不同表面紋理的水泥路面抗滑性能研究

張青江

（山西路橋集團長臨高速公路有限公司，山西 太原 030006）

水泥混凝土路面表面紋理大致分為微觀構造和宏觀構造兩種，試驗表明具有豐富紋理的路面，其抗滑性能顯著提高[1-3]。露石水泥混凝土路面是一種具有豐富表面紋理的路面，由于后期清掃除表面水泥砂漿顆粒，露出骨料，相較于普通刻槽路面，更加耐磨。

1 試驗設備及試驗方法

1.1 試驗設備

國內外針對露石混凝土路面抗滑衰減的研究方法有多種，其中最為接近實際抗滑衰減效果的試驗為大型直道試驗，但由于大型直道試驗一般試驗室難以實現[4]。因此，采用擺式儀和構造深度測試儀（手工鋪砂）測試路面的抗滑性；采用改進型水泥膠砂耐磨試驗機進行模擬抗滑性能衰減的模擬試驗。

1.2 試驗方法

為了比較普通水泥路面的抗滑構造方式的不同，成型了450 mm×450 mm×30 mm的薄板試件，進行表面拉毛、刻槽、露石3種表層處理方式的路面構造方式。成型了1組450 mm×450 mm×30 mm AC13瀝青混凝土抗車轍試件。

為了模擬露石路面的抗滑衰減規律，使用相同配合比，制備（150×150×150）mm的露石方形試塊多組，分別編號，標準養護條件下養護28 d，取出后烘干。分別購得市面上兩種類型混凝土固化劑進行對比試驗，采集上述方形露石試塊的露石深度、構造深度（由于試塊露石面積較小，可采用等分標準構造深度測試砂的質量，只使用其中的一半測試砂進行測試，再利用體積反求出構造深度的方法進行測試）、露石度和抗滑擺值數據等指標。為使試驗結果更為真實可信，按照上述采集數據將試塊按照相近指標分為3組，分別為刷圖固化劑1和固化劑2和不刷涂固化劑的對照組，在相同環境下，按照固化劑使用說明進行二次養生。到達養生周期后，進行混凝土磨耗試驗。

2 抗滑性能的比較

2.1 路面類型與抗滑性能比較

為了比較拉毛處理普通水泥路面、刻槽處理水泥路面、小粒徑露石路面、大粒徑露石路面、瀝青路面5種形式的抗滑性能，測試了構造深度（手工鋪砂法）和擺值BPN20，試驗結果如表1。為了更直觀地看到不同紋理路面的抗滑性能差異，使用ORIGIN繪制成折線圖，見圖1。

表1 不同紋理路面抗滑性能統計表

圖1 不同路面類型構造深度與擺值對比

根據圖1可以看出，不同路面紋理類型，其構造深度與抗滑值均存在差異，其中露石混凝土路面的構造深度和抗滑擺值均高于其他幾種紋理的路面。并且，由于粗集料類型的不同，同是露石混凝土路面，其構造深度和抗滑擺值也存在一定差異。分析原因為：路面抗滑值是表征路面與輪胎之間具有良好的附著力和潮濕狀態具有較短的制動距離的物理量，與路面構造深度息息相關。通過鋪砂檢測，采用大粒徑的露石混凝土路面其表面具有豐富的微觀和宏觀構造，路面構造深度平均值為1.56 mm，其抗滑性能最優。

2.2 露石度與抗滑性能分析

因砂的細度模數影響露石路面的露石度，因而有研究學者認為砂的細度模數影響露石度，而露石度是影響露石路面抗滑性能的主要指標，為此對比砂細度模數因素對露石路面抗滑性能的關聯關系。

試驗取3種不同的砂進行篩分，使用相同的配合比制成不同的露石混凝土試件，并采集相關數據見表2。其中露石度的采集方法是制作一個10 cm×10 cm的小方框，放置于露石試塊表面，記錄下框內的露出集料個數。

表2 使用不同細度模數砂露石性能統計表

通過表2的試驗結果發現：砂細度模數越細，露石度越大，可以解釋隨著砂細度模數的增加，粒徑更大的粗砂使得混凝土振搗成型后，粗骨料之間的距離增大，在路面上表現為露石度的降低，如圖2所示。

圖2 不同細度模數砂擠開粗骨料示意圖

根據表2數據，砂的細度模數與露石深度和擺值關系，見圖3和圖4中。

圖3 不同細度模數砂路面性能對比

圖4 隨砂子細度模數變化露石性能變化

綜上，隨著砂子細度模數的增大，露石深度與構造深度均呈現增大趨勢；圖3中隨著砂子細度模數增大，露石度逐漸下降，抗滑值先增后減。當砂子的細度模數在2.7時，擺值最大。其原理為，砂的細度模數與露石深度、構造深度呈線性關系，隨著砂的細度模數逐級減小，直接引起露石度的增大，進而提高了構造深度和擺值。也即露石的逐漸增多，露石提供的構造深度為碎石表面的微觀構造和凸起形成的宏觀構造，這兩方面提供的構造面積遠大于砂漿提供的微觀構造，因而抗滑性能結果為隨著露石度的增加抗滑性大大增加。

3 抗滑衰減性能

3.1 試驗方案

采用改進型水泥膠砂耐磨試驗機進行模擬抗滑性能衰減的模擬試驗。為了更加準確地評判磨耗質量及抗滑衰減損失規律，試驗共統計的項目有質量損失、露石深度變化值、抗滑值變化值。

a）質量損失方法 按照規范水泥膠砂耐磨性試驗方法進行[5]，分別統計試塊初始質量m0，磨耗15圈后質量m15，磨耗30圈后質量m30，磨耗60圈后質量m60，磨耗90圈后質量m90，磨耗150圈后質量m150，磨耗 210圈后質量 m210。

b）露石深度值采集方法 為了方便統計和采集磨耗試驗過程中試塊露石深度值的變化規律，更好地描述露石路面抗滑損失規律，特地在傳統露石深度測試盤的基礎上，結合磨耗機磨耗痕跡的特點進行改進，使用不易變形的亞克力材料，制出新的露石深度測試盤，見圖5。該露石深度測試環由于大圓半徑小于磨耗軌跡外圍半徑，小圓半徑大于磨耗軌跡內部半徑，可以準確地測試隨著磨耗試驗露石面的露石深度的變化規律。在試驗過程中，采集完一定磨耗圈數后的試塊質量損失后，將該盤放置在磨耗軌跡帶內，試驗數顯游標卡尺，采集露石深度數據。

圖5 露石深度測試盤

3.2 露石混凝土抗滑衰減性能研究

3.2.1 不同磨耗圈數外觀變化

對成型的5組混凝土進行耐磨性試驗，其每次磨損的質量數據見表3，磨蝕前后的質量圖見圖6～圖9。

表3 磨損的質量差

圖6 22號普通混凝土

圖7 4號固化劑1露石混凝土

圖8 2號固化劑2露石混凝土

圖9 32號刻槽混凝土

從圖6～圖9中可以看到，隨著磨耗圈數的增加，不管是普通膠砂磨耗還是露石面的磨耗，噴灑固化劑后的試塊都更加耐磨，顯示出混凝土密封固化劑填充混凝土孔隙后，更加耐磨的特性。露石試塊因為豐富的紋理表面，其磨耗深度較普通膠砂更深，但刻槽試塊因為破損的膠砂表面，磨耗深度最大。在實際施工過程中，不可能只將路面抹平，為了增加路面抗滑性能，傳統的做法是像圖9一樣進行硬刻槽。對比以上試驗，很明顯可以看出，露石混凝土相較于普通刻槽路面，抗滑更持久，即更耐磨。

3.2.2 不同磨耗圈數質量變化

由于不同的試塊本身質量存在一定差異，在進行數據統計和處理時，進行對比的數據不是直接使用試塊的質量變化數據，而是將兩次磨耗后試塊質量損失數據進行分析，使試驗結果更加清晰明白。

圖10 不同磨耗圈數膠砂磨耗質量損失對比

根據圖10可以看出3種不同處理方式的膠砂面的磨耗質量存在差異，其中未噴刷固化劑的22號試塊磨耗質量損失最多。分析原因是有噴灑了密封固化劑的2號和4號試塊，由于固化劑的密封作用，混凝土微觀孔隙被填充，使得試塊更加耐磨。但在磨耗90圈以后，質量損失差基本相同。原因是固化劑作用深度范圍有限，隨著磨耗深度的增加，逐漸超出固化劑作用的范圍，因此90圈之后的磨耗環境三者基本是相同的，反映在質量損失上也是相同。對比2號和4號試塊發現，固化劑1具有更好的密封性能，相較于固化劑2，相同的磨耗圈數，試塊質量損失較少。

圖11 不同磨耗圈數露石和刻槽面質量損失對比

由圖11可以看到，磨耗15圈時，4組試塊質量損失均很大，分析原因是由于露石形成是一種紋理豐富，集料顆粒較多的表面，前期磨耗中很容易被鋼齒花輪磨蝕掉，造成質量損失較大。但隨著磨耗圈數的增加，逐漸達到外露集料與水泥石交接的地方，在此時，受到固化劑作用的試塊相較于未涂刷固化劑的試塊，耐磨性能發生巨大差異。由圖中可以看出，涂刷固化劑的兩組試塊磨耗30圈后，質量損失差基本趨于穩定，未涂刷固化劑的試塊直至磨耗90圈以后表面大的構造基本磨蝕掉之后，質量損失才逐漸下降。另外，從圖中可以看出，刻槽路面的磨蝕是最嚴重的，即證明就路面耐磨耗性考慮，露石路面遠遠優于刻槽路面。

圖12 不同磨耗圈數露石深度損失對比

根據圖12，并結合圖11，可以更加清晰地反應出露石磨耗損失變化規律。就兩種固化劑而言，較少的質量磨耗損失和較低的露石深度損失，使得路面在相同汽車輪載作用下，路面抗滑性能依然保持良好，耐磨耗性能能夠持續更長時間。綜上，為了滿足露石路面耐磨耗性，建議使用固化劑1進行塑性階段的固化和養護。

3.2.3 抗滑衰減性能研究

由于不同露石試塊表面紋理存在一定差異，其表面初始抗滑值也是不同的，因此，在處理隨著磨耗圈數增加，露石路面抗滑值損失時，將所得數據進行一定處理，統計出每個試塊抗滑值衰減累計增加值，即可以得到相同0起點的關系折線，見圖13。并且隨著磨耗的作用，到達90圈以后，花紋鋼齒輪磨耗平面也逐漸下凹，致使測試抗滑擺值滑塊下滑收到影響，此時便無法再采集擺值數據。因此，抗滑擺值數據只統計前90圈的結果。

圖13 磨耗圈數與擺值損失累計值關系

根據圖13可以看出，隨著磨耗圈數的增加，3組試塊的抗滑擺值損失也在累積增加，其中未經過固化劑處理的22號試塊，抗滑衰減最快。分析原因，涂刷在露石表面的混凝土密封固化劑，不僅深入露石集料之間的水泥石中，通過填塞孔道，提升耐磨耗性能，并且試劑中的乙酸與集料中的方解石發生化學反應，生成莫氏硬度更大的物質附著在集料表面，使得露石面抗滑性能衰減緩慢。經過固化劑填充混凝土孔道之后的2號和4號試塊，抗滑衰減有所改善，其中，固化劑1的效果優于固化劑2。

4 結論

a）對不同紋理特征的混凝土路面，抗滑性能從大到小依次為：大粒徑露石路面大于小粒徑露石路面大于瀝青路面大于橫向刻槽路面大于拉毛路面。從路面抗滑角度，隧道路面推薦采用露石水泥混凝土路面較好。

b）使用不同細度模數的砂子，其路面性能存在差異，隨著砂子細度模數的增大，露石深度與構造深度均呈現增大趨勢，露石度逐漸下降，抗滑值先增后減。從路面抗滑角度考慮，在鋪筑露石水泥混凝土路面時，建議對所用的砂子進行篩分，使砂子的細度模數在2.7左右。從試驗結果看，使用去除4.75 mm以上粒徑砂子鋪筑的露石混凝土路面效果較好。

c）對比了普通水泥刻槽與露石路面抗滑衰減，刻槽混凝土的質量變化最大，普通拉毛混凝土次之，側面普通水泥混凝土表層砂漿很容易磨蝕。而對于露石路面從耐磨耗性角度考量，建議使用固化劑1進行塑性階段的固化和養護。