集料磨光值试验方法的分析及改进对策

2020-08-27王宝松

公路交通技术 2020年4期

王宝松，刘俊

(1.招商局重庆公路工程检测中心有限公司，重庆 400067； 2.天津市市政工程设计研究院，天津 300392)

截至2019年底，我国高速公路总里程已达14.96万km，公路运营养护规模日益增长，运营安全管理难度渐增。根据有关统计，我国交通事故近3年来呈缓慢增长趋势，年平均发生20余万起，分析交通事故发生原因，其中公路路面表面抗滑性能不足是重要原因之一。

国内外相关研究认为影响路面抗滑性能的主要因素有2个：一是表征路面面层宏观粗糙程度的表面构造深度，二是表征路面面层集料微观粗糙程度的碎石表面纹理。代表性检测方法包括磨光值试验法、铺砂法、激光构造深度测试法、摩擦系数测试车法、摆式仪法等，这些测试方法中多是针对宏观粗糙程度，而磨光值试验则是针对面层的微观粗糙程度。诸多沥青路面抗滑性能衰减模型研究表明，沥青路面抗滑性能的衰变幅度、衰变速率以及衰变终值主要取决于选用的集料种类[1-8]。

集料磨光值表征路面表面层的集料抵抗轮胎磨光作用的能力，是衡量路面抗滑性能优劣的关键性指标，同时也是确定一种集料能用于沥青路面表面层的重要指标[8-11]。然而，磨光值与其他指标相比，其试验测试涉及加速磨光机、粘结剂等30余种仪器设备或辅助材料，整个试验过程分为试验准备、试件制备、磨光值测试等3个阶段，涉及35条规范条款，一次完整试验一般需要4 d～5 d时间。在沥青路面使用粗集料的各项检测指标中，磨光值试验是操作最为困难且不易被试验人员掌握、人为因素可控难度大但又易出现问题的检测项目之一。

本文从规范具体条文出发，对多年来试验检测人员的磨光值试验实际操作及其试验检测数据进行对比分析，针对试验过程中容易疏漏或规范条文描述笼统，且易被理解错位的重要步骤提出有效的改进对策。

1 试验原理及关键步骤

依据JTG F40—2004《公路工程施工技术规范》[9]，粗集料的磨光值试验方法采用JTG E42—2005《公路工程集料试验规程》[11]中的T0321-2005“粗集料磨光值试验”。磨光值的原理是通过粗细橡胶轮在水及金刚砂的摩擦下模拟雨天汽车轮胎对集料的滚动摩擦作用，利用加速磨光机磨光规定的规格集料，并以摆式摩擦系数测定仪测得磨光后集料的摩擦值并与标准值进行比较，以确定最后磨光检测值。

根据现行规范JTG E42—2005《公路工程集料试验规程》[11]，磨光值检测过程共计35条规范条款，归纳总结后可分为以下主要8个步骤：1) 选料；2) 排料；3) 吹砂；4) 配制、填充砂浆；5) 养护、拆模；6) 试件安装；7) 粗细砂磨光；8) 磨光值测定。

大量磨光值试验检测实际操作表明，试验过程中最易出现问题的是试验准备及试件制作环节。从选料到养护、拆模，每一步操作的诸多细节都存在容易被忽视或误解的问题，最终导致试件成型成功率不高，磨光过程中甚至出现试件崩断现象。根据实际操作经验，针对一些规程描述不尽详细或操作过程中容易出现的问题，本文进行重点分析讨论，提出改进对策。

2 试验方法分析及改进

2.1 选料

规范规定：将集料过筛，剔除针片状颗粒，取9.5 mm～13.2 mm的集料颗粒用水洗净后置于温度为105 ℃±5 ℃的烘箱中烘干。此环节的2个关键点是挑选适宜的集料和对挑选后的集料进行水洗清洁，以免集料表面粘附的尘土及杂质影响集料颗粒与环氧树脂砂浆的黏结性，从而影响试件成型质量。

1) 关键点一

(1) 常规做法

试验人员的常规做法是先按照规范要求从过筛后的集料中剔除针片状颗粒，后随机挑选集料颗粒。

(2) 存在问题

此操作存在一定随意性，受试验人员主观因素影响较大。剔除针片状颗粒后的集料颗粒依旧存在大小不一、形状多样的特点，直接影响后续的试件排料质量。

(3) 改进对策

挑选的集料颗粒应选择大小均匀、形状规则的饱满颗粒，以接近立方体为佳。

2) 关键点二

(1) 常规做法

试验人员对挑选后的集料进行水洗清洁时，常常以淘洗为主，辅以肉眼观察是否清洁。

(2) 存在问题

实际试验中，常常存在试验人员自以为已清洗干净，可待集料烘干后依旧发现集料颗粒尚未清洗干净或肉眼判断已清洗干净、但集料颗粒的细小孔隙中仍存在少量尘土或杂质，导致后续的排料、黏结成型困难，影响试验结果，甚至在磨光过程中，直接出现集料脱落或试件断裂的现象。

(3) 改进对策

试验人员在清洗集料颗粒时，可适当加入洗衣粉或洗涤液等添加剂，同时反复冲洗并不断揉搓3遍以上，再清洗至清水状。

2.2 排料

1) 规范规定

将9.5 mm～13.2 mm集料颗粒尽量紧密地排列于试模中(大面、平面向下)。排料时应除去高度大于试模的不合格颗粒。

2) 存在问题

此规范条款只笼统讲尽量排列紧密，但对其排料的紧密程度并未进行规定，也没有更具体的描述。相关试验的研究文献[12]证明，排料的紧密程度对其磨光值的大小有较大影响，很有可能使原来磨光值较大的石料因为排料稀松导致磨光值降低。排料时集料颗粒与试模之间的高度差是否适宜也直接影响后期磨光时的粒料剥落程度。

3) 改进对策

(1) 此环节排料全过程为继续保持集料清洁，试验人员应事先清洗双手，夏天时可带上薄膜手套以免手汗遗留在集料表面影响后续集料与环氧树脂砂浆的黏结性。

(2) 具体排料过程中应尽可能使颗粒之间排列紧密又不至于过紧，一个磨光值试件排列的集料颗粒数量可大致控制在21～26颗之间，纵列可排4～5列，尽量错开、交叉排列，如图1所示。

图1 磨光值试件集料排列、成型参考图

(3) 集料大平面应放在试模底部，避免出现架空的情况，同时颗粒高度应高低适宜，最低应超过试模内的台阶，最高不得高于试模整体高度，以减少后期磨光时的颗粒剥落。

2.3 吹砂

1) 规范规定

用小勺将干砂填入已排妥的集料间隙中，并用洗耳球轻轻吹动干砂，使之填充密实。然后再吹去多余的砂，使砂与试模台阶大致齐平，但台阶上不得有砂。用洗耳球吹动干砂时不得碰动集料，且不使集料试样表面覆有砂粒。

2) 存在问题

此环节的关键点是在不触动任何一颗集料颗粒的基础上确定吹砂的适宜量。集料颗粒受到扰动后会导致砂渗漏到集料颗粒之下，从而使集料颗粒不再是大面、平面朝下[13]。一旦集料出现扰动情况，应立刻中止试验，重新回到上一环节操作，重新排料。吹砂的多少对于成型试件的成败影响很大。一般认为，吹砂量过少时，试件容易出现漏浆现象，而漏浆会对磨光值产生极大影响，故凡是出现漏浆的试件均应废弃。当吹砂量过多时，试件又容易出现粒料剥落现象，导致试件断裂或磨光值偏大[12]。

3) 改进对策

(1) 经过反复试验测定，吹砂量适宜程度应以砂的高度与试模台阶高度大致齐平为准。凡是出现漏浆现象的试件应一律废弃，重新成型。

(2) 吹砂过程中严禁扰动集料颗粒。试验人员应选择安静的试验场地，避免外来风力干扰，避免情绪紧张、手臂抖动，用洗耳球吹砂时应尽量缓慢，避免用力过猛，严禁手指触碰试件或集料颗粒。

(3) 最终吹砂完成的试件颗粒表面及试模台阶上均不得有残余的砂粒。

2.4 配制砂浆

1) 规范规定

通常情况下，一块试模的砂浆用量为环氧树脂9.0 g，固化剂2.4 g，干砂48 g。

2) 存在问题

此条款规程只笼统讲述了配制环氧树脂砂浆的比例，对环氧树脂砂浆的配制过程及配制后的实际使用时间及用量未作出明确规定。试验人员极难把握环氧树脂砂浆充分搅拌、完全发挥黏结力的拌和程度，且不确定环氧树脂砂浆的凝固时间，容易导致一次配制剂量过多造成浪费。

3) 改进对策

(1) 由于JTG E42—2005《公路工程集料试验规程》[11]对试模详细尺寸未作明确规定，导致各实验室试模大小不一，应在配制环氧树脂砂浆之前依据试模大小确定实际配制数量，并保证有少量的富余，以免环氧树脂砂浆用量不足导致试件成型失败。

(2) 配制的环氧树脂砂浆应进行充分搅拌以发挥其黏结性。充分调和好的黏结剂颜色为乳白色，干砂适当加热后与黏结剂拌和可提高砂浆的流动性和黏结力。

(3) 环氧树脂砂浆配制后30 min内即出现凝固硬化现象，经过反复试验测定，环氧树脂砂浆一次配制量可用于配制试件2～3块并略有富余即可。不同试验人员应根据实际操作过程及凝固时间具体确定配制用量。

2.5 填充砂浆

1) 规范规定

用小油灰刀将拌好的环氧树脂砂浆填入试模中，并尽量填充密实，但不得碰动集料。然后用热油灰刀在试模上刮去多余的填料，并将表面反复抹平，使填充的环氧树脂砂浆与试模顶部齐平。

2) 存在问题

实际试验过程中，由于试模多为弧形，使用热油灰刀在试模表面反复抹平存在困难，且温度稍低便会黏结上砂浆，从而带动粒料脱落，使整个试件呈现凹凸不平。采用热油灰刀单纯抹平无法施加一定的压力，达不到将砂浆填充密实的效果，砂浆与粒料的黏结性略有不足，容易造成后期试件磨光时出现断裂现象[12-16]。

3) 改进对策

(1) 在填充环氧树脂砂浆时分2次碾压。先将砂浆比较均匀地填充到试模内，然后用热油灰刀从中间向两边碾压，压实之前不要刮去多余的填料，防止环氧树脂砂浆带动集料颗粒脱落造成试件底部出现凹凸不平的现象。压实之后，再将油灰刀一侧翘起，下压另一侧慢慢地刮动，将多余的砂浆刮去[13]。

(2) 待用油灰刀彻底抹平试件后，可用金属棒反复碾压试件表面，保证砂浆压实填充在集料之间。

2.6 养护

1) 规范规定

通常在40 ℃烘箱中先养护3 h，再自然冷却9 h后拆模；如在室温下养护，时间应更长，使试件达到足够强度。有集料颗粒松动脱落，或有环氧树脂砂浆渗出表面时，试件应废弃。

2) 存在问题

通常情况下，试验人员按照规范推荐的温度和时间进行养护，试件可达到足够强度便于后续的磨光试验。但由于所用集料、室温条件等诸多因素影响，仍有少部分试件在规定的温度下养护达不到规定的足够强度。

3) 修正意见

有相关论文针对养护条件及养护时间提出修正意见，主要概括为2种修正方法：(1) 在45 ℃的烘箱中连续烘7 h，然后取出，使之自然冷却；(2) 初期养护温度30 ℃，后期养护温度80 ℃[12]。

采用修正方法(1)，烘箱养护温度比规范规定温度仅提高5 ℃，但烘箱内的养护时间延长至7 h，自然冷却后能够保证养护试件完全达到足够强度；修正方法(2)，初期采用低温主要是出于避免漏浆的目的，后期大幅度提升温度则是为了尽快成型，保证试件拥有足够强度。

为比较规范方法及2种修正方法的优劣，本文采用对比方式对试件进行成型后磨光，相应的统计数据如表1所示。

从表1可知，修正方法(1)及修正方法(2)均可提高试件养护质量，修正方法与规范养护方法相比，试件磨光值略有下降，考虑试验误差影响，本文认为修正方法(1)对试件磨光值最终数据没有明显影响，不宜采用修正方法(2)对试件进行养护。

表1 不同养护条件下试件成型及磨光情况统计

2.7 拆模

1) 规范规定

无。

2) 存在问题

规范并未规定详细的拆模要求或拆模细节，在实际试验过程中，试件常常与试模黏结牢固，存在无法轻松拆除的情况。结合规范对磨光值试件的整体要求，拆模后的试件应该保证颗粒排列整齐、密实、平顺，没有漏浆现象，且表面平整利于后续的磨光试验。

3) 改进对策

(1) 严禁用螺丝刀等金属工具将试件翘出，以免破坏试件的完整性。

(2) 用橡胶锤从旋开试模挡板的一侧敲击试件，将试件从试模中“推出”。

(3) 拆模后，至少放置半天以上再磨光，以便试件具有足够强度。

3 改进前后数据对比

本文收集实验室集料磨光值试验方法改进前后共计4年的试验数据进行统计分析，以判断改进对策的有效性。

3.1 试件成型

对集料磨光值试验方法改进前后试件成型情况进行统计分析，结果如表2、表3所示。

从表2、表3统计数据可知，通过对规范条款进行适当改进后，试件的成型率从76.6%上升至94.3%，试验任务正常率从63.8%上升至88.6%，表明本文的改进对策有利于试件成型，减少了试件断裂率，保障了试验任务的正常开展。

表3 试验任务正常率统计分析

表2 试件成型率统计分析

对试验方法改进前断裂的22块试件进行断裂原因分析，其主要断裂原因有：1) 砂浆填充不密实或砂浆与集料颗粒黏结性不足，致使试件在磨光过程中断裂；2) 成型后试件弧形不顺滑，与道路轮贴合不密导致磨光过程中断裂；3) 试件中的个别集料颗粒偏向针片状导致磨光过程中颗粒崩碎后试件断裂；4) 排料稀松导致试件在磨光过程中沿着颗粒之间的缝隙贯通开裂。

对试验方法改进后断裂的4块试件进行断裂原因分析，其主要原因：送样量偏少，无法挑选出足够数量的饱满颗粒，致使试件中存在部分集料颗粒形状大小不一，磨光过程中因颗粒崩碎导致试件断裂。由此表明，试验方法改进后有效规避了试件断裂的多种可能性，弥补了规范条文中描述欠缺之处。