城市道路彩色露石混凝土設(shè)計(jì)研究

楊龍飛，陳 江，王 云，錢 琳

(西安市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710068)

0 引言

彩色水泥混凝土路面現(xiàn)已成為城市景觀道路的重要組成部分，在歐洲、美國(guó)和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家得到廣泛應(yīng)用.目前，中國(guó)的彩色水泥混凝土路面已成功鋪設(shè)在廈門、廣州、寧波、桂林、煙臺(tái)、北京等20多個(gè)城市，效果優(yōu)異，很受歡迎.

露石水泥混凝土路面(EACCP)作為一種表面功能優(yōu)良，安全環(huán)保的新型水泥混凝土路面，克服了普通水泥混凝土路面附著力低和噪聲大的不足；同時(shí)保持了普通水泥混凝土路面剛度高、抗剪強(qiáng)度大的優(yōu)點(diǎn).EACCP具有優(yōu)異的宏觀，細(xì)觀和微觀結(jié)構(gòu)，其抗滑性能、降噪性能和耐久性顯示出更大的優(yōu)勢(shì)[1-4].

拉法基集團(tuán)是全球建筑材料行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者，于2009年8月正式推出其產(chǎn)品ArteviaTM裝飾混凝土[5]，拉法基ArteviaTM裝飾混凝土分為彩色混凝土、拋光混凝土、砂混凝土、外露骨料混凝土、石材混凝土和其他產(chǎn)品，適用于室內(nèi)和室外，它由磚、金屬和木材制成，可以產(chǎn)生出色的裝飾效果[6].

作為彩色石材混凝土，其亮色表面視覺效果可以通過2種方案大致舉例說明.首先，使用天然或染色的聚合物來完成;其次，在石材表面使用油漆進(jìn)行染色.雖然天然骨料顏色不易磨損且耐久性好，但價(jià)格昂貴;染色的骨料比天然骨料便宜，但只有表面著色，這會(huì)導(dǎo)致面板內(nèi)部大量顏色聚集物的浪費(fèi).結(jié)合各種因素，第2種選擇更經(jīng)濟(jì)合理[7-8].

暴露的石材表面的染色處理可以通過聚合物水泥基防水涂料、熱熔道路安全標(biāo)記涂料、水基標(biāo)記涂料等來實(shí)現(xiàn).水性標(biāo)記涂料的主要特征是水而不是溶劑.有機(jī)揮發(fā)物含量(VOC)極低，是一種環(huán)保產(chǎn)品.施工方法主要是噴涂.目前，水性道路標(biāo)線涂料主要是水性環(huán)氧樹脂、水性丙烯酸類、水性聚氨酯樹脂等[9].

本文將水性環(huán)氧樹脂、聚乙烯聚丙烯防水橡膠粉和氧化鐵紅、氧化鐵綠、酸性紅和酸性綠顏料等混合摻配實(shí)現(xiàn)露石表面的染色處理.

1 原材料

1.1 水泥

試驗(yàn)用水泥采用陜西西安秦嶺P.O 42.5R水泥，依據(jù)規(guī)范[10]進(jìn)行相關(guān)技術(shù)參數(shù)的檢測(cè)，結(jié)果見表1.

表1 水泥的主要技術(shù)參數(shù)

1.2 細(xì)集料

試驗(yàn)用細(xì)集料采用河砂，依據(jù)規(guī)范[10]對(duì)其相關(guān)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果見表2.

表2 砂的主要技術(shù)指標(biāo)

1.3 粗集料

試驗(yàn)用粗集料采用4.75～9.5 mm、9.5～16 mm的石灰?guī)r碎石與花崗巖碎石，依據(jù)規(guī)范[10]對(duì)碎石的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果見表3.為了探究粗集料的類型、粒徑、級(jí)配及用量對(duì)EACCP抗滑性能的影響，試驗(yàn)采用分為A、B兩組，A組采用石灰?guī)r碎石，B組采用花崗巖碎石.粒徑、級(jí)配組合見表4.

表3 碎石的技術(shù)指標(biāo)

表4 粒徑、級(jí)配組合 %

1.4 露石劑

試驗(yàn)采用的露石劑是西卡糖蜜緩凝劑與水的復(fù)配物，其主要技術(shù)指標(biāo)見表5.

表5 露石劑技術(shù)性質(zhì)指標(biāo)

1.5 減水劑

試驗(yàn)采用DH-4004型聚羧酸系高效減水劑.

1.6 染色劑

染色劑以水性環(huán)氧樹脂乳液和水性環(huán)氧樹脂固化劑組成的水性環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑為基體，以氧化鐵紅、氧化鐵綠、酸性紅和酸性綠為載體.水性環(huán)氧樹脂乳液和水性環(huán)氧樹脂固化劑的技術(shù)指標(biāo)見表6.

表6 水性環(huán)氧樹粘結(jié)劑性質(zhì)指標(biāo)

2 彩色露石混凝土露石工藝及著色研究

2.1 彩色露石混凝土露石工藝介紹

彩色露石混凝土的露石工藝為：水泥混凝土拌和后進(jìn)行機(jī)械攤鋪或者人工攤鋪，然后進(jìn)行振搗、抹平，在一定時(shí)間后其表面噴涂一定劑量的緩凝劑，然后在一定時(shí)間內(nèi)覆蓋塑料薄膜，減少水分蒸發(fā)，使得表面層的水泥漿延遲凝結(jié)，但下層主體混凝土能夠正常地冷凝和硬化[11-12].當(dāng)下層的主體混凝土的強(qiáng)度達(dá)到一定值時(shí)，用鋼絲刷或加壓水刷掉表層的水泥砂漿從而使得粗骨料露出來，實(shí)現(xiàn)粗糙的集料露石表面[12].工藝流程如圖1所示.

圖1 露石混凝土工藝流程圖

2.2 露石劑噴灑時(shí)間的確定

新拌和的水泥混凝土經(jīng)過攤鋪機(jī)或者人工正常的攤鋪、振搗、抹面等工序后，接下來的工序是噴灑露石劑.噴灑露石劑并不是在水泥混凝土抹面后立即進(jìn)行，需要延遲一段時(shí)間.定義露石劑噴灑時(shí)間為從抹面結(jié)束到開始噴灑露石劑需要延遲的時(shí)間[13].室內(nèi)試驗(yàn)溫度下露石劑噴灑時(shí)間見表7.

表7 露石劑噴灑時(shí)間表

2.3 露石混凝土刷洗時(shí)間的確定

2.3.1 露石劑噴灑量對(duì)露石混凝土刷洗時(shí)間的影響

為探索露石劑噴灑量對(duì)刷洗時(shí)間的影響，采用控制變量法，采用5～10 mm碎石級(jí)配，制成露石面板，放在平均溫度25 ℃的室內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，經(jīng)過一定的時(shí)間后進(jìn)行刷洗時(shí)間的確定.試驗(yàn)中，在水流的作用下用毛刷容易使表面砂漿沖洗掉，同時(shí)混凝土板的粗集料顆粒不會(huì)在水流和毛刷的作用下脫落，此時(shí)可認(rèn)為是進(jìn)行刷洗工藝的最早刷洗狀態(tài)；相應(yīng)地，從噴灑露石劑到此狀態(tài)時(shí)所需要的時(shí)間稱為最早刷洗時(shí)間：當(dāng)用毛刷加水不易使露石混凝土板的表面砂漿沖洗掉，而需要鋼絲刷加水且用較大的力度才能將砂漿沖洗掉，此時(shí)是可進(jìn)行刷洗工藝的最遲刷洗狀態(tài)，相應(yīng)的刷洗時(shí)間稱為最遲刷洗時(shí)間，最佳的刷洗狀態(tài)是介于2種狀態(tài)中間的刷洗狀態(tài)，相應(yīng)地，所經(jīng)歷的時(shí)間稱為最佳刷洗時(shí)間.試驗(yàn)結(jié)果見圖2.

圖2 露石劑噴灑量與刷洗時(shí)間的關(guān)系

由圖2可知：隨著噴灑量的增加，最早與最遲露石處理時(shí)間都在增加；最佳露石處理時(shí)間也在遞增，但增幅不太大.在露石劑最佳合理用量選定在(200～300)g/m2范圍內(nèi)，最佳露石處理時(shí)間為16～20 h.

2.3.2 養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)露石混凝土刷洗時(shí)間的影響

露石混凝土路面的養(yǎng)護(hù):噴灑露石劑后10 min覆蓋塑料薄膜，如溫度較高 可立即覆蓋.塑料膜必須把路面封嚴(yán)，邊緣用重物壓實(shí)，以防止露石劑蒸發(fā).定義養(yǎng)護(hù)時(shí)間為從水泥混凝土攤鋪完表面抹平的時(shí)刻計(jì)時(shí)，然后噴灑露石劑，覆蓋塑料膜養(yǎng)生，到可以進(jìn)行刷洗處理的時(shí)間.養(yǎng)護(hù)時(shí)間的長(zhǎng)短決定了刷洗的難易程度和石子脫落情況[14].本文通過平均溫度25 ℃，露石劑噴灑量為250 g/m2時(shí)，在不同的養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)試件進(jìn)行觀察刷洗狀態(tài)，結(jié)果見表8.

表8 平均溫度在25 ℃，露石劑噴灑量為250 g/m2時(shí)試件刷洗難易程度觀測(cè)表

2.4 不同露石劑噴灑量露石效果研究

2.4.1 露石效果

為了探究不同露石劑噴灑量對(duì)混凝土面板經(jīng)露石處理后的表面特征情況，引入露石度這一指標(biāo)來表征露石混凝土表面的宏觀特征.定義露石度為在10 cm×10 cm面積內(nèi)(粒徑在5 mm以上)露出的粗骨料顆粒的數(shù)量[15].采用圖像處理法對(duì)10 cm×10 cm面積內(nèi)露出的粗骨料顆粒的數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，試驗(yàn)結(jié)果見表10和圖4.

圖3 試件露石度

圖4 露石劑噴灑量與露石劑的關(guān)系

由圖4可知，露石劑噴灑量與混凝土面板露石度呈現(xiàn)二次函數(shù)(拋物線)關(guān)系：隨著露石劑噴灑量逐漸增大(100～500 g/m2)，混凝土面板露石度也依次逐漸增大(68～85)，并且由曲線擬合拋物線來看，存在一最佳值，即當(dāng)露石劑噴灑量為400 g/m2時(shí)，混凝土面板露石度為85.綜合考慮包括經(jīng)濟(jì)性在內(nèi)的因素，獲得露石度較大的露石劑噴灑量的范圍為200～300 g/m2.

2.4.2 構(gòu)造深度

為了研究用暴露的石材處理處理的混凝土表面的表面深度，使用平均構(gòu)造深度來表征暴露的石材混凝土的表面露石的深度.平均構(gòu)造深度通常通過砂體積法測(cè)量.已知容量的標(biāo)準(zhǔn)砂填充在干凈和干燥的路面紋理中，并測(cè)量所覆蓋的區(qū)域，從而計(jì)算平均構(gòu)造深度(MTD ).

采用標(biāo)準(zhǔn)砂攤進(jìn)行露石混凝土板表面平均構(gòu)造深度(MTD)測(cè)定，并以式(1)為MTD 計(jì)算.參照《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》[16](JTGE60—2008)T 0961—1995鋪砂法測(cè)定試件的平均構(gòu)造深度.實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖5.

圖5 露石劑噴灑量與構(gòu)造深度的關(guān)系

TD=31 831/D2

(1)

式中，TD為路面表面構(gòu)造深度，mm；D為攤平砂的平均直徑，mm.

由圖5可知，露石劑噴灑量與構(gòu)造深度呈現(xiàn)二次函數(shù)(拋物線)關(guān)系：隨著露石劑噴灑量逐漸增大(100～500 g/m2)，混凝土面板構(gòu)造深度(MTD)也依次逐漸增大(0.75～1.36)mm，并且由曲線擬合拋物線來看，存在一最佳值，即當(dāng)露石劑噴灑量為400 g/m2時(shí)，MTD為1.36 mm.規(guī)范要求[17]，高等級(jí)公路一般路段的構(gòu)造深度為0.70～1.10 mm，特殊路段為0.80～1.20 mm，因此，由上圖可得，獲得適宜MTD的露石劑噴灑量的范圍為200～300 g/m2.

2.4.3 摩擦系數(shù)

為了探究不同露石劑噴灑量對(duì)混凝土面板經(jīng)露石處理后的表層抗滑性能差異，表征其表面摩擦系數(shù)，本文采用擺式儀測(cè)定的抗滑值(BPN)來表征.參照《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》[15](JTGE60—2008)T 0964—2008，采用擺式摩擦儀測(cè)定的BPN來表征試件的摩擦系數(shù).試驗(yàn)結(jié)果見表10和圖6.

由圖6可知，露石劑噴灑量與抗滑值(BPN)呈現(xiàn)二次函數(shù)(拋物線)關(guān)系：隨著露石劑噴灑量逐漸增大(100～500 g/m2)，混凝土面板抗滑值(BPN)先增大(64～68)后又減小(68～62)，并且由曲線擬合拋物線來看，存在一最佳值，即當(dāng)露石劑噴灑量為200 g/m2時(shí)，混凝土面板構(gòu)BPN為68.，獲得較大BPN的露石劑噴灑量的范圍為200～300 g/m2.

圖6 露石劑噴灑量與抗滑值的關(guān)系

綜合以上分析并考慮包括經(jīng)濟(jì)性在內(nèi)的因素，獲得露石度較大、規(guī)范要求的適宜構(gòu)造深度、較大BPN的露石劑噴灑量的范圍為200～300 g/m2.

2.5 露石混凝土著色方法研究

2.5.1 不同粘結(jié)劑選擇

通過試驗(yàn)探索單位面積水性環(huán)氧樹脂、聚乙烯丙綸防水膠粉的涂刷用量，本文試驗(yàn)選擇5～10 mm單一粒徑的露石混凝土面板進(jìn)行涂刷試驗(yàn)，并通過觀察實(shí)際涂刷效果，對(duì)單位面積水性環(huán)氧樹脂、聚乙烯丙綸防水膠粉用量進(jìn)行推薦.試驗(yàn)結(jié)果見表9.由表可知最佳用量為200 g/m2.

表9 不同涂料用量的刷涂效果

2.5.2 不同著色方案比較

在確定單位面積涂料的用量和涂料的種類后，對(duì)水性環(huán)氧樹脂與氧化鐵紅、氧化鐵綠、酸性紅、酸性綠的摻合比例進(jìn)行試驗(yàn)摻配，從而確定合適的摻和比例.試驗(yàn)結(jié)果見表10、11.

由表10和12可知，推薦聚水性環(huán)氧樹脂用量：顏料(氧化鐵紅、氧化鐵綠、酸性紅、酸性綠)和比例為4∶1 到3∶1 之間.有機(jī)顏料與無機(jī)顏料1∶1摻配，與水性環(huán)氧樹脂1∶3摻配，混合均勻性好，且色彩鮮艷適中，經(jīng)濟(jì)性好.

表10 水性環(huán)氧樹脂與顏料(氧化鐵紅、氧化鐵綠、酸性紅、酸性綠)的摻和比例

表11 水性環(huán)氧樹脂與顏料(氧化鐵紅、氧化鐵綠、酸性紅、酸性綠)的摻和比例

3 結(jié)論

1)經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)，考慮到各種因素，確定了最佳選石劑用量為(200～300)g/m2.

2)通過室內(nèi)試驗(yàn)，確定當(dāng)溫度在15～30 ℃之間時(shí)，石噴劑的噴涂時(shí)間一般為(20～40)min，具體值還應(yīng)考慮陽光和風(fēng)速.原則上，在地表水干燥后可以噴灑表面露水，但如果溫度較低，則地表水干燥，在噴涂暴露的乳液之前等待約20 min.

3)采用試沖的方法確定露石水泥混凝土的刷洗時(shí)間.當(dāng)平均溫度為20 ℃，噴灑量在(200～300)g/m2范圍內(nèi)時(shí)，最佳刷洗時(shí)間為18 h左右；另外，隨著噴灑量的增加，最佳露石處理時(shí)間也在遞增，但增幅不太大；溫度越高沖洗時(shí)間越早；最早與最遲沖洗時(shí)間有較大的間隔 這將有利于沖洗露石工藝的完成.

4)綜合考慮包括經(jīng)濟(jì)性在內(nèi)的因素，獲得露石度較大、規(guī)范要求的適宜構(gòu)造深度、較大抗滑值BPN的露石劑噴灑量的范圍為200～300 g/m2.

5)通過多次露石表面染色處理試驗(yàn)，提出了水性環(huán)氧樹脂用量建議(200～300)g/m2比較經(jīng)濟(jì)適用，同時(shí)水性環(huán)氧樹脂與氧化鐵紅顏料的摻和質(zhì)量比例為4∶1 至3∶1之間時(shí)，染色效果較好.

6)綜合考慮彩色露石板光澤，色彩鮮艷度，以及經(jīng)濟(jì)性因素，推薦采用水性環(huán)氧樹脂與氧化鐵紅和酸性紅、氧化鐵綠和酸性綠的混合顏料著色方案.