一種新型露石劑及其使用性能的對比試驗

王火明，李汝凱，周 剛，陳 飛，謝鵬宇

（1.招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶 400067；2.重慶交通大學 土木建筑學院，重慶 400074）

剛柔復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點，既提高了路面結構的承載能力，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構形式［1－4］.由于復合式路面基層與面層材料剛度相差較大，位于剛柔過渡區的界面層受力極其復雜，是復合式路面結構受力最薄弱的區域，極易發生破壞.界面層黏結強度與抗剪強度的好壞直接關系到復合式路面的使用壽命［5－8］.事實證明，絕大多數復合式路面的破壞源于界面層強度不足.因此，采取必要措施來提高界面層強度至關重要.研究表明，界面處治措施對于提高界面層強度具有顯著作 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，這些措施各有優缺點.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，達到預期抗剪強度和黏結強度，但是施工效率低、環境污染大，成本較高；拉毛、壓紋等處理方法具有良好的經濟性，但是對界面層強度貢獻不大，往往不能達到設計要求.

本文針對復合式路面界面處理方式存在的問題，通過室內試驗，開發出一種既有效又經濟的界面層處理材料——高碳糖露石劑，通過室內拉拔試驗和剪切試驗對其使用效果進行了對比研究，并依托工程實踐對其使用效果進行了進一步驗證，為復合式路面界面處理提供了一種較優的新技術.

1 高碳糖露石劑研發及其技術指標

1.1 高碳糖露石劑研發

露石劑的使用目的是使混凝土板表面產生一定的露石高度.本文研發的露石劑主要包括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延緩水泥砂漿的凝結時間，使表層混凝土的凝結晚于內部混凝土.隨后用水將表層尚未凝結的水泥砂漿沖掉，使部分石子裸露而形成粗糙表面，以增強其與瀝青面層的嵌鎖咬合作用，起到提高界面層抗剪強度與黏結強度的目的.

按水、G－E和G－F不同質量比配制高碳糖露石劑，并進行露石試驗，根據所獲得的露石效果來確定其最佳摻配比例.另外，用一種目前應用較廣、露石效果較好的A 型露石劑作為對照.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，試驗溫度為15℃.到達規定時間（27h）后，用水沖洗混凝土板表面，并采用鋪砂法測定其露石高度h.露石劑噴灑量Ms、開始沖洗時間tw、露石高度h等試驗數據見表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 質量和G－F質量各占水質量的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，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濟效益，本文選定新型高碳糖露石劑3 種組分的質量比為：m（H2O）∶m（G－E）∶m（G－F）＝10∶1∶1.

1.2 高碳糖露石劑技術參數

經過室內反復試驗后發現，為保證最佳沖洗效果，在沖洗混凝土板表面時應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ps、噴灑時間（從混凝土成型開始到噴灑露石劑的時間間隔）ts以及混凝土板表面沖洗壓強pw如表2所示.室內試驗溫度為15℃，但現場施工溫度不可控，為此，對其他幾種室內溫度下露石劑的開始沖洗時間也進行了研究，得到的最早、最晚及最適宜開始沖洗時間如表3所示.

表2 高碳糖露石劑技術指標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 型露石劑市場價格為12 000元／t，單價成本為3.0 元／m2；高碳糖露石劑由G－E，GF和水復配而成，G－E 和G－F 的市場價格分別為2 700，5 645 元／t，換算成單價成本為0.21 元／m2.由此可見，高碳糖露石劑的價格優勢明顯，相比A型露石劑可節省約93%的成本.

2 試驗方法及試件制備

2.1 室內拉拔和剪切試驗方法

采用拉拔試驗（MTS）和45°斜剪試驗對比研究了不同界面層處理方式下的界面層抗剪強度與黏結強度.每種界面處理方式均做3組平行試驗，每組5塊試件，結果取平均值.試驗原理如圖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

試驗時的拉拔速度與剪切速度均為10mm／min，試驗溫度為25 ℃；拉拔試驗中拉頭底面面積A1為1 963.5mm2，剪切試驗中加載裝置的剪切角α為45°.界面層抗剪強度與黏結強度分別按式（1），（2）計算：

式中：τ為抗剪強度，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為黏結強度，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（質量比）為4.3%；集料選用潔凈、干燥且表面粗糙的石灰巖，其公稱最大粒徑為20 mm，合成級配見表4；礦粉由同批次的石灰巖磨制而成，摻量（質量分數）為2.0%.基層采用C40 水泥混凝土板；黏結層采用熱涂SBS改性瀝青，用量為0.8～1.2kg／m2.

表4 AC－20合成級配Table 4 Synthetic gradation of AC－20

3 室內試驗結果與分析

3.1 黏結強度試驗結果與分析

采用不同界面處理方式，測得混凝土板表面露石高度h、界面層黏結強度σ及試件破壞情況見表5（括號內數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強度，混凝土板厚度為5cm時，這兩者的界面層黏結強度均在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2種露石劑和噴砂工藝處理后，試件斷裂面幾乎全部發生在混凝土板內部；經拉毛處理后的試件，其斷裂面與光面處理試件的斷裂面相近，主要發生在界面黏結層與混凝土板之間，說明混凝土板表面浮漿會大大降低界面層的黏結性能.（3）當基層混凝土板厚度由5cm 增加到7cm 時，采用露石劑處理后的露石高度有所增加，其界面層黏結強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采用露石劑處理具有明顯優勢.按常理，露石高度與混凝土板厚度關系不大，主要與露石劑種類、噴灑量、溫度和沖洗時間有關，但本次試驗結果卻明確顯示混凝土板越厚則露石高度越大，這或許跟試驗時采用的混凝土級配（碎石粒徑）有關.為了控制混凝土的和易性，本試驗在成型不同厚度的混凝土板時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.或許是混凝土級配的差異導致了兩者露石高度的不同，對此須在后續試驗中做進一步研究.（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，界面層黏結強度也隨之增強；可用擬合公式y ＝0.175 1x＋0.803 3來表示這兩者的關系（R2＝0.884 3），說明界面層黏結強度與混凝土板露石高度之間存在良好的線性相關性.

表5 25℃黏結強度試驗結果Table 5 Results of bond strength at 25℃

3.2 抗剪強度試驗結果與分析

采用不同界面層處理方式，測得混凝土板表面露石高度h、界面層抗剪強度τ，見表6所示（括號內數字代表混凝土板厚度）.

由表6可見，對于不同的界面層處理方式，混凝土板界面層抗剪強度大小順序為：A 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度大大提高.由此可見，用G－E，G－F 和水復配而成的高碳糖露石劑可明顯增強界面層的抗剪強度.此外，通過觀察試件破壞斷面可以發現，受剪切作用破壞后斷裂面大都發生在中間界面層處，但界面破壞形態并不清晰.同時還可看出，復合式路面界面層剪切強度與其露石高度之間也存在良好的線性相關性，可用y＝0.164 3x＋0.841 5來表示兩者關系（R2＝0.885 9）.

表6 25℃抗剪強度試驗結果Table 6 Results of shear strength at 25℃

3.3 界面層剪切強度與黏結強度相關性分析

根據表5，6 的數據，可作出界面層黏結強度σ與界面層抗剪強度τ 的關系曲線，如圖3所示.

圖3 25℃黏結強度與抗剪強度的關系Fig.3 Relationship between bond strength and shear strength at 25℃

對圖3 所得直線進行線性擬合，得到擬合式y＝0.909 0x＋0.124 4.由圖3可見：同條件下界面層黏結強度與抗剪強度相當，且兩者之間呈線性正相關，相關系數R2＝0.914 4，這一關系對工程建設具有重要意義.對于現場施工路段而言，界面層抗剪強度無法測量，此時即可通過室內試驗來測定界面層黏結強度，從而間接得到界面層抗剪強度值.界面層黏結強度的好壞可以在一定程度上反映出界面層抗剪強度的大小，即界面層黏結強度在一定程度上代表了復合式路面的界面層強度.

3.4 復合式路面界面層特性分析

研究和實踐表明，復合式路面的損壞（表層開裂、推移擁包）與界面層強度不足密切相關［8］.弄清楚復合式路面界面層強度形成機理，對于采取科學合理手段進行界面處理有著重要指導意義.復合式路面界面層大多采用瀝青或高分子材料作為黏結層，當界面層所處環境溫度過高時，黏結材料將表現出流變性，再加上界面層處于富油區，此時的黏結材料在層間起到潤滑作用，會明顯降低層間抗剪切性能，此其一.其二，對于剛柔復合式路面而言，界面層抗剪強度與黏結強度密切相關，抗剪強度主要取決于界面處理方式，黏結強度則主要取決于界面層材料［8］.因此，要提高界面層強度，必須對界面進行科學有效的處理，界面處理要求潔凈、粗糙.其三，采用露石技術可以得到粗糙、潔凈的界面，有效提高界面層黏結強度和抗剪強度，從而減少復合式路面在運營期可能出現的損壞現象.其四，在使用效果相當（界面層抗剪強度和黏結強度相當）的情況下，采用本文研發的高碳糖露石劑，可以節省成本約93%.

4 工程實踐驗證

本文結合廣東省交通運輸廳科技項目“重載條件下復合式路面結構及界面處理技術研究”，在二廣高速懷集先行段驗證了露石式深構造界面處理技術的使用效果，并對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強度的差異.露石式深構造界面處理技術施工工藝如下：

（1）準備工作：配制高碳糖露石劑及準備有關施工設備，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，噴灑壓強控制在0.4～0.5MPa.

（3）薄膜養生：為了防止水分及露石劑蒸發，噴灑露石劑后5～10min內采用橫向滾動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規定的開始沖洗時間，采用低壓水槍沖洗水泥混凝土板表面；為了保證沖洗質量，沖洗壓強宜控制在0.5～0.7MPa，用水量為25kg／m2，角度控制在30°～45°.

（5）養生：沖洗完水泥混凝土板表面后噴灑養護劑進行養護，養護要求與現有水泥混凝土相同.

現場檢測結果見表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；界面層黏結強度則分別提高了2.60倍和0.88倍，表明采用高碳糖露石劑可顯著提高復合式路面界面層黏結強度，且成本相對較低.從現場實測結果來看，界面層黏結強度和抗剪強度要比室內試驗結果低，這可能與現場的界面層施工質量控制有關，現場黏結層采用的是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影響界面層強度，而室內試驗則不存在上述因素的影響.

表7 現場檢測結果Table 7 Results of field test

5 結論

（1）通過MTS拉拔試驗和45°剪切試驗，得出經過不同處理措施的界面層強度大小排序為：A 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度，建議新建復合式路面施工時對水泥混凝土板表面進行露石式深構造界面處理.

（2）界面層抗剪強度與露石高度、界面層黏結強度與露石高度兩兩之間存在良好的線性相關關系，界面層抗剪強度和黏結強度均隨著露石高度的增加而增加.由于施工現場測定界面層抗剪強度較為困難，可根據所測界面層黏結強度，通過換算得到界面層抗剪強度.

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

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

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