（材料学专业论文）露石水泥混凝土路面表面性能研究.pdf

摘要 摘要 水泥混凝土路面具有强度高、稳定性和耐久性好等优点，在国内外公路建设 中被大量使用。然而水泥混凝土路面抗滑持久性差、噪声大的缺陷却长期困扰着 各国道路工作者。目前，我国公路建设将进入一个新的发展阶段，对道路的安全 性和舒适性提出了更高的要求。露石水泥混凝土路面具有抗滑性能高、降噪效果 明显等特点，在国外又被称为“悄声混凝土路面”，其应用前景是非常乐观的。 但国内还缺乏对露石水泥混凝土路面性能的系统研究。因此在实际应用中如何使 露石水泥混凝土的路面性能，如高抗滑、低噪音得到充分发挥，具有非常重要的 现实和实用意义。 本研究通过理论分析露石水泥混凝土路面抗滑力、噪声产生的机理，及路面 表面特征对路面性能的影响，结合室内试验，选用最大粒径分别为9 5 m m ，1 6 r a m ， 2 6 5 m m 的露石表面试件，分别测定其抗滑值、构造深度以及露石度；并在试验路 上选点测试噪音、构造深度、抗滑值；通过目测观察法和构造深度法对露石水泥 混凝土的离析进行测试和分析，并用试验测得单位面积内的露石度、构造深度。 同时将拍摄的具有代表性的露石水泥混凝土的照片用数字图像技术处理分析计算 得到该区域的平均构造深度，采用最小二乘法拟和和软件处理两种方式进行比较 分析计算。 本文研究了在露石水泥混凝土中，其路面抗滑降噪性能与其路面的露石度、 构造深度之间良好的相关性，提出当以露石水泥混凝土路面抗滑降噪性能为优化 目标时的最佳露石度范围为4 0 5 5 ，最佳构造深度范围为0 8 1 o m m ：同时将露 石度、构造深度比值分别作为目测和构造深度法测试露石水泥混凝土离析的分级 的系数指标，并应用在对试验路的评价上取得良好的效果；同时应用数字图像技 术可以使路面构造深度能较直观地在计算机中得到存储和展示。 本研究成果实用，且针对性强。不仅为充分发挥露石水泥混凝土高抗滑、低 噪音的路面性能提供一定的参考依据。并通过数字图像技术大大简化了试验工作 量。 关键词：露石水泥混凝土路面，抗滑降噪性能，露石度，构造深度，离析，数字 图像技术 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ea d v a n t a g e so ft h ec e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n tw i t hh i g hs t r e n g t h ，g o o d s t a b i l i t ya n dg o o dd u r a b i l i t ym a k ei t b eu s e db r o a d l yw o r l d w i d ei nt h eh i g h w a y c o n s t r u c t i o n b u tt h ed i s a d v a n t a g e so fi t sp o o rs k i d - r e s i s t a n c ed u r a b i l i t ya n dh i g h e r n o i s ea l w a y sp u z z l er o a de n g i n e e r sa n dr e s e a r c h e r si na l lk i n d so fc o u n t r i e s s of a r , t h e h i g h w a y c o n s t r u c t i o n si nc h i n aw i l lt u r ni n t oa n e wd e v e l o p i n gp e r i o d p e o p l er a i s et h e h i g h e rn e e df o rs a f e t ya n dc o m f o r tp e r f o r m a n c eo fr o a d s e x p o s e - a g g r e g a t ec e m e n t c o n c r e t ep a v e m e n ti nf o r e i g nc o u n t r i e si sa l s ok n o w na st h e q u i e tc o n c r e t ep a v e m e n t ， i th a sv e r yo p t i m i s t i ca p p l i c a t i o n b u ti ti sl a c ko fs y s t e m a t i cs t u d yo fe x p o s e d c e m e n t c o n c r e t ep a v e m e n tp e r f o r m a n c e t h e r e f o r e ，h o wt om a k et h ee a c c pp e r f o r m a n c ea r e b r o u g h ti n t of u l lp l a y , w h i c hh a v ev e r yi m p o r t a n ta n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h i sp a p e ri sa n a l y s i st h et h e o r e t i c a lm e c h a n i s mo fa n t i s l i d i n g ，n o i s e ，a n dt h e f e a t u r e so nt h es u r f a c ea f f e c tt h er o a ds u r f a c ep e r f o r m a n c e t h el a r g e s tp a r t i c l es i z e w e r eu s e d9 5 m m ，16 m m ，2 6 5 m mo fp i e c e so fe x p o s e d a g g r e a g t ec o n c r e t es a m p l e ， w e r em e a s u r e da n t i s l i d ev a l u e ，s t r u c u r ed e p t h ，a n de x p o s e d - d e g r e ei nl a b o r a t o r y a n d p i c ku pt h et e s tp o i n to nt e s t r o a dt o t e s tt h en o i s e ，s t r u c u r ed e p t h , a n da n t i - s l i d e p e r f o r m a n c e t h o u g hv i s u a lo b s e r v a t i o na n dt h ed e p t ht oa n a l y s i st h es e g r e g a t i o no f e a c c p , a n d t e s tm e a s u r e db yu n i ta r e ao ft h ee x p o s e d d e g r e ea n dt h es t r u e u r ed e p t h a t t h es a m et i m e ，t h o u g ht h ed i g i t a li m a g i n gt e c h n o l o g yt oa n a l y s i st h es t r u c t u r ed e p t h f r o mt h ep h o t o sw h i c hi sr e p r e s e n t a t i v eo ft h ee a c c pw i t hl e a s ts q u a r e sm e t h o da n d t h es o f t w a r e t h i sp a p e ri sr e s e a r c ho nt h ef i n e rr a l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ee a c c pa n t i - s l i d e ， r e d u c e - n o i s ep e r f o r m a n c ea n de x p o s e d d e g r e e ，s t r u c u r ed e p t h ，a n ds u g g e s tt h eb e s t e x p o s e d e g r e er a n g ef r o m4 0t o5 5 ，t h eb e s ts t r u c u r ed e p t hr a n g ef r o m0 8 m mt o1 0 m m f o ra g a s i n s tt h ee a c c pa n t i - s l i d e ，r e d u c e n o i s ep e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o no b j e c t i v e s t h e n ，b a s e do nt h ea n a y l s i sc a u s eo ft h es e g r e g a t i o no fe x p o s e d a g g r e g a t ec o n c r e t e ， p r o p o s e dt h em e a s u r e sw h i c ha g a i n s tt h es p e c i a lc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yw i t he a c c p t oi m p r o v et h es e g r e g a t i o no fi t a tt h es a m et i m ea p p l i c a t i o no fv i s u a la n ds t r u c u r a l d e p t ht o t e s ta n da n a y l s i st h ee a c c ps e g r e g a t i o n ，a n dt h e n ，j u d g e m e n tt h et e s tr o a d s e g r e g a t i o nw i t ht h er a t i oo ft h ed e p t h ，e x p o s e d - d e g r e e a p p l i c a t i o no fd i g i t a li m a g e t e c h n o l o g yt oa l l o wt h ep a v e m e n ts t r u c u r ed e p t hc a l lb em o r ei n t u i t i v e t ob ei nt h e c o m p u t e rs t o r a g ea n dd i s p l a y t h er e s u l to fr e s e a r c ho f t h i sp a p e ri sp r a c i t c a la n dp e r t i n e n t i ti sn o to n l yt o p r o 访d ea 胁m eo fr e 衔即c et h a tg i v ef u l lp l a yt ot h ee a c c p p e r f o r m a n c ew i t hh l g h a n t i - s l i d e r e d u c e - n o i s e a n dt h r o u g hd i g i t a li m a g i n gt e c h n o l o g yg r e a t l ys i m p l i 舾t h e e x p e r i m e n tw o r k l o a d k e yw 。r d s ：e x p o s e a g g r e g a t e c e r n e n tc o n c r e t ep a v e m e n t ，t h ep e r f o r m a n c e o f 觚t i _ s l i d e a i l dr e d u c i n gn o i s e ，e x p o s e d e g r e e ，s t r u c t u r ed e p t h , s e g r e g a t i o n 。f t h ee a c c p , d i g i t a l i m a g et e c h n i q u e 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：；m r 日期： 汐多年缈月l 乡日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权重 庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：夸八弋氓 指导教师签名： 日期： 惦v 月弓日 日期：口黾年毕月l 弓日 笫一章绪论 第一章绪论 1 1 水泥混凝土路面的综述 1 1 1 水泥混凝土路面发展概况 路面是道路的重要组成部分，是车轮与道路发生直接作用的“界面 ，它一方 面为车辆提供平稳、舒适、安全的行驶环境，另一方面为路基提供良好的保护作 用。目前，路面面层材料最常用的为水泥混凝土与沥青混凝土，但在高等级公路 中以沥青混凝土路面面层居多，占到7 0 以上。而水泥混凝土路面因为其噪声以 及行车舒适度等方面的关系，在目前很少应用到高等级公路，这是由水泥混凝土 路面的特点决定的。 近年来随着我国经济建设的迅猛增长，交通运输事业也得到了迅速的发展。 公路特别是高等级公路里程有了很大的增长。据全国各省交通建设目标，在“十 一五 期间我国新建的高速公路将达n 4 0 0 0 0 多k m ，全国高速公路总里程将突破 8 0 0 0 0k m ，尽管如此，公路交通仍难以满足我国经济高速发展的需要，与1 9 9 9 年 相比虽然全国公路总里程增长了3 8 ，但目前的汽车保有量为3 4 0 0 万辆，而且以 1 2 的年均速度增长；其次，我国公路路面等级较低，绝大部分路面属于等级低、 质量差的中低等级路面，公路运输便利快捷的特色很难得到充分发挥。因此加快 公路建设，增加公路里程，提高现有公路等级在发展我国经济的同时是不可忽视 的。如何改善水泥混凝土路面的路用性能，如何扬长避短是目前水泥混凝土路面 发展迫切需要解决的问题之一。 1 1 2 水泥混凝土路面的优缺点 沥青路面与比水泥混凝土路面相比具有一些比较优良的性能，如具有一定的 弹性和塑性、与轮胎的附着力好、有利于行车安全、良好的减震性和较低的噪声、 可再生利用等，但水泥混凝土路面有着其不可忽略的发展优势，具体如下： 1 水泥混凝土路面的发展优势 从路面修筑成本来说，随着国际油价的持续攀高，油价一直在高位振荡， 并一度突破7 5 美元桶，作为原油的直接产品，沥青上涨的幅度也与原油同步。2 0 0 6 年，普通重交通沥青由2 0 0 5 年初的3 0 0 0 元t 上涨至4 0 0 0 多元t ，改性沥青价格接近 5 6 0 0 多元t 。国内水泥价格一直持续稳定在3 0 0 元t 左右。普通沥青、改性沥青的 第一章绪论 2 一 平均价格为45 0 0 f t t ，是水泥单价的1 5 倍。根据有关学者的测算，沥青与水泥单 价比为6 时是沥青路面和水泥路面等投资平衡点，由此可以知道，2 0 0 6 年我国建造 的高速公路沥青路面，每平方米面层造价在2 0 0 元左右，比水泥混凝土路面价格高 出约5 0 。高昂的沥青价格对我国主要依托进口沥青进行高速公路路面建设带来 了极为不利的影响，一是工程造价大幅上涨，二是供应紧张，影响工期。 从沥青路面发展的制约来说，沥青混凝土路面也有其自身无法克服的缺陷， 比如受温度影响较大，在气温较高的夏季，容易出现车辙、推拥等永久变形，影 响行车安全和舒适度：而在气温低的时候容易出现丌裂及由半刚性基层开裂造成 的反射性裂缝；另外沥青混凝土路面在重载交通的情况下很容易由于自身力学强 度不够产生破坏。 从水泥混凝土路面自身的特点来说，水泥混凝土路面受温度和水的影响小， 而且强度高，可以完全克服沥青混凝土路面的缺陷。 水泥混凝土路面具有以下特点：一、强度高，具有很高的抗压强度和较高的 抗弯拉强度以及抗磨耗能力；二、稳定性好，其路面的水稳性、热稳性均较好， 特别是它的强度能随着时间的延长而逐渐提高，不存在沥青路面的那种“老化 现象，并且对油类、酸碱等化学物质的耐腐蚀性要优于沥青路面；三、耐久性好， 在保证建设质量的情况下，由于路面的强度和稳定性好，所以它经久耐用，一般 能使用2 0 - 4 0 年，而且它能通行包括履带式车辆在内的各种运输工具。 从我国国内资源形势来说，水泥混凝土路面在我国的资源情况可谓得天独 厚，我国的水泥产量一直居世晃第一，水泥生产供大于求，发展水泥混凝土路面 有助于促进地方经济的发展，从宏观上拉动国民经济的发展。此外水泥混凝土是 无机硅酸盐材料，与沥青混合料相比更加环保，沥青路面会对公路周围的土地、 地下水等造成污染，沥青材料的自然分解与降解需要几十年，这也会是国际上绿 色环保组织反对大量建造沥青路面的重要原因之一。 纵观世界各国的高速公路发展历史中黑白路面的比例，无一例外都是由本国 资源条件所决定，由于世界性的石油能源危机，使很多以前主要使用沥青建造高 速公路的国家，如美国、法国、原联邦德国等都意识必须尽量减少高速公路建设 对石油沥青的依赖性，节约沥青资源和能源，他们从国家战略利益考虑，增加了 对水泥混凝土路面的科技投入和建设规模。各国都充分认识到，基础建设的大宗 原材料应该更多地依靠国内资源，我国的客观资源状况，决定了在公路建设上不 允许也不可能忽视水泥混凝土路面而只注重沥青路面。 2 水泥混凝土路面发展的劣势 水泥混凝土路面一直由于其自身一些无法避免的缺陷与不足，发展受到影响， 主要由于以下几方面的原因： 第一章绪论 有接缝，这些接缝不但增加施工和养护复杂性，容易在行车时造成跳动影 响行车的舒适性，同时接缝处是水泥路面的薄弱点，极易破坏造成病害； 刚度大，水泥路面是一种刚性路面，缺乏沥青路面这种柔性路面的减振缓 冲效果，因为在相同平整度情况下，刚性路面几乎是完全弹性体，它引起的车 辆颠簸和振动有所放大； 眩目，水泥混凝土路面比沥青路面更加容易反射光线，容易产生眩光而影 响行车安全；四、抗滑能力低，水泥混凝土路面不易实现平整、粗糙的理想状 态；五、修复困难，混凝土路面损坏后，开挖很困难，修补工作量也大，且影 响交通。 因此如何改善水泥混凝土路面的性能，克服其缺陷与不足，研究高使用性能 的水泥混凝土路面结构形式以适应公路事业的发展要求是必然趋势。针对水泥混 凝土路面的新技术发展主要有以下几种： 滑模摊铺水泥混凝土路面，基本上欧美很多国家各级公路水泥混凝土路面 铺筑基本上全部采用了滑模摊铺技术； 连续配筋水泥混凝土路面，不设或少设缩缝，大大地解决了由于接缝而产 生的病害，在使行车的舒适性和安全性得到提高的同时也增强了公路混凝土路面 的承载能力； 水泥混凝土路面快速养护，在欧美发达国家，路网基本建成，目前最大的 工作是道路养护工作，美国甚至建立了水泥混凝土路面医院，专门研究和开发混 凝土与水泥路面修复与养护技术，我国也引进了不少这样的技术。 水泥混凝土路面抗滑技术也一直是人们关心与研究较多的问题，因为随着 经济建设的发展，公路等级的不断提高，交通量增大，车速加快，水泥混凝土路 面的抗滑问题日益突出，尤其在潮湿的雨季，路面抗滑性能大大降低，车辆因此 产生打滑失控，造成人员伤亡、财产损失等重大事故，对此国内外的很多道路工 作者研究出对应的很多抗滑技术，目前常用的主要有：制毛、压纹、刻槽等，但 经过长期使用表明，路面拉毛的使用寿命很短，而且制毛时容易疏松和破坏表层， 使表层l 2 m m 范围内密实度受到影响，不利于耐磨性，路面压纹、刻槽对抗滑性 的提高并不明显，且嵌入槽内的小石子易使路表面产生破损。所以以上这些技术 并不能从根本上解决水泥路面的抗滑问题，因此如何提高水泥混凝土路面的抗滑 性仍然具有非常重要的理论与现实意义。本文中的露石水泥混凝土路面正是弥补 了水泥混凝土路面的大部分缺点的一种新型的优质路面。 高等级公路的迅速发展、车速提高和流量增加，使得交通噪声的影响日趋 突出，并己成为对环境造成噪声危害的四大源头之一。据国外资料介绍，城市环 境噪声的7 0 是来自交通噪声，为保护环境，尽可能给人们以安静的生活空间， 3 一 第一章绪论 世界上许多国家都在努力控制噪声。随着人们对周遭环境的环保要求的提高，对 公路噪声的要求也随之提高，特别是对水泥混凝土路面低噪声的要求，力求将水 泥混凝土路面的噪音水平降低2 3 分贝，达到沥青路面相同的水平，特别是降低 人口密集区、临近城市的快速干线的公路噪声。 因此，结合我国公路发展的要求，国内资源的情况，以及国内外的发展情况 我们应该大力发展水泥混凝土路面，推广新型技术，克服水泥混凝土路面自身存 在的噪声大、抗滑性能不佳、眩目的缺点，使其能适应我国路面发展的需要。 1 2 露石水泥混凝土路面的国内外研究情况 1 2 1 露石水泥混凝土路面的国内外发展史嘲翻 露石水泥混凝土路面作为一种新型路面结构形式，由荷兰、比利时、英国等 发达国家于2 0 世纪8 0 年代末9 0 年代初开始进行研究和应用。1 9 9 2 年，奥地利发明 了一种“低噪音 混凝土路面铺筑方法，当时称为“悄声混凝土 路面，该种路 面为降低噪声，采用了一种新型的路面外露集料表面，达到了很好的降低噪声的 效果。自从奥地利在维也纳萨尔兹堡的a l 高速公路上做了首次试验之后，其他 国家也都有做了进一步的试验工作。1 9 9 3 年8 月，英国开始在m 1 8 公路上修建露骨 混凝土试验段，它采用暴露混凝土粗集料取代了传统水泥混凝土刷毛和划槽的表 面处理方式。1 9 7 6 年丹麦在m 2 0 高速公路上，分别修筑各4 公里长的露石混凝土路 面和刻槽路面。经过5 年的系统测试，得出结论：露石路面比刻槽路面的抗滑性能 好且维持时间长，露石路面比刻槽路面摩擦系数损失小，仅为刻槽路面的1 3 1 4 。 由于露石水泥混凝土路面的抗滑性高、降噪功能明显、其他很多方面路面性能都 得到改善，因此其在西欧得到了推广应用，大部分新建水泥混凝土路面均采用了 露石水泥混凝土路面形式，使水泥混凝土路面服务水平大大提高。 作为抗滑低噪声水泥混凝土路面的主要形式，在目前和未来的一定时间内仍 然是露石水泥混凝土路面。德国、法国、比利时等欧洲国家对低噪声水泥混凝土 路面的研究和发展处在世界前列。低噪声水泥混凝土路面滑模摊铺施工技术的采 用，大大提高了水泥混凝土路面的舒适性。近年来，一些发达国家如奥地利、英 国、丹麦、日本、比利时等对露石水泥混凝土进行了试验研究与应用，取得了一 定成效。德国采用滑模摊铺机修筑低噪音露石水泥混凝土路面技术，并已经建成 了一些高速公路。英国计划在2 0 1 0 年前，对6 0 的主干道实施“安静表面”路面 处理，对日交通量大于7 5 0 0 0 辆的道路只能允许采用露石水泥混凝土路面。国际道 4 一 第一章绪论 路会议常设委员会2 0 0 4 - - 2 0 0 7 年战略计划中，在要有未来2 0 3 0 年道路路面特性的 发展眼光去研究路面的前提下，把降低道路噪声作为其中的一个重要目标。这表 明，露石水泥混凝土路面无疑是今后水泥混凝土路面的发展方向之一。 国内露石水泥混凝土路面的研究和应用，起于2 0 0 0 年初，由长安大学与陕西 省铜川公路管理局合作，在对露石水泥混凝土路面的形成工艺、工艺性能指标、 路用性能、路用性能评价方法，混合料配合比、材料要求等进行大量研究的几次 上，研制了露石水泥混凝土路面形成工艺中所需的露石剂，提出了在施工工艺过 程中的控制指标及指标的变化规律与控制范围，是露石水泥混凝土路面施工工艺 控制达到数值化，并分别在2 0 0 0 - - 2 0 0 1 年铺筑了三处，累计近2 k m 长的试验路段， 取得成功；2 0 0 4 年上半年在陕西省的隧道中，又成功铺筑了4 0 0 m 抗滑低噪声隧道 露石水泥混凝土路面。2 0 0 4 - - - 2 0 0 5 年相继在拉萨“两桥一隧 工程的协荣隧道， 厦门市一条3 k m 长的战备旅游路上将露石水泥混凝土成功应用于工程实践，并取 得了理想的效果。但由于这些研究工作不够系统深入，研究范围不够广泛，从而 使露石混凝土技术尚未被全面开发，露石水泥混凝土路面的应用也较少。 1 2 2 露石水泥混凝土路面的基本概况 露石水泥混凝土路面根据其英文名字e x p o s e da g g r e g a t ec e m e n tc o n c r e t e p a v e m e n t ( e a c c p ) 顾名思义就是将粗集料露出在路表，形成粗糙表面的水泥混 凝土路面。其基本原理是在新拌混凝土的路表面喷洒露石剂，错开路表薄层与混 凝土主体的硬化速度。在主体混凝土具有一定初始强度时，将尚未具有初始强度 的路表薄层的水泥砂浆去除，从而实现露出路表粗糙集料表面的目的。由于露石 水泥混凝土路面去除了表层砂浆，直接露出集料，在路面表面构造特征方面，形 成了传统的水泥混凝土路面不曾具有的丰富的表面微观、宏观构造。因此露石水 泥混凝土路面除保持普通混凝土路面强度高、使用寿命长、养护费用低等特点外， 还具有其他一些优异的路面使用性能。首先，大大的提高了路面抗滑性能，特别 在雨天的抗滑能力显著增加，而且路面抗滑能力持久性也比做一般抗滑处理的水 泥混凝土路面强，不易被磨损；第二，路面集料的外露减小了滚动噪声，极大的 降低了交通噪声水平；第三，路面的粗糙表面对强烈的阳光形成漫反射，可消除 或减缓耀眼光线对驾驶员、行人的干扰，排除反光、眩目现象，提高路面的安全 性能。第四，路面的外露集料形成了粗糙的微观、宏观构造，这使其有着良好的 排水性能。路面的构造深度比其它路面大，这种大的构造深度意味着路面存在着 发达、丰富的凹凸不平，它们能借助路拱作用使雨水从其沟槽纹理中迅速排走， 因此，露石水泥混凝土路面具有优良的使用性能和广泛的应用前景。 5 一 第一章绪论 1 3 课题研究的目的和意义 6 一 露石水泥混凝土路面的发展对我国经济、道路建设都具有很大的现实意义。 随着水泥混凝土路面抗滑性较低，交通事故率较高；以长1 0 0 0 k m 的水泥混凝土路 面为例，修筑露石水泥混凝土路面，则会降低交通事故发生率5 0 以上，每年可 节约直接经济损失约7 0 0 万元，( 按重庆市发生交通事故的平均经济损失计算，重 庆市公路里程3 1 0 0 0 k m ，2 0 0 3 年发生交通事故1 6 0 0 0 次，死亡1 0 3 7 人，受伤1 1 3 0 0 入，直接经济损失约4 亿3 千万元，平均每公里约1 4 万元) ，可节约间接经济损失 上亿元，并且具有巨大的社会效益。露石水泥混凝土路面抗滑性能的改善，可大 大提高路面的行使安全性，降低交通安全事故的发生率，具有巨大的经济效益及 社会效益。因此随着我国公路的发展，结合我国的国情和国内外的发展情况，我 国水泥混凝土路面的数量将逐渐增加，与此同时对路面使用品质的要求也将不断 提高。研究高品质的水泥混凝土路面结构形式，以适应公路事业发展的要求是必 然趋势。 随着国民经济的发展，公路交通必将发挥着越来越重要的作用。但与此同时 交通事故与环境污染也成了两大难题，解决这两个难题是摆在公路科技人员面前 的一项重大课题。交通事故与环境污染都与道路条件有着密切关系，道路应为车 辆提供一个便捷、安全、舒适的行车环境，良好的道路条件不仅能减少交通事故 的发生而且可以减少车辆对环境的污染。而路面作为与车辆直接接触的表面更具 有非常重要的作用，从路面的角度来说，路面应该平整、坚实并具有足够的抗滑 性能和比较小的行车噪音。露石水泥混凝土路面正好满足上述要求，对解决两大 难题将具有非常重大的意义。 露石水泥混凝土路面这种新型的路面形式，可以比较好的解决水泥混凝土路 面抗滑性差、噪声大和眩光严重等问题。因此露石水泥混凝土路面的应用前景是 非常乐观的，但我国尚未对其进行系统的研究，认真深入的对这种路面形式进行 研究，并将其推广到工程实际，会极大的提高水泥混凝土路面的品质，改善其使 用性能，推动水泥混凝土路面更广泛的应用。因此，对露石水泥混凝土路面的研 究具有重要的现实意义和深远的发展意义。 目前，我国已经对露石水泥混凝土路面方面，比如施工工艺、技术要求方面 做了一定的研究，但尚未对露石水泥混凝土进行深入系统的研究，如对路面的性 能评价指标未进行深入探讨，也没有给出关于露石混凝土路面完善系统的研究理 论。与之相比，沥青混凝土路面方面已经做了较系统的工作，虽离实际应用还有 第一章绪论 待时日，但已经基本提出了我国路面管理系统的大框架，但在水泥混凝土路面方 面，还很不完善，对路面状况评价方面，特别是作为改良的水泥混凝土新型路面 的露石水泥混凝土路面。 因此无论是适应国内公路发展的需要，大力发展水泥混凝土路面，将其应用 于高等级公路；还是对于露石水泥混凝土路面本身的研究需要，都迫切地需要我 们认真地对露石水泥混凝土路面作为一种抗滑低噪声路面在我国高等级路面中的 应用进行研究，形成较系统的理论，使这种路面得到大力推广，这对国民经济和 路面使用质量都是具有非常重要的现实意义与实用意义。 1 4 主要研究内容 露石水泥混凝土路面与普通水泥混凝土路面相比具有抗滑性能好，噪音低、 减少眩光、良好的排水等优点，露石水泥混凝土路面的良好路用性能是与其独特 的路表面特征息息相关，露石水泥混凝土路面是一种将粗集料外露形成粗糙路表 面的特殊路面，具有丰富的微观和宏观构造，这些表面构造为降低噪音，提高路 面抗滑能力，减少眩光提供有利条件。针对目前国内对露石水泥混凝土路面的研 究现状，结合我国的具体情况和工程的实际要求，本文的主要研究内容为： ( 1 ) 露石水泥混凝土路面的抗滑和降噪性能的研究 通过对普通水泥路面的抗滑力、噪声产生机理和影响因素的研究，分析路面 构造特征与路面抗滑性能、降噪性能的关系，然后通过试验进一步研究露石水泥 混凝土路面的表面构造特征，如露石度、构造深度等指标与路面抗滑能力、降低 噪声等性能之间的关系，最终达到这些操作容易的指标来评价露石水泥混凝土路 面的路用性能的要求。 ( 2 ) 露石水泥混凝土路面的表面性能研究 露石水泥混凝土路面因为其特殊的路表面构造，具有很多优点，如比普通水 泥混凝土路面具有良好的防眩目的效果：同时因为其特殊的施工工艺，去除了路 表面的砂浆等细集料，而达到了减少沙尘的目的；最后，因为路表面形成了良好 的宏观构造，路面的排水功能也得到了大大的提高。深入研究露石水泥混凝土路 面的反光、排水性能的作用机理。 ( 3 ) 露石水泥混凝土表面离析分析 露石水泥混凝土路面特有的路面层易发生路表离析，其离析对行车存在很大 的安全隐患。因此对露石水泥混凝土路面质量的评价同样包括了对其路面离析现 象的评价。本文参考已有的针对沥青路面的离析现象的研究，通过试验以及理论 7 一 第一章绪论 分析提出了露石水泥混凝土路面离析现象的分级标准，同时引入了针对露石水泥 混凝土路面的离析评价指标。 ( 4 ) 用数字图像技术研究露石水泥混凝土路面的表面性能 结合前面几章的内容，用数字图像技术初步确立露石水泥混凝土路面的表面 性能评价指标，如露石度、构造深度、露石高度等，大大简化试验工作量，能快 速、简捷、直观地获得评价结果。 第二章露石水泥混凝土路面的抗滑性能研究 第二章露石水泥混凝土路面的抗滑性能研究 大量资料表明，最近3 0 年大多数国家开始重视道路交通路面使用品质并加强 了这方面的研究，人们关心的路面使用品质包括交通安全、行车舒适、环境影响、 节约( 能量和养护费用) 。这取决于路面的抗滑性能、平整度、滚动阻力、轮胎路 面噪音、反光特性等。这些因素与路面的使用品质的关系见表1 1 n 1 。 表1 1 路面使用品质影响因素调查表 t a b l e l 1t h es u r v e yf o r mo ft h er o a ds u r f a c es e r v i c ep e r f o r m a n c e i n f l u e n c i n gf a c t o r 因素要求 安全舒适环境节约 抗滑能力 4o0o 纵向平整度 2401 横向甲整度 3 10o 滚动阻力 0o0l 轮胎路面噪音 o340 反光特性 2202 注：沪- 4 代表影响强度的等级，0 为无影响，4 为强影响 从表1 1 中可以发现道路的使用安全主要取决于路面的抗滑能力。这是因为 路面具有适当的抗滑能力就能够保证路面与车轮间有良好的附着力以及行驶的车 辆具有较短的制动距离。同时对事故危险和道路摩擦系数的相关关系的研究表明： 随着路面抗滑能力的改善，产生事故的可能性减少。道路使用者对道路使用性能 的第一要求是交通安全，其次才是舒适性等方面的要求，由此可以看出提高路面 的抗滑能力对提高路面使用质量具有深远的意义。 露石水泥混凝土路面的路用性能，如安全性、舒适性和经济性以及对环境的 影响，都与路表面的特征密切相关。路表面的微观构造和宏观构造，直接影响到 路面的抗滑性能和噪声的产生：一方面路面行驶的安全性主要取决于路面的抗滑 能力，而抗滑能力是由露石水泥混凝土路面的粗糙构造产生决定的；另一方面路 面噪声则涉及到人们日益关心的环境污染问题，噪声的产生也是多方面的。总之 无论是抗滑还是降噪性能这两者都与轮胎和路面表面特征，以及相互作用相关。 本章主要阐述了露石水泥混凝土路面与二者相互作用相关的抗滑性能，研究抗滑 性能的测试手段，并通过试验和理论分析进行抗滑性能的评价研究。 9 一 第二章露石水泥混凝土路面的抗滑性能研究 2 1 路面的抗滑性能分析 现在，路面的抗滑能力常被理解为车轮在刹车瞬间和路表相互作用而产生的 一种滑移抗力，它长期以来一直被视为控制车辆方向和速度、减少刹车距离的主 要影响因素之一，因此与行车的安全性能有着很直接的关系，常被看作是路面的 一项表面特性。 2 1 1 路面抗滑能力影响因素 频繁发生的交通事故促使人们在对路面抗滑能力和交通事故进行调查分析的 同时，从摩擦学、表面特性和汽车动力学等理论层次去探究路面抗滑能力在减少 交通事故方面的作用机理。路面抗滑能力是指路面和轮胎之间存在的阻抗能力， 因此除了路面本身的特性会影响抗滑性之外，轮胎的特性或其它同时影响路面及 轮胎的外在环境因素，也将对抗滑值的变化产生影响，这些因素可归纳为路面因 素、车辆因素、环境因素和路面污染程度等，现分述如下： 一、路面因素 影响路面抗滑能力的因素很多，有集料的影响、表面工艺的影响、路面污染、 交通荷载、路面的干湿的影响，但它们归根结底是通过对路面的微观构造和宏观 构造的影响进而影响到路面的抗滑能力，所以路表结构对其抗滑性能的影响是最 重要的。 1 路面表面构造对抗滑性能影响 路面表面构造包括微观构造和宏观构造。路面的微观构造是与轮胎实际接触 的、路面及集料表面水平方向0 0 5 m m 、垂直方向0 o 2 m m 的微小构造，其断 面波长在o 5 m m 以下。微观构造一般简称为水泥混凝土路面表面砂浆的粗糙程 度，主要依赖于水泥砂浆和外露集料的表面粗糙程度，因此微观构造的优劣和细 集料的选择有很大的关系。 路面的微观构造为与其接触的轮胎胎面提供附着力，对车辆低速行驶时的路 表面抗滑能力起决定作用。主要影响在低速行车( 5 0 k m h ) 路面的抗滑能力，同时 对高速行驶时路面抗滑力也有一定影响。 路面的宏观构造是指路面集料间的开放空间、孔隙和沟槽，水平方向 0 5 - 5 0 m m 、垂直方向为0 2 l o m m ，这部分构造主要由集料外露或路面表面纹理 提供，经过特殊处理形成的大构造，其断面波长在0 5 m m 5 0 m m 范围内。 路表面通过宏观构造可以迅速排除轮胎与路面表面之间的积水，在宏观构造 众多的使用特性中，最突出的是抗滑、减少雨天交通事故的作用。在车辆速度较 第二章露石水泥混凝土路面的抗滑性能研究 旦 低时，路面微观构造对抗滑性能起决定性作用。但在高速行车时，宏观构造的存 在能为轮胎与路面界面上的积水提供排泄空间，保障轮胎与路面间的接触面积。 车速越高，为迅速排除表面水所需的宏观构造的深度越大。据国外有关实验资料 表明：随着宏观构造深度增加，摩阻系数变化量减少，当深度为2 m m 时，高速 和低速的摩阻系数不变；若宏观构造不足，行车速度较高，积水不能及时排出， 则可能由于动水压力的作用而将车轮抬起，使轮胎与路面完全或部分失去接触。 当轮胎与路面完全失去接触时称为水漂，即使是部分失去接触，也会由于减少了 附着力而使路面摩擦系数大幅衰减。宏观构造的第二个重要作用是它有利排水而 减少溅水喷雾，提高能见度。路表结构对抗滑性能的影响见图2 1 1 无纹理 2 微观构造好：宏观构造差 3 微观构造好：宏观构造好 4 微观构造差：宏观构造好 抗滑值s n 图2 1路表面构造优劣与抗滑值关系图 f i g 2 1 t h ef i g u r eo f r e l a t i o n s h i po fr o a ds u r f a c es t r u c t u r eq u a l i t ya n da n t i - s l i d i n g p e r f o r m a n c e 由图可见在微观构造上，( 3 ) 比( ( 4 ) 要粗糙，在低速时( ( 3 ) 的摩擦系数比( 4 ) 大， 但因( 3 ) 宏观较细，即构造深度小于( 4 ) ，故高速时摩擦系数比( ( 4 ) 小。同理，( 1 ) 的 微观、宏观构造都不好，故在高速、低速下摩擦系数都很低。上图充分地说明了 路表面构造对路抗滑性能的影响是非常明显的，我们可以通过评价路表面的构造 对露石水泥混凝土路面抗滑性能的进行侧面评估。 2 路表面构造与抗滑力关系研究墨k 6 埘 一般来说抗滑力是指路面与轮胎之间存在的阻抗能力，因此根据汽车轮胎与路 面的摩擦机理，轮胎与路面之间的摩阻力由3 种力组成： ( 1 ) 剪切抗力f a 由轮胎同路面实际接触面上的附着力引起； ( 2 ) 滞后摩阻力f b 由车辆行进轮胎橡胶在凹凸不平的平面上的水平力作用下因 克服橡胶内部和外部的摩擦而产生变形。压力消除后又以较小的力恢复变形，在此 第二章露石水泥混凝土路面的抗滑性能研究 坚 过程中产生能量损失，这种损失称为滞后损失。由这种滞后损失而引起的滑溜阻力 即为滞后摩阻力； ( 3 ) 克服橡胶凝聚力的摩阻力f c 即当路面上有尖棱突起而切人轮胎产生一种消 能作用所构成的滑溜阻力； 以这3 种阻力与垂直压力p 之比表示摩擦系数得： 霄f霄胃 厂= ；= 等+ 二砉+ 每= 五+ 五+ z 式( 2 1 ) 。 pppp 。 。p一 在干燥路面上，轮胎与路面表面直接接触，疋构成路面与轮胎摩擦系数厂的 大部分；而在潮湿状态下五变得很小，这时石就成为主要部分；工只是在特殊情 况下( 路面上有突起的棱角) 才起明显作用。 而从摩擦的角度来说，摩擦是两个接触表面相互作用引起的摩擦阻力和能量 损耗。根据摩擦学理论，在干燥状态下轮胎与路面间的摩擦力可分为4 部分： 轮胎与路面间的分子力。当轮胎与路面间距非常小时，其问的分子引力作 用是相当可观的，构成了轮胎与路面间摩擦力的一部分，其大小主要取决于轮胎 与路面间实际接触面积的多少。当然，这种摩擦力除与轮胎和路面材料的性质有 关外，还主要取决于轮胎与路面间实际接触面积的大小，它受路面状态，如污染、 水膜、灰尘及湿度等影响较大； 轮胎与路面问粘着作用力。与金属间的粘着相似，轮胎与路面间也会发生 粘着作用。磨损后的轮胎表面可以找到粘着在其上的路面磨粒。同样，在路面上 也可发现粘着在其上的橡胶磨粒；另外，轮胎与路面间发生的静电吸引也是轮胎 与路面问发生粘着的一个证明。将轮胎与路面间粘着点剪断所需的摩擦力，主要 取决于轮胎与路面材料的性能、接触面之间的压力、路面状态以及轮胎与路面间 的实际接触面积； 胎面橡胶的弹性变形。橡胶是一种弹性非常好的材料，在路面较大微凸体 及胎面花纹等作用下，胎面橡胶会反复产生较大的弹性变形，这种弹性变形所产 生的变形力与弹性变形恢复力的合力也构成摩擦力的一部分，由于存在弹性滞后 等的影响，弹性变形恢复力总是要小于弹性变形力。不同胎面花纹的轮胎在纵向 或横向荷载作用下将产生完全不同的变形情况，因此它们产生的纵向或横向摩擦 力也完全不同，这充分说明了橡胶弹性变形对轮胎与路面间的摩擦力产生的作用。 这种摩擦力主要取决于胎面花纹和路面上较大尺寸微凸体的性能等。 路面上小尺寸微凸体的微切削作用。在载荷作用下，路面上较小尺寸的微 凸体会在胎面的局部产生较大的应力集中。当胎面上产生的局部应力超过其断裂 强度时，在切向力的作用下，路面上尺寸较小的微凸体就会对胎面形成微切削作 用，微切削过程中产生的阻力构成轮胎与路面间摩擦力的一部分，主要取决于路 第二章露石水泥混凝土路面的抗滑性能研究旦 面上较小尺寸微凸体的大小、分布情况及锋利性等。 因此，路面微观构造决定了基本摩擦力的大小，粗糙的路面微观纹理有助于 增大摩擦力。 二、车辆因素 车辆因素对于路面抗滑能力的影响，主要分为交通量、速度、胎压、轮荷重和 胎纹等，具体情况如下： 1 交通荷载的影响 交通荷载对路面抗滑力的影响主要表现在磨光作用和磨耗作用两个方面，随着路 面使用时间的增加，路面的糙面变光，粗面变平。水泥混凝土路面的抗滑能力呈 逐渐下降趋势，国外的研究发现公路累积交通量和抗滑