基于拋丸工藝的混凝土橋面粗糙度影響研究

王安福，孔令云，嚴(yán)秋榮

（1.廣東省路橋建設(shè)發(fā)展有限公司，廣州　510635；2.重慶交通大學(xué)，重慶　400074；3.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶　400067）

基于拋丸工藝的混凝土橋面粗糙度影響研究

王安福1，孔令云2，嚴(yán)秋榮3

（1.廣東省路橋建設(shè)發(fā)展有限公司，廣州510635；2.重慶交通大學(xué)，重慶400074；3.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶400067）

拋丸技術(shù)在混凝土橋面施工中應(yīng)用非常廣泛，但其大都依照經(jīng)驗(yàn)而定。選擇構(gòu)造深度、摩擦系數(shù)和灰度值作為混凝土橋面板粗糙度評價(jià)指標(biāo)，研究采用不同拋丸工藝時(shí)混凝土橋面板粗糙度的變化情況，分析并得出不同拋丸工藝對橋面粗糙度的影響規(guī)律，其對施工過程中合理確定拋丸工藝有較大的應(yīng)用價(jià)值。

混凝土橋面；拋丸工藝；粗糙度；評價(jià)指標(biāo)

混凝土橋面防水層的鋪設(shè)可以有效減少因橋面滲水造成的損壞，延長橋梁的使用壽命。但由于水泥混凝土橋面板與瀝青混合料鋪裝層之間粘結(jié)力不足而導(dǎo)致橋面推移病害在工程中十分常見，造成這一現(xiàn)象的原因之一就是水泥混凝土橋面板沒有合適的粗糙度［1-2］。采用橋面拋丸對混凝土橋面板進(jìn)行處理，不僅可以將水泥混凝土橋面板上的水泥浮漿清除干凈，而且還可以改變橋面的粗糙度水平［3］。本文采用拋丸打毛試驗(yàn)對混凝土橋面粗糙度進(jìn)行研究，得出拋丸打毛施工工藝對混凝土橋面粗糙度的影響規(guī)律，其對于拋丸技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用有很大的理論指導(dǎo)意義。

1　拋丸設(shè)備和工藝介紹

拋丸是指通過機(jī)械方法把丸料（鋼丸或砂粒）以很高的速度和一定的角度拋射到工作表面上，讓丸料沖擊工作表面，然后在機(jī)器內(nèi)部通過配套吸塵器的氣流清洗作用將丸料和清理下來的雜質(zhì)分別回收，且使丸料可以再次得到利用的技術(shù)。拋丸打毛試驗(yàn)中所用的手扶式拋丸機(jī)見圖1。拋丸機(jī)配有除塵器，做到無塵、無污染施工，既能提高效率，又能保護(hù)環(huán)境。拋丸機(jī)工作時(shí)，通過控制和選擇丸料的顆粒大小、形狀，以及調(diào)整和設(shè)定機(jī)器的行走速度來控制丸料的拋射流量，得到不同的拋射強(qiáng)度和不同的表面處理效果［4-5］。

2　混凝土橋面粗糙度評價(jià)指標(biāo)的選取

試驗(yàn)時(shí)，采用構(gòu)造深度、摩擦系數(shù)和橋面圖片灰度值3項(xiàng)指標(biāo)對拋丸后的橋面粗糙度進(jìn)行評價(jià)。構(gòu)造深度和摩擦系數(shù)的相關(guān)測試方法按照相關(guān)試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行［6］。

灰度值通俗地講其實(shí)就是一張黑白圖片中某一個(gè)像素點(diǎn)的亮度。對于黑白圖像的像素，其像素值取值范圍為0，1，…，255。0代表純黑，255代表純白，其間的其他值表征顏色的深淺，或稱之為灰度。任何一張圖片對于計(jì)算機(jī)而言都是1組數(shù)據(jù)，它由m×n個(gè)像素點(diǎn)組成，每個(gè)像素點(diǎn)都對應(yīng)1個(gè)灰度值（計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)的圖片其每個(gè)像素點(diǎn)都有red，green，blue三色數(shù)據(jù)，各自的數(shù)據(jù)值從0到255，當(dāng)三色數(shù)值均相等時(shí)，該圖即為灰度圖，rgb值即為gray值。該灰度值從0到255對應(yīng)于最黑和最白）［7-8］。

21世紀(jì)開始后，我國一些學(xué)者就數(shù)字圖像分析技術(shù)應(yīng)用于路面構(gòu)造檢測做過初步分析，提出了比較可行的概念設(shè)計(jì)，并陸續(xù)有人將此方法應(yīng)用到瀝青混凝土路面和露石混凝土路面的構(gòu)造深度測試中，且取得了相應(yīng)的研究成果［7］。

圖像處理技術(shù)應(yīng)用于混凝土橋面表面構(gòu)造分析時(shí)，在控制拍攝環(huán)境一定的情況下，灰度值大小不僅受到橋面構(gòu)造深度的影響，而且更多地受到橋面經(jīng)過拋丸后露石情況的影響，且石料顏色等都會(huì)影響灰度值的大小。所以，研究拋丸工藝對混凝土橋面粗糙度影響的試驗(yàn)中所測得的灰度值是綜合橋面多種信息的一個(gè)綜合指標(biāo)。

根據(jù)JTG E60—2008《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定，構(gòu)造深度采用手工鋪沙法測定，摩擦系數(shù)采用擺式儀測定，灰度值采用matlab對現(xiàn)場拍攝的圖片進(jìn)行分析計(jì)算得到。

圖1　手扶式拋丸機(jī)

3　不同拋丸工藝下各指標(biāo)值的變化

拋丸工藝主要涉及到同一塊橋面板的拋丸遍數(shù)和拋丸機(jī)行走速度2方面。本文現(xiàn)場選取試驗(yàn)橋，利用拋丸打毛技術(shù)對橋面板進(jìn)行處理，研究拋丸遍數(shù)和拋丸機(jī)行走速度變化情況下，上述粗糙度各指標(biāo)值的變化。試驗(yàn)時(shí)，設(shè)置了拋丸1次、拋丸2次、拋丸3次、拋丸4次4種遍數(shù)和15、20、25 m/min 3種拋丸速度。采用不同的拋丸方案對試驗(yàn)橋進(jìn)行拋丸處理，通過現(xiàn)場測定拋丸后粗糙度評價(jià)指標(biāo)值來分析不同拋丸方案對各指標(biāo)的影響。

3.1拋丸工藝對構(gòu)造深度的影響

拋丸工藝對構(gòu)造深度影響的試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2　拋丸工藝對構(gòu)造深度的影響結(jié)果

分析圖2可以看出，拋丸之后混凝土橋面板的構(gòu)造深度整體呈減小趨勢。當(dāng)拋丸機(jī)以13 m/min較慢的速度行走時(shí)，構(gòu)造深度在拋丸第1次后的變化量最大，且拋丸1次構(gòu)造深度就接近最小值，后面3次拋丸構(gòu)造深度也有變化，但變化量很小，且上下波動(dòng)。當(dāng)拋丸機(jī)以20 m/min的速度行走時(shí)，構(gòu)造深度每次的變化量都較小，且拋丸4次后構(gòu)造深度的減小量才接近速度為13 m/min時(shí)拋丸1次后構(gòu)造深度的減小量。

當(dāng)拋丸機(jī)以13 m/min速度行走時(shí)，構(gòu)造深度在第1次打毛后有20%左右的減小幅度，之后幾次打毛對構(gòu)造深度影響很小，后面3次拋丸效果只使構(gòu)造深度又減小了約6%。但當(dāng)其以20 m/min速度行走時(shí)，拋丸第1次后構(gòu)造深度僅僅減小了2%，且隨著拋丸次數(shù)增加構(gòu)造深度逐漸減小，到拋丸第4次后構(gòu)造深度總計(jì)減小約20%。

分析可知，拋丸機(jī)以13 m/min低速行走時(shí)，拋丸次數(shù)對構(gòu)造深度影響很小，拋丸1次構(gòu)造深度就接近極值；而拋丸機(jī)以20 m/min速度行走時(shí)，打毛次數(shù)對構(gòu)造深度有較大影響，需進(jìn)行多次拋丸構(gòu)造深度才有較大改變。

3.2拋丸工藝對摩擦系數(shù)的影響

拋丸工藝對摩擦系數(shù)的影響的試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3　拋丸工藝對摩擦系數(shù)的影響結(jié)果

由圖3可以看出，當(dāng)拋丸機(jī)行走速度為13 m/min時(shí)，摩擦系數(shù)在拋丸1次后就達(dá)到最大值，繼續(xù)拋丸反而會(huì)使摩擦系數(shù)逐漸減小；當(dāng)速度為20 m/min時(shí)，摩擦系數(shù)在拋丸第2次后達(dá)到最大值，但拋丸1次和拋丸2次摩擦系數(shù)的增幅僅相差2%，繼續(xù)增加拋丸次數(shù)也會(huì)使摩擦系數(shù)變小；當(dāng)速度為25 m/min時(shí)，4次拋丸都使摩擦系數(shù)逐漸增大。

分析試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)采用13 m/min的拋丸速度時(shí)，拋丸1次摩擦系數(shù)增幅就為7.5%，達(dá)到了極值，增加拋丸遍數(shù)反而會(huì)使摩擦系數(shù)的改變量變小。當(dāng)采用25 m/min的拋丸速度時(shí)，每次拋丸都使摩擦系數(shù)增大，但前2次拋丸對摩擦系數(shù)的改變量較大，約為3.5%；后2次拋丸對摩擦系數(shù)的改變量只約接近1.5%。當(dāng)采用中間拋丸速度20 m/min時(shí)，拋丸第1次后摩擦系數(shù)有一個(gè)6.8%的較大改變量；拋丸第2次后摩擦系數(shù)也繼續(xù)增大，但改變量較小，只有2%；繼續(xù)拋丸則摩擦系數(shù)改變量就開始減小。

因此，拋丸速度20 m/min為一個(gè)分界點(diǎn)，當(dāng)拋丸速度≤20 m/min時(shí)，拋丸1次，摩擦系數(shù)改變量就基本接近最大值，此時(shí)增加拋丸次數(shù)沒有經(jīng)濟(jì)價(jià)值，即拋丸1次就可以。當(dāng)拋丸速度 ＞20 m/min時(shí)，拋丸2次摩擦系數(shù)都有較大改變量，所以應(yīng)拋丸2次。但當(dāng)拋丸速度＞25 m/min時(shí)，拋丸2次摩擦系數(shù)的改變量距極值還有一定差距，而在這一速度水平下繼續(xù)增加拋丸次數(shù)顯然在經(jīng)濟(jì)上是不合理的，所以應(yīng)將拋丸速度控制在＜25 m/min范圍內(nèi)。

3.3拋丸工藝對灰度的影響

由于灰度值與宏觀構(gòu)造深度、陽光照射角度、集料類型（自身顏色）等有關(guān)，所以現(xiàn)場測試時(shí)，為了排除橋面板自身以外其他因素對測試值的影響，應(yīng)控制測試環(huán)境穩(wěn)定，試驗(yàn)時(shí)，自行設(shè)計(jì)了一套現(xiàn)場控光系統(tǒng)和拍攝系統(tǒng)，從而保證了每次拍攝條件的恒定。

拋丸工藝對灰度值的影響結(jié)果見圖4。分析圖4可知，采用不同的3種拋丸速度，灰度值整體都呈增大趨勢。當(dāng)采用13 m/min的拋丸速度時(shí)，灰度值在每次拋丸之后都有增幅，但前2次增幅較大，約為18%；后2次增幅很小，只有2%左右。當(dāng)采用20 m/min的拋丸速度時(shí)，拋丸前2次對灰度值的改變量也較小，拋丸第3次后灰度值反而減小，但拋丸第4次后灰度值又有較大增幅。當(dāng)采用25 m/min的拋丸速度時(shí)，拋丸前3次灰度值都有增幅，但拋丸第4次后灰度值減小。

圖4　拋丸工藝對灰度值的影響結(jié)果

分析試驗(yàn)結(jié)果可知，拋丸工藝對灰度值的影響并無明顯規(guī)律，僅僅在總體上使灰度值呈增大趨勢。

4　結(jié)論

1）本次試驗(yàn)采用的拋丸機(jī)型號為SG 2-550，鋼丸型號為S330，拋丸工藝的影響因素只有拋丸遍數(shù)和拋丸速度。

2）混凝土橋面經(jīng)過拋丸之后，橋面構(gòu)造深度總體減小，摩擦系數(shù)和灰度值呈增大趨勢。

3）分析拋丸工藝對構(gòu)造深度、摩擦系數(shù)和灰度值的影響可知，當(dāng)拋丸速度≤20 m/min時(shí)，拋丸1次即可；當(dāng)拋丸速度＞20 m/min時(shí)，應(yīng)拋丸2次；應(yīng)將拋丸速度控制在＜25 m/min范圍內(nèi)。

4）現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)表明，拋丸遍數(shù)并非越多越好。對于摩擦系數(shù)來說，若采用≤20 m/min拋丸速度拋丸超過2遍，則會(huì)使摩擦系數(shù)值減小。

［1］吳立新，呂魏，趙陽.基于性能試驗(yàn)的典型橋面防水粘結(jié)層應(yīng)用探討［J］.北方交通，2014（6）：36-39.

［2］王篤喜，陳仕周，周麗麗.幾種水泥混凝土橋面防水粘結(jié)層的疲勞性能試驗(yàn)分析［J］.公路交通技術(shù)，2012 （4）：96-108.

［3］王嘉駿，張宏超，朱立國.混凝土橋面鋪裝拋丸處治技術(shù)［J］.中外公路，2011，31（4）：170-173.

［4］羅宏儉.水泥混凝土橋面拋丸技術(shù)應(yīng)用研究［J］.中外公路，2009，29（1）：143-146.

［5］鄭少鵬，彭鵬，謝晉，等.水泥混凝土路面拋丸機(jī)施工效果研究［J］.中外公路，2013，36（6）：85-88.

［6］交通部公路科學(xué)研究院.JTG E60—2008公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程［S］.北京：人民交通出版社，2008.

［7］劉琬辰，黃曉明.基于圖像處理的瀝青路面構(gòu)造深度評價(jià)方法的優(yōu)化研究［J］.北方交通，2013（3）：9-13.

［8］王端宜，李維杰，張肖寧.用數(shù)字圖像技術(shù)評價(jià)和測量瀝青路表面構(gòu)造深度［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2004，32（2）：42-45.

Study on Influence to Roughness of Concrete Bridge Pavement by Shot Blasting Process

WANG Anfu1，KONG Lingyun2，YAN Qiurong3

Shot blasting process is widely applied in concrete bridge pavement construction，often according to experience.This paper takes structure depth，friction coefficient and grey level as evaluation indices for bridge pavement roughness，and studies the variation of bridge pavement roughness under different shot blasting processes，to analyze and conclude the rules of bridge pavement roughness influence by different shot blasting processes，this has high applicable value for determining proper shot blasting process during construction.

concrete bridge pavement；shot blasting process；roughness；evaluation index

1009-6477（2016）04-0080-03

U443.31

A

10.13607/j.cnki.gljt.2016.04.018

2014年重慶高校優(yōu)秀成果轉(zhuǎn)化資助項(xiàng)目（KJZH14104）

2016-02-19

王安福（1964-），男，湖北省武漢市人，本科，副研究員。