寒区路用水泥混凝土磨耗机理及试验

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。

 

   

 

   

 

   

 

    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。