不同表面纹理的水泥路面抗滑性能研究

张青江

（山西路桥集团长临高速公路有限公司，山西 太原 030006）

水泥混凝土路面表面纹理大致分为微观构造和宏观构造两种，试验表明具有丰富纹理的路面，其抗滑性能显著提高[1-3]。露石水泥混凝土路面是一种具有丰富表面纹理的路面，由于后期清扫除表面水泥砂浆颗粒，露出骨料，相较于普通刻槽路面，更加耐磨。

1 试验设备及试验方法

1.1 试验设备

国内外针对露石混凝土路面抗滑衰减的研究方法有多种，其中最为接近实际抗滑衰减效果的试验为大型直道试验，但由于大型直道试验一般试验室难以实现[4]。因此，采用摆式仪和构造深度测试仪（手工铺砂）测试路面的抗滑性；采用改进型水泥胶砂耐磨试验机进行模拟抗滑性能衰减的模拟试验。

1.2 试验方法

为了比较普通水泥路面的抗滑构造方式的不同，成型了450 mm×450 mm×30 mm的薄板试件，进行表面拉毛、刻槽、露石3种表层处理方式的路面构造方式。成型了1组450 mm×450 mm×30 mm AC13沥青混凝土抗车辙试件。

为了模拟露石路面的抗滑衰减规律，使用相同配合比，制备（150×150×150）mm的露石方形试块多组，分别编号，标准养护条件下养护28 d，取出后烘干。分别购得市面上两种类型混凝土固化剂进行对比试验，采集上述方形露石试块的露石深度、构造深度（由于试块露石面积较小，可采用等分标准构造深度测试砂的质量，只使用其中的一半测试砂进行测试，再利用体积反求出构造深度的方法进行测试）、露石度和抗滑摆值数据等指标。为使试验结果更为真实可信，按照上述采集数据将试块按照相近指标分为3组，分别为刷图固化剂1和固化剂2和不刷涂固化剂的对照组，在相同环境下，按照固化剂使用说明进行二次养生。到达养生周期后，进行混凝土磨耗试验。

2 抗滑性能的比较

2.1 路面类型与抗滑性能比较

为了比较拉毛处理普通水泥路面、刻槽处理水泥路面、小粒径露石路面、大粒径露石路面、沥青路面5种形式的抗滑性能，测试了构造深度（手工铺砂法）和摆值BPN20，试验结果如表1。为了更直观地看到不同纹理路面的抗滑性能差异，使用ORIGIN绘制成折线图，见图1。

表1 不同纹理路面抗滑性能统计表

图1 不同路面类型构造深度与摆值对比

根据图1可以看出，不同路面纹理类型，其构造深度与抗滑值均存在差异，其中露石混凝土路面的构造深度和抗滑摆值均高于其他几种纹理的路面。并且，由于粗集料类型的不同，同是露石混凝土路面，其构造深度和抗滑摆值也存在一定差异。分析原因为：路面抗滑值是表征路面与轮胎之间具有良好的附着力和潮湿状态具有较短的制动距离的物理量，与路面构造深度息息相关。通过铺砂检测，采用大粒径的露石混凝土路面其表面具有丰富的微观和宏观构造，路面构造深度平均值为1.56 mm，其抗滑性能最优。

2.2 露石度与抗滑性能分析

因砂的细度模数影响露石路面的露石度，因而有研究学者认为砂的细度模数影响露石度，而露石度是影响露石路面抗滑性能的主要指标，为此对比砂细度模数因素对露石路面抗滑性能的关联关系。

试验取3种不同的砂进行筛分，使用相同的配合比制成不同的露石混凝土试件，并采集相关数据见表2。其中露石度的采集方法是制作一个10 cm×10 cm的小方框，放置于露石试块表面，记录下框内的露出集料个数。

表2 使用不同细度模数砂露石性能统计表

通过表2的试验结果发现：砂细度模数越细，露石度越大，可以解释随着砂细度模数的增加，粒径更大的粗砂使得混凝土振捣成型后，粗骨料之间的距离增大，在路面上表现为露石度的降低，如图2所示。

图2 不同细度模数砂挤开粗骨料示意图

根据表2数据，砂的细度模数与露石深度和摆值关系，见图3和图4中。

图3 不同细度模数砂路面性能对比

图4 随砂子细度模数变化露石性能变化

综上，随着砂子细度模数的增大，露石深度与构造深度均呈现增大趋势；图3中随着砂子细度模数增大，露石度逐渐下降，抗滑值先增后减。当砂子的细度模数在2.7时，摆值最大。其原理为，砂的细度模数与露石深度、构造深度呈线性关系，随着砂的细度模数逐级减小，直接引起露石度的增大，进而提高了构造深度和摆值。也即露石的逐渐增多，露石提供的构造深度为碎石表面的微观构造和凸起形成的宏观构造，这两方面提供的构造面积远大于砂浆提供的微观构造，因而抗滑性能结果为随着露石度的增加抗滑性大大增加。

3 抗滑衰减性能

3.1 试验方案

采用改进型水泥胶砂耐磨试验机进行模拟抗滑性能衰减的模拟试验。为了更加准确地评判磨耗质量及抗滑衰减损失规律，试验共统计的项目有质量损失、露石深度变化值、抗滑值变化值。

a）质量损失方法 按照规范水泥胶砂耐磨性试验方法进行[5]，分别统计试块初始质量m0，磨耗15圈后质量m15，磨耗30圈后质量m30，磨耗60圈后质量m60，磨耗90圈后质量m90，磨耗150圈后质量m150，磨耗 210圈后质量 m210。

b）露石深度值采集方法 为了方便统计和采集磨耗试验过程中试块露石深度值的变化规律，更好地描述露石路面抗滑损失规律，特地在传统露石深度测试盘的基础上，结合磨耗机磨耗痕迹的特点进行改进，使用不易变形的亚克力材料，制出新的露石深度测试盘，见图5。该露石深度测试环由于大圆半径小于磨耗轨迹外围半径，小圆半径大于磨耗轨迹内部半径，可以准确地测试随着磨耗试验露石面的露石深度的变化规律。在试验过程中，采集完一定磨耗圈数后的试块质量损失后，将该盘放置在磨耗轨迹带内，试验数显游标卡尺，采集露石深度数据。

图5 露石深度测试盘

3.2 露石混凝土抗滑衰减性能研究

3.2.1 不同磨耗圈数外观变化

对成型的5组混凝土进行耐磨性试验，其每次磨损的质量数据见表3，磨蚀前后的质量图见图6～图9。

表3 磨损的质量差

图6 22号普通混凝土

图7 4号固化剂1露石混凝土

图8 2号固化剂2露石混凝土

图9 32号刻槽混凝土

从图6～图9中可以看到，随着磨耗圈数的增加，不管是普通胶砂磨耗还是露石面的磨耗，喷洒固化剂后的试块都更加耐磨，显示出混凝土密封固化剂填充混凝土孔隙后，更加耐磨的特性。露石试块因为丰富的纹理表面，其磨耗深度较普通胶砂更深，但刻槽试块因为破损的胶砂表面，磨耗深度最大。在实际施工过程中，不可能只将路面抹平，为了增加路面抗滑性能，传统的做法是像图9一样进行硬刻槽。对比以上试验，很明显可以看出，露石混凝土相较于普通刻槽路面，抗滑更持久，即更耐磨。

3.2.2 不同磨耗圈数质量变化

由于不同的试块本身质量存在一定差异，在进行数据统计和处理时，进行对比的数据不是直接使用试块的质量变化数据，而是将两次磨耗后试块质量损失数据进行分析，使试验结果更加清晰明白。

图10 不同磨耗圈数胶砂磨耗质量损失对比

根据图10可以看出3种不同处理方式的胶砂面的磨耗质量存在差异，其中未喷刷固化剂的22号试块磨耗质量损失最多。分析原因是有喷洒了密封固化剂的2号和4号试块，由于固化剂的密封作用，混凝土微观孔隙被填充，使得试块更加耐磨。但在磨耗90圈以后，质量损失差基本相同。原因是固化剂作用深度范围有限，随着磨耗深度的增加，逐渐超出固化剂作用的范围，因此90圈之后的磨耗环境三者基本是相同的，反映在质量损失上也是相同。对比2号和4号试块发现，固化剂1具有更好的密封性能，相较于固化剂2，相同的磨耗圈数，试块质量损失较少。

图11 不同磨耗圈数露石和刻槽面质量损失对比

由图11可以看到，磨耗15圈时，4组试块质量损失均很大，分析原因是由于露石形成是一种纹理丰富，集料颗粒较多的表面，前期磨耗中很容易被钢齿花轮磨蚀掉，造成质量损失较大。但随着磨耗圈数的增加，逐渐达到外露集料与水泥石交接的地方，在此时，受到固化剂作用的试块相较于未涂刷固化剂的试块，耐磨性能发生巨大差异。由图中可以看出，涂刷固化剂的两组试块磨耗30圈后，质量损失差基本趋于稳定，未涂刷固化剂的试块直至磨耗90圈以后表面大的构造基本磨蚀掉之后，质量损失才逐渐下降。另外，从图中可以看出，刻槽路面的磨蚀是最严重的，即证明就路面耐磨耗性考虑，露石路面远远优于刻槽路面。

图12 不同磨耗圈数露石深度损失对比

根据图12，并结合图11，可以更加清晰地反应出露石磨耗损失变化规律。就两种固化剂而言，较少的质量磨耗损失和较低的露石深度损失，使得路面在相同汽车轮载作用下，路面抗滑性能依然保持良好，耐磨耗性能能够持续更长时间。综上，为了满足露石路面耐磨耗性，建议使用固化剂1进行塑性阶段的固化和养护。

3.2.3 抗滑衰减性能研究

由于不同露石试块表面纹理存在一定差异，其表面初始抗滑值也是不同的，因此，在处理随着磨耗圈数增加，露石路面抗滑值损失时，将所得数据进行一定处理，统计出每个试块抗滑值衰减累计增加值，即可以得到相同0起点的关系折线，见图13。并且随着磨耗的作用，到达90圈以后，花纹钢齿轮磨耗平面也逐渐下凹，致使测试抗滑摆值滑块下滑收到影响，此时便无法再采集摆值数据。因此，抗滑摆值数据只统计前90圈的结果。

图13 磨耗圈数与摆值损失累计值关系

根据图13可以看出，随着磨耗圈数的增加，3组试块的抗滑摆值损失也在累积增加，其中未经过固化剂处理的22号试块，抗滑衰减最快。分析原因，涂刷在露石表面的混凝土密封固化剂，不仅深入露石集料之间的水泥石中，通过填塞孔道，提升耐磨耗性能，并且试剂中的乙酸与集料中的方解石发生化学反应，生成莫氏硬度更大的物质附着在集料表面，使得露石面抗滑性能衰减缓慢。经过固化剂填充混凝土孔道之后的2号和4号试块，抗滑衰减有所改善，其中，固化剂1的效果优于固化剂2。

4 结论

a）对不同纹理特征的混凝土路面，抗滑性能从大到小依次为：大粒径露石路面大于小粒径露石路面大于沥青路面大于横向刻槽路面大于拉毛路面。从路面抗滑角度，隧道路面推荐采用露石水泥混凝土路面较好。

b）使用不同细度模数的砂子，其路面性能存在差异，随着砂子细度模数的增大，露石深度与构造深度均呈现增大趋势，露石度逐渐下降，抗滑值先增后减。从路面抗滑角度考虑，在铺筑露石水泥混凝土路面时，建议对所用的砂子进行筛分，使砂子的细度模数在2.7左右。从试验结果看，使用去除4.75 mm以上粒径砂子铺筑的露石混凝土路面效果较好。

c）对比了普通水泥刻槽与露石路面抗滑衰减，刻槽混凝土的质量变化最大，普通拉毛混凝土次之，侧面普通水泥混凝土表层砂浆很容易磨蚀。而对于露石路面从耐磨耗性角度考量，建议使用固化剂1进行塑性阶段的固化和养护。