一種新型露石劑及其使用性能的對(duì)比試驗(yàn)

王火明，李汝凱，周 剛，陳 飛，謝鵬宇

（1.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400067；2.重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，重慶 400074）

剛?cè)釓?fù)合式路面由水泥混凝土基層加鋪瀝青混凝土面層組合而成，綜合了水泥混凝土路面與瀝青混凝土路面的優(yōu)點(diǎn)，既提高了路面結(jié)構(gòu)的承載能力，又改善了路面平整度和行車舒適性，是一種路用性能良好的路面結(jié)構(gòu)形式［1－4］.由于復(fù)合式路面基層與面層材料剛度相差較大，位于剛?cè)徇^渡區(qū)的界面層受力極其復(fù)雜，是復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)受力最薄弱的區(qū)域，極易發(fā)生破壞.界面層黏結(jié)強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度的好壞直接關(guān)系到復(fù)合式路面的使用壽命［5－8］.事實(shí)證明，絕大多數(shù)復(fù)合式路面的破壞源于界面層強(qiáng)度不足.因此，采取必要措施來提高界面層強(qiáng)度至關(guān)重要.研究表明，界面處治措施對(duì)于提高界面層強(qiáng)度具有顯著作 用［1－2，8］.目前，常用的界面處治措施有噴砂、精銑刨、拉毛、壓紋、拋丸和刻槽等，這些措施各有優(yōu)缺點(diǎn).精銑刨、拋丸等處理方法可以滿足界面表面的粗糙程度要求，達(dá)到預(yù)期抗剪強(qiáng)度和黏結(jié)強(qiáng)度，但是施工效率低、環(huán)境污染大，成本較高；拉毛、壓紋等處理方法具有良好的經(jīng)濟(jì)性，但是對(duì)界面層強(qiáng)度貢獻(xiàn)不大，往往不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求.

本文針對(duì)復(fù)合式路面界面處理方式存在的問題，通過室內(nèi)試驗(yàn)，開發(fā)出一種既有效又經(jīng)濟(jì)的界面層處理材料——高碳糖露石劑，通過室內(nèi)拉拔試驗(yàn)和剪切試驗(yàn)對(duì)其使用效果進(jìn)行了對(duì)比研究，并依托工程實(shí)踐對(duì)其使用效果進(jìn)行了進(jìn)一步驗(yàn)證，為復(fù)合式路面界面處理提供了一種較優(yōu)的新技術(shù).

1 高碳糖露石劑研發(fā)及其技術(shù)指標(biāo)

1.1 高碳糖露石劑研發(fā)

露石劑的使用目的是使混凝土板表面產(chǎn)生一定的露石高度.本文研發(fā)的露石劑主要包括G－E，G－F和水3種組分，其中G－E和G－F的主要成分為高碳糖.高碳糖露石劑能吸附在水泥顆粒表面，使水泥－水體系的自由焓降低，穩(wěn)定性提高，抑制水泥顆粒的凝聚，有效減緩水泥中4 種活性礦物成分（硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣、鐵鋁酸四鈣）與水反應(yīng)的速度，是一種效果很好的混凝土表面處理材料.在混凝土表面噴灑高碳糖露石劑后，能在一定厚度范圍內(nèi)延緩水泥砂漿的凝結(jié)時(shí)間，使表層混凝土的凝結(jié)晚于內(nèi)部混凝土.隨后用水將表層尚未凝結(jié)的水泥砂漿沖掉，使部分石子裸露而形成粗糙表面，以增強(qiáng)其與瀝青面層的嵌鎖咬合作用，起到提高界面層抗剪強(qiáng)度與黏結(jié)強(qiáng)度的目的.

按水、G－E和G－F不同質(zhì)量比配制高碳糖露石劑，并進(jìn)行露石試驗(yàn)，根據(jù)所獲得的露石效果來確定其最佳摻配比例.另外，用一種目前應(yīng)用較廣、露石效果較好的A 型露石劑作為對(duì)照.分別成型30cm×30cm×5cm 的混凝土板，在其上噴灑高碳糖露石劑和A 型露石劑，試驗(yàn)溫度為15℃.到達(dá)規(guī)定時(shí)間（27h）后，用水沖洗混凝土板表面，并采用鋪砂法測(cè)定其露石高度h.露石劑噴灑量Ms、開始沖洗時(shí)間tw、露石高度h等試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1.

表1 噴灑露石劑后的混凝土板露石高度Table 1 Lucy stone height of concrete slabs after spraying aggregate exposing solvent

由表1可以看出：隨著高碳糖露石劑中G－E 和G－F摻量的增加，露石高度也隨之增長，且前期增長迅速而后期增長緩慢；在G－E 質(zhì)量和G－F質(zhì)量各占水質(zhì)量的10%，即m（H2O）∶m（G－E）∶m（G－F）＝10∶1∶1（w（H2O）∶w（G－E）∶w（G－F）＝100%∶10%∶10%）時(shí)，高碳糖露石劑與A 型露石劑的露石效果相近.綜合考慮露石效果及經(jīng)濟(jì)效益，本文選定新型高碳糖露石劑3 種組分的質(zhì)量比為：m（H2O）∶m（G－E）∶m（G－F）＝10∶1∶1.

1.2 高碳糖露石劑技術(shù)參數(shù)

經(jīng)過室內(nèi)反復(fù)試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，為保證最佳沖洗效果，在沖洗混凝土板表面時(shí)應(yīng)該將沖水水柱與混凝土板面交角控制在30°～45°.露石劑噴灑劑量ms、噴灑壓強(qiáng)ps、噴灑時(shí)間（從混凝土成型開始到噴灑露石劑的時(shí)間間隔）ts以及混凝土板表面沖洗壓強(qiáng)pw如表2所示.室內(nèi)試驗(yàn)溫度為15℃，但現(xiàn)場(chǎng)施工溫度不可控，為此，對(duì)其他幾種室內(nèi)溫度下露石劑的開始沖洗時(shí)間也進(jìn)行了研究，得到的最早、最晚及最適宜開始沖洗時(shí)間如表3所示.

表2 高碳糖露石劑技術(shù)指標(biāo)Table 2 Technical indicators of high carbon sugar aggregate exposing solvent

表3 高碳糖露石劑的開始沖洗時(shí)間Table 3 Washing time of high carbon sugar aggregate exposing solvent

1.3 高碳糖露石劑成本分析

本文所用的A 型露石劑市場(chǎng)價(jià)格為12 000元／t，單價(jià)成本為3.0 元／m2；高碳糖露石劑由G－E，GF和水復(fù)配而成，G－E 和G－F 的市場(chǎng)價(jià)格分別為2 700，5 645 元／t，換算成單價(jià)成本為0.21 元／m2.由此可見，高碳糖露石劑的價(jià)格優(yōu)勢(shì)明顯，相比A型露石劑可節(jié)省約93%的成本.

2 試驗(yàn)方法及試件制備

2.1 室內(nèi)拉拔和剪切試驗(yàn)方法

采用拉拔試驗(yàn)（MTS）和45°斜剪試驗(yàn)對(duì)比研究了不同界面層處理方式下的界面層抗剪強(qiáng)度與黏結(jié)強(qiáng)度.每種界面處理方式均做3組平行試驗(yàn)，每組5塊試件，結(jié)果取平均值.試驗(yàn)原理如圖1，2所示.

圖1 拉拔示意圖Fig.1 Drawing test

圖2 45°斜剪切示意圖Fig.2 45°ramps shear test

試驗(yàn)時(shí)的拉拔速度與剪切速度均為10mm／min，試驗(yàn)溫度為25 ℃；拉拔試驗(yàn)中拉頭底面面積A1為1 963.5mm2，剪切試驗(yàn)中加載裝置的剪切角α為45°.界面層抗剪強(qiáng)度與黏結(jié)強(qiáng)度分別按式（1），（2）計(jì)算：

式中：τ為抗剪強(qiáng)度，MPa；Q 為試件剪切面上的切向力，N；A2為試件受剪面的截面面積，mm2；M 為試件所受荷載，N.

式中：σ為黏結(jié)強(qiáng)度，MPa；F 為最大拉拔力，N.

2.2 試件制備

瀝青混合料選用SBS 改性瀝青，油石比（質(zhì)量比）為4.3%；集料選用潔凈、干燥且表面粗糙的石灰?guī)r，其公稱最大粒徑為20 mm，合成級(jí)配見表4；礦粉由同批次的石灰?guī)r磨制而成，摻量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為2.0%.基層采用C40 水泥混凝土板；黏結(jié)層采用熱涂SBS改性瀝青，用量為0.8～1.2kg／m2.

表4 AC－20合成級(jí)配Table 4 Synthetic gradation of AC－20

3 室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 黏結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果與分析

采用不同界面處理方式，測(cè)得混凝土板表面露石高度h、界面層黏結(jié)強(qiáng)度σ及試件破壞情況見表5（括號(hào)內(nèi)數(shù)字代表混凝土板厚度）.

由表5 可見：（1）與光面（未處理基層混凝土板）、拉毛工藝相比，采用高碳糖露石劑或噴砂處理可獲得較高的界面層黏結(jié)強(qiáng)度，混凝土板厚度為5cm時(shí)，這兩者的界面層黏結(jié)強(qiáng)度均在1.4MPa左右且相差很小.主要原因是采用噴砂或高碳糖露石劑處理后的混凝土板表面露石高度較大、表面粗糙，增加了基層混凝土板與上層間的接觸面積和嵌鎖咬合作用.（2）經(jīng)2種露石劑和噴砂工藝處理后，試件斷裂面幾乎全部發(fā)生在混凝土板內(nèi)部；經(jīng)拉毛處理后的試件，其斷裂面與光面處理試件的斷裂面相近，主要發(fā)生在界面黏結(jié)層與混凝土板之間，說明混凝土板表面浮漿會(huì)大大降低界面層的黏結(jié)性能.（3）當(dāng)基層混凝土板厚度由5cm 增加到7cm 時(shí)，采用露石劑處理后的露石高度有所增加，其界面層黏結(jié)強(qiáng)度比噴砂處理后的高出近20%，說明在處理較厚的水泥混凝土板時(shí)采用露石劑處理具有明顯優(yōu)勢(shì).按常理，露石高度與混凝土板厚度關(guān)系不大，主要與露石劑種類、噴灑量、溫度和沖洗時(shí)間有關(guān)，但本次試驗(yàn)結(jié)果卻明確顯示混凝土板越厚則露石高度越大，這或許跟試驗(yàn)時(shí)采用的混凝土級(jí)配（碎石粒徑）有關(guān).為了控制混凝土的和易性，本試驗(yàn)在成型不同厚度的混凝土板時(shí)采用了不同粒徑的碎石，7cm 厚板所用的碎石最大公稱粒徑為26.5mm，5cm 厚板采用的碎石最大公稱粒徑為19mm.或許是混凝土級(jí)配的差異導(dǎo)致了兩者露石高度的不同，對(duì)此須在后續(xù)試驗(yàn)中做進(jìn)一步研究.（4）采用拉毛、噴砂和露石劑等工藝處理水泥混凝土板表面后，隨著露石高度的增加，界面層黏結(jié)強(qiáng)度也隨之增強(qiáng)；可用擬合公式y(tǒng) ＝0.175 1x＋0.803 3來表示這兩者的關(guān)系（R2＝0.884 3），說明界面層黏結(jié)強(qiáng)度與混凝土板露石高度之間存在良好的線性相關(guān)性.

表5 25℃黏結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Results of bond strength at 25℃

3.2 抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果與分析

采用不同界面層處理方式，測(cè)得混凝土板表面露石高度h、界面層抗剪強(qiáng)度τ，見表6所示（括號(hào)內(nèi)數(shù)字代表混凝土板厚度）.

由表6可見，對(duì)于不同的界面層處理方式，混凝土板界面層抗剪強(qiáng)度大小順序?yàn)椋篈 型露石劑（7cm）＞高碳糖露石劑（7cm）＞A 型露石劑（5cm）＞高碳糖露石劑（5cm）＞噴砂＞拉毛＞光面，即采用露石劑處理后的界面層抗剪強(qiáng)度大于噴砂、拉毛和光面處理方式，但2種露石劑處理后的界面層抗剪強(qiáng)度相差不大.主要原因是采用露石劑處理的混凝土板表面粗糙、露石高度較大，致使混凝土板表面部分外露石子與瀝青混合料之間相互嵌鎖咬合，同時(shí)還間接增加了層與層之間的接觸面積，因此使界面層抗剪強(qiáng)度大大提高.由此可見，用G－E，G－F 和水復(fù)配而成的高碳糖露石劑可明顯增強(qiáng)界面層的抗剪強(qiáng)度.此外，通過觀察試件破壞斷面可以發(fā)現(xiàn)，受剪切作用破壞后斷裂面大都發(fā)生在中間界面層處，但界面破壞形態(tài)并不清晰.同時(shí)還可看出，復(fù)合式路面界面層剪切強(qiáng)度與其露石高度之間也存在良好的線性相關(guān)性，可用y＝0.164 3x＋0.841 5來表示兩者關(guān)系（R2＝0.885 9）.

表6 25℃抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Results of shear strength at 25℃

3.3 界面層剪切強(qiáng)度與黏結(jié)強(qiáng)度相關(guān)性分析

根據(jù)表5，6 的數(shù)據(jù)，可作出界面層黏結(jié)強(qiáng)度σ與界面層抗剪強(qiáng)度τ 的關(guān)系曲線，如圖3所示.

圖3 25℃黏結(jié)強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系Fig.3 Relationship between bond strength and shear strength at 25℃

對(duì)圖3 所得直線進(jìn)行線性擬合，得到擬合式y(tǒng)＝0.909 0x＋0.124 4.由圖3可見：同條件下界面層黏結(jié)強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度相當(dāng)，且兩者之間呈線性正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)R2＝0.914 4，這一關(guān)系對(duì)工程建設(shè)具有重要意義.對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)施工路段而言，界面層抗剪強(qiáng)度無法測(cè)量，此時(shí)即可通過室內(nèi)試驗(yàn)來測(cè)定界面層黏結(jié)強(qiáng)度，從而間接得到界面層抗剪強(qiáng)度值.界面層黏結(jié)強(qiáng)度的好壞可以在一定程度上反映出界面層抗剪強(qiáng)度的大小，即界面層黏結(jié)強(qiáng)度在一定程度上代表了復(fù)合式路面的界面層強(qiáng)度.

3.4 復(fù)合式路面界面層特性分析

研究和實(shí)踐表明，復(fù)合式路面的損壞（表層開裂、推移擁包）與界面層強(qiáng)度不足密切相關(guān)［8］.弄清楚復(fù)合式路面界面層強(qiáng)度形成機(jī)理，對(duì)于采取科學(xué)合理手段進(jìn)行界面處理有著重要指導(dǎo)意義.復(fù)合式路面界面層大多采用瀝青或高分子材料作為黏結(jié)層，當(dāng)界面層所處環(huán)境溫度過高時(shí)，黏結(jié)材料將表現(xiàn)出流變性，再加上界面層處于富油區(qū)，此時(shí)的黏結(jié)材料在層間起到潤滑作用，會(huì)明顯降低層間抗剪切性能，此其一.其二，對(duì)于剛?cè)釓?fù)合式路面而言，界面層抗剪強(qiáng)度與黏結(jié)強(qiáng)度密切相關(guān)，抗剪強(qiáng)度主要取決于界面處理方式，黏結(jié)強(qiáng)度則主要取決于界面層材料［8］.因此，要提高界面層強(qiáng)度，必須對(duì)界面進(jìn)行科學(xué)有效的處理，界面處理要求潔凈、粗糙.其三，采用露石技術(shù)可以得到粗糙、潔凈的界面，有效提高界面層黏結(jié)強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度，從而減少復(fù)合式路面在運(yùn)營期可能出現(xiàn)的損壞現(xiàn)象.其四，在使用效果相當(dāng)（界面層抗剪強(qiáng)度和黏結(jié)強(qiáng)度相當(dāng)）的情況下，采用本文研發(fā)的高碳糖露石劑，可以節(jié)省成本約93%.

4 工程實(shí)踐驗(yàn)證

本文結(jié)合廣東省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目“重載條件下復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)及界面處理技術(shù)研究”，在二廣高速懷集先行段驗(yàn)證了露石式深構(gòu)造界面處理技術(shù)的使用效果，并對(duì)比研究了噴灑高碳糖露石劑、精銑刨與光面3種界面處理方式下水泥混凝土板表面露石高度與界面層黏結(jié)強(qiáng)度的差異.露石式深構(gòu)造界面處理技術(shù)施工工藝如下：

（1）準(zhǔn)備工作：配制高碳糖露石劑及準(zhǔn)備有關(guān)施工設(shè)備，確保露石劑摻配比例符合要求.

（2）噴灑露石劑：按表2要求，采用小型壓力式噴霧器在水泥混凝土板表面噴灑露石劑，噴灑壓強(qiáng)控制在0.4～0.5MPa.

（3）薄膜養(yǎng)生：為了防止水分及露石劑蒸發(fā)，噴灑露石劑后5～10min內(nèi)采用橫向滾動(dòng)法在水泥混凝土板表面上覆蓋塑料薄膜，覆蓋完畢后將薄膜邊緣及拐角處用木條壓緊.

（4）沖洗：按表3規(guī)定的開始沖洗時(shí)間，采用低壓水槍沖洗水泥混凝土板表面；為了保證沖洗質(zhì)量，沖洗壓強(qiáng)宜控制在0.5～0.7MPa，用水量為25kg／m2，角度控制在30°～45°.

（5）養(yǎng)生：沖洗完水泥混凝土板表面后噴灑養(yǎng)護(hù)劑進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)要求與現(xiàn)有水泥混凝土相同.

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果見表7.由表7可知：與光面和精銑刨處理方式相比，采用高碳糖露石劑處理的路段其露石高度分別提高了8.66倍和0.90倍；界面層黏結(jié)強(qiáng)度則分別提高了2.60倍和0.88倍，表明采用高碳糖露石劑可顯著提高復(fù)合式路面界面層黏結(jié)強(qiáng)度，且成本相對(duì)較低.從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果來看，界面層黏結(jié)強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度要比室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果低，這可能與現(xiàn)場(chǎng)的界面層施工質(zhì)量控制有關(guān)，現(xiàn)場(chǎng)黏結(jié)層采用的是SBS熱瀝青＋碎石，SBS熱瀝青噴灑的均勻性和碎石潔凈程度均會(huì)影響界面層強(qiáng)度，而室內(nèi)試驗(yàn)則不存在上述因素的影響.

表7 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果Table 7 Results of field test

5 結(jié)論

（1）通過MTS拉拔試驗(yàn)和45°剪切試驗(yàn)，得出經(jīng)過不同處理措施的界面層強(qiáng)度大小排序?yàn)椋篈 型露石劑＞高碳糖露石劑＞噴砂＞拉毛＞光面；為了有效提高界面層強(qiáng)度，建議新建復(fù)合式路面施工時(shí)對(duì)水泥混凝土板表面進(jìn)行露石式深構(gòu)造界面處理.

（2）界面層抗剪強(qiáng)度與露石高度、界面層黏結(jié)強(qiáng)度與露石高度兩兩之間存在良好的線性相關(guān)關(guān)系，界面層抗剪強(qiáng)度和黏結(jié)強(qiáng)度均隨著露石高度的增加而增加.由于施工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定界面層抗剪強(qiáng)度較為困難，可根據(jù)所測(cè)界面層黏結(jié)強(qiáng)度，通過換算得到界面層抗剪強(qiáng)度.

（3）本文研發(fā)的高碳糖露石劑使用性能與市場(chǎng)上的露石劑接近，但成本不足其10%，具有良好性價(jià)比.依托工程實(shí)踐，提出了高碳糖露石劑施工工藝.

（4）采用水、G－E 和G－F質(zhì)量比為10∶1∶1配制的露石劑具有最佳露石效果；其施工參數(shù)如下：露石劑噴灑量為（250±25）g／m2，噴灑壓強(qiáng)為0.4～0.5MPa，沖洗角度為30°～45°；沖洗壓強(qiáng)為0.5～0.7 MPa，露石劑噴灑時(shí)間為混凝土成型后10～60min，開始沖洗時(shí)間為露石劑噴灑后8～40h，最佳噴灑和開始沖洗時(shí)間與外部環(huán)境溫度有關(guān).

［1］蒙藝.CRC＋AC復(fù)合式路面層間剪應(yīng)力與黏結(jié)層材料抗剪強(qiáng)度研究［D］.長沙：湖南大學(xué).2011.MENG Yi.Research on the shear stress of inter－layer and shear strength of tack coat materials of CRC＋AC composite pavement［D］.Changsha：Hunan University，2011.（in Chinese）

［2］劉朝輝，鄭建龍.CRC＋AC 復(fù)合式瀝青路面層間界面黏結(jié)層抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究［J］.中外公路，2007，27（9）：46－49.LIU Zhaohui，ZHENG Jianlong.Research on shear strength of inter－layer of CRC＋AC composite pavement［D］.Journal of China ＆Foreign Highway，2007，27（9）：46－49.（in Chinese）

［3］羅敏.露石混凝土橋面板應(yīng)用及層間抗剪性能研究［D］.西安：長安大學(xué)，2009.LUO Ming.Research on application of the deck and inter－layer shear behavior of the exposed－aggregate concrete［D］.Xi'an：Chang'an University，2009.（in Chinese）

［4］劉朝輝，華正良，鄭建龍.剛?cè)釓?fù)合式瀝青路面層間結(jié)合技術(shù)［J］.公路交通科技，2008（5）：21－26.LIU Zhaohui，HUA Zhengliang，ZHENG Jianlong.Inter－layer combining technique for rigid－flexible combined asphalt pavement［D］.Technology of Highway and Transport，2008（5）：21－26.（in Chinese）

［5］劉柳.露石水泥混凝土路面表面性能研究［D］.重慶：重慶交通大學(xué)，2008.LIU Liu.Research on surface performance of exposed－aggregate concrete［D］.Chongqing：Chongqing Jiaotong University，2008.（in Chinese）

［6］程道虎，韓森.混凝土橋面防水粘層材料最佳用量與層間抗剪強(qiáng)度分析［J］.世界橋梁，2010（2）：55－58.CHENG Daohu，HAN Sen.Analysis of optional usage of waterproof binding materials and interlayer shearing strength of concrete bridge deck［J］.World Bridge，2010（2）：55－58.（in Chinese）

［7］顧興宇，馬翔，倪富健.CRCP板與瀝青混凝土面層間黏結(jié)層材料試驗(yàn)研究［J］.公路交通科技，2005，22（6）：14－17.GU Xingyu，MA Xiang，NI Fujian.Study on tack coat interface layer test for CRCP slab and AC surface［J］.Technology of Highway and Transport，2005，22（6）：14－17.（in Chinese）

［8］王火明，凌天清，肖友高，等.剛?cè)釓?fù)合式路面界面層強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，32（6）：1033－1036.WANG Huoming，LING Tianqing，XIAO Yougao，et al.Experimental study on interface layer strength characteristics of rigid－flexible composite pavement［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University：Natural Science，2009，32（6）：1033－1036.（in Chinese）