（材料学专业论文）水泥混凝土路面纹理构造表征技术研究.pdf

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。随着水泥路面建设的不断发展，路面的抗滑问题日益突出。路面的纹理构 造与路面的抗滑性能紧密相关，而目前路面纹理构造的表征技术存在着评价指标少且 评价方法落后的问题。 本文分析不同类型的水泥混凝土路面的表面纹理构造特性，系统地了解现阶段各 种纹理构造的评价指标及表征方法。主要研究水泥路面纹理构造三维表征技术，运用 x j t u o m 型三维光学密集点云测量系统获取路面表面构造的三维坐标；利用m a t l a b 软 件编程实现路面模型的三维空间可视化；同时运用m a t l a b 软件编写路面平均构造深度 m t d 和平均断面深度m p d 的提取算法，实现了在水泥路面三维模型上宏观构造指标的 提取，并验证算法的合理性。 本文首次引用粗糙度参数r a 表征水泥刻槽路面细观构造，实现了在水泥刻槽路面 上r a 的提取；通过室内试验验证r a 的合理性和稳定性；并研究了r a 与路面摆值b p n 和路面摩擦系数f n 的相关性；同时给出了路面竣工验收时r a 的参考值。 关键词：水泥混凝土路面、纹理构造、三维表征技术、宏观构造、表面粗糙度参数、 细观构造 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 曲s t r e n g t h ，g o o ds t a b i l i t ya n d g 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 yc o n s t r u c t i o n w i t ht h e d e v e l o p i n go ft h ec o n s t r u c t i o n o fc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t ，t h es k i d r e s i s t a n c eo f p a v e m e n tb e c o m e sv e r yi m p o a a n t t h et e x t u r eo ft h ep a v e m e n th a v eac l o s e l yl i n kw i t hi t s s k i d r e s i s t a n c e ，b u tt h ec u r r e n te v a l u a t i o ni n d e x e so ft h ep a v e m e n tt e x t u r ea r ev e r yl e s sa n d t h ee v a l u a t i o nm e t h o d sa r eb a c k w a r d t h i sp a p e ra n a l y z e st h et e x t u r ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ec e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n tw h i c h h a v ed i f f e r e n tt y p e s ，a n dc o m p r e h e n s i v eu n d e r s t a n d st h ei n d e x e sa n dt h ee v a l u a t i o n m e t h o d s f o rc o n c r e t e p a v e m e n t t e x t u r e a n dt h i s p a p e rm a i n l yr e s e a r c h e s t h r e e - d i m e n s i o n a le v a l u a t i o nt e c h n i q u eo ft h ec e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t ，u s e sa t h r e e - d i m e n s i o n a l i n t e n s i v e - p o i n t - c l o u d m e a s u r e m e n t s y s t e m t o g a t h e r t h e t h r e e - d i m e n s i o n a lc o o r d i n a t e so ft h ep a v e m e n ts u r f a c e ；a n du s e sm a t l a bs o f t w a r et o r e a l i z et h et h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e lv i s u a l i z a t i o no ft h ep a v e m e n ts u r f a c e ；t h e nu s e s m a t l a bs o f t w a r et oc a l c u l a t et h em t da n dm p d ，a n dr e a l i z e se x t r a c t i n gt h ei n d e x e so f t h em a c r o t e x t u r e f o rt h ef i r s tt i m e ，t h i sp a p e ru s e st h er o u g h n e s sp a r a m e t e r sr at oe v a l u a t et h e m i c r o - t e x t u r eo ft h eg r o o v i n gp a v e m e n ts u r f a c e t h i sp a p e rr e a l i z e se x t r a c t i n gt h er ao f t h eg r o o v i n gp a v e m e n t ；v e r i f i e st h er a t i o n a l i t ya n ds t a b i l i t yo ft h er at h r o u g hl a b o r a t o r y t e s t s ；a n ds t u d i e so ft h ec o r r e l a t i o no fr aw i t hb p na n df n ；a l s op r e s e n t st h er e f e r e n c e v a l u eo ft h er af o ra c c e p t a n c i n go ft h ep a v e m e n tq u a l i t y k e yw o r d ：c e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t 、t e x t u r e 、t h r e e d i m e n s i o n a le v a l u a t i o nt e c h n i q u e 、 m a c r o t e x t u r e 、r o u g h n e s sp a r a m e t e r s 、m i c r o t e x t u r e 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 前翘砂弗年月2 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 落 翘 导师签名： 妒年月2 e t 矽譬6 月乙e t 跃安大学顾l 学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 水泥混凝土路面由于其强度高、稳定性好、耐久性好、无车辙、造价适中及夜间 行车可视性好等诸多优点，受到各国道路部门的重视。至2 0 0 7 年，我国累计修筑了 8 4 8 8 万公里的水泥混凝土路面，占全部有铺装路面比率的6 8 。近年来，交通部启动 了通县公路和农村公路建设，因此在不久的将来，水泥混凝土路面的发展将会更加迅 速。 然而，随着经济建设的发展，交通量的增大，车速的加快和公路等级不断提高， 水泥混凝土路面的抗滑问题日益突出。尤其是在雨季，潮湿的路面抗滑性能大大降低， 易使车辆打滑失控，造成人员伤亡、财产损失等重大事故。 随着人们环保意识的增强，对水泥路面产生的交通噪声更加关注，“噪声路面”已 成为水泥混凝土路面的又一代名词。在对路面使用品质要求不断提高的情况下，人们 对路面纹理构造施工工艺进行研究改进，通过设置合理的纹理构造来降低水泥路面的 噪声。 同时，水泥混凝土路面还必须具有较好的耐磨性来抵挡车辆轮胎对路面的磨损， 延缓路面纹理构造的衰减，延长道路的使用年限，从而提高道路的经济性。 如今道路使用者对路面已不再满足于能通行这一基本而简单的要求，使用道路的 人们要求路面应具有经济、安全、舒适的功能或使用品质，而道路周边地区的人们则 要求路面还必须具有环保功能1 。路面的这些功能对人一车系统的影响和作用，主要取 决于路面的表面纹理构造。 有研究资料表明，路面表面纹理构造能够影响路面的耐磨性、轮胎与路面的摩擦 力、车辆的噪声、外部路面的噪声、行车的安全性和舒适性以及轮胎的磨损等各个方 面的性质n 1 。尤其是对于如何提高路面的抗滑性能方面，路面表面纹理构造起着至关 重要的作用。 目前用于评价路面表面纹理构造的指标主要有三个：平整度、平均构造深度m t d 和平均断面深度m p d 。其中路面平整度主要用于评价路面纹理中的不平整度构造，反 映了路面纵断面剖面曲线的平整性，它关系到行车的安全，舒适以及路面所受冲击力的 第一章绪论 大小和使用寿命，不平整的路表面会增大行车阻力，并使车辆产生附加的振动作用。而 平均构造深度m t d 和平均断面深度m p d 主要用于评价路面宏观纹理构造，直接反映了 路面的抗滑性能。公路工程质量检验评定标准( j t g f 8 0 1 2 0 0 4 ) 中规定，新建水泥 混凝土路面竣工验收时需检测平整度和抗滑构造深度( m t d ) 两个构造指标1 。 水泥混凝土路面纹理构造的评价指标较少，同时其评价指标的表征方法也比较少。 一般用三米直尺或者平整度仪测试平整度；用铺砂法测试平均构造深度m t d ；用激光 断面法测试平均断面深度m p d 。其中铺砂法测试的速度慢，效率低，获取数据难，而 且受人为因素影响较大，而激光断面法目前主要用于测试沥青路面，不适用于带沟槽 的水泥路面。 1 2 课题研究的目的和意义 本课题为西部交通建设科技项目“水泥混凝土路面表面功能研究”的子课题，主 要研究与路面抗滑性能紧密相关的路面宏观和细观纹理构造的表征方法与评价指标。 公路水泥混凝土路面施工技术规范( j t gf 3 0 2 0 0 3 ) 以及公路水泥混凝土路 面设计规范( j t gd 3 0 2 0 0 2 ) 中对水泥混凝土路面抗滑性能的评价指标只有单指标平 均构造深度m t d “5 1 ，该指标仅从宏观方面表征了路面的抗滑性能，对于防止高速行车 时的抗滑衰减有重要的作用，但仅以该指标表征路面抗滑性能有一定的缺陷，因为它 不能反映细观构造对于路面的作用。 目前国内的高等级水泥路面大部分为刻槽路面，在新建水泥路面刻槽之前，需要 对其表面进行拉毛或刷毛处理，以提高其细观构造。现阶段水泥混凝土路面抗滑性能 的评价指标平均构造深度m t d ，仅反映了与刻槽参数相关的路面宏观构造，而与车辆 低速行驶条件下路面的抗滑性能密切相关的细观构造则没有具体指标来进行评价。因 此在实际施工中，部分施工单位不重视对刻槽路面表面细观纹理的处理，只是用扫帚 进行轻微的刷毛，这样形成的路面表面细观纹理深度较浅而且抗衰减能力较弱，通车 一段时间表面细观纹理就被磨掉，从而导致出现“镜面刻槽 的现象。还有部分施工 单位对刻槽前的路面不做处理，直接在整平后的路面上进行刻槽，只要刻槽参数满足 要求，其宏观构造指标m t d 达到标准值就能通过竣工验收。这样形成的路面虽然能够 通过竣工验收，但是由于路面缺少细观纹理，其实际抗滑性能较差，容易导致车辆发 生交通事故。因此，水泥混凝土路面纹理构造表征技术存在着细观构造评价指标缺失 2 长安大学硕上学位论文 的问题。 铺砂法测试m t d 存在着速度慢、效率低、获取数据难且受人为因素影响较大等问 题；而激光断面法虽然能快速准确地测定平均断面深度m p d ，但由于其技术原理的原 因而不能测试带沟槽的水泥混凝土路面，限制了该种方法在水泥混凝土路面上的使用。 因此水泥混凝土路面纹理构造的表征技术还存在着规范表征技术( 铺砂法) 落后，新 的表征技术( 激光断面仪法) 使用限制较多的问题。 针对以上两个问题，本课题通过与西安交通大学模具与塑性加工研究所的合作， 运用x j t u o m 型三维光学密集点云测量系统，获取水泥混凝土试件表面纹理构造的三维 坐标信息，然后在路面三维模型中提取计算路面的平均构造深度m t d 和平均断面深度 m p d ，由此提出了水泥混凝土路面表面纹理构造的三维表征方法，该种方法可以运用于 具有各种纹理的水泥混凝土路面( 包括刻槽路面) ，解决了激光断面法受限的问题。 同时，本课题引用源白机械加工行业的粗糙度参数之一一轮廓算术平均偏差r a 来 表征水泥刻槽路面的细观纹理构造。在已获取的刻槽路面三维模型中提取计算r a ，可 以反映低速情况下路面的抗滑性能，为今后水泥混凝土路面细观纹理构造表征技术的 进一步研究提供一些参考。 1 3 国内外研究现状及分析 1 3 1 路面宏观构造表征 路面宏观构造是指波长在0 5 m m 到5 0 r a m 之问，波幅大于0 1 m m 且小于2 0 m m 的构 造。路面宏观构造的主要作用是为车辆在高速行驶情况下提供抗滑力，同时有利于雨 天路面的表面排水，抑制溅水和车后水雾，提高能见度。 目前国内外评价路面宏观构造应用最为广泛的指标为平均构造深度m t d ，它一般 通过体积法( 铺砂法) 来进行测定。铺砂法测试速度慢，效率低，获取数据难，同时 测试结果受人为因素影响较大。 近年来国内也有人研究应用数字图像法测试路面的平均构造深度m t d “1 。数字图 像法最早由华南理工大学的王端宜教授提出，主要用于测试新建沥青路面的平均构造 深度m t d ，同时也有人研究将其应用于露石水泥混凝土路面7 1 。数字图像法能够简单、 快速地获取路面的表面构造深度，但由于其技术原理的原因，该种方法要求路面的颜色 和构造都要均匀，因此主要用于测试新建沥青路面。目前该方法处于室内研究阶段， 3 第一章绪论 实际应用较少。 路面宏观构造的另一个应用较多的评价指标为平均断面深度m p d ，一般通过断面 法来进行测定，而应用最多的平均断面深度的测试方法为激光断面法。通过应用车载 激光断面仪，克服了体积法的缺点，可以快速、连续地测试路面的平均断面深度m p d 。 而平均断面深度m p d 与平均构造深度m t d 之间有良好的线性关系，通过测定路面的平 均断面深度m p d ，可以预估路面的平均构造深度m t d 。 除了车载激光断面仪，圆形纹理测试仪c t m ( c i r c u l a rt e x t u r em e t e r ) 也可测试 路面的平均断面深度。它通过激光扫描获取路面的圆形断面纹理构造，可以同时测试 路面行车方向和垂直于行车方向的平均断面深度m p d 。c t m 为一种定点测试仪，测试时 需要阻断交通，而且测试速度较慢，因此目前应用较少。 近年来，国外有研究人员发明了一种利用四源立体光度技术来测量路面断面构造 深度的新方法阳1 。该方法通过对四个方向光源照射下路面数字图像的处理，重构路面 表面的三维形貌，在恢复的路面三维图像上，根据实际需要从不同方向选取路面断面 轮廓线，计算路面的平均断面深度m p d 。四源立体光度技术在恢复路面的三维形貌的 基础上，能够同时获得路面横向和竖向的m p d ，从而比较全面的反映了路面的纹理特 征。但是由于其恢复图像的精度不高( 路面点距为i m m ) ，只能在室内测试而且操作复 杂，目前该种方法应用较少。 2 0 0 5 年，美国混凝土协会( a c p a ) 、联邦混凝土路面技术中心( c pt e c hc e n t e r ) 和联邦公路局( f h w a ) 共同研制了一套路面构造机器测试系统，用于测试路面的平均 断面深度m p d1 9 1 。测试系统通过一辆激光测试小车获取路面的三维构造信息，再在路 面三维模型上提取计算路面的m p d 。路面构造机器测试系统能够快速、方便地获取路 面的高精度坐标信息，且能采集小幅路面完整的三维坐标，比较全面地反映路面的纹 理构造特征，因此具有良好的应用前景。 1 3 2 路面细观构造表征 路面细观构造是指波长小于0 5 m m ，波幅小于0 2 m m 的构造，细观构造的主要作 用是为路面提供基本的抗滑能力( 尤其是在车辆低速行驶情况下) 。 水泥混凝土路面的细观构造主要取决于表层水泥砂浆和路面表面纹理的处理方 式，现阶段没有具体的指标来直接进行评价，一般通过测试路面的摩擦系数来间接反 映。 4 长安大学硕一l - 学位论文 目前国内外研究路面细观构造表征技术的资料较少。2 0 0 5 年，中国民航大学的陈 国明老师将表面粗糙度参数运用于道路工程，引用粗糙度参数中的轮廓算术平均偏差 r a 表征沥青混合料中粗集料的表面纹理特性。通过激光轮廓仪扫描获耿粗集料的表面 轮廓曲线，在轮廓曲线上提取计算r a ，一定程度上反映了沥青路面的细观构造。 1 4 课题的主要研究内容 本课题在借鉴国外路面三维扫描技术的基础上，试图运用现有的光学扫描设备获 取水泥混凝土路面的三维坐标信息，再运用数学软件提取计算路面的平均构造深度 m t d 和平均断面深度m p d ，以及路面粗糙度( r a ) 等构造信息，以实现对水泥混凝土路 面表面纹理构造的客观定量表征。本课题主要研究以下内容： ( 1 ) 现有的水泥混凝土路面表面纹理构造特征分析； ( 2 ) 水泥混凝土路面纹理构造表征方法评述： ( 3 ) 水泥混凝土路面三维坐标信息的获取； ( 4 ) 水泥混凝土路面三维空间可视化的实现； ( 5 ) 运用m a t l a b 软件提取计算路面的宏观构造； ( 6 ) 引用粗糙度参数r a 表征水泥刻槽路面的细观构造； 第二章水泥混凝七表面纹理构造特征分析 第二章水泥混凝土表面纹理构造特征分析 路面表面纹理构造能够影响路面的耐磨性、轮胎与路面的摩擦力、车辆的噪声、 外部路面的噪声、行车的安全性和舒适性以及轮胎的磨损等各个方面的性质。因此， 系统地研究路面表面纹理构造对于提高路面的使用品质有着重要作用。 2 1 路面表面构造分类 1 9 8 7 年，国际道路协会( p e r m a n e n ti n t e r n a t i o n a la s s o c i a t i o no f r o a d c o n g r e s s e ，简称p i a r c ) 根据路面表面纹理构造的波长和波幅( 如图2 1 所示) 的不 同将其分为四大类：细观构造、宏观构造、大构造和不平整构造m h l 1 ”。 2 1 1 细观构造 a 咄一么产弋乒p l i r u d e = k ； v 图2 1 路面表面纹理构造的波长和波幅 细观构造( m i c r o t e x t u r e ，又称微观构造、细构造) 的波长小于0 5 m m ，波幅小 于0 2 m m ，它主要表征集料本身的表面凹凸构造，因而可以看作是矿物岩相学颗粒的 函数，并受气候、季节以及交通作用的影响。对沥青路面而言，石料的颗粒形状及棱 角构成、沥青胶浆构造和结合料对其也有一定影响。由于正常情况下粗集料在水泥混 凝土路面裸露的比例不超过1 2 ( 露石水泥混凝土除外) ，所以水泥混凝土路面的细观 构造主要取决于表层水泥砂浆。 细观构造对路面使用品质的影响主要有两个方面，其一是通过对路面抗滑力的影 6 长安大学硕上学位论文 响而影响安全性；其二是通过对轮胎磨耗和油耗增加而影响经济性。研究认为，细观 构造最主要的功能是为路面提供基本抗滑力。同时它也是轮胎磨耗的主要影响因素之 一，并对轮胎的与路面间的高频接触噪声有一定影响。细观构造对油耗实际并无很大 影响，虽然细观构造的增加在恒定车速下能导致滚动阻力的微量增加，但资料表明， 当试验表面从光滑的刚表面变为一种防滑铺面时，由于细观构造变化而引起的滚动阻 力增加约为5 ，而滚动阻力一般仅占车辆全部能量损失的百分之几。 具有良好细观构造的路面在干燥条件下，能够为以正常速度行驶的车辆提供适当 的刹车距离；在潮湿( 但不过湿) 条件下，能够为行车速度小于8 0 k m h 的车辆提供适 当的刹车距离。通常认为细观构造不是路面噪声和下雨时的行车水雾的影响因素。 综上所述，细观构造对车辆运行的益处远大于害处，因此路面具有一定量的细观 构造是十分必要的i t 3 。 2 1 2 宏观构造 宏观构造( m a c r o t e x t u r e ，又称粗构造) 的波长范围为0 5 m m 到5 0 m m ，波幅大于 0 1 m m 且小于2 0 m m 。对于沥青路面，影响宏观构造大小的主要因素是粗集料的粒径、 形状、间距和排列分布。因此宏观构造虽然不像细观构造对气候和温度那样反应敏感， 但是路面污染、泛油，以及交通荷载对表层集料的磨耗和破碎作用将影响其耐久性。 对于水泥混凝土路面，一般来说其宏观构造由拉毛、刻槽等表面饰纹工艺形成，水泥 砂浆的耐磨性能决定其耐久性。随着多孔隙路面的兴起和发展，有人将宏观构造分为 正负两类，由不透水材料形成的构造为正构造，由内部有连通孔隙使表面水从路面内 部排走的透水材料形成的构造为负构造。 宏观构造对路面的使用品质的影响是多方面的。因其有利于抗滑性能和视觉性能 的改善而对安全性有较大的贡献，这是宏观构造诸多作用中最为重要的。宏观构造可 以造成轮胎橡胶变形和迟滞能量损失而产生摩擦力，但更重要的是它可以在轮胎与路 面的接触面上提供有效的积水宣泄通道，使轮胎与路面能处于“干燥接触 状态，因 而能减缓路面抗滑力在高车速下的衰减，并能抑制水漂现象的发生。宏观构造对视觉 性能的改善有两个方面：一方面是因其有利于排水而能抑制溅水和喷雾，从而提高能 见度。雨天行车的能见度常因从前方车辆轮胎或轮胎与路面界面上甩出的水滴以及车 旁、车后随车而行的水雾有大幅度的下降。据估计由此而引起的事故约占湿路面伤害 事故的1 0 。另一方面，良好的宏观构造能够使路面形成漫反射或维持最低水平的镜 第二章水泥混凝土表面纹理构造特征分析 面反射，使能见度提高。在夜晚漫反射可以减少对面车灯的眩光，改善路灯照明的均 匀度；而在白天，则可以降低反光所引起的视觉不舒适感。 对于提高下雨天路面的抗滑性能，尤其是车辆在高速行驶时，宏观构造起了重要 作用。因此，当路面的设计行车速度大于8 0 k m h 时，良好的宏观构造可以防止车辆打 滑而产生交通事故。除了提高下雨天路面的抗滑性能，宏观构造还是影响轮胎路面摩 擦力和行车水雾的最重要的因素。 2 1 3 大构造 大构造( m e g a t e x t u r e ) 的波长范围为5 0 m m 到5 0 0 m m ，波幅大于0 i m m 且小于5 0 m m 。 这种水平的构造通常由施工控制不严，路面局部沉降和路面表面磨损而产生。大构造 是一个较新的不规则度分类，过去一般不测定它的大小，现在可以用激光测试技术进 行测定。大构造的尺寸与轮印长度相当，因此它起不了排除轮胎与路面界面间积水的 作用，反而成为积水坑。 大构造能够引起轮胎的振动，导致车辆产生内部噪声和一些外部噪声( 如轮胎对 空气的泵吸噪声和挤爆噪声) 。它也对路面行驶品质产生不利影响，同时过早地磨损车 辆悬架( 如轮胎和减震器) 。 2 1 4 不平整构造 不平整构造( u n e v e n n e s s r o u g h n e s s ) 习惯上叫做平整度，定义为偏离基准平面 的程度。它的波长大于5 0 0 m m ，且有短波、中波和长波之分。不平整度由路面摊铺质 量以及路面在使用过程中的不均匀沉降和破坏所致。任何具有这种范围波长的构造的 不规则表面能够影响车辆动力学、车辆的行驶质量和路面的排水性能。不平整构造也 导致产生大的于轮胎路面噪声。 不同波长的各种纹理构造对路面表面特性的影响如图2 2 所示。 长安大学硕士学位论文 图2 2 不同波长各种纹理构造对路面表面特性的影响示意图 2 2 水泥混凝土表面纹理构造特征分析 路用性能良好的水泥混凝土路面必须具有丰富的表面细观构造和宏观构造，同时 要防止大构造和不平整构造的产生。细观构造是由细集料和砂浆形成的，同时细集料 的抗磨光能力对路面的细观构造也有着直接的影响；宏观构造由水泥混凝土路面的表 面处理技术形成。当一条公路路网从规划到实施时，实际上就确定了要使用当地的建 筑材料，从而路面的细观构造也基本确定1 1 4 1 。而要使其具有良好的路用性能，必须对 路面表面进行人工处理，使其具有良好的宏观构造。 为了保证水泥混凝土路面的抗滑性能以及考虑噪声影响，目前国内外水泥混凝土 路面的表面纹理形式制作工艺主要有：( 1 ) 制毛法，包括拉毛法、刷毛法和喷砂凿毛 法；( 2 ) 制槽法，包括压槽法、拉槽法和刻槽法；( 3 ) 其他方法，包括骨料粘结法、 骨料嵌入法和露石法。 其中我国常用的路面表面纹理处理技术有拉毛法、压槽法和刻槽法，喷砂凿毛法 主要用于路面抗滑性能的恢复以及桥面处理；露石混凝土在欧洲国家应用较多，我国 于2 0 0 0 年开始陆续展开研究，并在工程实践中开始应用。 9 厂ii。ii、ill 响能影性受的 第二章水泥混撮表面毁理构造特征分析 本课题主要以拉毛、刻槽和露石这三种具有代表性纹理形式的水泥路面为研究对 象。 2 21 拉毛水泥混凝土路面 拉毛法是在混凝土初凝前利用扫帚、刷子等在混凝土表面均匀划过，形成一定的 纹理。拉毛时要保持纹理均匀、顺直、深度适当。拉毛按方向不同可分为纵向拉毛和 横向拉毛，横向拉毛的路面摩擦系数较大，因而应用较多。拉毛时间是在混凝土具有 一定保形性的前提下越早越好。拉毛工具有：扫帚、硬毛刷、塑料刷、草根刷等，而 麻袋拖拽是国外应用较多的一种拉毛工具。 国外有关研究表明，拉毛纹理完全满足车速低于7 2 k m h 的路面抗滑性能要求，但 车速较高时，其抗滑性能较差。此外，美国明尼苏达州的路面研究表明，拉毛纹理能 够达到与沥青路面相近的噪音水平和表面摩擦性能，其纹理深度规定为1o m m 。 在德国，水泥路面施工完毕后，考虑到路面噪音的影响，都要进行拉毛，而不采 用压槽。拉毛法能够为路面提供足够的摩擦力，同时能最大程度地减弱空气的泵吸效 应。然而，摩擦性能会因为路面磨耗而很快的消失殆尽。德国人推荐的粗麻布拉毛法； 粗麻布的最小重量为3 0 0 9 m 2 ；粗麻布与混凝土路面接触长度最小为2o m ；第一次使 用之前稍加润湿：每天使用完毕后要进行清洗或更换。 拉毛法成本较低，形成的纹理构造具有一定的抗滑性能，噪音较低。同时，还要 采取必要的措施柬提高其摩擦性能的耐久性，如选择磨耗性较好的材料等。新建的水 泥混凝土路面整平后对其进行拉毛处理，会在其表面形成连续的横向( 或者纵向) 纹 理构造( 如图23 、图24 ) 。 i i 一 一 。7-j，：p 图2 3 租麻布拉毛形成的表面纹理图2 横向 工草皮拉毛纹理 拉毛水泥混凝土路面纹理构造深度一般在1 5 3 m m 之间，这种深度的构造属于宏 观构造。同时，路面拉毛会使路面更加“毛糙”，这种“毛糙”的路面包含了许多细小 糕黼删瓣 k 安大学硕l ：学位论文 的纹理构造( 波长 0 5 r a m ) 钉，如图2 5 所示。因此，拉毛水泥混凝土路面既有一定 的宏观构造，又有丰富的细观构造，其路面抗滑性能较好。 图2 5 拉毛水泥混凝土路面断面纹理构造 2 2 2 刻槽水泥混凝土路面 刻槽法分为横向刻槽和纵向刻槽，是在水泥混凝土路面板强度达到设计强度的 3 0 - 4 0 时，即在水泥混凝土路面板养护期3 5 天内，采用水泥混凝土路面刻纹机切 刻而形成的表面纹理。 与拉毛、拉槽、压槽等方法相比，刻槽工艺是在水泥混凝土具有一定强度后进行 硬性刻制的，不受混凝土拌和料初期结构强度和凝固强度的影响，平整度较好。在水 泥混凝土路面上进行刻槽主要有以下作用： ( 1 ) 预防作用。雨天情况下，可使路面上的雨水从沟槽中迅速排走，避免在路面 上形成一层水膜，保持路面无水状态，预防滑移； ( 2 ) 及时作用。可使轮胎下的路面积水从槽纹或轮胎花纹中及时排走。避免了由 于车轮的快速旋转，造成车轮下面连续水膜压力增高而形成飘滑现象； ( 3 ) 视觉作用。提高轮胎与路面的附着摩阻力后，减少雾飘水溅，增加雨天能见 度，减少水泥路面反射眩光，改善夜间和晴天行车环境； ( 4 ) 安全作用。刻槽路面能够提高路面抗滑力，增加摩擦系数，紧急情况下车辆 的制动距离缩短，车辆的操作性能改善，降低交通事故率。 ( 5 ) 降噪作用。纵向刻槽能够降低水泥混凝土路面噪声。 刻槽的缺点是：效率低，使用的人工多，锯片损耗多，施工费用高。目前我国高 速公路水泥混凝土路面硬刻槽的施工费用大约5 8 元m 2 。 刻槽水泥混凝土路面纹理如图2 6 所示： 第一章水坭混凝t 表而纹理构造特征分析 7 图6 刻槽水泥混凝土路面 常用的刻槽形状主要有矩形、梯形和v 形三种( 如图27 ) 。 卜叫卜_ 卜土| 1 _ r l 厂 弋厂 炬彤 搪彤 v 璀 图2 7 刻槽槽型 通常，槽宽为3 5 t a r n ，槽深为5 6 m m ，槽间距为2 0 3 0 m m 。新建水泥混凝土路 面刻槽在其表面形成连续均匀的凹槽，这种凹槽纹理属于宏观构造，其断面构造如图 28 所示。 图2 8 刻槽水泥混凝土路面断面纹理构造 新建水泥混凝土路面在刻槽之前，必须先进行拉毛处理，使其槽面具有细观纹理 ( 如图2 9 所示) 。主要由槽面的细观构造为行驶车辆提供摩擦力，提高路面的抗滑性 能。 长安大学顿十学位论空 厂j厂一、 ； l ，、一 图2 9 捌槽水泥棍凝土路面细观纹理构造 2 23 露石水泥混凝土路面 露石混凝土路面是一种新型的路面形式，它是以适当方式清除水泥混凝土表面的 砂浆、露出优质粗集料从而形成优良的宏观与细观结构，形成良好的抗滑表面( 如图 2 1 0 所示) 。 图2 1 0 露石水扼混凝土路面 露石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，还具有以下一些优异的性能“”： l 、卓越的抗滑性能 露石混凝土路面，由于在施工工艺中，表层喷洒了专门研制的露石剂，使骨料露 出其表面构造类型属租糙的宏观构造与粗糙的细观构造，细观和宏观构造都非常丰 富这使露石混凝土路面有良好的抗滑性能。特别在潮湿状态下高速行车时，露石混 凝土大的宏观构造通过扩散并排走滚动车轮下的路表水，使细纹理所提供的低速抗滑 能力在高速时也能保持。 2 、优良的减噪性能 露石混凝土路面的减噪原因就在于采用外露集料表面，这种具有随机凹凸的路表， 第二章水泥混凝土表面纹理构造特征分析 使气流在轮胎下的空隙中自行消散，减轻所产生的压爆声和泵吸声。露石路面的噪声 特性水平比传统的水泥混凝土路面的噪声降低了很多，它的降低噪声的效果可以同沥 青路面相媲美。 3 、隧道内的能见度高 由于采用了优良的集料露出表面，露石混凝土的耐磨性大大高于普通砂浆表面， 因此，在隧道中采用露石混凝土时，隧道中的粉尘会大大减小，从而隧道内的能见度 得到提高。 4 、优良的散光防眩性能 露石混凝土路面露出的集料对强烈的光形成漫反射，减轻路面反射的强度，。这种 光学特性在白天可以防止阳光耀眼，给驾驶员、行人提供一个安全、舒适的行车环境， 减少交通事故的发生。在夜间或在隧道中，灯光照射在路面上，形成漫反射，不会产 生眩光。 同时颜色各异的碎石会产生迥然不同的路面效果，色泽艳丽的露石路面能与彩色 路面相媲美。 5 、优良的耐磨性能 露石混凝土路面由于采用了磨光值高、综合力学性能优良的集料，使路面在使用 年限里能长期的保持抗滑性能，保持良好的使用品质，解决了路面结构强度寿命和表 面功能寿命悬殊甚大的矛盾，减少维护修复的工作量，提高了经济效益和社会效益。 6 、优良的排水性能 露石混凝土路面由于露出了粗集料形成了粗糙的细观、宏观构造，这使其有着良 好的排水性能。露石混凝土路面的构造深度比较大，这种大的构造深度意味着路面存 在着发达、形成了丰富的微凹凸不平表面，它们能借助路拱作用使雨水从其沟槽纹理 中迅速排走，避免形成水膜，避免车轮快速旋转造成水膜压力增加而形成漂滑现象； 同时露出的集料粗糙并有一定的棱角，防止形成连续的水膜，提高轮胎与路面的附着 力，这对降雨量较大地区路面的运营安全性更显示出特殊的重要性。 由于露石水泥混凝土路面的表面是外露的一层粗集料，因此露石的高度、露石的 分布及外露粗集料的粒径大小直接影响路面的宏观构造。露石水泥混凝土路面的断面 构造如图2 1 1 所示，断面曲线上不规则的凸起为外露粗集料的上表面。 1 4 长安人学硕士学位论文 图2 1 1露石水泥混凝土路面断面纹理构造 露石水泥混凝土路面的表面由外露的粗集料和砂浆组成，由图2 1 0 可以看出外露 粗集料的面积几乎占据了露石水泥混凝土路面总面积的8 0 以上。因此，外露粗集料 的细观纹理构造( 如图2 1 2 所示) 决定了整个露石路面的细观纹理。外露粗集料的细 观纹理越丰富，则露石路面的抗滑性能就越好。 图2 1 2 露石水泥混凝土路面细观纹理构造 第三章水泥混凝十路面纹理构造表征方法评述 第三章水泥混凝土路面纹理构造表征方法评述 目前国内对水泥混凝土路面纹理构造的表征方法研究较少。公路工程质量检验评 定标准( j t g f 8 0 1 2 0 0 4 ) 中规定，新建水泥混凝土路面竣工验收时检测平整度和抗 滑构造深度( m t d ) 两个指标。但是抗滑构造深度( m t d ) 不能全面体现水泥混凝土路 面的抗滑性能。尤其是针对刻槽水泥路面而言，当水泥混凝土路面刻槽之前的拉毛处 理深度不足时，槽面纹理不够丰富，即使构造深度( m t d ) 满足规范要求，该路面的抗 滑性能也很差。极端情况下甚至出现“光面刻槽”现象。因此仅用抗滑构造深度( m t d ) 来评价水泥混凝土路面的宏观构造是不足的，对于其细观构造也需要用合适的指标来 具体衡量。 沥青路面竣工验收时，一般通过测试路面的摩擦系数来间接反映其细观构造，水 泥路面的竣工验收指标也应该加上摩擦系数这一项，这样才能全面反映路面的抗滑性 能。 对于不平整度构造，一般运用三米直尺或者平整度仪来进行测试；对于大构造， 过去一般不测定它的大小，现在可以用激光测试技术进行测定；对于宏观构造，采用 铺砂法或激光断面仪法来进行测定；而对于细观构造，则运用摆式仪等方法来测试。 本课题主要研究与水泥混凝土路面抗滑性能密切相关的宏观和细观构造测试技 术。 3 1 路面细观构造测试 对于路面的细观构造，现阶段没有具体的指标来直接进行评价。一般通过测试路 面的摩擦系数来间接反映其细观构造。摩擦系数的大小可以评价路面的抗滑性能，摩 擦系数越大路面抗滑性能越好。但是摩擦系数不仅仅由细观构造决定，宏观构造也是 影响它的重要因素。 现在应用较多的摩擦系数测试仪器有三种：摆式摩擦仪( b p t ) 、动态摩擦系数仪 ( d f t ) 和g r i p t e s t e r 。 3 1 1 摆式摩擦仪( b p t ) 早期的路面摩擦系数测试仪器是由英国t r r l ( t r a n s p o r tr o a dr e s e a r c h 1 6 长安大学碰十学位论文 l a b o r a t o r y ) 研制的摆式仪1 。 摆式仪的形状及结构如图3i 所示。摆及摆的连接部分总质量为1 5 0 0 + _ 3 0 9 ，摆 动中心至摆的重心距离为4 1 0 5 帅，测定时摆在路面上滑动长度为1 2 6 _ + l m m ，摆上橡 胶片端部距摆动中心的距离为5 0 8 1 1 1 1 ，檬胶片对路面的正向静压力为2 22 + - - 0 5 n 。 图3 1 摆式摩擦仪b p t 测试原理：当摆锤从一定高度自由下摆时，装在摆锤底部的橡胶滑块底面同路面 表面接触，由于两者间的摩擦而损耗部分能量，使摆锤只能摆到低于初始位置的某一 高度( 该高度与测试表面的租糙程度密切相关) ；表面越粗糙，摆锤受到的摩擦阻力越 大，则上摆的高度就越小( 即摆值越大) ，通常将上摆的高度称为摆值。 ( 公路路基路面现场测试规程( j t j 0 5 9 9 5 ) 中所给出的方法，并未对洒水量做 出定量要求，很难确定符合规定的洒水量，而水膜厚度对摩擦系数测试值的影响非常 大，由此造成摆值测试的结果受人为因素影响较大。 使用摆式仪进行路面性能的测试，不仅速度慢、效率低，而且是定点测量，故不 可能对里程较长的公路进行全线测试，只能选择某些路段抽样测试，这使得测试结果 具有一定的片面性。 同时，摆式仪在定点测试过程中必须中断交通以保证工作人员的安全，这为道路 使用带来不便，也影响道路运营的经济效益”。 第= 章水泥混凝路面纹理构堵最征方往评述 3 12 动态摩擦系数仪( d f t ) 动态摩擦系数仪( d y n a m i cf r i c t i o nt e s t e r ) 属于定点摩擦系数测试设备，最早由 日本人发明近年来在国内也逐渐得到运用。 d f t 的测试装置包括测试仪和) 卜- y 记录仪及操纵仪3 部分。新一代的d f t 已可以 用便携式电脑代替x y 记录仪自动显示数值。测试仪底部有两个圆盘，一个圆盘在发 动机作用下旋转，旋转盘下安装了绕圆盘的轴自由旋转的小圆盘，这个圆盘安装了3 个橡胶滑溜块( 如图3 2 所示) 。 图3 2d y t 底部轮廓图 d f t 与摆式仪相似，也是通过摩擦力作用使旋转能量损失来反算动态摩擦系数值。 旋转圆盘使橡胶滑溜块的线速度达到1 0 0 k m h 后将圆盘从悬空位置释放到路面上，圆 盘在路面摩擦力的作用下逐渐减速至静止，在此过程中) ，- y 记录仪连续记录橡胶滑溜 块和路面之间的摩擦力f ，若橡胶滑溜块上施加的正压力为w ，则动态摩擦系数为 d f = f w 。x y 记录仪还同时记录了圆盘上橡胶滑溜块的旋转速度。由于是连续铡量所 以可得出如的速度和摩擦系数的关系曲线，由此反映摩擦系数和速度的关系( 速度依存 性) 。d f t 的性能特点如下： ( 1 ) 性价比优越、使用面广、操作简单。与横向力系数测试车相比，其购买费用和 维护费用均较低。而且仪器小巧轻便，只需要使用一般车辆便可在任何路段进行测试， 一人便可操作。 ( 2 ) 测试结果稳定，人为影响小。测值在2 0 8 0 k m h 的测速范围内有着系统意义 眭安大学硕士学位论立 上的稳定性并与横向力系数澜4 试车的测试结果有着很好的相关关系。 ( 3 ) 能够反映摩擦系数对速度的依赖关系。 但是，d f t 仍然存在不能连续测量，对交通影响较大等缺点。因此建议小范围测 量，作为施工质量控制及交工验收，或在进行不同速度摩擦系数的分析研究中使用。 3 l3 g r i p t e s t e r 6 r i p t e s t e r 由英国f i n d l a yi r v i n e 公司生产，该系统被世界道路协会、国际民 航组织推荐使用，目前全世界共有3 0 0 多台。 结构组成：g r i p t e s t e r ( 见图33 ) 是重量为8 5 k g 的拖车，有两个驱动轮( 或称行 驶轮) 和一个测试轮，其中驱动轮为花纹轮，测试轮为光滑轮。驱动轮轮轴与测试轮轮 轴通过链条连接，链条传动系统保证测试轮胎的滑移率为1 5 。车轴上方设置的应变 仪测试水平牵引力和垂直荷载。主轴上的传感器和齿轮用于记录测试距离。整个测试 操作过程完全由牵引车内的计算机控制在测试过程中可以在计算机上同步显示测试 结果数据并实现文件存储。 图3 3 g r i p t e s t e r 摩擦系数的计算公式是： f ：曼 ( 3 1 ) 式中：卜摩擦系数；f 牵引力；n 垂直荷载。 g r i p t e s t e r 采用拖车式测试系统，从而使测试系统与牵引车分离，提高了设备的 灵活性：测试轮采用光滑轮，从而使轮胎在低速行驶以及高速行驶时对路面构造都具 有较好的敏感性，提高了结果的精确性；g r i p t e s t e r 测试方法可以采用两种方式，长 距离酒j 试采用汽车牵引测试，对于短距离小型铺面，如人行道、城市广场、停车场等 第三章水泥混凝土路面纹理构造表征方法评述 可以进行手推式测试。 3 2 路面宏观构造测试 路面宏观构造是指波长在0 5 m m 到5 0 r a m ，波幅在0 1 m m 到2 0 m m 的构造，一般用 平均构造深度( m t d ) 和平均断面深度( m p d ) 这两个指标对它进行评价。路面宏观构 造的表征方法有：铺砂法，激光断面法和流出仪测试法。其中运用最多的是铺砂法， 而激光断面法近年来逐渐得到推广应用，但其不适用于测试带沟槽的水泥混凝土路面。 3 2 1 平均构造深度( m t d ) 测试 一般应用体积法( v o l u m e t r i c ) 测试m t d ，近年来国内也有人研究用数字图像技术 法测试m t d 。 体积法是