露石混凝土长期抗滑性能研究

杨龙飞，陈 江，张 博，李 健，王 封

(西安市政设计研究院有限公司，西安 710068)

0 引言

露石水泥混凝土路面(EACCP)作为表面功能优良、安全环保的新型水泥混凝土路面，克服了传统混凝土路面附着力不足、噪声大的缺陷，同时具有普通水泥混凝土路面刚度大、抗剪强度大的优势.EACCP具有优良的宏观、细观、微观结构，其抗滑性能、降噪性能、耐久性能表现出更大的优势[1-4].

道路的抗滑性能与道路表面的纹理构造特征密切相关，1987年，国际道路协会(PIARC)将道路表面纹理构造划分为微观构造、宏观构造、大构造和不平整构造，而道路表面纹理构造特征对道路的抗滑性能至关重要[5].美国材料与试验协会(ASTM)发布了微观构造与宏观构造的定量关系(ASTM E867).道路表面的纹理构造通常用平均构造深度或平均断面深度评价[6-7].EACCP通过露石工艺获得丰富的微观与宏观构造，从而形成优良的表面抗滑磨耗层.长安大学韩森教授等[1-4]对EACCP的原材料的选择、露石剂喷洒剂量、冲洗前养护时间等关键技术问题进行了研究，确定了配合比、适宜的露石剂喷洒剂量和冲洗前刷洗时间.宋永朝等[8-11]分析了EACCP的行车噪声、抗滑性能、表面平整度等指标，提出了一种基于数字图像技术的EACCP表面纹理构造特征分析方法.秦旻等[12-15]通过一系列室内试验，研究了EACCP表面的抗滑性能、降噪性能、反光性能、排水性能等工程特性.刘云鹏等[16]研究了集料粒径、集料级配与集料用量对构造深度的影响，以及不同的构造深度对EACCP的抗滑性能、道路噪声的影响.曹源文等[17]实地采集了EACCP的表面数字图像，开展了基于3G网络技术的路面构造深度连续监测系统研究.赵亚兰等[18]提出了EACCP在噪音敏感区域提高抗滑性能、降低行车噪音的改善措施.李美荣等[19]分析了自然环境、设计因素、施工方法等因素，提出了裂缝修补、局部修复和整板更换等3种措施.徐鸥明等[20]研究了露石、刻槽、凿毛和原状等不同纹理表面的抗剪强度随正压力的变化情况和防水粘结层的存在对各纹理表面抗剪强度的影响.

针对EACCP及EACCP材料的研究主要集中在施工工艺、技术要求等方面，同时针对EACCP的抗滑等路用性能集中在建成之日的抗滑性能研究，鲜有长期行车荷载磨耗后的抗滑性能研究，因此，本文基于室内加速磨耗试验，模拟长期行车荷载的作用，针对不同的集料类型、集料粒径、集料级配，研究EACCP长期的抗滑性能及抗滑性能的衰减规律，为EACCP的行车安全和行驶质量提供参考依据.

1 原材料

1.1 水泥

试验用水泥采用陕西西安秦岭P.O 42.5R水泥，参照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTGE30—2005)[14]进行相关技术参数的检测，结果见表1.

表1 水泥的主要技术参数

1.2 细集料

试验用细集料采用河砂，参照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTGE30—2005)进行相关技术参数的检测，结果见表2.

表2 砂的主要技术指标

1.3 粗集料

试验用粗集料采用4.75～9.5 mm、9.5～16 mm的石灰岩碎石与花岗岩碎石，参照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTGE30—2005)进行碎石相关技术参数的检测，结果见表3.为了探究粗集料的类型、粒径、级配及用量对EACCP抗滑性能的影响，试验采用分为A、B两组，A组采用石灰岩碎石，B组采用花岗岩碎石.粒径、级配组合见表4.

1.4 露石剂

试验采用的露石剂是西卡糖蜜缓凝剂与水的复配物，其主要技术指标见表5.

1.5 减水剂

试验采用DH—4004型聚羧酸系高效减水剂.

2 试验方法

2.1 构造深度试验

本文采用构造深度作为评价EACCP抗滑性能优劣的指标之一.参照《公路路基路面现场测试规程》(JTGE60—2008)T 0961—1995铺砂法测定试件的平均构造深度.

表3 碎石的技术指标

表4 粒径、级配组合 %

2.2 摩擦系数试验

目前，在道路工程实际中，摩擦效应通常只能通过试验被动地检测，主要依靠摩擦系数检测仪测得的摩擦系数来间接地评价和表征路面的摩擦效应，例如采用摆式摩擦仪等方法[21].参照《公路路基路面现场测试规程》(JTGE60—2008)T 0964—2008，采用摆式摩擦仪测定的抗滑值(BPN)来表征试件的摩擦系数.

表5 露石剂技术性质指标

2.3 室内加速磨耗试验

试验采用长安大学公路学院新型路面研究所自行设计的室内加速磨耗试验仪进行试验，如图1.该加速磨耗试验仪由电机、橡胶轮、钢机架、空气泵等部分构成.

图1 室内加速磨耗试验仪

试验时，为模拟实际路面的雨天行车和磨粒磨损2种因素对路面抗滑性能的影响，同时为降低橡胶轮轮胎表面的温度，避免橡胶轮因摩擦过热发生损害，对试件进行适量适时的洒水和撒砂操作.

试验步骤：

1)成型30 cm×30 cm×5 cm的露石混凝土试件，并在标准条件下养生.

2)测试试件的构造深度、抗滑值等值.

3)将试件依次放入加速磨耗试验仪的试件槽中，准备好水和细砂.

4)开动电机，记录初始时间，每隔一定的磨耗时间取下试件，记录试件的构造深度、抗滑值.

3 试验结果分析

3.1 集料类型、集料级配、级配粒径对构造深度、抗滑值的影响

分别制备编号为A1～A5、B1～B5的试件，在标准条件下进行养生，然后在加速磨耗试验仪上加速磨耗3 h(相当于轮胎磨耗90 000次).采用铺砂法测试试件经加速磨耗仪磨耗前后的构造深度，如图2.采用摆式仪测试试件经加速磨耗仪磨耗前后的抗滑值(BPN)，如图3.

图2 加速磨耗前后试件的构造深度

图3 加速磨耗前后试件的抗滑值

由图2、图3可看出，磨耗前，同一粒径、级配的石灰岩碎石和花岗岩碎石的构造深度和抗滑值接近；磨耗后，石灰岩碎石和花岗岩碎石的构造深度和抗滑值都会下降，且石灰岩碎石的构造深度和抗滑值比花岗岩碎石下降幅度大.说明花岗岩碎石的EACCP的抗滑性优于石灰岩碎石的EACCP，特别是在经过一段时间的行车荷载作用下.这和石灰岩碎石的洛杉矶磨耗值比花岗岩碎石大有关，说明花岗岩碎石较石灰岩碎石更适宜做EACCP的粗集料.

由图2、图3可看出，磨耗前后，对于同一类型集料，单一粒径集料的构造深度、抗滑值均大于级配碎石的构造深度、抗滑值.这是由于单一粒径的集料相对于级配集料，同一级颗粒间的空隙无法得到次一级颗粒的填充，因而其颗粒间的空隙较大，构造深度和抗滑值也较大.

对比A1与A2、B1与B2，对于同一类型集料，单一粒径集料，粒径越大，构造深度和抗滑值也越大.随着粒径的增大，粒径间的空隙也增大，构造深度和抗滑值也增大.

3.2 构造深度、抗滑值随时间的衰减规律

对A2、B2试件，在室内进行加速磨耗试验，磨耗1 h，相当于标准轴载BZZ-100的轮胎作用30 000次.每隔1 h测试1次试件的构造深度和抗滑值.为减少测试过程中的偶然误差和系统误差，对测试点进行标记，每次测试相同位置的点.试验结果如图4、图5.

图4 构造深度随磨耗时间的衰减规律

图5 抗滑值随磨耗时间的衰减规律

图4中，构造深度与磨耗时间的二次函数关系为：

(1)

(2)

式中，Y为构造深度(mm)；X为磨耗时间(h)；R为相关系数.

图5中，抗滑值(BPN)与磨耗时间(h)的二次函数关系为：

YA2=-1.780 2XA2+68.066 (R2=0.916 9)

(3)

YB2=-1.511XB2+71.989 (R2=0.941 3)

(4)

式中，Y为抗滑值(BPN)；X为磨耗时间(h)；R为相关系数.

由图4可知，随着磨耗时间的增加，石灰岩(A2)和花岗岩(B2)EACCP的构造深度对时间的衰减分为2个阶段：(1)曲线下降阶段：快速下降，石灰岩(A2)的衰减速率明显快于花岗岩(B2)；(2)直线下降阶段：衰减速率放缓，逐渐下降.

由图5可知，随着磨耗时间的增加，石灰岩(A2)和花岗岩(B2)EACCP的抗滑值逐渐下降，石灰岩(A2)下降速率高于花岗岩(B2)，说明花岗岩(B2)更加益于做EACCP的粗集料.

宋永朝等[11]参考《公路水泥混凝土路面养护技术规范》(JTJ 073.1—2001)中普通水泥混凝土路面抗滑性能的等级划分，提出了EACCP的抗滑性能指标等级评判依据，见表6.

表6 EACCP抗滑性能指标评定等级划分

由试验结果可发现，对于石灰岩(A2)，构造深度(mm)经过9.3 h从优级降到中级，即经过标准轴载BZZ-100 279 000次的磨耗从优级下降到中级；对于花岗岩(B2)，构造深度(mm)经过11.4 h从优级下降到中级，即经过标准轴载BZZ-100 342 000次的磨耗从优级下降到中级；对于石灰岩(A2)，抗滑值(BPN)经过7.1 h从优级下降到中级，即经过标准轴载BZZ-100 213 000次的磨耗从优级下降到中级；对于花岗岩(B2)，构造深度(mm)经过11.1 h从优级下降到中级，即经过标准轴载BZZ-100 333 000次的磨耗从优级下降到中级.综合构造深度(mm)和抗滑值(BPN)的衰减趋势，对于石灰岩(A2)，经过标准轴载BZZ-100 279 000次的磨耗，需要进行翻修或进行表面处理；对于花岗岩(B2)，经过标准轴载BZZ-100 333 000次的磨耗，需要进行翻修或进行表面处理.对比以AC、GAC、SMA为面层的沥青路面，经过标准轴载BZZ-100 22 000次磨耗，路面抗滑性能均下降到中级，即不再适合做高等级路面[22].故EACCP具有优良的抗滑性能.

3.3 抗滑值与构造深度的关系

宋永朝等[13]研究了抗滑值与构造深度的关系，但由于没考虑集料粒径、级配的影响，所以拟合曲线的相关性较低.刘云鹏等[16]考虑了集料粒径、级配的影响，但没有考虑到长期行车磨耗后二者的相关关系.为了探究长期行车磨耗后，抗滑值与构造深度的关系，笔者进行了大量了试验，针对不同的集料类型、级配、粒径，对比磨耗前后抗滑值与构造深度的关系.试验结果如图5、图6.

图6 不同类型、同一粒径、同一级配集料的抗滑值与构造深度的关系

图5中，抗滑值与(BPN)与构造深度(mm)的二次函数关系为：

(5)

(6)

(7)

(8)

式中，Y为抗滑值(BPN)；X为构造深度(mm)；R为相关系数.

由图5可知，磨耗前，当构造深度小于特定值(0.8～1.2 mm)，对于石灰岩(A2)和花岗岩(B2)的EACCP，抗滑值与构造深度呈现出正相关的关系；当构造深度处于此值时，抗滑值处于极大值；当构造深度大于此值时，抗滑值与构造深度呈现出负相关的关系.同时，磨耗前，石灰岩(A2)和花岗岩(B2)的EACCP的抗滑值与构造深度的相关关系极为接近.磨耗后，曲线相较于磨耗前明显降低，曲线的相关性明显降低，抗滑值与构造深度呈现出正相关的关系，未出现负相关的区域.这是由于经过磨耗，EACCP表面的粗集料表面棱角被磨平，EACCP表面的细集料及水泥石脱落，随着构造深度的逐渐降低，抗滑值也降低，不会出现峰值.

图7 同一类型、不同粒径、不同级配集料的抗滑值与构造深度的关系

图6中，抗滑值与(BPN)与构造深度(mm)的二次函数关系为：

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

式中，Y为抗滑值(BPN)；X为构造深度(mm)；R为相关系数.

由图6可知，磨耗前，对于单一粒径的集料(B1和B2)，当构造深度小于特定值(0.8～1.2 mm)，对于石灰岩(A2)和花岗岩(B2)的EACCP，抗滑值与构造深度呈现出正相关的关系；处于特定值(0.8～1.2 mm)时，抗滑值处于极大值；当构造深度大于此值时；抗滑值与构造深度呈现出负相关的关系.磨耗前，对于级配集料(B3)的EACCP，抗滑值与构造深度在整个范围内呈现出正相关的关系，在1.1～1.3 mm的构造深度内.出现极大值.同时，单一粒径集料的EACCP的曲线位于级配集料的曲线之上，单一粒径中粒径大的集料曲线位于粒径小的之上，这和上文的结论一致.

磨耗后，曲线相较于磨耗前明显降低，曲线的相关性明显较低，抗滑值与构造深度呈现出正相关的关系，未出现负相关的区域.磨耗前后，单一粒径集料的曲线下降幅度大于级配集料的曲线下降幅度.这是由于经过磨耗，EACCP表面的粗集料表面棱角被磨平，EACCP表面的细集料及水泥石脱落，随着构造深度的逐渐降低，抗滑值也降低，不会出现峰值.

4 结论

1)酸性集料(如花岗岩)较碱性集料(石灰岩)的EACCP具有更优异的长期抗滑性能；单一粒径的集料的EACCP长期抗滑性能优于级配集料；粒径越大，长期抗滑性能越优良.

2)酸性集料(如花岗岩)和碱性集料(石灰岩)的EACCP随磨耗时间的增加，构造深度和抗滑值下降，最终趋于稳定；酸性集料(如花岗岩)较碱性集料(石灰岩)衰减速度较慢；碱性集料(石灰岩)的EACCP经过标准轴载BZZ-100 279 000次的磨耗，酸性集料(如花岗岩)经过标准轴载BZZ-100 333 000次的磨耗，抗滑性能衰减到中级，需要翻修或进行表面处理；EACCP的长期抗滑性能优于以AC、GAC、SMA为面层的沥青路面.

3)对于酸性集料(如花岗岩)和碱性集料(石灰岩)的EACCP，当构造深度为0.8～1.2 mm时，抗滑值处于最优值，即此时EACCP的抗滑性能最优.