集料磨光值試驗(yàn)方法的分析及改進(jìn)對(duì)策

王寶松， 劉 俊

(1.招商局重慶公路工程檢測中心有限公司， 重慶 400067； 2.天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院， 天津 300392)

截至2019年底，我國高速公路總里程已達(dá)14.96萬km，公路運(yùn)營養(yǎng)護(hù)規(guī)模日益增長，運(yùn)營安全管理難度漸增。根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，我國交通事故近3年來呈緩慢增長趨勢(shì)，年平均發(fā)生20余萬起，分析交通事故發(fā)生原因，其中公路路面表面抗滑性能不足是重要原因之一。

國內(nèi)外相關(guān)研究認(rèn)為影響路面抗滑性能的主要因素有2個(gè)：一是表征路面面層宏觀粗糙程度的表面構(gòu)造深度，二是表征路面面層集料微觀粗糙程度的碎石表面紋理。代表性檢測方法包括磨光值試驗(yàn)法、鋪砂法、激光構(gòu)造深度測試法、摩擦系數(shù)測試車法、擺式儀法等，這些測試方法中多是針對(duì)宏觀粗糙程度，而磨光值試驗(yàn)則是針對(duì)面層的微觀粗糙程度。諸多瀝青路面抗滑性能衰減模型研究表明，瀝青路面抗滑性能的衰變幅度、衰變速率以及衰變終值主要取決于選用的集料種類[1-8]。

集料磨光值表征路面表面層的集料抵抗輪胎磨光作用的能力，是衡量路面抗滑性能優(yōu)劣的關(guān)鍵性指標(biāo)，同時(shí)也是確定一種集料能用于瀝青路面表面層的重要指標(biāo)[8-11]。然而，磨光值與其他指標(biāo)相比，其試驗(yàn)測試涉及加速磨光機(jī)、粘結(jié)劑等30余種儀器設(shè)備或輔助材料，整個(gè)試驗(yàn)過程分為試驗(yàn)準(zhǔn)備、試件制備、磨光值測試等3個(gè)階段，涉及35條規(guī)范條款，一次完整試驗(yàn)一般需要4 d～5 d時(shí)間。在瀝青路面使用粗集料的各項(xiàng)檢測指標(biāo)中，磨光值試驗(yàn)是操作最為困難且不易被試驗(yàn)人員掌握、人為因素可控難度大但又易出現(xiàn)問題的檢測項(xiàng)目之一。

本文從規(guī)范具體條文出發(fā)，對(duì)多年來試驗(yàn)檢測人員的磨光值試驗(yàn)實(shí)際操作及其試驗(yàn)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，針對(duì)試驗(yàn)過程中容易疏漏或規(guī)范條文描述籠統(tǒng)，且易被理解錯(cuò)位的重要步驟提出有效的改進(jìn)對(duì)策。

1 試驗(yàn)原理及關(guān)鍵步驟

依據(jù)JTG F40—2004《公路工程施工技術(shù)規(guī)范》[9]，粗集料的磨光值試驗(yàn)方法采用JTG E42—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》[11]中的T0321-2005“粗集料磨光值試驗(yàn)”。磨光值的原理是通過粗細(xì)橡膠輪在水及金剛砂的摩擦下模擬雨天汽車輪胎對(duì)集料的滾動(dòng)摩擦作用，利用加速磨光機(jī)磨光規(guī)定的規(guī)格集料，并以擺式摩擦系數(shù)測定儀測得磨光后集料的摩擦值并與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，以確定最后磨光檢測值。

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范JTG E42—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》[11]，磨光值檢測過程共計(jì)35條規(guī)范條款，歸納總結(jié)后可分為以下主要8個(gè)步驟：1) 選料；2) 排料；3) 吹砂；4) 配制、填充砂漿；5) 養(yǎng)護(hù)、拆模；6) 試件安裝；7) 粗細(xì)砂磨光；8) 磨光值測定。

大量磨光值試驗(yàn)檢測實(shí)際操作表明，試驗(yàn)過程中最易出現(xiàn)問題的是試驗(yàn)準(zhǔn)備及試件制作環(huán)節(jié)。從選料到養(yǎng)護(hù)、拆模，每一步操作的諸多細(xì)節(jié)都存在容易被忽視或誤解的問題，最終導(dǎo)致試件成型成功率不高，磨光過程中甚至出現(xiàn)試件崩斷現(xiàn)象。根據(jù)實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)一些規(guī)程描述不盡詳細(xì)或操作過程中容易出現(xiàn)的問題，本文進(jìn)行重點(diǎn)分析討論，提出改進(jìn)對(duì)策。

2 試驗(yàn)方法分析及改進(jìn)

2.1 選料

規(guī)范規(guī)定：將集料過篩，剔除針片狀顆粒，取9.5 mm～13.2 mm的集料顆粒用水洗凈后置于溫度為105 ℃±5 ℃的烘箱中烘干。此環(huán)節(jié)的2個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是挑選適宜的集料和對(duì)挑選后的集料進(jìn)行水洗清潔，以免集料表面粘附的塵土及雜質(zhì)影響集料顆粒與環(huán)氧樹脂砂漿的黏結(jié)性，從而影響試件成型質(zhì)量。

1) 關(guān)鍵點(diǎn)一

(1) 常規(guī)做法

試驗(yàn)人員的常規(guī)做法是先按照規(guī)范要求從過篩后的集料中剔除針片狀顆粒，后隨機(jī)挑選集料顆粒。

(2) 存在問題

此操作存在一定隨意性，受試驗(yàn)人員主觀因素影響較大。剔除針片狀顆粒后的集料顆粒依舊存在大小不一、形狀多樣的特點(diǎn)，直接影響后續(xù)的試件排料質(zhì)量。

(3) 改進(jìn)對(duì)策

挑選的集料顆粒應(yīng)選擇大小均勻、形狀規(guī)則的飽滿顆粒，以接近立方體為佳。

2) 關(guān)鍵點(diǎn)二

(1) 常規(guī)做法

試驗(yàn)人員對(duì)挑選后的集料進(jìn)行水洗清潔時(shí)，常常以淘洗為主，輔以肉眼觀察是否清潔。

(2) 存在問題

實(shí)際試驗(yàn)中，常常存在試驗(yàn)人員自以為已清洗干凈，可待集料烘干后依舊發(fā)現(xiàn)集料顆粒尚未清洗干凈或肉眼判斷已清洗干凈、但集料顆粒的細(xì)小孔隙中仍存在少量塵土或雜質(zhì)，導(dǎo)致后續(xù)的排料、黏結(jié)成型困難，影響試驗(yàn)結(jié)果，甚至在磨光過程中，直接出現(xiàn)集料脫落或試件斷裂的現(xiàn)象。

(3) 改進(jìn)對(duì)策

試驗(yàn)人員在清洗集料顆粒時(shí)，可適當(dāng)加入洗衣粉或洗滌液等添加劑，同時(shí)反復(fù)沖洗并不斷揉搓3遍以上，再清洗至清水狀。

2.2 排料

1) 規(guī)范規(guī)定

將9.5 mm～13.2 mm集料顆粒盡量緊密地排列于試模中(大面、平面向下)。排料時(shí)應(yīng)除去高度大于試模的不合格顆粒。

2) 存在問題

此規(guī)范條款只籠統(tǒng)講盡量排列緊密，但對(duì)其排料的緊密程度并未進(jìn)行規(guī)定，也沒有更具體的描述。相關(guān)試驗(yàn)的研究文獻(xiàn)[12]證明，排料的緊密程度對(duì)其磨光值的大小有較大影響，很有可能使原來磨光值較大的石料因?yàn)榕帕舷∷蓪?dǎo)致磨光值降低。排料時(shí)集料顆粒與試模之間的高度差是否適宜也直接影響后期磨光時(shí)的粒料剝落程度。

3) 改進(jìn)對(duì)策

(1) 此環(huán)節(jié)排料全過程為繼續(xù)保持集料清潔，試驗(yàn)人員應(yīng)事先清洗雙手，夏天時(shí)可帶上薄膜手套以免手汗遺留在集料表面影響后續(xù)集料與環(huán)氧樹脂砂漿的黏結(jié)性。

(2) 具體排料過程中應(yīng)盡可能使顆粒之間排列緊密又不至于過緊，一個(gè)磨光值試件排列的集料顆粒數(shù)量可大致控制在21～26顆之間，縱列可排4～5列，盡量錯(cuò)開、交叉排列，如圖1所示。

圖1 磨光值試件集料排列、成型參考圖

(3) 集料大平面應(yīng)放在試模底部，避免出現(xiàn)架空的情況，同時(shí)顆粒高度應(yīng)高低適宜，最低應(yīng)超過試模內(nèi)的臺(tái)階，最高不得高于試模整體高度，以減少后期磨光時(shí)的顆粒剝落。

2.3 吹砂

1) 規(guī)范規(guī)定

用小勺將干砂填入已排妥的集料間隙中，并用洗耳球輕輕吹動(dòng)干砂，使之填充密實(shí)。然后再吹去多余的砂，使砂與試模臺(tái)階大致齊平，但臺(tái)階上不得有砂。用洗耳球吹動(dòng)干砂時(shí)不得碰動(dòng)集料，且不使集料試樣表面覆有砂粒。

2) 存在問題

此環(huán)節(jié)的關(guān)鍵點(diǎn)是在不觸動(dòng)任何一顆集料顆粒的基礎(chǔ)上確定吹砂的適宜量。集料顆粒受到擾動(dòng)后會(huì)導(dǎo)致砂滲漏到集料顆粒之下，從而使集料顆粒不再是大面、平面朝下[13]。一旦集料出現(xiàn)擾動(dòng)情況，應(yīng)立刻中止試驗(yàn)，重新回到上一環(huán)節(jié)操作，重新排料。吹砂的多少對(duì)于成型試件的成敗影響很大。一般認(rèn)為，吹砂量過少時(shí)，試件容易出現(xiàn)漏漿現(xiàn)象，而漏漿會(huì)對(duì)磨光值產(chǎn)生極大影響，故凡是出現(xiàn)漏漿的試件均應(yīng)廢棄。當(dāng)吹砂量過多時(shí)，試件又容易出現(xiàn)粒料剝落現(xiàn)象，導(dǎo)致試件斷裂或磨光值偏大[12]。

3) 改進(jìn)對(duì)策

(1) 經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)測定，吹砂量適宜程度應(yīng)以砂的高度與試模臺(tái)階高度大致齊平為準(zhǔn)。凡是出現(xiàn)漏漿現(xiàn)象的試件應(yīng)一律廢棄，重新成型。

(2) 吹砂過程中嚴(yán)禁擾動(dòng)集料顆粒。試驗(yàn)人員應(yīng)選擇安靜的試驗(yàn)場地，避免外來風(fēng)力干擾，避免情緒緊張、手臂抖動(dòng)，用洗耳球吹砂時(shí)應(yīng)盡量緩慢，避免用力過猛，嚴(yán)禁手指觸碰試件或集料顆粒。

(3) 最終吹砂完成的試件顆粒表面及試模臺(tái)階上均不得有殘余的砂粒。

2.4 配制砂漿

1) 規(guī)范規(guī)定

通常情況下，一塊試模的砂漿用量為環(huán)氧樹脂9.0 g，固化劑2.4 g，干砂48 g。

2) 存在問題

此條款規(guī)程只籠統(tǒng)講述了配制環(huán)氧樹脂砂漿的比例，對(duì)環(huán)氧樹脂砂漿的配制過程及配制后的實(shí)際使用時(shí)間及用量未作出明確規(guī)定。試驗(yàn)人員極難把握環(huán)氧樹脂砂漿充分?jǐn)嚢?、完全發(fā)揮黏結(jié)力的拌和程度，且不確定環(huán)氧樹脂砂漿的凝固時(shí)間，容易導(dǎo)致一次配制劑量過多造成浪費(fèi)。

3) 改進(jìn)對(duì)策

(1) 由于JTG E42—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》[11]對(duì)試模詳細(xì)尺寸未作明確規(guī)定，導(dǎo)致各實(shí)驗(yàn)室試模大小不一，應(yīng)在配制環(huán)氧樹脂砂漿之前依據(jù)試模大小確定實(shí)際配制數(shù)量，并保證有少量的富余，以免環(huán)氧樹脂砂漿用量不足導(dǎo)致試件成型失敗。

(2) 配制的環(huán)氧樹脂砂漿應(yīng)進(jìn)行充分?jǐn)嚢枰园l(fā)揮其黏結(jié)性。充分調(diào)和好的黏結(jié)劑顏色為乳白色，干砂適當(dāng)加熱后與黏結(jié)劑拌和可提高砂漿的流動(dòng)性和黏結(jié)力。

(3) 環(huán)氧樹脂砂漿配制后30 min內(nèi)即出現(xiàn)凝固硬化現(xiàn)象，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)測定，環(huán)氧樹脂砂漿一次配制量可用于配制試件2～3塊并略有富余即可。不同試驗(yàn)人員應(yīng)根據(jù)實(shí)際操作過程及凝固時(shí)間具體確定配制用量。

2.5 填充砂漿

1) 規(guī)范規(guī)定

用小油灰刀將拌好的環(huán)氧樹脂砂漿填入試模中，并盡量填充密實(shí)，但不得碰動(dòng)集料。然后用熱油灰刀在試模上刮去多余的填料，并將表面反復(fù)抹平，使填充的環(huán)氧樹脂砂漿與試模頂部齊平。

2) 存在問題

實(shí)際試驗(yàn)過程中，由于試模多為弧形，使用熱油灰刀在試模表面反復(fù)抹平存在困難，且溫度稍低便會(huì)黏結(jié)上砂漿，從而帶動(dòng)粒料脫落，使整個(gè)試件呈現(xiàn)凹凸不平。采用熱油灰刀單純抹平無法施加一定的壓力，達(dá)不到將砂漿填充密實(shí)的效果，砂漿與粒料的黏結(jié)性略有不足，容易造成后期試件磨光時(shí)出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象[12-16]。

3) 改進(jìn)對(duì)策

(1) 在填充環(huán)氧樹脂砂漿時(shí)分2次碾壓。先將砂漿比較均勻地填充到試模內(nèi)，然后用熱油灰刀從中間向兩邊碾壓，壓實(shí)之前不要刮去多余的填料，防止環(huán)氧樹脂砂漿帶動(dòng)集料顆粒脫落造成試件底部出現(xiàn)凹凸不平的現(xiàn)象。壓實(shí)之后，再將油灰刀一側(cè)翹起，下壓另一側(cè)慢慢地刮動(dòng)，將多余的砂漿刮去[13]。

(2) 待用油灰刀徹底抹平試件后，可用金屬棒反復(fù)碾壓試件表面，保證砂漿壓實(shí)填充在集料之間。

2.6 養(yǎng)護(hù)

1) 規(guī)范規(guī)定

通常在40 ℃烘箱中先養(yǎng)護(hù)3 h，再自然冷卻9 h后拆模；如在室溫下養(yǎng)護(hù)，時(shí)間應(yīng)更長，使試件達(dá)到足夠強(qiáng)度。有集料顆粒松動(dòng)脫落，或有環(huán)氧樹脂砂漿滲出表面時(shí)，試件應(yīng)廢棄。

2) 存在問題

通常情況下，試驗(yàn)人員按照規(guī)范推薦的溫度和時(shí)間進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，試件可達(dá)到足夠強(qiáng)度便于后續(xù)的磨光試驗(yàn)。但由于所用集料、室溫條件等諸多因素影響，仍有少部分試件在規(guī)定的溫度下養(yǎng)護(hù)達(dá)不到規(guī)定的足夠強(qiáng)度。

3) 修正意見

有相關(guān)論文針對(duì)養(yǎng)護(hù)條件及養(yǎng)護(hù)時(shí)間提出修正意見，主要概括為2種修正方法：(1) 在45 ℃的烘箱中連續(xù)烘7 h，然后取出，使之自然冷卻；(2) 初期養(yǎng)護(hù)溫度30 ℃，后期養(yǎng)護(hù)溫度80 ℃[12]。

采用修正方法(1)，烘箱養(yǎng)護(hù)溫度比規(guī)范規(guī)定溫度僅提高5 ℃，但烘箱內(nèi)的養(yǎng)護(hù)時(shí)間延長至7 h，自然冷卻后能夠保證養(yǎng)護(hù)試件完全達(dá)到足夠強(qiáng)度；修正方法(2)，初期采用低溫主要是出于避免漏漿的目的，后期大幅度提升溫度則是為了盡快成型，保證試件擁有足夠強(qiáng)度。

為比較規(guī)范方法及2種修正方法的優(yōu)劣，本文采用對(duì)比方式對(duì)試件進(jìn)行成型后磨光，相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1所示。

從表1可知，修正方法(1)及修正方法(2)均可提高試件養(yǎng)護(hù)質(zhì)量，修正方法與規(guī)范養(yǎng)護(hù)方法相比，試件磨光值略有下降，考慮試驗(yàn)誤差影響，本文認(rèn)為修正方法(1)對(duì)試件磨光值最終數(shù)據(jù)沒有明顯影響，不宜采用修正方法(2)對(duì)試件進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

表1 不同養(yǎng)護(hù)條件下試件成型及磨光情況統(tǒng)計(jì)

2.7 拆模

1) 規(guī)范規(guī)定

無。

2) 存在問題

規(guī)范并未規(guī)定詳細(xì)的拆模要求或拆模細(xì)節(jié)，在實(shí)際試驗(yàn)過程中，試件常常與試模黏結(jié)牢固，存在無法輕松拆除的情況。結(jié)合規(guī)范對(duì)磨光值試件的整體要求，拆模后的試件應(yīng)該保證顆粒排列整齊、密實(shí)、平順，沒有漏漿現(xiàn)象，且表面平整利于后續(xù)的磨光試驗(yàn)。

3) 改進(jìn)對(duì)策

(1) 嚴(yán)禁用螺絲刀等金屬工具將試件翹出，以免破壞試件的完整性。

(2) 用橡膠錘從旋開試模擋板的一側(cè)敲擊試件，將試件從試模中“推出”。

(3) 拆模后，至少放置半天以上再磨光，以便試件具有足夠強(qiáng)度。

3 改進(jìn)前后數(shù)據(jù)對(duì)比

本文收集實(shí)驗(yàn)室集料磨光值試驗(yàn)方法改進(jìn)前后共計(jì)4年的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以判斷改進(jìn)對(duì)策的有效性。

3.1 試件成型

對(duì)集料磨光值試驗(yàn)方法改進(jìn)前后試件成型情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表2、表3所示。

從表2、表3統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，通過對(duì)規(guī)范條款進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)后，試件的成型率從76.6%上升至94.3%，試驗(yàn)任務(wù)正常率從63.8%上升至88.6%，表明本文的改進(jìn)對(duì)策有利于試件成型，減少了試件斷裂率，保障了試驗(yàn)任務(wù)的正常開展。

表3 試驗(yàn)任務(wù)正常率統(tǒng)計(jì)分析

表2 試件成型率統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)試驗(yàn)方法改進(jìn)前斷裂的22塊試件進(jìn)行斷裂原因分析，其主要斷裂原因有：1) 砂漿填充不密實(shí)或砂漿與集料顆粒黏結(jié)性不足，致使試件在磨光過程中斷裂；2) 成型后試件弧形不順滑，與道路輪貼合不密導(dǎo)致磨光過程中斷裂；3) 試件中的個(gè)別集料顆粒偏向針片狀導(dǎo)致磨光過程中顆粒崩碎后試件斷裂；4) 排料稀松導(dǎo)致試件在磨光過程中沿著顆粒之間的縫隙貫通開裂。

對(duì)試驗(yàn)方法改進(jìn)后斷裂的4塊試件進(jìn)行斷裂原因分析，其主要原因：送樣量偏少，無法挑選出足夠數(shù)量的飽滿顆粒，致使試件中存在部分集料顆粒形狀大小不一，磨光過程中因顆粒崩碎導(dǎo)致試件斷裂。由此表明，試驗(yàn)方法改進(jìn)后有效規(guī)避了試件斷裂的多種可能性，彌補(bǔ)了規(guī)范條文中描述欠缺之處。

3.2 磨光值數(shù)據(jù)

選擇集料磨光值試驗(yàn)方法改進(jìn)前后具有代表性的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行具體分析，結(jié)果如表4所示。

表4 代表性試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

表4(續(xù))

注：改進(jìn)前11組試驗(yàn)任務(wù)均來自同一工程項(xiàng)目，由同一位試驗(yàn)人員完成；改進(jìn)后7組試驗(yàn)任務(wù)均來自改進(jìn)前同一工程項(xiàng)目，并由同一位試驗(yàn)人員完成。

由表4可知，集料磨光值試驗(yàn)方法改進(jìn)前進(jìn)行的11組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，數(shù)值偏差在0.60～2.80之間，標(biāo)準(zhǔn)差0.79；改進(jìn)后進(jìn)行的7組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)偏差在1.6～2.4之間，標(biāo)準(zhǔn)差0.25，表明試驗(yàn)方法經(jīng)過改進(jìn)后，集料磨光值數(shù)據(jù)偏差離散性得到有效控制，檢測結(jié)果更加可靠。

4 結(jié)論

1) 粗集料磨光值試驗(yàn)從制件到完成，試驗(yàn)操作步驟繁瑣，試驗(yàn)難度較大，其中防止制作的試件出現(xiàn)斷裂與集料顆粒剝落是該試驗(yàn)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

2) 從實(shí)際試驗(yàn)操作出發(fā)，針對(duì)粗集料磨光值試驗(yàn)方法規(guī)定條款中的不足，從選料、排料、吹砂、配制填充砂漿、養(yǎng)護(hù)、拆模等環(huán)節(jié)逐一分析討論，提出相應(yīng)的改進(jìn)對(duì)策，規(guī)避了試件斷裂的各種可能性。

3) 試件成型率從76.6%提升至94.3%，試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性從標(biāo)準(zhǔn)差0.79縮小至0.25，提高了試件成型的成功率，有效控制了檢測數(shù)據(jù)的可靠性。

4) 本文從7個(gè)方面提出改進(jìn)粗集料磨光值試驗(yàn)的對(duì)策，可用于指導(dǎo)試驗(yàn)人員的實(shí)際操作，使檢測結(jié)果更加科學(xué)、可靠。