CN101936858A - 一种水泥混凝土路面宏观细观纹理再造室内试验方法 - Google Patents

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本发明公开了一种水泥混凝土路面宏观细观纹理再造室内试验方法，(1)制备试件：按照351kg/m3水泥、1211kg/m3粗集料、743kg/m3细集料、158kg/m3水和1.58kg/m3减水剂的配合比制成型尺寸为40cm×40cm×5cm的水泥混凝土板试件；(2)调整刻槽机参数：金刚石锯片厚度2-4mm、垫片厚度为2.0～3.5mm，组成磨削刀排；(3)制备磨削纹理；(4)用得到的磨削纹理与其他不同形式的表面纹理分别进行抗滑性能试验、噪声试验和室内抗滑磨损试验。通过本发明室内试验得到磨削纹理与其他不同形式的表面纹理分别进行抗滑性能试验、噪声试验和室内抗滑磨损试验，确定磨削路面和其它型路面的抗滑性能、噪声性能、耐久性对比结果。对此表面纹理的进一步研究，可以针对不同的集料特性、不同的龄期强度的水泥混凝土确定试验用金刚石锯片直径、锯片厚度、锯片组合方式等锯片参数，为磨削方法的大面积推广应用提供试验数据。

Description

一种水泥混凝土路面宏观细观纹理再造室内试验方法
方法领域：
本发明涉及一种金刚石磨削水泥混凝土的方法，尤其是涉及一种水泥混凝土路面宏观细观纹理再造室内试验方法。
背景方法：
水泥混凝土路面具有强度高、稳定性好、使用寿命长、养护费用少等特点，广泛用于我国的公路建设中，但其表面抗滑性能差、平整度差、行车噪声大等表面功能缺陷，限制了其在高速公路中的应用。
由于我国资源和能源的限制和制约，加快水泥混凝土路面的发展和方法进步是我国高速公路建设的客观需求，也是促进我国能源大发展的重要战略措施。且水泥混凝土路面具有其独特的优点：即耐水性、耐腐蚀、耐高温性能强；当水流经或渗透过水泥混凝土材料时，路面的水对周围土壤和地下水无污染，是环保型路面类型；刚度大，使用寿命长。
但是我国旧水泥路面存在严重的表面功能缺陷，尤其是路面抗滑和噪声性能难以令人满意。因此为了满足交通运输发展的需要，提高道路服务水平，对旧水泥混凝土路面表面纹理改造处理、提高抗滑水平、降低路面噪声已经成为当前公路发展的一个迫切任务。
国内旧水泥混凝土路面表面纹理改造方法的方法主要有硬刻槽法、抛丸法、铣刨法等方法。
通过室内试验得到金刚石磨削水泥混凝土板，对金刚石磨削水泥混凝土板纹理与其他不同形式的表面纹理分别进行抗滑性能试验、噪声试验和室内抗滑磨损试验，确定磨削路面和其它型路面的抗滑性能、噪声性能、耐久性对比结果，并为磨削方法的实际应用确定磨削刀头参数提供试验数据。
发明内容：
经过本试验方法得到的水泥混凝土板形成纵向“灯芯状”纹理，在增加路面宏观构造同时，沟槽之间还形成锯齿状构造。通过形成的纵向纹理提高其抗滑性能、降低轮胎与路面接触噪声。此外，在按本试验方法试验过程中，要将路表面4-6mm薄层磨削掉，从而消除了施工养护过程中，以及旧路面中路面平整度差的诸多因素，将路面平整度大大提高，使得车辆在路面上行驶时，行车振动减小，增加了行车舒适性。
本发明的目的在于克服上述现有方法的缺点，提供一种室内制备金刚石磨削混凝土的方法：
(1)制备试件：按照351kg/m3水泥、1211kg/m3粗集料、743kg/m3细集料、158kg/m3水和1.58kg/m3减水剂的配合比配制成型尺寸为40cm×40cm×5cm的水泥混凝土板试件；
(2)调整刻槽机参数：金刚石锯片厚度为2-4mm、垫片厚度为2.0～3.5mm，组成磨削刀排；
(3)制备磨削纹理。
(4)用得到的磨削纹理与其他不同形式的表面纹理分别进行抗滑性能试验、噪声试验和室内抗滑磨损试验。
所述步骤(3)是指：
(a)将刻槽机前轮置于平整度控制装置固定块上，使其与底板平行；
(b)将水泥混凝土试件置于磨削深度控制试验工作台上，利用挡块并固定；
(c)调整刻槽机升降丝杆，使得刻槽机刀排嵌入水泥混凝土板达到4～6mm；
(d)开启刻槽机电机开关，打开水箱阀门，匀速旋转磨削平整度控制装置手轮，开始磨削，速度保持在55-65cm/min；
(e)待磨削完毕取出混凝土板，并用清水清洗混凝土表面浮浆，即得到室内金刚石磨削混凝土板。
所述粗集料是洁净、坚硬、耐磨性好的碎石。
所述细集料是质地坚硬、耐磨耗、洁净的天然砂或机制砂。
本试验方法采用密间距的金刚石刀片切割磨削水泥混凝土板，将4-6mm的薄层磨削掉。磨削后路面形成纵向“灯芯状”纹理，在增加路面宏观构造同时，沟槽之间还形成锯齿状构造，从而在降噪、抗滑以及平整度等方面，取得了良好的效果。
试件制作完成以后进行抗滑性能试验、噪声试验和室内抗滑磨损试验。
1.抗滑性能试验
1.1铺砂法测试构造深度
采用铺砂法(人工)进行测试试件板构造深度前，应用扫帚或毛刷将混凝土磨削试件板表面清扫干净，尤其要把纹理内部的杂物如灰尘、水泥浆清理干净，以免影响测试数据的准确性。
将砂倒在磨削试件板上，用底面粘有橡胶片的推平板，由里向外重复做摊铺运动，同时稍稍用力将砂尽可能地向外摊开，使砂填入试件板纹理内部，尽可能将砂摊成圆形，并不得在表面上留有浮动余砂。
用专用的构造深度尺测量所构成圆两个垂直方向的尺寸，取其平均值。
本试验磨削纹理选用石灰岩成型混凝土试件，并选择9组不同的刀头组合进行磨削纹理试验，试验结果如图1所示。
图1中横坐标为锯片厚度，hd表示垫片厚度，由图可知磨削纹理表面构造深度基本符合水泥混凝土路面验收规范评定标准，能够为路面提供较好的抗滑力，总体上随着锯片和垫片厚度的增加而降低，且在锯片厚度一定下，构造深度随垫片厚度的增加而增加。
试验还选取刻槽、露石、拉毛等代表性纹理和磨削纹理进行横向对比试验，结果如表1所示。
表1不同表面纹理构造深度对比
  项目   刻槽   露石   拉毛   磨削
  TD(mm)   0.91   0.94   0.71   0.96
从表1结果看出，磨削纹理平均构造深度高于露石、拉毛等其他表面处理方式，虽然磨削深度只有1.5～2.0mm，但是由于磨削纹理具有更多的沟槽，随之平均构造深度也较高，整体上可以达到槽深为4mm、槽宽为3.2mm、槽间距为20mm的刻槽纹理构造深度，并且可以达到新建路面的抗滑标准。
1.2摆式仪测摆值
在磨削试件板上进行摆值测量时，注意所用摆式摩擦仪的橡胶块物理性质应符合表2的要求。
表2橡胶块物理性质要求
Figure BDA0000024885850000031
摆值测定完成后，应根据按式1换算成标准温度20℃的摆值FB20。
FB20＝FBT+ΔF                    (1)
式中：
FB20——换算成标准温度20℃时的摆值，BPN；
FBT——路面温度时测得的摆值，BPN；
T——测定的路表潮湿状态下的温度，℃；
ΔF——温度修正值，按表3取用。
表3温度修正值
  温度T，℃   0   5   10   15   20   25   30   35   40
  温度修正值ΔF   6   4   3   1   0   2   3   5   7
试验结果如表4和图2所示：
表4不同纹理表面摆值
Figure BDA0000024885850000041
注：刻槽参数选择工程中常用的槽深4mm、槽宽3.2mm、槽间距20mm的参数，露石混凝土板选择粒径为5～20mm的花岗岩作为原材料。
摆值是测试细观构造对抗滑力的贡献率，从而评价车辆在低速行车下路面整体的摩擦性能。由图2可知，磨削路面能提供优越的抗滑性能，尤其其独特的锯齿形细观构造为车辆在低速状态下提供足够的摩擦力。
2.噪声试验
测试之前成型具有代表性的磨削水泥混凝土板，另外通过调整不同的刻槽参数，获得槽宽、槽深以及槽间距不同的刻槽混凝土试板，还制作光面混凝土板、多孔混凝土板作为对比试验。
按照室内测试方法的测试要求，对每一块试板进行轮胎与路面接触噪声测试，同时测定相应的纹理参数。
3.室内抗滑磨损试验
室内抗滑磨损试验是通过室内研究、认识磨削混凝土路面表面的磨损过程，分析其抗滑性能的变化规律，以此来对实际磨削路面的抗滑性能衰减过程做出预测判断，并预测其疲劳寿命。
试验选用长安大学新型路面研究所自行研制的室内加速磨损试验仪，该仪器主要由机架、气泵、电机、橡胶轮等构成。
室内抗滑磨损试验操作方法
(1)浇注、振实的混凝土试件在室温20±5℃，相对湿度85％环境下养生24h，拆模，置于室温20±2℃，相对湿度95％的标准养生室中养生至规定龄期；根据不同集料选择不同的刀头参数，磨削成型表面纹理。
(2)测试并记录试件的摆值、磨损深度等值；
(3)将试件放入试槽中，通过螺栓加以固定，对磨损车轮加载达到需要的压力。
(4)将准备好的金刚砂和水分别放入砂箱和水箱，并通过控制器设定加砂和洒水时间。
(5)启动电机，记录开始时间，并根据试验要求，每隔一定磨损次数或磨损时间，关闭电机，停止磨损过程，移开摩擦轮，拆下试件，对试件摆值和磨损深度等值进行测试。
(6)当试件磨损到摆值、磨损深度等值趋于稳定，不再有明显变化即停止试验。
试验数据处理：
(1)抗滑衰减规律-摆值
本试验在室内加速磨损试验仪作用下每小时测试一次摆值，每次测试尽量选择位置相同的点，减少试验中的随即误差和系统误差。
(2)磨损相对深度
相对磨损深度测试结构主要由两块高6cm，厚5cm的光滑平面木板搭接而成的直角试模组成，每次测试将试件插入试模，试件的一对直角边贴于木板内壁，再使用高度尺插入上方有机玻璃板(尺寸为30cm×30cm×10mm)中的深度测试圆孔(孔径5mm)，读取数据，并把读取的所有数据计算平均后，作为路面的相对磨损深度。
通过这种简便的纹理深度测试法，可获得直观地表征路面磨损后纹理变化情况，这种方法具有数据采集简单，操作方便等优点。
本发明适用于室内研究。通过室内试验可以得到“灯芯状”纹理的水泥混凝土试件，对此表面纹理的进一步研究，在室内对其进行抗滑性能试验、噪声试验和室内抗滑磨损试验，进而针对不同的集料特性、不同的龄期强度水泥混凝土确定试验用金刚石锯片直径、锯片厚度、锯片组合方式等锯片参数，为磨削方法的大面积推广应用提供试验数据。
如何根据不同的路面状况调整金刚石锯片直径、锯片厚度、锯片组合方式等锯片参数，既提高生产效率，又保证施工质量，是推广抗滑降噪水泥混凝土路面的关键环节。对研究水泥混凝土路面抗滑降噪磨削施工方法具有十分重要的意义。
附图说明：
图1为本发明的磨削后形成的“灯芯状”纹理构造图；
图2为现有的普通刻槽机结构示意图；
图3为本发明的刀排结构示意图；
图4为现有的磨削平整度控制装置结构简图；
图5为本发明的试件尺寸示意图；
图6不同刀头参数磨削表面构造深度；
图7不同纹理表面摆值比较图。
其中：1为刀排升降系统控制轮；2为供水系统(水箱)；3为行走动力源；4为机壳；5为主动力源；6为手柄；7为换挡装置；8为变速装置；9为行走轮；10为机座底盘；11为刀排轴；12为锯片；13为皮带轮；14为垫片；15为锯片；16为锁紧装置；17为轴承；18为轴承；19为底板；20为固定块；21为滑动块；22为试样工作台；23为升级丝杆；24为水平螺栓；25为手轮。
具体实施方式：
参见图1、2、3和4：
一、试验任务与目的
金刚石磨削是修复水泥混凝土路面表面功能的养护方法，是指采用密间距的金刚石刀片切割磨削水泥混凝土路面，将表面4～6mm的薄层磨削掉，形成一定的纵向纹理构造。磨削方法能消除混凝土的表面缺陷，改善水泥混凝土路面表面功能，形成具有抗滑、降噪、舒适等优越性能的水泥混凝土路面。
通过室内试验可以得到“灯芯状”纹理，如图1所示。对此表面纹理的进一步研究，可以针对不同的集料特性、不同的龄期强度水泥混凝土确定试验用金刚石锯片直径、锯片厚度、锯片组合方式等锯片参数，为磨削方法的大面积推广应用提供试验数据。
二、仪器设备及材料方法要求
1、磨削机械：采用普通刻槽机，刻槽机械长约90cm，宽60cm(轮净距为40cm)。一股为单刀排设计，一次磨削宽度40-50cm，具有操作简单，灵活方便等特点，具体构造见图2。
2、刻槽机刀片及刀排：刻槽机刀片选用直径为150-160mm，厚度为2-3.5mm的金刚石锯片，对于不同的集料选择不同直径和厚度的锯片，并将所选锯片按大小依次排列组成刀排。如图3所示，刀排由锯片、刀排轴、紧缩装置、轴承等构成。
3、磨削平整度控制装置：采用自主研发装置，由机架、推进装置、升降装置和试验平台等部分组成。细部构造图见图4。它能很好的保证混凝土板和刻槽机在磨削过程中距离的一致性，使磨削后的混凝土板表面平整度达到要求。
由图1、图2比较可以看出金刚石磨削后得到的路面纹理结构不但有宏观纹理，而且沟槽之间还形成锯齿状细观纹理构造，从而在降噪、抗滑以及平整度等方面，取得了良好的效果。
4、材料要求和配合比选择
水泥混凝土路面的材料选择、集料级配状况、路面表层砂浆层厚度等对于路面的抗滑性能有一定影响，试验中要求尽量选用统一的原材料及配合比，以此来减少材料方面对试验结果的影响。
(1)水泥：采用PO.42.5号普通硅酸盐水泥，并满足规范方法性能要求。
(2)粗集料：粗集料应选用洁净、坚硬、耐磨性好的碎石。使用前需测试其压碎值、针片状颗粒含量、密度等方法指标，满足水泥混凝土用集料要求。
(3)细集料：细集料应采用质地坚硬、耐磨耗、洁净的天然砂或机制砂。
(4)配合比：水泥混凝土板设计强度为5.0MPa，采用的混凝土配合比如表1所示，水灰比为0.45，砂率32％。
表5试件板所用配合比
Figure BDA0000024885850000071
5、试件尺寸和成型方式
试模采用普通木条制作，成型尺寸为40cm×40cm×5cm的水泥混凝土板，成型混凝土板尺寸如图5所示。试件成型时，应尽可能地保持试件成型方法性质的统一，减少由此产生的试验误差。采用小型拌和机进行混凝土拌和，每次拌和三个试件的混凝土量，以此保证混凝土的均匀性；将拌和好的混凝土倒入木质试模中，初步整平后，使用平板振捣器进行振密成型；再用木抹子人工找平，后用铁抹子收面，保证平整度。养生2～3天后拆摸，继续养生1～2天后待试验进行使用。
三、试验步骤
1、准备工作
(1)调整试运行刻槽机械，使其达到良好状态。
(2)针对不同的集料特性，选择不同厚度的金刚石锯片和组合方式，具体尺寸如表2所示。
表6金刚石磨削纹理尺寸要求
  要求范围   硬质石料   软质石料
  锯片厚度(mm)   2.0～4.0   2.0～3.5   2.5～4.0
  净间距(mm)   1.5～3.5   2   2.5
  深度(mm)   1.5   1.5   1.5
附注：软质石料：石灰石、白云石、珊瑚石、砂砾；
中等：砂砾、礁石、花岗岩；
硬质石料：花岗岩、燧石、黑硅石、石英、砂砾。
(3)安装试验所需金刚石锯片，并准备试验用水、工具等。
2、试验步骤
(1)将刻槽机前轮置于平整度控制装置固定块上，使其与底板平行。
(2)将水泥混凝土试件置于磨削深度控制试验工作台上，利用挡块并固定。
(3)调整刻槽机升降丝杆，使得刻槽机刀排嵌入水泥混凝土板达到4～6mm。
(4)开启刻槽机电机开关，打开水箱阀门，匀速旋转磨削平整度控制装置手轮，开始磨削，速度保持在60cm/min左右。
(5)待磨削完毕取出混凝土板，并用清水清洗混凝土表面浮浆，即为室内制备磨削纹理的过程。
以上内容是结合具体的优选实施方法对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方法仅限于此，对于本发明所属方法领域的普通方法人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (4)

1.一种水泥混凝土路面宏观细观纹理再造室内试验方法，其特征在于：
(1)制备试件：按照351kg/m3水泥、1211kg/m3粗集料、743kg/m3细集料、158kg/m3水和1.58kg/m3减水剂的配合比配制成型尺寸为40cm×40cm×5cm的水泥混凝土板试件；
(2)调整刻槽机参数：金刚石锯片厚度2-4mm、垫片厚度为2.0～3.5mm，组成磨削刀排；
(3)制备磨削纹理。
(4)用得到的磨削纹理与其他不同形式的表面纹理分别进行抗滑性能试验、噪声试验和室内抗滑磨损试验。
2.如权利要求1所述一种水泥混凝土路面宏观细观纹理再造室内试验方法，其特征在于：所述步骤(3)是指：
(a)将刻槽机前轮置于平整度控制装置固定块上，使其与底板平行；
(b)将水泥混凝土试件置于磨削深度控制试验工作台上，利用挡块并固定；
(c)调整刻槽机升降丝杆，使得刻槽机刀排嵌入水泥混凝土板达到4～6mm；
(d)开启刻槽机电机开关，打开水箱阀门，匀速旋转磨削平整度控制装置手轮，开始磨削，速度保持在55-65cm/min；
(e)待磨削完毕取出混凝土板，并用清水清洗混凝土表面浮浆，即得到室内金刚石磨削混凝土板。
3.如权利要求1所述一种水泥混凝土路面宏观细观纹理再造室内试验方法，其特征在于：所述粗集料是洁净、坚硬、耐磨性好的碎石。
4.如权利要求1所述一种水泥混凝土路面宏观细观纹理再造室内试验方法，其特征在于：所述细集料是质地坚硬、耐磨耗、洁净的天然砂或机制砂。
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