寒区路用水泥混凝土磨耗机理及试验

水泥 2006-05-07

摘要:在对路面水泥混凝土磨耗机理分析的基础上，模拟路面结构实际磨耗状态，设计了路面混凝土磨耗试验。通过对数据相关性分析，确定了敏感性因素。经验证，在该方法下获得的试块，磨耗现象明显，可用于评价路面水泥混凝土磨耗性能。

关键词:混凝土；磨耗；机理；试验方法

0 引言

混凝土是一种耐久性材料，水泥混凝土路面更是以其耐久性好、使用寿命长为最大优势得以沿用至今并继续发展。因此，对路用混凝土的使用环境作正确的设计，使混凝土路面在严重的侵蚀环境中工作而避免过多的破坏就显得尤为重要。混凝土耐久性因素见表1^{[1 ]} 。

冻融破坏是寒区路面结构破坏的主要形式，而表层的磨耗无疑加剧了路面结构冻融破坏的程度。寒冷地区冻融循环是成为路面剥蚀破坏的主要原因，但混凝土表面的磨耗却无处不在地导致上述破坏的加速和恶化。因此，就水泥混凝土路面而言，尤其在冻融环境下工作的混凝土，耐磨性作为一个耐久性问题而得到进一步的研究就显得尤为重要。对混凝土耐磨因素的研究尚少，很多内容需要进一步探讨。

1 水泥混凝土路面磨耗机理

工程中常见的磨损有磨粒磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损等。其中尤以磨粒磨损对工程造成的损失最大^{[2 ]} 。磨粒磨损可进一步分为二体磨损和三体磨损。

当轮胎在路面上滚动时，以路面为被磨损材料，则在此磨损系统中路面为第一体，汽车轮胎作为第二体。车轮与路面间的切向作用力Fq (分解为纵向力和侧向力) 等于法向力F_f 与车轮与路面间附着系数μ的乘积，力Fq 的存在，使两体表面发生刮擦，产生粘着性磨损。因为橡胶轮胎的硬度远小于混凝土，粘着性磨损对混凝土造成的伤害在短期内应微乎其微，然而因混凝土砂浆层表面“拉毛”及内部存在气泡、微裂纹等原生缺陷，在这些拉毛边缘及缺陷处形成应力集中，就会给混凝土表层造成较大磨耗。另外，通过对路面表层应力状态分析可知，混凝土路面所承受的最大法向应力F_f 就发生在表层，因此由于F_f 的往复作用，在混凝土同一单位表面拉压应力交替进行，扩大了混凝土内部裂纹的发展，最终引起表层的断裂，此种磨耗形式可归结为混凝土的疲劳磨损。疲劳磨损产生的脱落物及砂石等异物进入到两体之间，变成为二者的磨料，由于轮胎花纹与地面间的嵌挤使磨料被瞬间卡在两体之间，而不能自由滚动，另一方面磨料为使自己以最低的能量状态存在又要在两磨面之间发生滚动，此时磨料对路面结构形成切削磨损。综上，如图1 (a)和(b) ，三体磨损是微切削和塑变的双重作用^{[3 ]} 。此时的磨损形式对路面造成的磨损要大于两体磨损的情况。路面磨损，大多可归结为有磨料存在的三体磨损的范畴。

一般认为提高混凝土表面硬度或可理解为降低混凝土的水灰比，提高其抗压强度，与其抗磨耗性能成线性关系^{[4 ]} ，即硬度越高，抗磨耗性能越好，因此往往通过降低水灰比、提高混凝土的强度来增加混凝土的抗磨性。如图2 为尺寸 30×10cm的不同水灰比C40 混凝土试块，采用水下冲磨方式取得的磨耗损失量曲线图。从图中可看出随WPC 的增大，混凝土的磨损量随之增加。因此，降低水灰比是一种提高混凝土耐磨性能的途径。从三体磨损的理论来分析，如图3 为根据方亮等人研究成果绘制的刚性材料在切削与塑变双重作用下的硬度与磨损量的关系图。从图中可知，随材料硬度的增加因切削引起的磨损量在减小，而由塑变引起的磨损量则在增加。因此，在试验室对路面混凝土抗磨性能进行考察，不应局限于对切削磨损的模拟，塑变磨损同样影响磨损量曲线的形状。

2 　试验方案设计

2.1 　试验方法的选择

因在试验室不容易模拟现场磨损条件，目前评价路面混凝土耐磨性的试验并无明确标准可循。根据受到的磨损形式，ASTM C418、ASTM C779、ASTM C944 三个标准分别阐明了三个耐磨性试验，包括了平磨、喷砂、碾磨、啄磨四个耐磨性试验方法^{[5 ]} 。然而，针对路面混凝土的磨损形式，上述试验方法都不能在近似模拟其实际工作情况下进行磨耗测试。

针对上述对混凝土路面磨耗机理的分析，我们借用了无机地面材料耐磨性试验方法(GBPT 12988 - 91) ，并加以改进，设计了路面混凝土抗磨性试验，使其能最大程度的模拟路面混凝土的切削与塑变磨损同时发生的实际磨耗情况，以求对混凝土抗磨耗性能进行更准确的评价。

2.2 　试验装置及取值方法

如图4 ，该试验所采用的钢轮式耐磨试验机。摩擦钢轮直径200mm、宽度70mm；机器开启后钢轮转速75r/min ；配重砣质量14kg ；磨料采用标准砂并经过0116mm 方孔筛除尘，磨料下落密度通过节流阀控制^{[6 ]} 。试块尺寸采用10cm ×10cm ×40cm长方体试件，配比如表2。

试验数据以磨坑体积v 作为磨耗量Δm 代表值。

如上式，为读取数据的方便，又可以磨坑宽度L 作为混凝土磨坑量体积v 的代表值。

该试验以每3 个试块为一组，每个试块磨坑长度用精度为0.02mm 的游标卡尺量取3 个代表值，最终取平均值作为L 的值。由于“无机地面材料耐磨性试验方法”不够成熟，影响因素多，可能引起数据波动过大，故先确定可预见的影响因素为:磨料粒径、磨料流量、磨耗时间。分别针对三个可能的影响因素，制定3 个磨耗方案，以稳定的最小人为控制区间，分别改变三个因素的值，考察其对磨耗值的影响性。又以混凝土标号为影响因素作为方案4 ，在其它条件相同的情况下考察其与磨坑宽度关系，并以此为基点对比其它三元素影响量作以对比，数据见表3。根据所得数据可见，磨料粒径、流量、磨耗时间对磨坑宽度的影响均大于混凝土标号值对磨坑宽度的影响，即若在试验中不对上3 个影响因素加以严格控制，会直接影响到对混凝土耐磨性的评定。同时通过试磨发现磨料在一次使用后粒径损失严重，而在“无机地面材料耐磨性试验方法”中对磨料可重复使用，流量控制区间过大的标准，在混凝土磨耗试验中均不宜采用。

3 　试验方案的进一步验证

为验证该试验方法的可行性，用此方法进行了寒区路面混凝土冻后磨耗性能试验，所得数据离散性较小。以该试验方法所做的混凝土磨耗试验效果明显。若将该方法应用于路面混凝土抗磨性试验中，可通过改变配重砣质量，模拟不同等级水泥混凝土路面的磨耗，评价路面水泥混凝土的抗磨性能。

4 　结语

(1) 　混凝土路面的磨耗形式除考虑其与轮胎间二体磨损引起的粘着及疲劳磨损外，砂、石、一次磨耗残留物等杂质以第三体的形式进入到磨耗系统中，构成路面、轮胎、磨料为主体的三体磨损系统，极大地加剧了混凝土路面的磨损程度。在试验室对路面混凝土抗磨性能进行考察，不应局限于对切削磨损的模拟，还应考虑到塑变磨损的作用。

(2) 　将“无机地面材料耐磨性试验方法”引入到路面混凝土耐磨性试验中，能较大程度地模拟路面实际磨损状态。对与试验结果相关性极大的敏感性因素加以控制，可供试验研究人员作为评测路面混凝土耐磨性的方法加以借用。

(3) 　因混凝土材料的各向异性及磨料磨损现象的复杂性，混凝土磨耗试验方法还有待于进一步的研究和改进。

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