模數(shù)砂露石性能統(tǒng)計(jì)表

通過表2的試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：砂細(xì)度模數(shù)越細(xì)，露石度越大，可以解釋隨著砂細(xì)度模數(shù)的增加，粒徑更大的粗砂使得混凝土振搗成型后，粗骨料之間的距離增大，在路面上表現(xiàn)為露石度的降低，如圖2所示。

圖2 不同細(xì)度模數(shù)砂擠開粗骨料示意圖

根據(jù)表2數(shù)據(jù)，砂的細(xì)度模數(shù)與露石深度和擺值關(guān)系，見圖3和圖4中。

圖3 不同細(xì)度模數(shù)砂路面性能對(duì)比

圖4 隨砂子細(xì)度模數(shù)變化露石性能變化

綜上，隨著砂子細(xì)度模數(shù)的增大，露石深度與構(gòu)造深度均呈現(xiàn)增大趨勢(shì)；圖3中隨著砂子細(xì)度模數(shù)增大，露石度逐漸下降，抗滑值先增后減。當(dāng)砂子的細(xì)度模數(shù)在2.7時(shí)，擺值最大。其原理為，砂的細(xì)度模數(shù)與露石深度、構(gòu)造深度呈線性關(guān)系，隨著砂的細(xì)度模數(shù)逐級(jí)減小，直接引起露石度的增大，進(jìn)而提高了構(gòu)造深度和擺值。也即露石的逐漸增多，露石提供的構(gòu)造深度為碎石表面的微觀構(gòu)造和凸起形成的宏觀構(gòu)造，這兩方面提供的構(gòu)造面積遠(yuǎn)大于砂漿提供的微觀構(gòu)造，因而抗滑性能結(jié)果為隨著露石度的增加抗滑性大大增加。

3 抗滑衰減性能

3.1 試驗(yàn)方案

采用改進(jìn)型水泥膠砂耐磨試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行模擬抗滑性能衰減的模擬試驗(yàn)。為了更加準(zhǔn)確地評(píng)判磨耗質(zhì)量及抗滑衰減損失規(guī)律，試驗(yàn)共統(tǒng)計(jì)的項(xiàng)目有質(zhì)量損失、露石深度變化值、抗滑值變化值。

a）質(zhì)量損失方法 按照規(guī)范水泥膠砂耐磨性試驗(yàn)方法進(jìn)行[5]，分別統(tǒng)計(jì)試塊初始質(zhì)量m0，磨耗15圈后質(zhì)量m15，磨耗30圈后質(zhì)量m30，磨耗60圈后質(zhì)量m60，磨耗90圈后質(zhì)量m90，磨耗150圈后質(zhì)量m150，磨耗 210圈后質(zhì)量 m210。

b）露石深度值采集方法 為了方便統(tǒng)計(jì)和采集磨耗試驗(yàn)過程中試塊露石深度值的變化規(guī)律，更好地描述露石路面抗滑損失規(guī)律，特地在傳統(tǒng)露石深度測(cè)試盤的基礎(chǔ)上，結(jié)合磨耗機(jī)磨耗痕跡的特點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)，使用不易變形的亞克力材料，制出新的露石深度測(cè)試盤，見圖5。該露石深度測(cè)試環(huán)由于大圓半徑小于磨耗軌跡外圍半徑，小圓半徑大于磨耗軌跡內(nèi)部半徑，可以準(zhǔn)確地測(cè)試隨著磨耗試驗(yàn)露石面的露石深度的變化規(guī)律。在試驗(yàn)過程中，采集完一定磨耗圈數(shù)后的試塊質(zhì)量損失后，將該盤放置在磨耗軌跡帶內(nèi)，試驗(yàn)數(shù)顯游標(biāo)卡尺，采集露石深度數(shù)據(jù)。

圖5 露石深度測(cè)試盤

3.2 露石混凝土抗滑衰減性能研究

3.2.1 不同磨耗圈數(shù)外觀變化

對(duì)成型的5組混凝土進(jìn)行耐磨性試驗(yàn)，其每次磨損的質(zhì)量數(shù)據(jù)見表3，磨蝕前后的質(zhì)量圖見圖6～圖9。

表3 磨損的質(zhì)量差

圖6 22號(hào)普通混凝土

圖7 4號(hào)固化劑1露石混凝土

圖8 2號(hào)固化劑2露石混凝土

圖9 32號(hào)刻槽混凝土

從圖6～圖9中可以看到，隨著磨耗圈數(shù)的增加，不管是普通膠砂磨耗還是露石面的磨耗，噴灑固化劑后的試塊都更加耐磨，顯示出混凝土密封固化劑填充混凝土孔隙后，更加耐磨的特性。露石試塊因?yàn)樨S富的紋理表面，其磨耗深度較普通膠砂更深，但刻槽試塊因?yàn)槠茡p的膠砂表面，磨耗深度最大。在實(shí)際施工過程中，不可能只將路面抹平，為了增加路面抗滑性能，傳統(tǒng)的做法是像圖9一樣進(jìn)行硬刻槽。對(duì)比以上試驗(yàn)，很明顯可以看出，露石混凝土相較于普通刻槽路面，抗滑更持久，即更耐磨。

3.2.2 不同磨耗圈數(shù)質(zhì)量變化

由于不同的試塊本身質(zhì)量存在一定差異，在進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和處理時(shí)，進(jìn)行對(duì)比的數(shù)據(jù)不是直接使用試塊的質(zhì)量變化數(shù)據(jù)，而是將兩次磨耗后試塊質(zhì)量損失數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，使試驗(yàn)結(jié)果更加清晰明白。

圖10 不同磨耗圈數(shù)膠砂磨耗質(zhì)量損失對(duì)比

根據(jù)圖10可以看出3種不同處理方式的膠砂面的磨耗質(zhì)量存在差異，其中未噴刷固化劑的22號(hào)試塊磨耗質(zhì)量損失最多。分析原因是有噴灑了密封固化劑的2號(hào)和4號(hào)試塊，由于固化劑的密封作用，混凝土微觀孔隙被填充，使得試塊更加耐磨。但在磨耗90圈以后，質(zhì)量損失差基本相同。原因是固化劑作用深度范圍有限，隨著磨耗深度的增加，逐漸超出固化劑作用的范圍，因此90圈之后的磨耗環(huán)境三者基本是相同的，反映在質(zhì)量損失上也是相同。對(duì)比2號(hào)和4號(hào)試塊發(fā)現(xiàn)，固化劑1具有更好的密封性能，相較于固化劑2，相同的磨耗圈數(shù)，試塊質(zhì)量損失較少。

圖11 不同磨耗圈數(shù)露石和刻槽面質(zhì)量損失對(duì)比

由圖11可以看到，磨耗15圈時(shí)，4組試塊質(zhì)量損失均很大，分析原因是由于露石形成是一種紋理豐富，集料顆粒較多的表面，前期磨耗中很容易被鋼齒花輪磨蝕掉，造成質(zhì)量損失較大。但隨著磨耗圈數(shù)的增加，逐漸達(dá)到外露集料與水泥石交接的地方，在此時(shí)，受到固化劑作用的試塊相較于未涂刷固化劑的試塊，耐磨性能發(fā)生巨大差異。由圖中可以看出，涂刷固化劑的兩組試塊磨耗30圈后，質(zhì)量損失差基本趨于穩(wěn)定，未涂刷固化劑的試塊直至磨耗90圈以后表面大的構(gòu)造基本磨蝕掉之后，質(zhì)量損失才逐漸下降。另外，從圖中可以看出，刻槽路面的磨蝕是最嚴(yán)重的，即證明就路面耐磨耗性考慮，露石路面遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于刻槽路面。

圖12 不同磨耗圈數(shù)露石深度損失對(duì)比

根據(jù)圖12，并結(jié)合圖11，可以更加清晰地反應(yīng)出露石磨耗損失變化規(guī)律。就兩種固化劑而言，較少的質(zhì)量磨耗損失和較低的露石深度損失，使得路面在相同汽車輪載作用下，路面抗滑性能依然保持良好，耐磨耗性能能夠持續(xù)更長(zhǎng)時(shí)間。綜上，為了滿足露石路面耐磨耗性，建議使用固化劑1進(jìn)行塑性階段的固化和養(yǎng)護(hù)。

3.2.3 抗滑衰減性能研究

由于不同露石試塊表面紋理存在一定差異，其表面初始抗滑值也是不同的，因此，在處理隨著磨耗圈數(shù)增加，露石路面抗滑值損失時(shí)，將所得數(shù)據(jù)進(jìn)行一定處理，統(tǒng)計(jì)出每個(gè)試塊抗滑值衰減累計(jì)增加值，即可以得到相同0起點(diǎn)的關(guān)系折線，見圖13。并且隨著磨耗的作用，到達(dá)90圈以后，花紋鋼齒輪磨耗平面也逐漸下凹，致使測(cè)試抗滑擺值滑塊下滑收到影響，此時(shí)便無法再采集擺值數(shù)據(jù)。因此，抗滑擺值數(shù)據(jù)只統(tǒng)計(jì)前90圈的結(jié)果。

圖13 磨耗圈數(shù)與擺值損失累計(jì)值關(guān)系

根據(jù)圖13可以看出，隨著磨耗圈數(shù)的增加，3組試塊的抗滑擺值損失也在累積增加，其中未經(jīng)過固化劑處理的22號(hào)試塊，抗滑衰減最快。分析原因，涂刷在露石表面的混凝土密封固化劑，不僅深入露石集料之間的水泥石中，通過填塞孔道，提升耐磨耗性能，并且試劑中的乙酸與集料中的方解石發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成莫氏硬度更大的物質(zhì)附著在集料表面，使得露石面抗滑性能衰減緩慢。經(jīng)過固化劑填充混凝土孔道之后的2號(hào)和4號(hào)試塊，抗滑衰減有所改善，其中，固化劑1的效果優(yōu)于固化劑2。

4 結(jié)論

a）對(duì)不同紋理特征的混凝土路面，抗滑性能從大到小依次為：大粒徑露石路面大于小粒徑露石路面大于瀝青路面大于橫向刻槽路面大于拉毛路面。從路面抗滑角度，隧道路面推薦采用露石水泥混凝土路面較好。

b）使用不同細(xì)度模數(shù)的砂子，其路面性能存在差異，隨著砂子細(xì)度模數(shù)的增大，露石深度與構(gòu)造深度均呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，露石度逐漸下降，抗滑值先增后減。從路面抗滑角度考慮，在鋪筑露石水泥混凝土路面時(shí)，建議對(duì)所用的砂子進(jìn)行篩分，使砂子的細(xì)度模數(shù)在2.7左右。從試驗(yàn)結(jié)果看，使用去除4.75 mm以上粒徑砂子鋪筑的露石混凝土路面效果較好。

c）對(duì)比了普通水泥刻槽與露石路面抗滑衰減，刻槽混凝土的質(zhì)量變化最大，普通拉毛混凝土次之，側(cè)面普通水泥混凝土表層砂漿很容易磨蝕。而對(duì)于露石路面從耐磨耗性角度考量，建議使用固化劑1進(jìn)行塑性階段的固化和養(yǎng)護(hù)。