廣西某一級公路水泥混凝土路面抗滑耐久性衰減規律研究
2023-12-29 00:00:00邢晗翰夏彪黎碧云李金城
西部交通科技 2023年6期
基金項目：2022年度廣西交通運輸行業重點科技項目清單“卵石機制砂混凝土路面抗滑耐久性提升關鍵技術及示范應用”（桂交便函〔2020〕56號）
作者簡介：邢晗翰（1986—），工程師，主要從事公路工程項目管理工作。
摘要：為研究水泥混凝土路面抗滑耐久性衰減規律，文章以廣西某一級公路芯樣為研究對象，設計并開展循環磨損試驗，對比總結磨損過程中路面表面的宏觀形貌差異，及其磨損量、構造深度、擺值的變化特征。結果表明：混凝土表面磨損過程可分為凈漿磨損、砂漿磨損及集料磨損磨光三個階段；受混凝土表層與其內部強度差異影響，隨磨損次數及磨損深度增加，磨損速率減小；混凝土表面磨損過程中擺值呈先降低后平穩的趨勢，與其內部裸露的砂顆粒豐富了表面構造有關；與表面擺值相比，磨損作用對混凝土表面構造深度的影響更大。
關鍵詞：水泥混凝土；表面磨損；抗滑耐久性；衰減
中圖分類號：U416.216A030093
0 引言
水泥混凝土路面是我國常用的路面結構形式，其在鄉村道路、國省道干線和高速公路長隧道段等應用占比較高［1-2］。路面的抗滑耐久性是指路面在磨損過程中抗滑性能的保持能力，包括抗滑性和耐磨性［3-4］。一般而言，水泥混凝土路面在通車運營初期的抗滑性能滿足相關要求，但隨著服役年限的增加，路面反復受到車輛機械磨損和沖擊等作用，表面構造衰退，抗滑性能大幅衰減［5］，為行車安全埋下隱患。因此，水泥混凝土路面在運營期間保持良好的抗滑耐久性尤為重要，研究混凝土路面抗滑耐磨性的衰減規律極具意義。
已有研究者開展關于混凝土表面構造耐久性及衰減問題的研究。李超［6］的研究結果表明復合摻加粉煤灰、礦渣可增強界面過渡區，從而減少疲勞磨損，改善路面混凝土表面構造耐久性。肖鵬飛和卿篤干等［7-8］針對不同類型混凝土面板進行研究，認為磨蝕過程因承磨主體的改變而具有明顯的階段性特征。但值得指出的是，現有研究結果多基于室內成型試塊試驗獲得，具有一定的參考意義，但其與實際工程中鋪設的混凝土路面板仍有差異，對水泥混凝土路面抗滑性能的變化規律仍然缺乏足夠認識。
本文以廣西某一級公路混凝土路面取芯試樣進行試驗研究，旨在通過循環磨損試驗研究其表面形貌、磨損量、構造深度、擺值等的變化，從而探索混凝土路面抗滑耐久性衰變規律，為相關研究及工程應用提供更豐富的參考資料。
1 試驗方案及過程
對廣西某一級公路（為水泥混凝土路面）進行調查，其路面刻槽參數見表1。選取5個測點，測試其構造深度、擺式摩擦值，并在相應位點鉆取直徑為150 mm的芯樣，分別命名為Y1、Y2、Y3、Y4、Y5以進行后續試驗。具體試驗過程及步驟見圖1。
本研究從耐磨性與抗滑性兩方面探討抗滑耐久性衰減規律。整個試驗過程為：切割芯樣底部使其高度為150 mm，將芯樣放于室內空氣中自然干燥12 h，再放入（60±5） ℃烘箱中烘干12 h直至恒重后取出。參考《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》（JTG 3420-2020）中T0567-2005水泥混凝土耐磨性試驗方法，采用耐磨試驗機以200 N負荷對芯樣進行預磨30轉，記錄芯樣刷凈表面粉塵后的質量，再磨60轉并記錄。隨即采用手工鋪砂法測試磨損后芯樣表面的構造深度，并采用擺式摩擦儀進行擺值測試。按照“60轉磨損→構成深度測試→擺式摩擦值測試”的流程共循環進行3次。
本研究中，構造深度通過手工鋪砂儀進行測試。由于芯樣直徑為150 mm，在芯樣表面磨損過程中，量砂筒中的砂平鋪滿芯樣表面后始終有剩余，芯樣表面攤平砂的體積V1通過式（1）計算，構造深度TD通過式（2）計算。
式中：m0——量砂筒裝滿砂時砂的質量，取36 g；
m1——芯樣表面攤平砂時砂的質量（g）；
V0——量砂筒裝滿砂時砂的體積，取25 cm3；
V1——芯樣表面攤平砂時砂的體積（cm3）；
D1——芯樣的直徑（mm）。
本研究中，為保證后續的磨損試驗不受影響，在擺值測試前不對芯樣表面進行噴水濕潤處理，而在進行擺值測定時，使擺的擺動方向與刻槽方向垂直。
2.1 循環磨損下混凝土路面芯樣表面磨損量變化分析
混凝土路面芯樣磨損量變化見圖2。由圖2可知，5個芯樣在標準60轉磨損下均滿足相關技術規范中單位面積磨損量≤3.0 kg/m2的要求。其中，芯樣Y3進行120轉磨損、芯樣Y2進行180轉磨損后累積磨損量均≤3.0 kg/m2。芯樣Y1、Y2、Y3、Y4和Y5進行第一次60轉磨損后的磨損量分別為2.12 kg/m2、1.64 kg/m2、1.48 kg/m2、2.04 kg/m2和2.32 kg/m2；進行第二次60轉磨損后，累積磨損量分別為3.36 kg/m2、2.44 kg/m2、2.80 kg/m2、4.00 kg/m2和5.20 kg/m2，單次60轉磨損量（第二次與第一次磨損量的差值）分別為1.24 kg/m2、0.80 kg/m2、1.32 kg/m2、1.96 kg/m2和2.88 kg/m2；進行第三次60轉磨損后，累積磨損量分別為4.36 kg/m2、3.04 kg/m2、3.92 kg/m2、5.92 kg/m2和7.56 kg/m2，單次60轉磨損量（第三次與第二次磨損量的差值）分別為1.00 kg/m2、0.60 kg/m2、1.12 kg/m2、1.92 kg/m2和2.36 kg/m2。由此可見，隨著磨損次數的增加，混凝土磨損深度增加，磨損速率逐漸減小，說明了混凝土內部強度比其表面強度高，抗磨損能力更好。因此在混凝土路面施工過程中應加強表面砂漿層的質量控制，盡可能減小內部與表面的差異。
2.2 循環磨損下混凝土路面芯樣表面形貌分析
本研究在試驗過程中持續跟蹤了混凝土芯樣表面形貌變化。試驗發現，循環磨損下芯樣表面衰減過程可分為三個階段：第一個階段（初期），芯樣表面水泥凈漿被磨損，表面露出砂漿層；第二階段（中期），砂漿層被磨損，粗集料逐漸暴露于表面，承擔抗磨損的主要作用；第三階段（后期），粗集料被磨損磨光。混凝土芯樣表面磨損過程還伴隨著刻槽的溝槽不斷衰退及構造的持續磨平。
此外，試驗過程發現，芯樣Y1和Y3在磨損三次60轉后仍無粗集料顯露，芯樣Y2粗集料顯露面積始終無明顯增加現象，加之三個芯樣單位面積磨損量相對較小，說明其表面砂漿層強度較高，抗磨蝕能力較強。磨損過程中，芯樣Y4和Y5表面淺灰白色部分面積不斷增加，即粗集料的顯露數量在不斷增加，說明其進入了粗集料磨損磨光階段，相比于其他芯樣，其粗集料磨光階段出現較早，說明該芯樣表面砂漿層抗磨能力較差，因此其表面紋理損失較快。
2.3 循環磨損下混凝土路面芯樣表面構造深度衰減分析
不同磨損轉數下芯樣表面構造深度衰減趨勢如圖3所示。總體上看，磨損后混凝土芯樣表面的構造深度逐漸減小，芯樣Y1、Y2、Y3、Y4和Y5經過一次60轉磨損后構造深度分別降低為初始值的93.6%、75.0%、100%、69.4%和85.2%，而當進行三次60轉磨損后構造深度分別降低為初始值的61.7%、50.0%、65.9%、67.3%和63.0%，說明循環磨損下芯樣表面以粗構造提供的抗滑性將產生嚴重的衰減。
磨損過程中發現，芯樣Y1在第二次60轉磨損后構造深度降低為第一次60轉磨損后的52%，可見其構造深度快速大幅降低。這是因為：（1）已從表面剝落的砂漿充當了磨粒角色，使混凝土芯樣表面進一步產生磨粒磨損作用，加劇了表面構造衰減；（2）由于磨損過程中芯樣出現嚴重的崩邊，致使砂粒無法在崩邊處堆積，從而表現為平鋪砂的質量大幅減少，因此由式（2）計算的構造深度也大幅度減小，為試驗結果帶來一定誤差，芯樣Y2、Y4等也出現相似的現象。可以推測，在行車的沖擊作用下，混凝土路面刻槽的溝槽也極易產生崩解，造成更嚴重的表面損壞現象；繼續進行磨損后，刻槽的溝槽逐漸衰退，構造深度持續減小，表明硬刻槽的水泥混凝土路面在使用一定時間后應注意抗滑性恢復處治。
2.4 循環磨損下混凝土路面芯樣表面擺值變化分析
混凝土路面芯樣表面磨損過程中的擺值變化如圖4所示。由圖4可以看出，混凝土芯樣表面在循環磨損下的擺值表現出先下降后逐漸平穩的規律。磨損初期，芯樣表面擺值出現了不同程度的下降現象，最大衰減幅度為7.0 BPN（芯樣Y4），衰減幅度不超過初始值的9%。這主要是由于刻槽作用深度為表面砂漿層范圍內（3～4 mm），相對于混凝土強度，表面砂漿層強度較低，因此磨損初中期表面砂漿層在磨損作用下易產生脫落，從而造成抗滑性下降。磨損后期，擺值表現出相對平穩的趨勢，其原因是雖然磨損后期大部分面積的表面砂漿已脫落完畢，粗集料被磨損磨光，但此時新裸露的內部砂顆粒豐富了表面的細觀紋理，從而保持擺值在72～76 BPN平穩變化［7］，保證了表面的抗滑效果。而與構造深度尤其是溝槽紋理變化情況相比，表面擺值在磨損后的衰減幅度相對較小，說明反復疲勞磨損會對混凝土表面構造中的宏觀構造產生較大負面影響，但對表面擺值的影響較小，說明與宏觀刻槽構造相比，表面細構造是決定混凝土路面表面抗滑性能更為重要的因素。
由圖4可知，芯樣Y1擺值變化規律與其他芯樣有所不同。前已述及，芯樣Y1砂漿層強度相對較高，因此其凈漿層、砂漿層磨損速率較慢，即脫落速度較慢。芯樣Y1磨損60轉后僅有少量砂漿脫落，表面呈現出砂漿豐富的細觀紋理構造，因此其擺值在磨損初期表現為增大現象，經過多次磨損后，其擺值也將呈下降趨勢。
3 結語
從本研究中可以得到以下主要結論：
（1）混凝土內部強度與表面層存在差異，表現為隨著磨損次數及磨損深度的增加，磨損速率逐漸減小。建議混凝土路面施工中應加強表面砂漿層的質量控制。
（2）反復疲勞磨損后混凝土表面構造深度總體上呈現逐漸衰減趨勢，表面擺值先降低后在一定范圍內平穩變化，說明磨損作用對混凝土表面構造深度的衰減影響較大，而對表面擺值的衰減影響較小。
（3）磨損后期表面砂漿層的磨損嚴重，裸露的內部砂漿與粗集料可共同組成新界面，保持穩定的抗滑效果，說明細觀構造是影響抗滑性的主要因素。
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