容洪流， 周澤華， 肖 璐， 陳飛宏

(1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院， 南寧 530004； 2.廣西特殊地質(zhì)公路安全工程技術(shù)研究中心， 南寧 530004; 3. 中國建筑第八工程局有限公司， 南寧 530004)

水泥混凝土路面具有承載力強(qiáng)、平整度好、行車舒適等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于我國交通建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域[1]。路面抗滑性能是路面結(jié)構(gòu)的主要特征之一[2]。朱晟澤[3]研究了刻槽形式對(duì)路面抗滑性能的影響。劉清泉[4]指出混凝土抗滑性能隨著集料細(xì)度和砂率的增加而增加。Alaskar[5]研究了不同聚丙烯(poly propylene, PP)纖維摻量下混凝土耐磨、抗滑性能的變化規(guī)律。Ghoddousi[6]比較了分別摻入濕潤或干燥條件下納米顆粒對(duì)混凝土抗滑性能的影響，指出使用干燥條件下的納米顆?？蓪⒒炷量够阅芴嵘?0%。以上研究普遍是基于天然河砂進(jìn)行的，然而在我國道路建設(shè)最為迅速的西南山區(qū)，普遍面臨著天然河砂短缺、運(yùn)輸成本過高的問題，采用機(jī)制砂部分或全部代替天然河砂勢(shì)在必行。

此前科研人員已對(duì)機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度、抗凍性、耐腐蝕性[7-9]等方面進(jìn)行了豐富的研究，在路面混凝土領(lǐng)域已經(jīng)得到日益廣泛的應(yīng)用。謝吉程[10]指出砂率、壓碎值對(duì)機(jī)制砂混凝土耐磨性的影響最為顯著。王稷良[11]研究了機(jī)制砂亞甲藍(lán)(methylene blue,MB)值對(duì)路面混凝土抗鹽凍性能的影響規(guī)律。但關(guān)于機(jī)制砂混凝土路面抗滑性能的相關(guān)研究較少。路面抗滑性是由表觀粗紋理和微觀細(xì)紋理共同作用的結(jié)果[12]。粗紋理取決于路面結(jié)構(gòu)和刻槽形式，此方面已有較多研究[3, 13-15]；細(xì)紋里取決于路面材料的自身構(gòu)造，在近幾年剛剛得到關(guān)注[16-17]。機(jī)制砂的巖性組成、粗糙程度、表觀形狀等因素與天然河砂均存在一定程度的差異，且含有一定量的石粉，明顯改變了混凝土表面的細(xì)觀紋理，對(duì)路面抗滑性能的影響不可忽視，有必要進(jìn)行針對(duì)性研究。

基于擺式摩擦試驗(yàn)(british pendulum number，BPN)和表面回彈試驗(yàn)，研究了機(jī)制砂替代河砂比例(即機(jī)制砂摻率)、水灰比、砂率、石粉含量等因素對(duì)混凝土抗滑性的影響規(guī)律，基于灰色系統(tǒng)理論進(jìn)行了各影響因素的重要程度排列，通過多元回歸分析得到了在未刻槽情況下機(jī)制砂混凝土路面抗滑性能的預(yù)測(cè)模型。性會(huì)影響路面遠(yuǎn)期的抗滑性能。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 原材料

水泥：采用“駝山”牌P.O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，粗集料采用5～25 mm級(jí)配碎石，細(xì)集料采用天然河砂和石灰石機(jī)制砂，減水劑采用拓達(dá)建材公司生產(chǎn)的萘系高效減水劑。原材料主要性能見表1～表3。

表1 駝山牌P.O 42.5水泥的物理力學(xué)性能Table 1 Physical and mechanical properties of camel mountain P·O42.5 cement

表2 5～25 mm連續(xù)級(jí)配碎石性能指標(biāo)Table 2 Performance index of 5～25 mm continuous graded gravel

表3 細(xì)集料的物化性能Table 3 Physical and chemical properties of fine aggregates

1.1 試驗(yàn)方法

制備300 mm×300 mm×100 mm的混凝土板，通過調(diào)節(jié)減水劑使拌合物坍落度保持在40 mm左右。根據(jù)規(guī)范要求，所有試件均未刻槽。在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境中養(yǎng)護(hù)到28 d進(jìn)行試驗(yàn)。采用BM-Ⅲ型擺式摩擦系數(shù)測(cè)定儀表征混凝土抗滑性能；采用碳化-回彈法表征混凝土強(qiáng)度。具體試驗(yàn)步驟按《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》(JTG 3450—2019)進(jìn)行?；炷僚浜媳热绫?所示。

表4 試驗(yàn)配合比Table 4 Mix proportion in test

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 機(jī)制砂摻率對(duì)抗滑性能的影響

本研究測(cè)試了機(jī)制砂摻率對(duì)混凝土抗滑性能和強(qiáng)度的影響關(guān)系，如圖1所示。從圖1中可以看出，隨著機(jī)制砂取代河砂摻量的提升，混凝土強(qiáng)度升高但BPN值逐漸下降。說明機(jī)制砂試件的抗滑性能低于河砂，這主要是因?yàn)闄C(jī)制砂中的石粉會(huì)產(chǎn)生輥珠效應(yīng)[18]。石粉在混凝土內(nèi)部起到改善流變性能的作用[19]，在混凝土表面時(shí)則會(huì)產(chǎn)生微滾動(dòng)作用降低混凝土表面摩擦力。圖2為100%機(jī)制砂，50%機(jī)制砂+50%河砂、100%河砂表面紋理放大30倍后的微觀構(gòu)造圖，可以看出機(jī)制砂試件表面有較多浮漿，機(jī)制砂與河砂復(fù)摻試件浮漿較少并且可以觀察到部分細(xì)骨料紋理，河砂試件可以清晰看到內(nèi)部砂漿紋理。混凝土表面紋理隨著機(jī)制砂摻率的增加而趨于光滑，這主要是因?yàn)闄C(jī)制砂塑性黏度低于河砂[20]，容易產(chǎn)生微離析現(xiàn)象。

圖1 機(jī)制砂摻率對(duì)混凝土性能的影響Fig.1 Effect of different mixing ratio of manufactured sand on concrete performance

圖2 不同機(jī)制砂摻率下的混凝土表面構(gòu)造Fig.2 Surface structure of concrete with different mixing rate of manufactured sand

2.2 水灰比對(duì)抗滑性能的影響

不同水灰比情況下機(jī)制砂試件的抗滑如圖3所示。通過圖3可出混凝土抗滑性能與強(qiáng)度變化幅度一致，均隨著水灰比的升高而衰減。當(dāng)水灰比取0.35時(shí)混凝土抗滑性能最高，BPN值為30；當(dāng)水灰比取0.51時(shí)BPN值最低，為22?？够阅懿粩嗨ネ耸且?yàn)楫?dāng)水灰比增高時(shí)，混凝土表層更容易產(chǎn)生微離析和微泌水[21]。結(jié)合圖4可以看出，隨著水灰比增高，混凝土表面的浮漿層逐漸增厚。浮漿層結(jié)構(gòu)松散、水化程度較低，強(qiáng)度比整體結(jié)構(gòu)低20%左右[22]。機(jī)制砂中石粉的密度比水泥低，在振搗、整形的過程中可能摻混在浮漿中[23]。最終造成局部石粉含量偏高，形成細(xì)密、光滑的浮漿層，削弱表層砂漿自身的微觀構(gòu)造。

圖3 水灰比對(duì)混凝土性能的影響Fig.3 Effect of water cement ratio on concrete performance

圖4 不同水灰比下的混凝土表面構(gòu)造Fig.4 Surface structure of concrete under different water cement ratio

2.3 砂率對(duì)抗滑性能的影響

圖5給出了砂率與機(jī)制砂混凝土抗滑性能的關(guān)系。從圖5可知，混凝土強(qiáng)度和抗滑性能均隨著砂率的提升呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。當(dāng)砂率低于36%時(shí)，混凝土抗滑性和強(qiáng)度均逐漸升高。在一定范圍內(nèi)，細(xì)骨料用量的增加會(huì)使路表砂漿層的微觀構(gòu)造更加粗糙，提升路面的綜合品質(zhì)。這與劉朝暉、鄭健龍等[24]的總結(jié)是一致的。但當(dāng)砂率繼續(xù)增加時(shí)強(qiáng)度與抗滑性下降明顯，砂率42%時(shí)混凝土強(qiáng)度和BPN值分別比36%時(shí)下降了9.2%和14%。這是因?yàn)闄C(jī)制砂中含有一定量的石粉，當(dāng)增加細(xì)骨料用量時(shí)會(huì)不可避免地增加石粉含量。當(dāng)石粉含量提升到一定程度時(shí)，石粉對(duì)混凝土表觀構(gòu)造的影響將超過砂率的影響，使混凝土抗滑性能降低。

圖5 砂率對(duì)混凝土性能的影響Fig.5 Effect of sand ratio on concrete performance

2.4 石粉含量對(duì)抗滑性能的影響

圖6是不同石粉含量與機(jī)制砂混凝土抗滑性能的關(guān)系曲線。結(jié)合圖7可以明顯地看出，隨著石粉摻量的升高，混凝土表面浮漿層逐漸增厚。同時(shí)抗滑性能隨著石粉含量的增加不斷下降。當(dāng)石粉摻率為20%時(shí)BPN值僅為20，相比摻率3.6%時(shí)下降1/3。過量的石粉不僅會(huì)造成級(jí)配紊亂，影響混凝土的綜合性能；還會(huì)上浮至混凝土表層，削弱砂漿本身的微觀結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)結(jié)果證明現(xiàn)行規(guī)范《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/TF 30—2014)要求石粉含量最高不超過5%～7%是合理的。當(dāng)石粉含量由7%增加至10%時(shí)，BPN值下降14.3%。

圖6 石粉含量對(duì)混凝土性能的影響Fig.6 Effect of stone powder content on concrete performance

圖7 不同石粉含量下的混凝土表面構(gòu)造Fig.7 Surface structure of concrete with different stone powder content

3 機(jī)制砂混凝土抗滑性影響因素的分析與預(yù)測(cè)

3.1 基于灰色系統(tǒng)理論的灰關(guān)聯(lián)因子排序

灰色系統(tǒng)理論由中國鄧聚龍?jiān)菏渴紫忍岢?，?jīng)過近40年的發(fā)展已廣泛應(yīng)用于工程、醫(yī)療、軍工等各個(gè)領(lǐng)域[25]?；诨疑P(guān)聯(lián)理論，采用均值化分析方法，將BPN值和強(qiáng)度設(shè)為母序列，將機(jī)制砂摻率、水灰比、砂率、石粉含量設(shè)為子序列，分析機(jī)制砂混凝土抗滑性和強(qiáng)度各影響因素的重要程度?；谊P(guān)聯(lián)系數(shù)和關(guān)聯(lián)度的計(jì)算方法如式(1)、式(2)所示，得到關(guān)聯(lián)度如表5所示。

(1)

(2)

式中，L0i(k)為子序列i與母序列0的關(guān)聯(lián)系數(shù)；r0i為對(duì)應(yīng)的關(guān)聯(lián)度；ρ為分辨系數(shù)，取0.1；Δmax與Δmin表示比較序列絕對(duì)差中的最大值和最小值；xi(k)表示k時(shí)刻第i列無量綱化后的數(shù)值；N為數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。

由表5可知，砂率和水灰比對(duì)機(jī)制砂混凝土抗滑性能與強(qiáng)度的影響最為密切，關(guān)聯(lián)度均高于0.9，為主要相關(guān)因素。而機(jī)制砂摻量的關(guān)聯(lián)度最低，為0.63。這說明機(jī)制砂摻量的影響是可控的，通過優(yōu)選砂率、水灰比與石粉含量的配合比可以制備出抗滑性能優(yōu)良的機(jī)制砂混凝土路面。

表5 各影響因素的關(guān)聯(lián)度Table 5 Correlation coefficient of each influencing factor

3.2 機(jī)制砂混凝土抗滑性能多因素預(yù)測(cè)模型

結(jié)合前文的分析可知，機(jī)制砂摻率、水灰比、砂率、石粉含量對(duì)機(jī)制砂混凝土的抗滑性能的影響均不可忽視。采用二次多項(xiàng)式回歸分析各因素對(duì)機(jī)制砂混凝土耐磨性能的影響，機(jī)制砂混凝土抗滑性能的預(yù)測(cè)模型為

(3)

式中，βs為砂率；Mr為機(jī)制砂摻率；w/c為水灰比；sp為石粉含量。

基于試驗(yàn)的擬合值與實(shí)測(cè)值如圖8所示。從圖8可以看出本模型與抗滑試驗(yàn)實(shí)測(cè)值相關(guān)性顯著。相關(guān)系數(shù)R=0.98，決定系數(shù)=0.96。說明本模型可較好地針對(duì)不同配合比的機(jī)制砂混凝土抗滑性能進(jìn)行預(yù)測(cè)。

圖8 抗滑性能的預(yù)測(cè)模型與驗(yàn)證Fig.8 Prediction model and verification of BPN

4 結(jié)論

(1)機(jī)制砂混凝土路面抗滑性能低于天然河砂，且隨著機(jī)制砂摻率和水灰比的升高而不斷衰減。基于抗滑性能考慮，機(jī)制砂混凝土砂率不宜高于36%，石粉含量不宜大于7%。

(2)基于灰色關(guān)聯(lián)理論，各影響因素對(duì)機(jī)制砂混凝土抗滑性能重要性的排序?yàn)樯奥?水灰比>石粉含量>機(jī)制砂摻率>0.63，各因素均會(huì)對(duì)混凝土最終的抗滑性能產(chǎn)生顯著影響。基于多元回歸分析得出了機(jī)制砂混凝土BPN值的預(yù)測(cè)模型，該模型相關(guān)性顯著，預(yù)測(cè)效果較好。