水泥混凝土路面的新型紋理參數(shù)研究

何小剛, 吳 迪, 劉 波, 陳 搏, 張彬輝

(1.中交二公局東萌工程有限公司， 西安 710119； 2.華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院， 廣州 510641)

由于隧道內(nèi)外路面光照度、溫濕度不同，隧道內(nèi)部涌水及滴水特殊路段長時(shí)間行車油污、尾氣污染及車輛輪胎沾水導(dǎo)致路面濕滑等情況的存在，致使隧道路面在使用初期容易出現(xiàn)抗滑性能衰減過快的問題，行車安全存在重大隱患[1-2]。水泥混凝土路面依然是長大隧道鋪面的主要結(jié)構(gòu)形式，通常使用橫向刻槽，縱向刻槽及縱橫向組合刻槽的形式提高路面摩擦力。但是諸多工程經(jīng)驗(yàn)顯示，刻槽的水泥路面雖然可以保證較大的構(gòu)造深度水平，但是表面的紋理粗糙度依然不夠，體現(xiàn)在初始抗滑水平偏低和長期抗滑耐久性不足。這一方面與水泥混凝土耐磨特性有關(guān)，另一方面受到路面構(gòu)造形態(tài)的影響[3-4]。

2012年，索朗機(jī)工坊推出了一種新型紋理化技術(shù)(代號HOG，意為“野豬”形態(tài))，其沿著行車道方向上，在水泥混凝土路面表層切削出一些致密的波浪形紋理，其粗糙的表面特性顯著改善了水泥路面的抗滑性能，近年來在湖北、廣東等省份的高速項(xiàng)目得到應(yīng)用[5]。不同于普通鋸片刻槽，經(jīng)HOG紋理化處理后路面呈現(xiàn)具備良好鑲嵌性的縱向波浪形淺紋理。工程表明，紋理化路面處治的構(gòu)造深度均勻，交驗(yàn)的橫向力水平接近瀝青路面；此外，HOG水泥混凝土路面紋理化技術(shù)可改善路面平整度，降低行車噪聲污染，增加行車舒適性。根據(jù)近期隧道行駛狀況的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)高速行駛速度下(超過 100 km/h)，車輛在隧道致密的紋理化路面上行駛存在明顯的“發(fā)飄”現(xiàn)象，對行車穩(wěn)定性有較大影響。不少項(xiàng)目反饋，HOG紋理化程度過高將導(dǎo)致轉(zhuǎn)向阻力矩過大，易引發(fā)劇烈的行車側(cè)向擺振效應(yīng)。目前紋理化技術(shù)并無明確的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，紋理參數(shù)的選擇主要依靠經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)路段選取，因此，有必要對水泥路面紋理化參數(shù)的合理化選取技術(shù)開展研究。

為了進(jìn)一步改善水泥紋理化路面的抗滑性能，減少車輛行駛的擺振問題，本文分別選取不同的刀組間距參數(shù)和紋理深度、寬度參數(shù)組合，分別進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，在充分考慮路面抗滑性能和行車穩(wěn)定性雙目標(biāo)控制的基礎(chǔ)上，確定合理的紋理化參數(shù)組合。

1 紋理化技術(shù)介紹

1.1 HOG紋理技術(shù)

HOG水泥混凝土路面紋理化技術(shù)是采用高強(qiáng)度刃具和獨(dú)特的等壓無沖擊方式在新舊水泥混凝土路面淺表層沿順車道方向切削出致密的波浪形紋理。該技術(shù)克服了銑刨機(jī)刻紋過程中容易出現(xiàn)突起位置“脫皮露骨”與低洼位置“漏刻留白”的問題。HOG水泥混凝土路面紋理化技術(shù)將切削刀具設(shè)計(jì)改為非旋轉(zhuǎn)式的，能夠在每個(gè)刀頭接觸點(diǎn)隨路面高低不同做出相應(yīng)變化，并通過控制刀頭的非剛性受力來控制對路面粗集料的沖擊破壞。作用在刀頭上的壓力恒定這一特有的作業(yè)方式可以實(shí)現(xiàn)紋理深度一致，同時(shí)也避免了旋轉(zhuǎn)刀具的作業(yè)方式對路面造成的沖擊導(dǎo)致路面出現(xiàn)肉眼難以觀察的小裂痕，從而影響路面耐久性。紋理化技術(shù)路面效果如圖1所示。

圖1 紋理化路面

1.2 紋理化技術(shù)對抗滑性能的影響

HOG紋理化技術(shù)處理后路面呈現(xiàn)良好鑲嵌性的縱向波浪形淺紋理，其宏觀構(gòu)造凹槽可以有效排除路表積水，降低水膜厚度，增加了輪胎與路面構(gòu)造凸起峰的有效接觸面積，從而保持輪胎/路面之間處于“干燥接觸”狀態(tài)，提供較好的摩擦力。同時(shí)，路面經(jīng)紋理化技術(shù)處理后，其弧形的縱向凹槽可以更好貼合車輛輪胎，增加輪胎與槽內(nèi)微觀構(gòu)造的有效接觸面積，能提供很好的側(cè)向防滑性能，即保證水泥混凝土路面宏觀構(gòu)造的前提下，有效恢復(fù)路面微觀紋理，提高輪胎與路面的黏附摩擦力。

1.3 紋理化技術(shù)對行車穩(wěn)定性的影響

汽車轉(zhuǎn)向時(shí)，一方面受制于車輛轉(zhuǎn)動系統(tǒng)所產(chǎn)生的機(jī)械阻力，另一方面受制于胎路接觸產(chǎn)生的接觸阻力。從胎/路接觸力學(xué)的角度分析，實(shí)際紋理化路面構(gòu)造較為復(fù)雜，其與輪胎的嚙合作用使得接觸界面產(chǎn)生非均勻分布的作用力，因此輪胎轉(zhuǎn)向過程受到嚙合狀態(tài)下非均勻的摩擦阻力與側(cè)向力作用(圖2)。隧道紋理化路面通過縱向波浪形構(gòu)造與胎面花紋塊之間的縱向溝槽的接觸作用限制車輛的直線運(yùn)行和曲線轉(zhuǎn)彎，車輛的導(dǎo)向通過胎/路之間的側(cè)偏力實(shí)現(xiàn)，同時(shí)，側(cè)偏力對前進(jìn)車輛產(chǎn)生側(cè)向?qū)蛄豙6]。當(dāng)車輛偏離紋理化槽紋方向時(shí)，側(cè)向力矩隨之增大，因此車輛的轉(zhuǎn)向阻力也隨之增大。當(dāng)行車速度過快時(shí)，側(cè)向阻力容易演變?yōu)槲ｋU(xiǎn)系數(shù)較高的傾覆力矩，使得車輛的側(cè)向行駛穩(wěn)定性得不到保證，甚至導(dǎo)致側(cè)翻事故的發(fā)生。相較于瀝青路面，紋理化路面轉(zhuǎn)向阻力矩更大，因此，行車過程的回正力矩也往往較大，克服轉(zhuǎn)向阻力矩需要對方向盤施加更大的回正力矩。

圖2 輪胎與紋理化路面的導(dǎo)向作用

2 室內(nèi)紋理化試驗(yàn)?zāi)＞哐邪l(fā)

目前國內(nèi)已有多項(xiàng)工程采用紋理化路面施工技術(shù)，該技術(shù)施工后效果良好，但是由于其引進(jìn)時(shí)間較短，紋理化隧道路面的長期路用性能有待進(jìn)一步跟蹤監(jiān)測。而其紋理參數(shù)的選擇主要依靠經(jīng)驗(yàn)確定，其數(shù)值的可靠性需要進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)一步檢驗(yàn)。因此，開發(fā)一種室內(nèi)紋理化模具制備不同紋理參數(shù)組合的試件進(jìn)行檢測與試驗(yàn)，對優(yōu)化實(shí)際紋理化路面的抗滑性能與行車穩(wěn)定性至關(guān)重要。根據(jù)紋理化機(jī)車的刀頭(圖3)與紋理化處理后的槽紋效果，自主研發(fā)了一套用于室內(nèi)紋理化試驗(yàn)的紋理化套模與配套刀具，該模具主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能：一是控制紋理的寬度與走向的平順性，二是嚴(yán)格控制槽紋幾何形狀和有效深度。

圖3 紋理機(jī)車刀頭

雖然實(shí)際的紋理機(jī)車刀具為平頭錐形，但是其有效作用位置仍然是錐頭的小圓柱體，因此，經(jīng)過不同紋理寬度、深度的計(jì)算，室內(nèi)試驗(yàn)擬采用特定尺寸的圓弧刀頭進(jìn)行紋理化雕琢工藝，進(jìn)行初步篩選，確定的刀頭作用尺寸如表1所示。

表1 紋理化參數(shù)

表2 水泥主要技術(shù)指標(biāo)

表3 集料主要技術(shù)指標(biāo)

表4 天然中砂主要技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)以上思路，設(shè)計(jì)并加工了配套的4個(gè)鋼絲套模與15 把紋理刀具，考慮套模的鋼絲直徑的干擾，對刀頭進(jìn)行了進(jìn)一步的切削優(yōu)化，模具設(shè)計(jì)如圖4所示(已申請發(fā)明專利：ZL2018103863504)。

圖4 紋理試驗(yàn)?zāi)＞咴O(shè)計(jì)

3 原材料及室內(nèi)紋理化試件制備

3.1 試驗(yàn)材料及配合比

水泥采用中材天山(云浮)牌P.O42.5水泥。集料選用陽春石場生產(chǎn)的石灰?guī)r碎石，規(guī)格分檔分別為10～30 mm、10～20 mm、5～10 mm碎石，各檔原材料的各項(xiàng)指標(biāo)經(jīng)檢測符合規(guī)范要求。采用天然中砂，細(xì)度模數(shù)為2.77，含泥量為0.8%。以上原材料主要指標(biāo)如表2～表4所示。減水劑采用江蘇超力建材科技有限公司CNF-3。其中試驗(yàn)混凝土采用配合比如表5所示。

表5 混凝土配合比

經(jīng)檢測該配合比水泥混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度為44.1 MPa，抗彎拉強(qiáng)度5.39 MPa，坍落度為39.4 mm，符合設(shè)計(jì)要求(30～50 mm)。

3.2 室內(nèi)紋理化試驗(yàn)試件制備過程

試驗(yàn)室的室內(nèi)水泥混凝土紋理化(圖5)試件實(shí)施方法如下：

圖5 室內(nèi)紋理化操作示意

1)按照水泥路面配合比設(shè)計(jì)，充分?jǐn)嚢杷嗷炷?，?00 mm×300 mm×50 mm的模具中振動成型試件，直至試件密實(shí)，表面泛漿平整。

2)待試件成型后，混凝土凝結(jié)固化前，使用刮尺刮掉試件表面1.6～3 mm左右厚度的表面浮漿，使水泥混凝土試件表面與模具表面持平。

3)套上研制的鋼絲套模，使鋼絲緊貼水泥混凝土試件表面。

4)人工手持紋理刀具，刀頭沿著兩條鋼絲之間行走，劃出圓弧形的溝槽，每兩條鋼絲之間重復(fù)劃割兩次，保證溝槽暢通不變形。

5)重復(fù)以上步驟，直到試件表面完全布滿圓弧形溝槽為止。

6)把水泥混凝土試件放置在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)生 7 d，取出試件，使用紋理刀具在原來的溝槽位置做進(jìn)一步的雕刻，刮掉表面浮漿，恢復(fù)紋理構(gòu)造的粗糙紋理，即完成試件表面的紋理化處理。

4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過采用不同水平下的路面紋理參數(shù)，探究紋理化參數(shù)對水泥混凝土路面抗滑性能與行車穩(wěn)定性的影響，進(jìn)而研究影響路面結(jié)構(gòu)使用性能的主要因素。

4.1 正交試驗(yàn)方案

選用L9(34)正交表安排試驗(yàn)，正交試驗(yàn)因素水平如表6所示，其中A、B、C分別表示紋理寬度、紋理深度、間距，每個(gè)因素為3個(gè)水平。

表6 正交因素水平表

4.2 評價(jià)指標(biāo)的選定

4.2.1 構(gòu)造深度

按照《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》(JTG E60—2008)，采用人工鋪砂法測試紋理化試件構(gòu)造深度，以此評價(jià)路面的排水能力和宏觀構(gòu)造情況。

(1)

式中：V為標(biāo)準(zhǔn)砂的體積，25 cm3；D為攤平后的砂圈平均直徑，mm。

4.2.2 應(yīng)力集中分布度

根據(jù)《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F30—2014)對水泥混凝土路面抗滑性能評價(jià)規(guī)定，采用橫向力系數(shù)SFC60進(jìn)行路面抗滑性能評價(jià)，但是SFC需要通過現(xiàn)場測試獲得。由于本研究采用室內(nèi)試驗(yàn)，擺值摩擦系數(shù)不能用于評價(jià)高等級路面抗滑性能，根據(jù)前期的研究成果，輪胎接觸應(yīng)力集中度與橫向力系數(shù)具有原理上和試驗(yàn)結(jié)果的良好相關(guān)性。采用高精度壓力膠片測試系統(tǒng)(基本原理為通過兩張聚酯膠片上的化學(xué)物質(zhì)在不同壓力作用下發(fā)生顯色反應(yīng)，不同的顏色密度代表不同的壓力值)，獲取輪胎與路面接觸應(yīng)力，計(jì)算胎/路接觸界面的應(yīng)力集中分布度[7]。其數(shù)學(xué)表達(dá)為

(2)

式中：kf為應(yīng)力集中分布度指標(biāo)，%；S′為應(yīng)力集中區(qū)域(大于1.8 MPa的應(yīng)力分布區(qū))面積，mm2；S為輪胎有效接觸區(qū)域面積，mm2；f(x,y)為輪胎有效接觸區(qū)域上的單點(diǎn)應(yīng)力值，MPa。

4.2.3 原地轉(zhuǎn)向阻力矩

轉(zhuǎn)向阻力矩是由于地面和轉(zhuǎn)向輪之間的相互作用以及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)部摩擦而產(chǎn)生的，該阻力矩反饋到方向盤上，影響駕駛員對車輛的操縱。根據(jù)前期的研究成果，可以使用轉(zhuǎn)向阻力矩來評價(jià)行車的穩(wěn)定性[8-10]。計(jì)算公式為。

(3)

式中：Mr為原地轉(zhuǎn)向阻力矩，N·m；x、y為單點(diǎn)接觸壓力距離接觸面中心點(diǎn)的坐標(biāo)值，m；μ為胎面橡膠與路面摩擦系數(shù)，可使用擺式儀測定。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

為了計(jì)算結(jié)果看起來簡便、直觀形象、簡單易懂，采用極差分析法進(jìn)行分析[11-12]。極差R反映了各列因素水平變動時(shí)，計(jì)算指標(biāo)的變動幅度(即試驗(yàn)結(jié)果最大值與最小值之差)。極差R越大，說明該因素對試驗(yàn)指標(biāo)的影響越大，于是依據(jù)極差R的大小即可判斷因素的主次。

4.3.1 各因素對構(gòu)造深度的影響

由表7表明，紋理參數(shù)對水泥混凝土路面構(gòu)造深度的影響程度不同。紋理深度的極差最大，即紋理深度是影響路面構(gòu)造深度的主要因素，該規(guī)律與構(gòu)造深度測試原理和幾何理論規(guī)律吻合。紋理間距的極差次之，紋理寬度最小。根據(jù)極差分析結(jié)果，為了保證路面構(gòu)造深度，推薦使用紋理組合為A1B3C1。

表7 各因素水平下路面構(gòu)造深度

4.3.2 各因素對胎/路應(yīng)力集中分布度的影響

采用壓力膠片測試系統(tǒng)采集試驗(yàn)輪胎與紋理試件接觸應(yīng)力，并計(jì)算應(yīng)力集中分布度，結(jié)果見表8。分析可得，紋理深度的極差最大，說明水泥路面紋理深度是影響輪胎接觸變形的主要因素，紋理寬度次之，刀組間距最小。根據(jù)胎/路抗滑作用機(jī)理，接觸應(yīng)力集中效應(yīng)說明輪胎與構(gòu)造嚙合充分，有助于提高路面抗滑性能，但應(yīng)力集中會加快路表構(gòu)造磨損[5]。為了提高路面構(gòu)造與輪胎的嚙合效果，推薦使用紋理組合A3B3C2方案。若考慮水泥混凝土強(qiáng)度不足，為了延長紋理化路面構(gòu)造的磨耗壽命，可使用紋理組合方案A1B1C3。

表8 各因素水平下胎/路應(yīng)力集中分布度

4.3.3 各因素對胎/路轉(zhuǎn)向阻力矩的影響

根據(jù)輪胎接觸應(yīng)力分布，計(jì)算汽車輪胎在紋理化路面上的原地轉(zhuǎn)向阻力矩，結(jié)果見表9。極差分析結(jié)果表明，紋理寬度的極差最大，槽紋的寬度是影響行車轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性的主要因素，刀組間距次之，紋理深度最小。因此，可以看出轉(zhuǎn)向阻力矩最大的紋理組合為A1B3C1，即紋理最致密時(shí)，水泥混凝土路表構(gòu)造的行車導(dǎo)向效應(yīng)最顯著。為了減少行車導(dǎo)向效應(yīng)，提高行駛穩(wěn)定性，應(yīng)盡量避免使用這種紋理組合，相反，應(yīng)使用轉(zhuǎn)向阻力矩較小的組合A2B2C2。

表9 各因素水平下胎/路轉(zhuǎn)向阻力矩

4.4 紋理參數(shù)優(yōu)化組合的確定

將各因素水平下對應(yīng)的正交試驗(yàn)結(jié)果累計(jì)值繪制成趨勢點(diǎn)線圖，如圖6所示。

圖6 正交試驗(yàn)趨勢指標(biāo)圖

分析正交試驗(yàn)趨勢指標(biāo)圖得知，3個(gè)因素對4個(gè)指標(biāo)的主次關(guān)系如下：對于構(gòu)造深度，影響顯著性從大到小為紋理深度>刀組間距>紋理寬度，紋理深度是影響水泥路面構(gòu)造深度的最主要因素，為保證路面排水效果，降低水膜厚度，隧道路面須適當(dāng)提高構(gòu)造深度至0.8～1.2 mm范圍，因此B取B3。對于應(yīng)力集中分布度，影響顯著性從大到小為紋理深度>紋理寬度>刀組間距，較大紋理深度可增加輪胎變形，提高路表粗糙度與胎/路嚙合效應(yīng)，有助于改善輪胎摩擦力，即B取B3。對于轉(zhuǎn)向阻力矩，影響效果顯著性從大到小依次為紋理寬度>刀組間距>紋理深度，紋理寬度和間距為主要影響因素，可以確定最優(yōu)紋理寬度為A2和C2。對上述分析因素進(jìn)行綜合平衡分析，得出結(jié)論如下：均衡行車穩(wěn)定性與路面抗滑性能，確定最優(yōu)的方案組合為A2B3C2，即參數(shù)為：紋理寬度8 mm，紋理深度 1.5 mm，刀組間距15 mm。參考水泥混凝土路面的刻槽工程實(shí)例，該參數(shù)組合能夠在工程項(xiàng)目上實(shí)現(xiàn)，且符合水泥混凝土的強(qiáng)度特性。

5 結(jié)論

1)結(jié)合實(shí)際路面的紋理化原理及紋理效果，自主研發(fā)一套導(dǎo)軌套模和刀具，通過試驗(yàn)嘗試，自研模具可較精確地開展室內(nèi)試驗(yàn)試件的紋理雕琢工作，能有效模擬實(shí)際路面紋理化構(gòu)造，同時(shí)，其操作簡單、便捷，具有一定的研究與應(yīng)用價(jià)值。

2)構(gòu)造深度受紋理深度影響最顯著，且隨著紋理深度的增大構(gòu)造深度有不斷增大的趨勢；應(yīng)力集中分布度受紋理深度影響最顯著，且隨著紋理深度增大應(yīng)力集中分布度呈不斷增大的趨勢；轉(zhuǎn)向阻力矩受紋理寬度的影響最顯著，隨著刀組間距增大，轉(zhuǎn)向阻力矩呈現(xiàn)先減小后緩慢增大的趨勢。

3)不同水泥混凝土路面路用性能指標(biāo)的主要影響因素存在一定的差異，通過分析及均衡各個(gè)紋理化參數(shù)因素對水泥路面性能的影響，確定紋理化路面優(yōu)選參數(shù)組合為紋理寬度8 mm，紋理深度 1.5 mm，刀組間距15 mm。