水泥路面环氧树脂磨耗层的抗滑衰变模型

李晶晶，张 擎，陈忠达

1)长安大学公路学院，陕西西安 710064；2)陕西交通职业技术学院公路与铁道工程学院，陕西西安 710018

【土木建筑工程/ArchitectureandCivilEngineering】

水泥路面环氧树脂磨耗层的抗滑衰变模型

李晶晶1,2，张 擎1，陈忠达1

1)长安大学公路学院，陕西西安 710064；2)陕西交通职业技术学院公路与铁道工程学院，陕西西安 710018

为了研究水泥路面环氧树脂磨耗层的抗滑衰变规律，制作环氧磨耗层试验板，进行加速磨耗试验，分析骨料用量、改性环氧树脂用量、骨料粒径和施工工艺等因素对抗滑衰变规律的影响，建立不同油石比和荷载作用次数下构造深度(tectonic depth，TD)和摆式摩擦仪表面摩擦系数(british pendulum number，BPN)的抗滑衰变模型，并利用工程实例通车半年后的检测数据对预估模型进行修正．结果表明，随着加载次数增加，不同用量骨料的TD和BPN值均减小，衰变速率随着骨料用量增多而加快，但TD和BPN终值仍然很高；改性环氧树脂用量越大，TD和BPN初值越小，抗滑衰变速率越快，抗滑性能越差，推荐最佳油石比为0.25；骨料粒径越大，TD和BPN初值越大，衰变速率越快，终值反而越小；双层磨耗层施工工艺的抗滑耐久性最佳，单层次之，三层最差；利用修正模型，计算比较1年后磨耗层的抗滑数据与实测值，表明抗滑衰变修正模型适用性良好．

道路工程；水泥路面；环氧树脂磨耗层；抗滑性能；磨耗试验；构造深度

水泥混凝土路面的抗滑问题是影响交通安全的重要因素，如何控制与提高抗滑性能是道路研究人员普遍关心的问题[1-3]．目前，水泥路面恢复抗滑性能的方法主要有旧路刻槽法和加铺法两大类，而水泥路面加铺改性环氧树脂磨耗层结构是在旧水泥路面上通过撒布改性环氧树脂黏结材料和骨料形成的结构，以便于快速恢复路面交通和提高路面的抗滑性能，改性环氧树脂的黏结强度高、耐磨性能好、与旧水泥路面和骨料能形成较强的黏结结构，所以它是一种优良的旧水泥路面加铺方法[4-5]．国内外学者对于环氧树脂铺装材料和路面抗滑性能进行了大量的研究，杨轸等[2]通过自行研发的加速度仪对8条隧道路面的抗滑性能进行测定，并利用汽车动力学仿真技术对行车安全性进行分析，揭示事故产生的主要原因；Torbruegge等[3，6-8]对于沥青路面超薄磨耗层的抗滑性能进行调研，指出骨料是影响抗滑性能的重要因素；杨建国等[4]对于高速公路隧道路面的平均构造深度(tectonic depth，TD)和摆值进行实测，并利用模糊聚类分析方法处理实测数据，预估路面抗滑性能的剩余寿命．周铮等[9-10]对于钢桥面抗滑改造中的改性树脂超薄磨耗层进行高温稳定性、水稳定性和路用性能等的研究，提出改性树脂超薄磨耗层的各项性能指标要求；胡朋等[11-12]通过铺筑两种路面结构，进行加速加载实验，分析沥青路面的疲劳性能，提出疲劳方程．综上所述，国内外对于环氧树脂的研究主要集中在桥面铺装、桥面加固和沥青路面快速恢复抗滑性能等方面，对于在经过长时间运营的水泥混凝土旧路面上加铺环氧树脂抗滑磨耗层的研究比较少见[2-8]，其中环氧树脂用量、骨料用量和骨料粒径等因素对抗滑性能有重要影响．因此，有必要对于水泥路面环氧磨耗层抗滑衰变规律进行研究，分析油石比、骨料粒径和施工工艺等因素对抗滑衰变性能的影响，为今后水泥路面养护工作提供参考．

1 试 验

1.1 试样制备

1)原材料

环氧树脂采用江苏无锡凤凰牌双酚A型，包含组分A(环氧值0.51)和组分B(环氧值0.44)，主要参数见表1．骨料是环氧磨耗层的骨架组成部分，采用商洛市商州区兴达石料厂生产的玄武岩碎石，主要性能指标见表2．固化剂采用天津的聚酰胺类，相对分子质量为60，固化条件为常温下3～7 d或者60 ℃下3 h．稀释剂采用甘油醚类，色度≤40，黏度(25 ℃)≤2 mPa·s，环氧值为0.63/100 g．

表1 环氧树脂技术参数

表2 玄武岩性能指标

2)配合比设计

制备的改性环氧树脂超薄磨耗层黏结材料的配合比见表3，通过拉拔试验及直剪试验，测得所调配的环氧树脂磨耗层黏结材料与水泥混凝土面板和玄武岩骨料间的黏结强度达到2.0～2.45 MPa，剪切强度达到2.0～2.42 MPa．

表3 环氧磨耗层黏结材料的配合比

为了测定环氧超薄磨耗层水泥路面的抗滑性能，制备水泥混凝土面板，胶凝材料为42.5级普通硅酸盐水泥，粗集料为连续级配石灰岩碎石，细集料为渭河河砂，减水剂为聚羧酸减水剂，其配合比见表4，根据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30—2005)[13]配制混凝土．

表4 混凝土配合比

3)制备试样

将称量好的水泥、粗集料、细集料和水等材料充分搅拌3 min，倒入300 mm×300 mm×50 mm的标准模具中浇筑成型，振动密实并抹平试验板表面，24 h后脱模，标准养护28 d后取出，自然晾干；按照m(组分A)∶m(组分B)∶m(固化剂)∶m(稀释剂)=80∶20∶30∶8配比制备改性环氧树脂磨耗层黏结材料；将改性环氧树脂黏结材料涂抹在水泥混凝土试验板上；再在上面均匀撒布玄武岩骨料；并对骨料施加一定的压力，让改性环氧树脂胶结料能嵌挤在骨料之间．

1.2 试验仪器与方法

将成型好的水泥混凝土环氧抗滑磨耗层试验板进行加速磨耗试验[14-16]，加速磨耗仪由驱动系统、控制系统、加载系统、喷水系统和框架等5部分组成，其中驱动系统采用功率1.5 kW的电机，转速为5 000 r/h；控制系统通过红外装置获取信号；加载系统由载盘和聚氨酯实心轮胎组成，通过增减荷载盘数来模拟不同应力下路面的磨耗作用，采用聚氨酯轮胎，轮胎宽度为15 mm，直径200 mm，邵氏硬度70～75 A，轮胎的平均荷载是0.7 MPa；由于磨耗仪的框架下部尺寸为605 mm×605 mm，磨耗试验板的尺寸是300 mm×300 mm，所以刚好可以放下4块试验板．加速磨耗仪轮胎分布见图1．

图1 轮胎轨迹分布Fig.1 Tire track distribution

将事先制备的4块磨耗层试验板放在磨耗仪的框架下部，调平试验板，用侧边的4个螺钉固定住，让试验板在框架内被固定死；设置磨耗仪运行的圈数分别为0、1、2、3、4、6、8、12、16、20、24、32、40和50万次，启动磨耗仪，当圈数转到设定圈数时，磨耗仪自动停止运行，测定相应的抗滑性能指标．按《公路路基路面现场试验规程》(JTG E60—2008)[17]要求使用手工铺砂法测定试验板表面构造深度，测定结果按式(1)计算，使用摆式摩擦仪测定表面摩擦系数(british pendulum number，BPN)，取5次测定的平均值作为路面抗滑值BPN．

(1)

其中，TD为路面表面构造深度；V为砂的体积，V=25 cm3；D为摊平砂的平均直径．

2 环氧磨耗层抗滑衰变影响因素

2.1 骨料用量

试验中水泥路面改性环氧磨耗结构层在无特别说明情况下，均采用单层施工工艺，即1层改性环氧树脂黏结材料+1层单一粒径的骨料．改性环氧树脂用量保持250 g不变，调整2.36～4.75 mm玄武岩骨料用量，分别为1 100、1 000、900和700 g，进行加速磨耗试验，采用前述方法测定构造深度和表面摩擦系数，结果见图2和图3．

图2 不同骨料用量时构造深度的衰变规律Fig.2 TD law of different aggregates

图3 不同骨料用量时摩擦系数的衰变规律Fig.3 BPN law of different aggregates

从图2可以看出，不同用量玄武岩骨料加铺而成的磨耗层结构在加速磨耗试验过程中，随着加载次数的增加，TD均减小，但衰变速率(衰变速率是指抗滑指标初值与终值之差与指标初值的比值)不同．随着骨料用量的增加(由700 g增加到1 100 g)，TD初值增大48.39%，加速磨耗50万次后，TD终值增大30.88%，衰变速率增大8.63%．这表明适当提高骨料用量能够增大抗滑磨耗层的构造深度，提高路面的抗滑耐磨性能．

从图3可以看出，BPN衰变规律与TD衰变规律基本一致，随着荷载作用次数的增加，BPN值不断降低，但降幅稍有不同．随着骨料用量的增加，BPN初值呈先增大后减小的变化，加速磨耗50万次后，BPN终值仍然是先增大后减小，这意味着当改性环氧树脂用量为250 g时，存在着最佳的骨料用量1 000 g，此油石比对应的抗滑状态最佳．

2.2 改性环氧树脂用量

玄武岩骨料用量保持700 g不变，粒径控制在2.36～4.75 mm，在水泥混凝土面板上分别涂抹100、200和250 g三种改性环氧树脂用量，撒铺骨料，制作加速磨耗试件．进行试验，采用前述方法测定TD和BPN，结果见图4和图5．

图4 不同环氧树脂用量时构造深度的衰变规律Fig.4 TD law of different amount of epoxy resin

图5 不同环氧树脂用量时摩擦系数的衰变规律Fig.5 BPN law of different amount of epoxy resin

分析图4可知，随着磨耗次数的增加，改性环氧树脂用量对TD影响显著．改性环氧树脂用量越大，TD初值越小，抗滑衰变速度越慢，抗滑性能越差．改性环氧树脂涂刷量分别为100、200和250 g时TD初值分别为1.79、1.0和0.93 mm，经过50万次后分别衰减到1.0、0.65和0.68 mm，分别衰减了48%、35%和27%．

分析图5可知，不同改性环氧树脂用量的磨耗层BPN值衰变规律与TD值衰变规律大致相同．改性环氧树脂用量越小，BPN初值和终值均越大，抗滑性能越好，构造深度衰变速度越快．

通过不同玄武岩骨料用量和改性环氧树脂用量磨耗试验的BPN及TD值对比分析可知，改性环氧树脂用量250 g，玄武岩骨料用量1 000 g时(油石比0.25)的抗滑性能最佳．按照这种配合比计算，水泥路面抗滑磨耗层改性环氧树脂用量应控制在2.5 kg/m2，骨料用量控制在12 kg/m2较好．

2.3 骨料粒径

改性环氧树脂用量为250 g，玄武岩骨料用量为1 000 g，采用单一骨料粒径分别为2.36～4.75 mm和4.75～9.5 mm的碎石进行加速磨耗试验，结果见图6和图7．

图6 骨料粒径不同时构造深度的衰变规律Fig.6 TD law of different aggregate size

图7 骨料粒径不同时摩擦系数的衰变规律Fig.7 BPN law of different aggregate size

从图6可以看出，随着加载次数的增加，骨料粒径越大，TD初值越大，但衰变速率越快．粒径为2.36～4.75 mm的衰变速率小于4.75～9.50 mm的TD值衰变速率，当处于稳定状态时，骨料粒径为2.36～4.75 mm的TD终值反而更大．这表明不能一味地增大骨料粒径来提高抗滑磨耗层的构造深度以及抗滑性能．

从图7可以看出，骨料粒径越大，BPN初值越大，衰变速率越快，BPN终值反而越小．粒径为2.36～4.75 mm时，虽然其TD和BPN初值略低于粒径较大磨耗层，但其衰变速率很慢，抗滑性能更为稳定，到磨耗试验终止时，其BPN终值反而更大．由此可见，骨料粒径2.36～4.75 mm铺筑的磨耗层抗滑耐久性能更好．

2.4 施工工艺

由前述分析，结合磨耗层施工工程实际，抗滑磨耗层的施工工艺为单层(1油1石)、双层(2油2石)和三层(3油2石)，它们具有相同的油石比，单位面积的环氧树脂涂抹量为2.5 kg/m2．单层施工工艺为1层改性环氧树脂+1层2.36～4.75 mm单一粒径骨料；双层施工工艺为1层改性环氧树脂+1层4.75～9.50 mm单一粒径骨料+1层改性环氧树脂+1层2.36～4.75 mm单一粒径骨料；三层施工工艺为1层改性环氧树脂+1层4.75～9.50 mm单一粒径骨料+1层改性环氧树脂+1层2.36～4.75 mm单一粒径骨料+1层改性环氧树脂．在3种不同施工工艺下，制作水泥路面抗滑磨耗板，进行加速磨耗试验，测试结果见图8和图9．

图8 施工工艺不同时构造深度的衰变规律Fig.8 TD law of different construction technics

图9 施工工艺不同时摩擦系数的衰变规律Fig.9 BPN law of different construction technics

从图8可以看出，在加速磨耗过程中，单层和双层磨耗层的衰变速率较小，三层的衰变幅度较大．双层磨耗层的抗滑性能最好，其TD终值更大，抗滑耐久性更好．单层的TD初值虽然小于双层，但其呈现出的抗滑性能及抗滑耐久性较好．三层的TD初值居中，但衰变速率过快，TD终值最小．由此可见，单层和双层的抗滑耐久性较好．

从图9可以看出，3种施工工艺磨耗层BPN值衰变规律与TD值衰变规律基本相同，单层和双层磨耗层抗滑磨耗耐久性较好，三层施工的磨耗层抗滑耐磨性能较差．

综合分析可知，双层施工工艺的抗滑耐久性最佳，单层次之，三层最差，且三层施工工艺最复杂，所以工程中不予采用；单层和双层工艺都能较好满足路面抗滑性能的要求，具体的选择还要结合开放交通时间、经济效益评价等因素综合比选．

3 环氧磨耗层抗滑衰变模型预估

3.1 抗滑衰变机理分析

在行车荷载作用下，改性环氧磨耗层试验板的抗滑衰变曲线主要分为3个阶段[18-21]：快速衰变阶段、缓慢衰变阶段和衰变稳定阶段．快速衰变阶段是在荷载作用初期，抗滑性能衰变主要以表面松散骨料的剥落为主；随着松散骨料逐渐剥落完毕，进入衰变缓慢变化阶段，在荷载的继续作用过程中，不再有新的骨料剥落、脱离，磨耗层抗滑衰变主要以路表抗滑骨料的表面磨光、磨损为主，磨光作用主要是微观构造降低，表面纹理的逐渐降低，表现为摩擦系数减小，BPN降低，磨损作用是宏观构造深度的减小，主要表现为TD值的降低；骨料的磨光和磨损作用达到一定程度，进入抗滑衰变稳定阶段，BPN和TD终值趋于不变．

3.2 抗滑衰变预估模型

通过分析骨料用量、改性环氧树脂用量、骨料粒径和施工工艺等因素对抗滑衰变的影响，可得到抗滑衰变模型为

TD=-2.934ω+0.486e-0.054P+1.497

(2)

BPN=-14.270ω+18.225e-0.069P+76.773

(3)

其中，ω为油石比(改性环氧树脂用量与骨料用量之比)；P为荷载作用次数．

3.3 抗滑衰变模型的验证

福银高速商州至漫川关段，全封闭、全立交、双向4车道，设计速度为80 km/h，经检测某隧道的抗滑性能不足，需进行加铺．结合隧道水泥路面的环保和防火要求，采用改性环氧树脂磨耗层加铺．为增大旧水泥路面与磨耗层的黏结性能，更好清除路面表面油污、松散，加铺前微铣刨工艺进行处治，采用1油1石工艺(油石比为0.25，2.36～4.75 mm玄武岩骨料)进行铺筑，试验路半年的通行时间相当于室内抗滑耐久性试验8万次的轴载作用次数，检测其对应的TD和BPN值，并对预估模型进行修正，

TD=-4.495ω+0.695e-0.054P+2.141

(4)

BPN= -15.269ω+19.50e-0.069P+82.147

(5)

当试验路通行1年时，通过修正模型计算得到的理论值与实测值进行比较，见图10．可以看出，利用修正模型计算得到的理论值与通车1年后实测的TD和BPN值误差除了1个点误差为8%，其他点均在3%以下，表明修正模型的拟合精度很高．

图10 预估模型的对比验证Fig.10 Comparison of estimated models

4 结 论

综上研究可知：

1)骨料用量越大，TD和BPN初值越大，抗滑衰变速率越快，TD和BPN终值也越大，抗滑性能越好；改性环氧树脂用量越大，TD和BPN初值越小，抗滑衰变速率越快，抗滑性能越差，并指出水泥路面抗滑磨耗层改性环氧树脂用量应控制在2.5 kg/m2，骨料用量控制在12 kg/m2较好．

2)骨料粒径越大，TD和BPN初值越大，衰变速率越快，但处于稳定状态时，骨料粒径2.36～4.75 mm的TD和BPN终值反而更大，表明不能一味地增大骨料粒径来提高磨耗层的抗滑性能．

3)在行车荷载作用下，改性环氧树脂磨耗层试验板的抗滑衰变曲线主要分为快速衰变阶段、缓慢衰变阶段和衰变稳定阶段．

4)建立不同油石比和荷载作用次数下构造深度和摩擦系数的抗滑衰变模型，并利用工程实例通车半年后抗滑检测数据对预估模型进行修正，利用修正模型计算1年后抗滑数据与实测值进行比较，发现误差率除个别点外，其他均在3%以下．

引文：李晶晶，张 擎，陈忠达.水泥路面环氧树脂磨耗层的抗滑衰变模型[J]. 深圳大学学报理工版，2017，34(6)：597-603.

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【中文责编：坪梓；英文责编：之聿】

2017-04-20；Accepted2017-08-10

Professor Chen Zhongda. E-mail: chzd@chd.edu.cn

Skidresistancedecaymodelofepoxywearlayeroncementpavement

LiJingjing1,2,ZhangQing1,andChenZhongda1

1) School of Highway, Chang’an University, Xi’an 710064, Shaanxi Province, P.R.China2) School of Highway and Railway Engineering, Shaanxi College of Communication Technology, Xi’an 710018, Shaanxi Province, P.R.China

In order to study the skid resistance of modified epoxy wear layer on cement pavement, we construct the test slab of modified epoxy wear and conduct the accelerated wear test. By analysing the effects of factors such as the amount of aggregate, the modified epoxy resin, the size of aggregate and the construction technology, we establish the skid resistance performance model of the tectonic depth (TD) and friction coefficient of british pendulum number (BPN) under different oil-stone ratios and load times and modify the model according to the test data after six months of traffic. The results show that TD and BPN of different aggregates decrease with the loading times. The decay rate increases with the aggregate dosage, while the final TD and BPN values are still high. The larger the amount of modified epoxy resin is and the smaller the initial values of TD and BPN are, the faster the decay rate of skid resistance is and the worse the skid resistance is. The best pitch ratio of 0.25 is recommended. It is also found that the larger the aggregate size is, the greater the initial values of TD and BPN are, the smaller the final values of TD and BPN are. The double-layer epoxy wear course is the best in skid resistance durability, followed by one layer, and epoxy wear course with three layers is the worst. The modified model is used to calculate the skid data of epoxy wear layer after a year, and the results are compared with the measured values, which shows that the modified model of skid resistance is applicable.

road engineering; cement pavement; epoxy wear layer; skid resistance; abrasion test; tectonic depth

Foundation：National Natural Science Foundations of China (51508030)；Research Project of Transportation Department of Shaanxi Province(14-09K)；Research Project of Shaanxi College of Communication Technology (YJ17006)

：Li Jingjing, Zhang Qing, Chen Zhongda. Skid resistance decay model of epoxy wear layer on cement pavement[J]. Journal of Shenzhen University Science and Engineering, 2017, 34(6): 597-603.(in Chinese)

U 416.217

A

10.3724/SP.J.1249.2017.06597

国家自然科学基金资助项目(51508030)；陕西省交通运输厅科研资助项目(14-09K)；陕西交通职业技术学院科研资助项目(YJ17006)

李晶晶(1985—)，女，长安大学博士研究生. 研究方向：路面材料与结构. E-mail：lijingjingqi@163.com