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路面抛丸机在水泥混凝土路面表面多尺度构造特性研究

文章出处:青岛华盛泰 编辑:pwj 发表时间::2018-05-13
摘    要:

水泥混凝土路面加铺沥青混合料形成复合式路面, 其层间的界面特性是复合式路面耐久性的重要影响因素, 而水泥混凝土路面表面的细观粗糙度和宏观纹理是影响复合式路面界面黏结性能的重要因素。本文针对不同尺度下水泥混凝土路面构造特性进行了研究, 结果表明, 机制砂混凝土路面表面粗糙度及抗滑性能指标普遍低于河砂混凝土;不同处理方式作用下, 水泥混凝土路面表面细观粗糙度和宏观构造深度差别很大。

 

0前言

复合式路面由水泥混凝土和沥青混凝土两种性质差别很大的材料组合而成, 二层结构通常采用黏结材料黏合而成[1-2]。影响复合式路面层间界面结合强度的构造主要是水泥混凝土路面表面宏观纹理和细观粗糙度。实际混凝土路面表面覆盖硬化水泥砂浆层, 经过施工处理后形成各种不同的宏观纹理, 宏观纹理构造主要由不同的处理方式决定, 比如凿毛、喷丸、精铣刨、刻槽等;而细观粗糙度与路面混凝土砂浆细骨料 (种类、粗细程度) 特性、磨损程度等有关[3-5]。本文针对不同尺度下水泥混凝土路面构造特性进行了研究。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料与配合比

水泥:P·O 42.5级普通硅酸盐水泥, 其各项性能均满足规范要求。

粗骨料:10~20mm石灰岩碎石, 筛分结果见表1。

表1 粗骨料筛分结果    下载原表

表1 粗骨料筛分结果

细骨料:天然砂和机制砂两种, 天然砂按粗细程度, 共准备了3种, 其性能试验结果见表2;机制砂筛分结果见表3, 该砂细度模数3.3, 为粗砂, 与天然粗砂级配类似, 属Ⅰ区范围, 品质属Ⅱ类砂。

基准配合比为:水灰比0.41, 砂率39%, 具体配合比见表4。

表2 天然砂性能试验结果    下载原表

表2 天然砂性能试验结果

表3 试验用机制砂筛分结果    下载原表

表3 试验用机制砂筛分结果

1.2 试验方法

参考文献[6]并结合ASTM D 4417-B方法, 采用Elcometer 123表面粗糙度仪或Elcometer 223数字式表面粗糙度测量仪进行路面细观粗糙度测试。

表4 水泥混凝土试件板基准配合比    下载原表

表4 水泥混凝土试件板基准配合比

2 水泥混凝土路面表面细观粗糙度

2.1 不同类型细骨料水泥混凝土表面细观粗糙度

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与细骨料的种类和级配组成有很大关系。在室内制备不同水灰比和细骨料类型试件板进行测试, 结果见表5。由表5可知, 采用天然中砂基准配合比时, 混凝土表面洗刷后平均粗糙度为425μm, BPN值变化规律不明显, 与粗糙度变化相关性不明显;当混凝土表面存在砂浆层时, 表面粗糙度与砂的粗细程度有关, 粗砂粗糙度高, 细砂粗糙度低, 但总体影响不大, 天然砂混凝土试件洗刷后的表面粗糙度普遍超过400μm。

表5 不同天然砂水泥混凝土表面细观粗糙度及抗滑性能对比    下载原表

表5 不同天然砂水泥混凝土表面细观粗糙度及抗滑性能对比

2.1.2 机制砂水泥混凝土表面粗糙度

混凝土基准配合比不变, 细骨料采用机制砂, 试验结果见表6。

由表6可知, 洗刷浮浆后机制砂混凝土表面粗糙度平均301μm, 明显比天然砂小。与材料配比基本相同的 (表5编号2) 相比, 粗糙度偏小137μm;表面未经过实际磨损, BPN值保持较好水准, 与天然砂基本相同。说明BPN值反映的抗滑性能与粗糙度没有良好的对应关系。

2.2 不同表面处理工艺对表面细观粗糙度的影响

表6 机制砂水泥混凝土表面细观粗糙度及抗滑性能    下载原表

表6 机制砂水泥混凝土表面细观粗糙度及抗滑性能

工程中为提高粗糙度并除去浮浆及污染物, 通常采用酸液腐蚀路面的方法。另外, 随着路面在自然环境侵蚀, 砂粒间水泥结石逐渐溶蚀剥落, 也会提高旧路表面粗糙度[7]。通过室内模拟和工程调查, 研究了这两种作用对细观粗糙度的影响, 共制作了48块混凝土试验板, 各方案材料组成见表7。

表7 试验用水泥混凝土板材料组成及试件编号    下载原表

表7 试验用水泥混凝土板材料组成及试件编号

2.2.1 自然环境侵蚀下水泥混凝土路面粗糙度

(1) 室内模拟试验

为了模拟自然侵蚀剥落表面后的效果, 将表7中一半的试件板, 即表7中混凝土板表面洗刷列, 在成型18~24h后脱模, 用硬毛刷洗刷尚未结硬的水泥浮浆, 露出砂浆表层, 然后连同表面不处理的试件一起放入标准养护室养护, 28d后取出进行试验, 试验结果见表8。

由表8可见, 洗刷前混凝土表面粗糙度相对较低, 但各配比之间差别不大, 大部分在220~250μm之间;洗刷后所有试件表面粗糙度都有大幅提升, 天然砂混凝土表面粗糙度增长153μm, 增幅大于55%, 机制砂表面也有36.5%的增幅, 但洗刷后二者差距较为明显, 说明自然环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浆层状况不同, 天然砂与机制砂抗滑性能有明显区别, 平均相差约为19, 机制砂抗滑性能不足, BPN仅为28.7;天然砂各组之间相比, 细砂混凝土原表面BPN值略高, 其余试件的BPN值随粗糙度有一定波动。洗刷后, 随着粗糙度的提高和砂浆外露, BPN值均明显增加, 天然砂类平均增加11, 机制砂由于浮浆清除增加更为明显, 增加了25.3。由此可知, BPN总体水平主要受材料细观纹理影响较大, 粗糙度提高对其也有一定作用。

表8 水泥混凝土板表面洗刷与表面不处理粗糙度试验结果对比    下载原表

表8 水泥混凝土板表面洗刷与表面不处理粗糙度试验结果对比

(2) 实体工程调研

对已建成通车的部分水泥混凝土路面表面实际粗糙度和抗滑性能进行检测, 结果见表9。由表9可知, 实际路面平均粗糙度, 天然砂约为280~370μm, 机制砂仅为85μm, 明显偏低。

表9 实体工程路面粗糙度及抗滑性能调查结果    下载原表

表9 实体工程路面粗糙度及抗滑性能调查结果

2.2.2 酸腐蚀处理对路面表面细观粗糙度的影响

为模拟酸液腐蚀对路面的影响, 从表7中每组选两块经洗刷的混凝土板和未经过洗刷的混凝土板进行酸腐蚀处理, 步骤如下:①用浓盐酸溶液配制酸液, 体积比为盐酸∶水=1∶3;②在试件表面喷洒酸液3次, 每次充分反应后, 再喷下一次;③全部反应结束后用水冲洗干净表面, 晾干后进行试验。测试结果见表10和表11。

从测试结果可见:

(1) 经酸腐蚀处理后, 天然砂混凝土不均匀腐蚀粗糙度平均增加21%, 增加明显;机制砂酸腐蚀表面后几乎不变。这是由于机制砂混凝土表面组成为水泥浆和石灰岩, 此两种材料与盐酸均匀起化学反应;而天然砂主要成分为石英, 不能与盐酸反应, 盐酸液仅与其中的水泥石反应, 因此粗糙度增加。

表1 0 经过表面洗刷的混凝土板酸处理前后粗糙度及抗滑性能对比    下载原表

表1 0 经过表面洗刷的混凝土板酸处理前后粗糙度及抗滑性能对比

表1 1 表面未处理的混凝土板酸处理前后粗糙度及抗滑性能对比    下载原表

表1 1 表面未处理的混凝土板酸处理前后粗糙度及抗滑性能对比

(2) 经酸腐蚀处理后, 天然砂混凝土的BPN值总体变化不大, 同样是由于酸液与凸出表面的砂粒无反应, 故细纹理构造变化不大;机制砂略有降低, 可能是盐酸腐蚀了原表面上一些尖锐细纹所致。

(3) 混凝土试件表面经酸处理后, 天然砂混凝土粗糙度平均增幅差异较大, 与混凝土表面浮浆层厚度有关, 编组5试件浮浆厚度薄, 故粗糙度增幅明显;机制砂混凝土表面处理后, 粗糙度虽然也增加了13%, 但增幅仍是各组中最低的。

(4) 混凝土试件表面经过酸处理后, BPN值均明显增加, 达到洗刷试件处理前的BPN值, 说明BPN值与更为细观一级的构造联系紧密。

图1为酸腐蚀处理后试件的表面状况, 从图1可以看出, 酸腐蚀处理可以一定程度上提高天然砂旧混凝土表面粗糙度, 但对机制砂旧混凝土改善不大。酸腐蚀处理新路面混凝土可有效清除表面浮浆, 在一定程度上提高表面粗糙度。可见, 酸腐蚀处理对天然砂混凝土复合式路面层间结合将有明显改善作用, 但对机制砂作用不大。

图1 酸腐蚀处理后试件表面局部状况图 (上:洗刷表面;下:原表面)

图1 酸腐蚀处理后试件表面局部状况图 (上:洗刷表面;下:原表面)   下载原图

 

3 水泥混凝土路面表面宏观构造深度研究

大面积路面水泥混凝土板宏观构造的表面处理方式主要有以下几种:路面刻槽、拉毛压槽、抛丸处理、精铣刨或金刚石研磨, 不同处理方式的界面形状区别较大。宏观构造用构造深度这一指标来表征, 这是目前使用最普遍的方法, 该指标简单, 容易在工程中推广应用[8-9]。因此, 本研究采用手工铺砂检测构造深度TD, 并对宏观构造进行评价。

3.1 刻槽处理混凝土表面构造深度研究

为研究不同刻槽参数以及原混凝土表面构造对构造深度的影响, 在室内成型了试件板, 并用电动切割机进行刻槽。槽宽分别为2mm、4mm, 槽间距为10mm、15mm、20mm, 槽深为2mm。各种组合及构造深度和抗滑性能测试结果见表12。刻槽后的试件表面构造深度明显增加, 槽宽2mm时, 刻槽后平均增加0.278mm。刷毛后整体构造深度还是有所加大, 但仅增加13.5%;槽宽加大后, 构造深度都有增加, 但间距相对更密的15mm增幅明显。刻槽构造深度TD普遍大于0.5mm, 因此, 用其表征表面宏观粗糙度较合适。

表1 2 不同刻槽参数试件表面构造深度测试结果    下载原表

表1 2 不同刻槽参数试件表面构造深度测试结果

铺砂法的细砂体积一部分用于填充刻槽构造, 另一部分留在未刻槽表面, 实测这部分的平均厚度约为0.23mm, 接近细砂级配颗粒中值, 相当于表面均匀铺设一层细砂的厚度;将两部分加权平均得到理论的构造深度。表13是根据表12中刻槽参数计算得到的理论构造深度。对比表12的实测结果, 除了3号和7号试件可能槽深控制不好与计算值有有一定偏差外, 其他都较接近。刻槽垂直方向的BPN值平均提高16.5, 接近洗刷后的抗滑效果;酸腐蚀表面刻槽平均提高24.4, 更为明显。平行刻槽方向增加幅度小, 说明刻槽对抗滑性能提高有帮助, 垂直刻槽方向抗滑更为有利。同时, 实体工程调查结果显示, 刻槽构造深度实测值与理论计算值基本相符, 刻槽后摩擦系数BPN值增加7.2, 总体上看, 旧路自然砂混凝土路面状况与室内洗刷后的试件表面类似。

表1 3 刻槽试件表面理论计算刻槽深度    下载原表

表1 3 刻槽试件表面理论计算刻槽深度

3.2 抛丸处理混凝土表面构造深度研究

抛丸喷砂是用路面抛丸机处理路面表面, 去掉表面水泥砂浆、浮浆而不破坏骨料, 得到均匀粗糙洁净的表面, 该法可提前暴露原路面缺陷, 既可保证水泥混凝土铺装厚度又可除去浮浆层, 同时提供粗糙的界面。抛丸处理后能在水泥混凝土表面产生0.1~3mm的不均匀粗糙面, 真正起到抗滑作用[10]。

(1) 试件板抛丸处理效果

对提前制备好的试件板进行表面抛丸打毛处理。为了获取不同粗糙程度的粗糙表面, 一部分试件采用1遍抛丸, 另一部分采用了2遍抛丸, 钢丸直径1.5~2mm。试件板抛丸处理效果对比见图2。

图2 试件板抛丸处理效果局部对比图

图2 试件板抛丸处理效果局部对比图   下载原图

 

挑选表面处理较均匀的试件板进行构造深度和抗滑性能测试, 结果见表14。由表14可知, 试件TD值在0.265~0.372mm间变化, 而BPN值普遍超过60, 平均为63。TD值较低, BPN值较高, 说明抛丸处理的表面是平整而粗糙的。抛丸处理1遍后, TD值和BPN值平均结果相差都不大, 抛丸处理2遍后, TD值和BPN值略高。观察到的表面状况与测试结果都显示比室内试件板洗刷表面粗糙。

表1 4 抛丸试件表面构造深度 (TD) 及BPN值    下载原表

表1 4 抛丸试件表面构造深度 (TD) 及BPN值

(2) 实际工程中的情况

广西隆林到百色高速公路水泥混凝土路面平整度较差, 路表面具有一定厚度的水泥胶浆层, 细观构造与宏观构造较差。对试验路水泥路面进行抛丸处理, 分别进行了钢珠型号为390、460、550的抛丸处理。抛丸后的TD值和BPN值见表15。

表1 5 抛丸处理后试件的TD值和BPN值    下载原表

表1 5 抛丸处理后试件的TD值和BPN值

由表15可知, 经抛丸处理后TD值略有提高, 但经多点测试发现, 抛丸前后TD值变化并不一致, 由于抛丸与水泥表面为密集点接触, 抛丸后表面构造趋于均匀平整, 因此, 抛丸前表面构造深度大的部分经抛丸后有可能减小, 即抛丸对改善水泥混凝土表面粗糙度并不具有一致性。抛丸后水泥混凝土表面细构造明显, 抗摩擦能力增大。

从试验和工程调查结果看, 对于浮浆层较厚、砂浆组成较均匀的混凝土表面, 若抛丸速度较快, 不能全部清除浮浆层时, 用现有桥面处理工艺参数处置得到的打毛表面平整粗糙, 从构造深度方面来看, 抛丸打毛后总体增加不多甚至可能减小, 但对细观构造暴露有很大帮助, 可大幅提高抗滑指标。

3.3 精铣刨处理工艺表面构造深度研究

采用铣刨机铣刨处理后, 粗糙混凝土表面的效果较好, 质量也可得到保证。轻度铣刨深度为3~5mm, 但经过铣刨的桥面铺装层打掉的不仅是浮浆还有部分骨料, 同时还松动了桥面铺装层表面的部分骨料, 松动的部分骨料难以清除, 使上下结构层结合不够牢固, 不能共同受力, 同时又减少了混凝土或桥面铺装的厚度。另外, 铣刨所产生的纵向沟槽容易导致层间滞留水分[11]。

隆林到百色高速公路施工现场对试验水泥路面进行了铣刨处理, 单机铣刨工作面宽为2m, 铣刨深度为5mm和10mm, 铣刨速度为10~12m/min, 铣刨后的表面构造深度如表16所示。铣刨后的路面粗糙度大幅提高, 形成细密的表面沟槽, 露石十分明显。铣刨后的TD值和BPN值均较大, TD值平均值可达1.54mm, 远高于抛丸打毛和普通刻槽处理。现场还发现铣刨会对接缝造成不利影响, 接缝崩边和接缝材料被损毁, 如图3所示。因此, 建议施工时跳过接缝位置。

表1 6 铣刨后表面构造深度    下载原表

表1 6 铣刨后表面构造深度
图3 铣刨对接缝损伤情况

图3 铣刨对接缝损伤情况   下载原图

 

4 结论

(1) 测试了不同类型细骨料水泥路面表面细观粗糙度的变化情况, 模拟了自然环境和施工酸腐蚀处置对细观粗糙度的影响。室内模拟试验和工程调查都表明, 机制砂混凝土路面表面粗糙度及抗滑性能指标普遍低于天然砂混凝土。

(2) 自然环境下, 随着部分水泥浆和剥落, 旧路表面细观构造有所增加, 天然砂混凝土表面粗糙度普遍达到300μm以上;酸腐蚀处理后, 天然砂混凝土粗糙度有一定增长, 而机制砂表面几乎没有明显变化;新混凝土表面经酸腐蚀处理, 可加速表面浮浆层脱落, BPN值随之明显增加。

(3) 宏观纹理构造表征是采用手工铺砂法检测路面构造深度的方法, 构造深度大于0.4mm时较准确。不同处置工艺可造成宏观构造深度相差较大。

(4) 室内试验和现场调查表明, 不同的刻槽处置工艺参数, 即槽宽、槽深、槽间距对宏观构造深度有直接影响, 刻槽方法工艺简单, 适用范围广, 较适用于表面浮浆层较薄的天然砂混凝土。

(5) 抛丸处理效果受工艺参数以及表面砂浆层或浮浆厚度影响, 室内模拟和实际工程调查都表明, 采用常规工艺参数处理路面, 可暴露出砂浆层内部结构, 得到平整粗糙的表面, 粗糙度明显增加, 但由于表面砂浆层被均匀化清除, 构造深度增加不明显, 增加幅度不超过0.15mm。若想提高构造深度还需进一步研究, 改变目前常用工艺参数。

(6) 精铣刨处理可以清除水泥混凝土表面5~10mm浮浆, 并在有效清除浮浆层的同时形成细密的表面沟槽。铣刨后TD值和BPN值均较大, 其中TD平均值可达1.54mm, 远高于抛丸打毛和普通刻槽处理, 较适合表面浮浆层较多的机制砂混凝土。


此文关键字:路面,抛丸机,水泥,混凝土,表面,尺度,构造,特性,研究,摘

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