一种新型露石剂及其使用性能的对比试验

王火明，李汝凯，周 刚，陈 飞，谢鹏宇

（1.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067；2.重庆交通大学 土木建筑学院，重庆 400074）

刚柔复合式路面由水泥混凝土基层加铺沥青混凝土面层组合而成，综合了水泥混凝土路面与沥青混凝土路面的优点，既提高了路面结构的承载能力，又改善了路面平整度和行车舒适性，是一种路用性能良好的路面结构形式［1－4］.由于复合式路面基层与面层材料刚度相差较大，位于刚柔过渡区的界面层受力极其复杂，是复合式路面结构受力最薄弱的区域，极易发生破坏.界面层黏结强度与抗剪强度的好坏直接关系到复合式路面的使用寿命［5－8］.事实证明，绝大多数复合式路面的破坏源于界面层强度不足.因此，采取必要措施来提高界面层强度至关重要.研究表明，界面处治措施对于提高界面层强度具有显著作 用［1－2，8］.目前，常用的界面处治措施有喷砂、精铣刨、拉毛、压纹、抛丸和刻槽等，这些措施各有优缺点.精铣刨、抛丸等处理方法可以满足界面表面的粗糙程度要求，达到预期抗剪强度和黏结强度，但是施工效率低、环境污染大，成本较高；拉毛、压纹等处理方法具有良好的经济性，但是对界面层强度贡献不大，往往不能达到设计要求.

本文针对复合式路面界面处理方式存在的问题，通过室内试验，开发出一种既有效又经济的界面层处理材料——高碳糖露石剂，通过室内拉拔试验和剪切试验对其使用效果进行了对比研究，并依托工程实践对其使用效果进行了进一步验证，为复合式路面界面处理提供了一种较优的新技术.

1 高碳糖露石剂研发及其技术指标

1.1 高碳糖露石剂研发

露石剂的使用目的是使混凝土板表面产生一定的露石高度.本文研发的露石剂主要包括G－E，G－F和水3种组分，其中G－E和G－F的主要成分为高碳糖.高碳糖露石剂能吸附在水泥颗粒表面，使水泥－水体系的自由焓降低，稳定性提高，抑制水泥颗粒的凝聚，有效减缓水泥中4 种活性矿物成分（硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙）与水反应的速度，是一种效果很好的混凝土表面处理材料.在混凝土表面喷洒高碳糖露石剂后，能在一定厚度范围内延缓水泥砂浆的凝结时间，使表层混凝土的凝结晚于内部混凝土.随后用水将表层尚未凝结的水泥砂浆冲掉，使部分石子裸露而形成粗糙表面，以增强其与沥青面层的嵌锁咬合作用，起到提高界面层抗剪强度与黏结强度的目的.

按水、G－E和G－F不同质量比配制高碳糖露石剂，并进行露石试验，根据所获得的露石效果来确定其最佳掺配比例.另外，用一种目前应用较广、露石效果较好的A 型露石剂作为对照.分别成型30cm×30cm×5cm 的混凝土板，在其上喷洒高碳糖露石剂和A 型露石剂，试验温度为15℃.到达规定时间（27h）后，用水冲洗混凝土板表面，并采用铺砂法测定其露石高度h.露石剂喷洒量Ms、开始冲洗时间tw、露石高度h等试验数据见表1.

表1 喷洒露石剂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：随着高碳糖露石剂中G－E 和G－F掺量的增加，露石高度也随之增长，且前期增长迅速而后期增长缓慢；在G－E 质量和G－F质量各占水质量的10%，即m（H2O）∶m（G－E）∶m（G－F）＝10∶1∶1（w（H2O）∶w（G－E）∶w（G－F）＝100%∶10%∶10%）时，高碳糖露石剂与A 型露石剂的露石效果相近.综合考虑露石效果及经济效益，本文选定新型高碳糖露石剂3 种组分的质量比为：m（H2O）∶m（G－E）∶m（G－F）＝10∶1∶1.

1.2 高碳糖露石剂技术参数

经过室内反复试验后发现，为保证最佳冲洗效果，在冲洗混凝土板表面时应该将冲水水柱与混凝土板面交角控制在30°～45°.露石剂喷洒剂量ms、喷洒压强ps、喷洒时间（从混凝土成型开始到喷洒露石剂的时间间隔）ts以及混凝土板表面冲洗压强pw如表2所示.室内试验温度为15℃，但现场施工温度不可控，为此，对其他几种室内温度下露石剂的开始冲洗时间也进行了研究，得到的最早、最晚及最适宜开始冲洗时间如表3所示.

表2 高碳糖露石剂技术指标Table 2 Technical indicators of high carbon sugar aggregate exposing solvent

表3 高碳糖露石剂的开始冲洗时间Table 3 Washing time of high carbon sugar aggregate exposing solvent

1.3 高碳糖露石剂成本分析

本文所用的A 型露石剂市场价格为12 000元／t，单价成本为3.0 元／m2；高碳糖露石剂由G－E，GF和水复配而成，G－E 和G－F 的市场价格分别为2 700，5 645 元／t，换算成单价成本为0.21 元／m2.由此可见，高碳糖露石剂的价格优势明显，相比A型露石剂可节省约93%的成本.

2 试验方法及试件制备

2.1 室内拉拔和剪切试验方法

采用拉拔试验（MTS）和45°斜剪试验对比研究了不同界面层处理方式下的界面层抗剪强度与黏结强度.每种界面处理方式均做3组平行试验，每组5块试件，结果取平均值.试验原理如图1，2所示.

图1 拉拔示意图Fig.1 Drawing test

图2 45°斜剪切示意图Fig.2 45°ramps shear test

试验时的拉拔速度与剪切速度均为10mm／min，试验温度为25 ℃；拉拔试验中拉头底面面积A1为1 963.5mm2，剪切试验中加载装置的剪切角α为45°.界面层抗剪强度与黏结强度分别按式（1），（2）计算：

式中：τ为抗剪强度，MPa；Q 为试件剪切面上的切向力，N；A2为试件受剪面的截面面积，mm2；M 为试件所受荷载，N.

式中：σ为黏结强度，MPa；F 为最大拉拔力，N.

2.2 试件制备

沥青混合料选用SBS 改性沥青，油石比（质量比）为4.3%；集料选用洁净、干燥且表面粗糙的石灰岩，其公称最大粒径为20 mm，合成级配见表4；矿粉由同批次的石灰岩磨制而成，掺量（质量分数）为2.0%.基层采用C40 水泥混凝土板；黏结层采用热涂SBS改性沥青，用量为0.8～1.2kg／m2.

表4 AC－20合成级配Table 4 Synthetic gradation of AC－20

3 室内试验结果与分析

3.1 黏结强度试验结果与分析

采用不同界面处理方式，测得混凝土板表面露石高度h、界面层黏结强度σ及试件破坏情况见表5（括号内数字代表混凝土板厚度）.

由表5 可见：（1）与光面（未处理基层混凝土板）、拉毛工艺相比，采用高碳糖露石剂或喷砂处理可获得较高的界面层黏结强度，混凝土板厚度为5cm时，这两者的界面层黏结强度均在1.4MPa左右且相差很小.主要原因是采用喷砂或高碳糖露石剂处理后的混凝土板表面露石高度较大、表面粗糙，增加了基层混凝土板与上层间的接触面积和嵌锁咬合作用.（2）经2种露石剂和喷砂工艺处理后，试件断裂面几乎全部发生在混凝土板内部；经拉毛处理后的试件，其断裂面与光面处理试件的断裂面相近，主要发生在界面黏结层与混凝土板之间，说明混凝土板表面浮浆会大大降低界面层的黏结性能.（3）当基层混凝土板厚度由5cm 增加到7cm 时，采用露石剂处理后的露石高度有所增加，其界面层黏结强度比喷砂处理后的高出近20%，说明在处理较厚的水泥混凝土板时采用露石剂处理具有明显优势.按常理，露石高度与混凝土板厚度关系不大，主要与露石剂种类、喷洒量、温度和冲洗时间有关，但本次试验结果却明确显示混凝土板越厚则露石高度越大，这或许跟试验时采用的混凝土级配（碎石粒径）有关.为了控制混凝土的和易性，本试验在成型不同厚度的混凝土板时采用了不同粒径的碎石，7cm 厚板所用的碎石最大公称粒径为26.5mm，5cm 厚板采用的碎石最大公称粒径为19mm.或许是混凝土级配的差异导致了两者露石高度的不同，对此须在后续试验中做进一步研究.（4）采用拉毛、喷砂和露石剂等工艺处理水泥混凝土板表面后，随着露石高度的增加，界面层黏结强度也随之增强；可用拟合公式y ＝0.175 1x＋0.803 3来表示这两者的关系（R2＝0.884 3），说明界面层黏结强度与混凝土板露石高度之间存在良好的线性相关性.

表5 25℃黏结强度试验结果Table 5 Results of bond strength at 25℃

3.2 抗剪强度试验结果与分析

采用不同界面层处理方式，测得混凝土板表面露石高度h、界面层抗剪强度τ，见表6所示（括号内数字代表混凝土板厚度）.

由表6可见，对于不同的界面层处理方式，混凝土板界面层抗剪强度大小顺序为：A 型露石剂（7cm）＞高碳糖露石剂（7cm）＞A 型露石剂（5cm）＞高碳糖露石剂（5cm）＞喷砂＞拉毛＞光面，即采用露石剂处理后的界面层抗剪强度大于喷砂、拉毛和光面处理方式，但2种露石剂处理后的界面层抗剪强度相差不大.主要原因是采用露石剂处理的混凝土板表面粗糙、露石高度较大，致使混凝土板表面部分外露石子与沥青混合料之间相互嵌锁咬合，同时还间接增加了层与层之间的接触面积，因此使界面层抗剪强度大大提高.由此可见，用G－E，G－F 和水复配而成的高碳糖露石剂可明显增强界面层的抗剪强度.此外，通过观察试件破坏断面可以发现，受剪切作用破坏后断裂面大都发生在中间界面层处，但界面破坏形态并不清晰.同时还可看出，复合式路面界面层剪切强度与其露石高度之间也存在良好的线性相关性，可用y＝0.164 3x＋0.841 5来表示两者关系（R2＝0.885 9）.

表6 25℃抗剪强度试验结果Table 6 Results of shear strength at 25℃

3.3 界面层剪切强度与黏结强度相关性分析

根据表5，6 的数据，可作出界面层黏结强度σ与界面层抗剪强度τ 的关系曲线，如图3所示.

图3 25℃黏结强度与抗剪强度的关系Fig.3 Relationship between bond strength and shear strength at 25℃

对图3 所得直线进行线性拟合，得到拟合式y＝0.909 0x＋0.124 4.由图3可见：同条件下界面层黏结强度与抗剪强度相当，且两者之间呈线性正相关，相关系数R2＝0.914 4，这一关系对工程建设具有重要意义.对于现场施工路段而言，界面层抗剪强度无法测量，此时即可通过室内试验来测定界面层黏结强度，从而间接得到界面层抗剪强度值.界面层黏结强度的好坏可以在一定程度上反映出界面层抗剪强度的大小，即界面层黏结强度在一定程度上代表了复合式路面的界面层强度.

3.4 复合式路面界面层特性分析

研究和实践表明，复合式路面的损坏（表层开裂、推移拥包）与界面层强度不足密切相关［8］.弄清楚复合式路面界面层强度形成机理，对于采取科学合理手段进行界面处理有着重要指导意义.复合式路面界面层大多采用沥青或高分子材料作为黏结层，当界面层所处环境温度过高时，黏结材料将表现出流变性，再加上界面层处于富油区，此时的黏结材料在层间起到润滑作用，会明显降低层间抗剪切性能，此其一.其二，对于刚柔复合式路面而言，界面层抗剪强度与黏结强度密切相关，抗剪强度主要取决于界面处理方式，黏结强度则主要取决于界面层材料［8］.因此，要提高界面层强度，必须对界面进行科学有效的处理，界面处理要求洁净、粗糙.其三，采用露石技术可以得到粗糙、洁净的界面，有效提高界面层黏结强度和抗剪强度，从而减少复合式路面在运营期可能出现的损坏现象.其四，在使用效果相当（界面层抗剪强度和黏结强度相当）的情况下，采用本文研发的高碳糖露石剂，可以节省成本约93%.

4 工程实践验证

本文结合广东省交通运输厅科技项目“重载条件下复合式路面结构及界面处理技术研究”，在二广高速怀集先行段验证了露石式深构造界面处理技术的使用效果，并对比研究了喷洒高碳糖露石剂、精铣刨与光面3种界面处理方式下水泥混凝土板表面露石高度与界面层黏结强度的差异.露石式深构造界面处理技术施工工艺如下：

（1）准备工作：配制高碳糖露石剂及准备有关施工设备，确保露石剂掺配比例符合要求.

（2）喷洒露石剂：按表2要求，采用小型压力式喷雾器在水泥混凝土板表面喷洒露石剂，喷洒压强控制在0.4～0.5MPa.

（3）薄膜养生：为了防止水分及露石剂蒸发，喷洒露石剂后5～10min内采用横向滚动法在水泥混凝土板表面上覆盖塑料薄膜，覆盖完毕后将薄膜边缘及拐角处用木条压紧.

（4）冲洗：按表3规定的开始冲洗时间，采用低压水枪冲洗水泥混凝土板表面；为了保证冲洗质量，冲洗压强宜控制在0.5～0.7MPa，用水量为25kg／m2，角度控制在30°～45°.

（5）养生：冲洗完水泥混凝土板表面后喷洒养护剂进行养护，养护要求与现有水泥混凝土相同.

现场检测结果见表7.由表7可知：与光面和精铣刨处理方式相比，采用高碳糖露石剂处理的路段其露石高度分别提高了8.66倍和0.90倍；界面层黏结强度则分别提高了2.60倍和0.88倍，表明采用高碳糖露石剂可显著提高复合式路面界面层黏结强度，且成本相对较低.从现场实测结果来看，界面层黏结强度和抗剪强度要比室内试验结果低，这可能与现场的界面层施工质量控制有关，现场黏结层采用的是SBS热沥青＋碎石，SBS热沥青喷洒的均匀性和碎石洁净程度均会影响界面层强度，而室内试验则不存在上述因素的影响.

表7 现场检测结果Table 7 Results of field test

5 结论

（1）通过MTS拉拔试验和45°剪切试验，得出经过不同处理措施的界面层强度大小排序为：A 型露石剂＞高碳糖露石剂＞喷砂＞拉毛＞光面；为了有效提高界面层强度，建议新建复合式路面施工时对水泥混凝土板表面进行露石式深构造界面处理.

（2）界面层抗剪强度与露石高度、界面层黏结强度与露石高度两两之间存在良好的线性相关关系，界面层抗剪强度和黏结强度均随着露石高度的增加而增加.由于施工现场测定界面层抗剪强度较为困难，可根据所测界面层黏结强度，通过换算得到界面层抗剪强度.

（3）本文研发的高碳糖露石剂使用性能与市场上的露石剂接近，但成本不足其10%，具有良好性价比.依托工程实践，提出了高碳糖露石剂施工工艺.

（4）采用水、G－E 和G－F质量比为10∶1∶1配制的露石剂具有最佳露石效果；其施工参数如下：露石剂喷洒量为（250±25）g／m2，喷洒压强为0.4～0.5MPa，冲洗角度为30°～45°；冲洗压强为0.5～0.7 MPa，露石剂喷洒时间为混凝土成型后10～60min，开始冲洗时间为露石剂喷洒后8～40h，最佳喷洒和开始冲洗时间与外部环境温度有关.

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