露石混凝土路面性能研究及施工控制

马 晋

(山西省交通规划勘察设计院有限公司 太原市 030032)

露石水泥混凝土路面具有雨天抗滑能力强、抗滑能力保持时间长、交通噪声低、减缓路面反光炫目等特点，因此，具有优良的使用性能和广阔的应用前景。

1 露石水泥混凝土配合比设计

1.1 配合比设计原则

露石水泥混凝土配合比设计时，既要考虑普通混凝土满足强度、耐久性、工作性和经济性要求的设计原则，又要考虑露石混凝土路面的特殊技术要求。

1.2 露石混凝土原材料

(1)水泥及水泥标号：项目研究中采用普通硅酸盐425R水泥和普通硅酸盐525R水泥。

(2)集料的选择：

粗集料：石料要有足够的综合力学强度以抵抗车轮荷载冲击、剪切、磨耗等综合作用；

细集料：应质地坚硬、耐久、洁净，并符合规定级配。

(3)外加剂：项目外加剂选用UNF-5型高效减水剂。

1.3 配合比设计步骤

2 露石混凝土路面抗滑与降噪性能

2.1 抗滑性能

本研究通过模拟试验，对磨耗后的试件测试构造深度、摩擦系数、纹理、外观等变化状况，与普通混凝土对比分析不同表面特性的露石混凝土路面抗滑性能和耐磨耗性能的衰减情况。

试验采用经改造的圆盘磨耗试验机，粒径为0.3～0.6mm的标准石英砂作为磨料，试件尺寸为90mm×140mm×25mm。测试顺序为：纹理深度测量、构造深度(铺砂法)测量、外观比较、摆式摩擦值测定。

(1)构造深度衰减：分析数据可得，露石混凝土初期构造深度明显大于刻槽混凝土。但露石混凝土表面磨耗后的衰减总体快于刻槽混凝土，试验并未充分体现露石混凝土实际使用时的磨耗情况，实际中衰减速度要远小于试验结果。而轮胎与刻槽混凝土表面的接触范围和模拟试验类似。

(2)耐磨损性衰减：通过对比本试验条件下各种混凝土的质量损失可以看出，花岗岩露石混凝土的耐磨性要优于石灰岩和灰绿岩，相同材料的露石混凝土和刻槽混凝土未呈现出一定的规律。

表1 露石混凝土与刻槽混凝土各项指标衰减对比表

(3)摩擦系数衰减：由试验数据可以看出，多次磨耗后不同试件的抗滑摆值均变化不大，不同石料试件的抗滑摆值均在700圈磨耗后有所减小。露石混凝土表面磨耗前的抗滑摆值大于刻槽混凝土，但磨耗后刻槽混凝土表面的抗滑摆值起伏变化较大。可见，两者在车辆低速行驶时的抗滑性能差异不大。

(4)露石高度(刻槽深度)变化：由测试结果可知，露石混凝土露出集料在初期磨损较大，进一步磨耗后露石高度的变化逐渐减缓。后续试验发现，花岗岩露石混凝土表面的露石高度在4200圈接近于0，而石灰岩露石混凝土为1100圈，辉绿岩露石混凝土为1700圈。可见，应采用耐磨性好的集料，可以有效保证露石混凝土路面的抗磨耗能力。

2.2 降噪性能

路面噪声室内测试分析：

本研究采用轮胎落下法(图1)测试评价路面噪声。试验采用普通小汽车轮胎(185/70813)，轮胎的气压为0.2N/mm2；测试试件为40cm×40cm×5cm的不同表面混凝土或沥青混凝土路面板。试件制作混合料包括水泥混凝土、露石混凝土、沥青混凝土。采用轮胎下落法对每一块试件进行噪声室内测试，同时对每一块试件进行露石深度、构造深度、露石度的测定。

图1 轮胎落下法试验装置

试验结果如图2、图3所示。本研究中露石度定义为：露石混凝土板在10cm×10cm表面范围内露出粗骨料颗粒(粒径在5mm以上)的个数。

图2 声压水平和构造深度关系图

图3 声压水平与露石度关系图

由图2可见，轮胎以一定速度作用于试件表面，声压水平与构造深度呈良好的二次函数关系，这种变化关系也反映了轮胎以一定速度作用于路面所产生空气泵吸现象的严重程度随着路面构造深度大小而变化的规律。

由图3可知，露石度与声压水平的关系呈反向抛物线趋势变化，说明路面纹理以声压水平为优化目标时，露石度在45～55范围内时，路面的轮胎落下噪声较小。

2.3 耐久性

2.3.1集料与水泥砂浆的粘结

本项目对两种水泥，采用水灰比0.45、0.42、0.40、0.38，水泥与砂的比例为1∶1.5，石灰岩、辉绿岩、花岗岩三种石料，通过抗拉试验分析了不同因素对粘结强度的影响。

抗拉试验分别测定集料—水泥砂浆界面粘结抗拉强度和水泥砂浆的抗拉强度。两种试验均用8字型试件，形状如图4所示。试件28d的抗拉强度试验结果见表2和表3。

由表2知，当石料品种一定时，水泥砂浆与石料的粘结强度随着水灰比的减小而增大。水泥标号越大，粘结强度越高。由表3可见：

(1)三种石料界面抗拉强度的差异来自于表面特性上，集料表面越破裂粗糙，越凹凸不平明显，界面抗拉强度越高；

图4 试件示意图

水泥品种水灰比石料与水泥砂浆界面抗拉强度(MPa)水泥砂浆抗拉强度(MPa)42.5R52.5R0.450.892.120.421.1l2.300.401.612.750.381.704.240.421.564.05

表3 不同种类石料与水泥砂浆的粘结强度

(2)石料-砂浆界面粘结抗拉强度均低于水泥砂浆本身的抗拉强度，表明石料-砂浆界面为混凝土最薄弱的部位；

(3)对于同一种石料，界面粘结强度随着水泥砂浆抗拉强度的提高而提高。

分析可得，为了提高露石混凝土路面露出集料与水泥砂浆的粘结强度，可以采用提高水泥标号、减小水灰比、增大水泥用量等措施，同时选择表面粗糙、颗粒有棱角的粗集料。

2.3.2抗冻性

通过冻融循环试验，结合试件质量损失及试件表面外观变化，评价露石混凝土的抗冻性。

表4 不同冻融次数下的试件累计质量损失率

可以看出，随着冻融循环次数的增加，试件的质量损失率不断增大，刻槽混凝土试件的质量损失率明显大于露石混凝土试件，表明冻融作用对刻槽混凝土的影响大于露石混凝土；不同粗集料种类对露石混凝土抗冻性的影响不大；在相同冻融循环次数下，NaCl盐溶液中的试件质量损失率大于水中试件，可见，NaCl盐溶液会加剧水泥路面的冻融破坏。

从试件外观变化看，当试件经过20次冻融循环后，NaCl盐溶液中的刻槽混凝土试件的表面砂浆已经严重剥落，粗集料露出，而露石混凝土试件表面损失很小；经过40次冻融循环后，刻槽混凝土试件的表面砂浆层严重剥落，粗集料完全暴露；而露石混凝土试件表面仍没有出现破损现象。可见，露石混凝土具有良好的抗冻性，且明显优于刻槽混凝土。

2.3.3耐磨损性

本研究采用圆盘磨耗试验方法，采用9.15cm×5.35cm×2.5cm露石混凝土试件，在磨盘上不断撒铺石英砂进行旋转磨耗，测定在旋转500转后单位面积上的质量磨耗损失(g/m2) 。

耐磨指标为：

(1)

式中： Q—单位面积的磨耗量，g/m2；

m1—试件原始质量，g；

m2—试件磨损后的质量，g；

A—试件磨耗面积，A=0.0915× 0.0535m2。

图5 不同试件表面的磨耗损失率

由图5可知，辉绿岩和花岗岩露石混凝土的耐磨性明显优于其他混凝土。可见，粗集料性质对露石混凝土的耐磨性有明显影响，在配合比设计中应予以重视。

2.3.4防眩特性

本研究采用光学试验测量试板的散射系数，并与光学试验室标准镁板的散射系数进行比较，分析不同路面的反光性能。测量中分为三种方式：

(2)r2=r1，R2=113cm，φ2=21°，θ1=θ2；

(3)r3=r1，R3=99cm，φ3=φ2，θ3=45°。

其中对照板镁板的散射系数为K=0.85，试验数据如表5所示。

表5 路面散射系数测量结果

从试验结果可以看出，传统施工工艺的普通混凝土的散射系数为0.35，而露石混凝土散射系数平均在0.26左右，甚至更小。这表明，露石混凝土在反光性能上有了很大改善。暗绿色的辉绿岩比白颜色的石灰岩更能吸收光线，使反射光的强度减弱。

3 露石混凝土路面施工工艺

露石混凝土施工工艺流程大部分与普通混凝土路面相同。

露石剂喷洒过程是露石混凝土施工工艺的关键之一，也是与普通混凝土施工工艺不同点之一。露石剂的喷洒量必须严格控制，每次喷洒前，要严格称量露石剂的重量，并测量好喷洒的面积。露石剂必须喷洒均匀，喷洒后面层表面的露石剂颜色一致(呈淡兰色)。

露石混凝土刷洗：露石混凝土养护到适宜刷洗时间后，揭去塑料薄膜，对混凝土表面进行刷洗，除去表面砂浆以露出集料。在进行大面积刷洗之前，先要进行小面积试刷洗，最佳刷洗深度露石高度为1.5mm。

4 露石混凝土路面施工质量控制

本节主要介绍施工过程中露石混凝土与普通混凝土不同之处的施工质量控制措施。

(1)混凝土浇注

露石混凝土须分为两层铺筑，表层露石混凝土厚度4～5cm。“湿接湿”双层铺筑混凝土可以提高路面的表面功能及其持久性，同时可以降低路面造价。

施工步骤：先铺筑下层混凝土，间隔20～40min左右，进行上层混凝土铺筑，随后振捣、整平、饰面、喷洒露石剂、覆盖塑料膜进行第一次养生，之后刷洗、第二次养生等。路面双层铺筑施工时，上层振捣过程中需注意控制混凝土的提浆厚度约为1～2mm。同时，整平过程中应严格控制上层的平整度，这是保证露石效果的关键。

(2)露石剂喷洒

混凝土收水抹面后，要准确把握露石剂喷洒时间。喷洒时力求均匀，喷洒用量计量准确。喷洒后混凝土表面颜色均匀，对于模板边缘处用量可以稍微加大。喷洒后约10min及时覆盖塑料薄膜进行养护。

(3)露石混凝土刷洗

混凝土刷洗时间控制的是否适宜，是露石混凝土施工工艺的关键。本研究通过“刷洗标志”试验和“成熟度”试验来确定刷洗时间。

影响刷洗时间的各种可能因素归结为材料和环境下两大方面。影响露石混凝土路面刷洗时间的因素主要为温度。把合适刷洗时刻的成熟度M定义为温度T与适宜刷洗时间t之乘积，即：M=T×t(℃·hrs)。

由图6可以看出，对同一标号水泥，温度越高，适宜刷洗时所需的成熟度值越大，当温度超过一定值(30℃)后，成熟度随温度变化小。在相同温度下，标号高的水泥其混凝土成熟度较短。对试验用的水泥，成熟度在300～450(℃·hrs)范围之内。

图6 温度与成熟度关系曲线

露石混凝土冲洗前先进行小面积的试冲。冲洗过程中需注意的是一定要把露出的石料表面冲洗干净，且在路面干燥之前禁止踩踏，以避免将浮浆粘到石料表面，影响路面的美观。

5 小结

(1)从露石混凝土的抗滑性能、降噪性能、集料与水泥砂浆的粘结、抗冻耐久性、防眩特性等方面分析了露石混凝土路面的路用性能。

(2)提出了露石混凝土路面施工技术及其质量控制方法，为实际工程提供了依据。