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        路面拋丸機在水泥混凝土路面表面多尺度構造特性研究

        作者:pwj 發布時間:2018-05-13點擊:
        摘    要:

        水泥混凝土路面加鋪瀝青混合料形成復合式路面, 其層間的界面特性是復合式路面耐久性的重要影響因素, 而水泥混凝土路面表面的細觀粗糙度和宏觀紋理是影響復合式路面界面黏結性能的重要因素。本文針對不同尺度下水泥混凝土路面構造特性進行了研究, 結果表明, 機制砂混凝土路面表面粗糙度及抗滑性能指標普遍低于河砂混凝土;不同處理方式作用下, 水泥混凝土路面表面細觀粗糙度和宏觀構造深度差別很大。

         

        0前言

        復合式路面由水泥混凝土和瀝青混凝土兩種性質差別很大的材料組合而成, 二層結構通常采用黏結材料黏合而成[1-2]。影響復合式路面層間界面結合強度的構造主要是水泥混凝土路面表面宏觀紋理和細觀粗糙度。實際混凝土路面表面覆蓋硬化水泥砂漿層, 經過施工處理后形成各種不同的宏觀紋理, 宏觀紋理構造主要由不同的處理方式決定, 比如鑿毛、噴丸、精銑刨、刻槽等;而細觀粗糙度與路面混凝土砂漿細骨料 (種類、粗細程度) 特性、磨損程度等有關[3-5]。本文針對不同尺度下水泥混凝土路面構造特性進行了研究。

        1 原材料與試驗方法

        1.1 原材料與配合比

        水泥:P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥, 其各項性能均滿足規范要求。

        粗骨料:10~20mm石灰巖碎石, 篩分結果見表1。

        表1 粗骨料篩分結果    下載原表

        表1 粗骨料篩分結果

        細骨料:天然砂和機制砂兩種, 天然砂按粗細程度, 共準備了3種, 其性能試驗結果見表2;機制砂篩分結果見表3, 該砂細度模數3.3, 為粗砂, 與天然粗砂級配類似, 屬Ⅰ區范圍, 品質屬Ⅱ類砂。

        基準配合比為:水灰比0.41, 砂率39%, 具體配合比見表4。

        表2 天然砂性能試驗結果    下載原表

        表2 天然砂性能試驗結果

        表3 試驗用機制砂篩分結果    下載原表

        表3 試驗用機制砂篩分結果

        1.2 試驗方法

        參考文獻[6]并結合ASTM D 4417-B方法, 采用Elcometer 123表面粗糙度儀或Elcometer 223數字式表面粗糙度測量儀進行路面細觀粗糙度測試。

        表4 水泥混凝土試件板基準配合比    下載原表

        表4 水泥混凝土試件板基準配合比

        2 水泥混凝土路面表面細觀粗糙度

        2.1 不同類型細骨料水泥混凝土表面細觀粗糙度

        2.1.1 不同天然砂水泥混凝土表面粗糙度

        水泥混凝土路面表面粗糙度與細骨料的種類和級配組成有很大關系。在室內制備不同水灰比和細骨料類型試件板進行測試, 結果見表5。由表5可知, 采用天然中砂基準配合比時, 混凝土表面洗刷后平均粗糙度為425μm, BPN值變化規律不明顯, 與粗糙度變化相關性不明顯;當混凝土表面存在砂漿層時, 表面粗糙度與砂的粗細程度有關, 粗砂粗糙度高, 細砂粗糙度低, 但總體影響不大, 天然砂混凝土試件洗刷后的表面粗糙度普遍超過400μm。

        表5 不同天然砂水泥混凝土表面細觀粗糙度及抗滑性能對比    下載原表

        表5 不同天然砂水泥混凝土表面細觀粗糙度及抗滑性能對比

        2.1.2 機制砂水泥混凝土表面粗糙度

        混凝土基準配合比不變, 細骨料采用機制砂, 試驗結果見表6。

        由表6可知, 洗刷浮漿后機制砂混凝土表面粗糙度平均301μm, 明顯比天然砂小。與材料配比基本相同的 (表5編號2) 相比, 粗糙度偏小137μm;表面未經過實際磨損, BPN值保持較好水準, 與天然砂基本相同。說明BPN值反映的抗滑性能與粗糙度沒有良好的對應關系。

        2.2 不同表面處理工藝對表面細觀粗糙度的影響

        表6 機制砂水泥混凝土表面細觀粗糙度及抗滑性能    下載原表

        表6 機制砂水泥混凝土表面細觀粗糙度及抗滑性能

        工程中為提高粗糙度并除去浮漿及污染物, 通常采用酸液腐蝕路面的方法。另外, 隨著路面在自然環境侵蝕, 砂粒間水泥結石逐漸溶蝕剝落, 也會提高舊路表面粗糙度[7]。通過室內模擬和工程調查, 研究了這兩種作用對細觀粗糙度的影響, 共制作了48塊混凝土試驗板, 各方案材料組成見表7。

        表7 試驗用水泥混凝土板材料組成及試件編號    下載原表

        表7 試驗用水泥混凝土板材料組成及試件編號

        2.2.1 自然環境侵蝕下水泥混凝土路面粗糙度

        (1) 室內模擬試驗

        為了模擬自然侵蝕剝落表面后的效果, 將表7中一半的試件板, 即表7中混凝土板表面洗刷列, 在成型18~24h后脫模, 用硬毛刷洗刷尚未結硬的水泥浮漿, 露出砂漿表層, 然后連同表面不處理的試件一起放入標準養護室養護, 28d后取出進行試驗, 試驗結果見表8。

        由表8可見, 洗刷前混凝土表面粗糙度相對較低, 但各配比之間差別不大, 大部分在220~250μm之間;洗刷后所有試件表面粗糙度都有大幅提升, 天然砂混凝土表面粗糙度增長153μm, 增幅大于55%, 機制砂表面也有36.5%的增幅, 但洗刷后二者差距較為明顯, 說明自然環境等作用下天然砂混凝土更有利于表面粗糙度的提升。BPN值方面, 洗刷前由于各配合比浮漿層狀況不同, 天然砂與機制砂抗滑性能有明顯區別, 平均相差約為19, 機制砂抗滑性能不足, BPN僅為28.7;天然砂各組之間相比, 細砂混凝土原表面BPN值略高, 其余試件的BPN值隨粗糙度有一定波動。洗刷后, 隨著粗糙度的提高和砂漿外露, BPN值均明顯增加, 天然砂類平均增加11, 機制砂由于浮漿清除增加更為明顯, 增加了25.3。由此可知, BPN總體水平主要受材料細觀紋理影響較大, 粗糙度提高對其也有一定作用。

        表8 水泥混凝土板表面洗刷與表面不處理粗糙度試驗結果對比    下載原表

        表8 水泥混凝土板表面洗刷與表面不處理粗糙度試驗結果對比

        (2) 實體工程調研

        對已建成通車的部分水泥混凝土路面表面實際粗糙度和抗滑性能進行檢測, 結果見表9。由表9可知, 實際路面平均粗糙度, 天然砂約為280~370μm, 機制砂僅為85μm, 明顯偏低。

        表9 實體工程路面粗糙度及抗滑性能調查結果    下載原表

        表9 實體工程路面粗糙度及抗滑性能調查結果

        2.2.2 酸腐蝕處理對路面表面細觀粗糙度的影響

        為模擬酸液腐蝕對路面的影響, 從表7中每組選兩塊經洗刷的混凝土板和未經過洗刷的混凝土板進行酸腐蝕處理, 步驟如下:①用濃鹽酸溶液配制酸液, 體積比為鹽酸∶水=1∶3;②在試件表面噴灑酸液3次, 每次充分反應后, 再噴下一次;③全部反應結束后用水沖洗干凈表面, 晾干后進行試驗。測試結果見表10和表11。

        從測試結果可見:

        (1) 經酸腐蝕處理后, 天然砂混凝土不均勻腐蝕粗糙度平均增加21%, 增加明顯;機制砂酸腐蝕表面后幾乎不變。這是由于機制砂混凝土表面組成為水泥漿和石灰巖, 此兩種材料與鹽酸均勻起化學反應;而天然砂主要成分為石英, 不能與鹽酸反應, 鹽酸液僅與其中的水泥石反應, 因此粗糙度增加。

        表1 0 經過表面洗刷的混凝土板酸處理前后粗糙度及抗滑性能對比    下載原表

        表1 0 經過表面洗刷的混凝土板酸處理前后粗糙度及抗滑性能對比

        表1 1 表面未處理的混凝土板酸處理前后粗糙度及抗滑性能對比    下載原表

        表1 1 表面未處理的混凝土板酸處理前后粗糙度及抗滑性能對比

        (2) 經酸腐蝕處理后, 天然砂混凝土的BPN值總體變化不大, 同樣是由于酸液與凸出表面的砂粒無反應, 故細紋理構造變化不大;機制砂略有降低, 可能是鹽酸腐蝕了原表面上一些尖銳細紋所致。

        (3) 混凝土試件表面經酸處理后, 天然砂混凝土粗糙度平均增幅差異較大, 與混凝土表面浮漿層厚度有關, 編組5試件浮漿厚度薄, 故粗糙度增幅明顯;機制砂混凝土表面處理后, 粗糙度雖然也增加了13%, 但增幅仍是各組中最低的。

        (4) 混凝土試件表面經過酸處理后, BPN值均明顯增加, 達到洗刷試件處理前的BPN值, 說明BPN值與更為細觀一級的構造聯系緊密。

        圖1為酸腐蝕處理后試件的表面狀況, 從圖1可以看出, 酸腐蝕處理可以一定程度上提高天然砂舊混凝土表面粗糙度, 但對機制砂舊混凝土改善不大。酸腐蝕處理新路面混凝土可有效清除表面浮漿, 在一定程度上提高表面粗糙度?梢, 酸腐蝕處理對天然砂混凝土復合式路面層間結合將有明顯改善作用, 但對機制砂作用不大。

        圖1 酸腐蝕處理后試件表面局部狀況圖 (上:洗刷表面;下:原表面)

        圖1 酸腐蝕處理后試件表面局部狀況圖 (上:洗刷表面;下:原表面)   下載原圖

         

        3 水泥混凝土路面表面宏觀構造深度研究

        大面積路面水泥混凝土板宏觀構造的表面處理方式主要有以下幾種:路面刻槽、拉毛壓槽、拋丸處理、精銑刨或金剛石研磨, 不同處理方式的界面形狀區別較大。宏觀構造用構造深度這一指標來表征, 這是目前使用最普遍的方法, 該指標簡單, 容易在工程中推廣應用[8-9]。因此, 本研究采用手工鋪砂檢測構造深度TD, 并對宏觀構造進行評價。

        3.1 刻槽處理混凝土表面構造深度研究

        為研究不同刻槽參數以及原混凝土表面構造對構造深度的影響, 在室內成型了試件板, 并用電動切割機進行刻槽。槽寬分別為2mm、4mm, 槽間距為10mm、15mm、20mm, 槽深為2mm。各種組合及構造深度和抗滑性能測試結果見表12?滩酆蟮脑嚰砻鏄嬙焐疃让黠@增加, 槽寬2mm時, 刻槽后平均增加0.278mm。刷毛后整體構造深度還是有所加大, 但僅增加13.5%;槽寬加大后, 構造深度都有增加, 但間距相對更密的15mm增幅明顯?滩蹣嬙焐疃萒D普遍大于0.5mm, 因此, 用其表征表面宏觀粗糙度較合適。

        表1 2 不同刻槽參數試件表面構造深度測試結果    下載原表

        表1 2 不同刻槽參數試件表面構造深度測試結果

        鋪砂法的細砂體積一部分用于填充刻槽構造, 另一部分留在未刻槽表面, 實測這部分的平均厚度約為0.23mm, 接近細砂級配顆粒中值, 相當于表面均勻鋪設一層細砂的厚度;將兩部分加權平均得到理論的構造深度。表13是根據表12中刻槽參數計算得到的理論構造深度。對比表12的實測結果, 除了3號和7號試件可能槽深控制不好與計算值有有一定偏差外, 其他都較接近?滩鄞怪狈较虻腂PN值平均提高16.5, 接近洗刷后的抗滑效果;酸腐蝕表面刻槽平均提高24.4, 更為明顯。平行刻槽方向增加幅度小, 說明刻槽對抗滑性能提高有幫助, 垂直刻槽方向抗滑更為有利。同時, 實體工程調查結果顯示, 刻槽構造深度實測值與理論計算值基本相符, 刻槽后摩擦系數BPN值增加7.2, 總體上看, 舊路自然砂混凝土路面狀況與室內洗刷后的試件表面類似。

        表1 3 刻槽試件表面理論計算刻槽深度    下載原表

        表1 3 刻槽試件表面理論計算刻槽深度

        3.2 拋丸處理混凝土表面構造深度研究

        拋丸噴砂是用路面拋丸機處理路面表面, 去掉表面水泥砂漿、浮漿而不破壞骨料, 得到均勻粗糙潔凈的表面, 該法可提前暴露原路面缺陷, 既可保證水泥混凝土鋪裝厚度又可除去浮漿層, 同時提供粗糙的界面。拋丸處理后能在水泥混凝土表面產生0.1~3mm的不均勻粗糙面, 真正起到抗滑作用[10]。

        (1) 試件板拋丸處理效果

        對提前制備好的試件板進行表面拋丸打毛處理。為了獲取不同粗糙程度的粗糙表面, 一部分試件采用1遍拋丸, 另一部分采用了2遍拋丸, 鋼丸直徑1.5~2mm。試件板拋丸處理效果對比見圖2。

        圖2 試件板拋丸處理效果局部對比圖

        圖2 試件板拋丸處理效果局部對比圖   下載原圖

         

        挑選表面處理較均勻的試件板進行構造深度和抗滑性能測試, 結果見表14。由表14可知, 試件TD值在0.265~0.372mm間變化, 而BPN值普遍超過60, 平均為63。TD值較低, BPN值較高, 說明拋丸處理的表面是平整而粗糙的。拋丸處理1遍后, TD值和BPN值平均結果相差都不大, 拋丸處理2遍后, TD值和BPN值略高。觀察到的表面狀況與測試結果都顯示比室內試件板洗刷表面粗糙。

        表1 4 拋丸試件表面構造深度 (TD) 及BPN值    下載原表

        表1 4 拋丸試件表面構造深度 (TD) 及BPN值

        (2) 實際工程中的情況

        廣西隆林到百色高速公路水泥混凝土路面平整度較差, 路表面具有一定厚度的水泥膠漿層, 細觀構造與宏觀構造較差。對試驗路水泥路面進行拋丸處理, 分別進行了鋼珠型號為390、460、550的拋丸處理。拋丸后的TD值和BPN值見表15。

        表1 5 拋丸處理后試件的TD值和BPN值    下載原表

        表1 5 拋丸處理后試件的TD值和BPN值

        由表15可知, 經拋丸處理后TD值略有提高, 但經多點測試發現, 拋丸前后TD值變化并不一致, 由于拋丸與水泥表面為密集點接觸, 拋丸后表面構造趨于均勻平整, 因此, 拋丸前表面構造深度大的部分經拋丸后有可能減小, 即拋丸對改善水泥混凝土表面粗糙度并不具有一致性。拋丸后水泥混凝土表面細構造明顯, 抗摩擦能力增大。

        從試驗和工程調查結果看, 對于浮漿層較厚、砂漿組成較均勻的混凝土表面, 若拋丸速度較快, 不能全部清除浮漿層時, 用現有橋面處理工藝參數處置得到的打毛表面平整粗糙, 從構造深度方面來看, 拋丸打毛后總體增加不多甚至可能減小, 但對細觀構造暴露有很大幫助, 可大幅提高抗滑指標。

        3.3 精銑刨處理工藝表面構造深度研究

        采用銑刨機銑刨處理后, 粗糙混凝土表面的效果較好, 質量也可得到保證。輕度銑刨深度為3~5mm, 但經過銑刨的橋面鋪裝層打掉的不僅是浮漿還有部分骨料, 同時還松動了橋面鋪裝層表面的部分骨料, 松動的部分骨料難以清除, 使上下結構層結合不夠牢固, 不能共同受力, 同時又減少了混凝土或橋面鋪裝的厚度。另外, 銑刨所產生的縱向溝槽容易導致層間滯留水分[11]。

        隆林到百色高速公路施工現場對試驗水泥路面進行了銑刨處理, 單機銑刨工作面寬為2m, 銑刨深度為5mm和10mm, 銑刨速度為10~12m/min, 銑刨后的表面構造深度如表16所示。銑刨后的路面粗糙度大幅提高, 形成細密的表面溝槽, 露石十分明顯。銑刨后的TD值和BPN值均較大, TD值平均值可達1.54mm, 遠高于拋丸打毛和普通刻槽處理,F場還發現銑刨會對接縫造成不利影響, 接縫崩邊和接縫材料被損毀, 如圖3所示。因此, 建議施工時跳過接縫位置。

        表1 6 銑刨后表面構造深度    下載原表

        表1 6 銑刨后表面構造深度
        圖3 銑刨對接縫損傷情況

        圖3 銑刨對接縫損傷情況   下載原圖

         

        4 結論

        (1) 測試了不同類型細骨料水泥路面表面細觀粗糙度的變化情況, 模擬了自然環境和施工酸腐蝕處置對細觀粗糙度的影響。室內模擬試驗和工程調查都表明, 機制砂混凝土路面表面粗糙度及抗滑性能指標普遍低于天然砂混凝土。

        (2) 自然環境下, 隨著部分水泥漿和剝落, 舊路表面細觀構造有所增加, 天然砂混凝土表面粗糙度普遍達到300μm以上;酸腐蝕處理后, 天然砂混凝土粗糙度有一定增長, 而機制砂表面幾乎沒有明顯變化;新混凝土表面經酸腐蝕處理, 可加速表面浮漿層脫落, BPN值隨之明顯增加。

        (3) 宏觀紋理構造表征是采用手工鋪砂法檢測路面構造深度的方法, 構造深度大于0.4mm時較準確。不同處置工藝可造成宏觀構造深度相差較大。

        (4) 室內試驗和現場調查表明, 不同的刻槽處置工藝參數, 即槽寬、槽深、槽間距對宏觀構造深度有直接影響, 刻槽方法工藝簡單, 適用范圍廣, 較適用于表面浮漿層較薄的天然砂混凝土。

        (5) 拋丸處理效果受工藝參數以及表面砂漿層或浮漿厚度影響, 室內模擬和實際工程調查都表明, 采用常規工藝參數處理路面, 可暴露出砂漿層內部結構, 得到平整粗糙的表面, 粗糙度明顯增加, 但由于表面砂漿層被均勻化清除, 構造深度增加不明顯, 增加幅度不超過0.15mm。若想提高構造深度還需進一步研究, 改變目前常用工藝參數。

        (6) 精銑刨處理可以清除水泥混凝土表面5~10mm浮漿, 并在有效清除浮漿層的同時形成細密的表面溝槽。銑刨后TD值和BPN值均較大, 其中TD平均值可達1.54mm, 遠高于拋丸打毛和普通刻槽處理, 較適合表面浮漿層較多的機制砂混凝土。


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