超高性能混凝土 (UHPC) 作为高摩擦表面处理 (HFST) 粘合剂
主讲人：凯尔·梅格，克莱姆森大学
描述：道路几何问题大大增加了车辆碰撞的风险。高摩擦表面处理 (HFST) 可以通过增加可用摩擦来弥补这一点，将潮湿天气曲线碰撞减少 83%，但相对成本较高。超高性能混凝土 (UHPC) 有潜力成为一种经济高效的替代品。UHPC 具有卓越的粘合强度，使其成为 HFST 中使用的聚合物树脂粘合剂的理想替代品。这项研究正在开发基于 UHPC 的 HFST 的混合设计和应用程序，包括表面缓凝剂的比较研究。不同局部骨料的微观结构、磨损和摩擦力已针对煅烧铝土矿骨料进行了评估。UHPC 混合物的流变性、耐久性和粘合强度的评估正在进行中。正在使用动态摩擦测试仪、英国摆锤测试仪和激光纹理扫描来评估基于 UHPC 的表面的摩擦力、宏观纹理和微观纹理。这种创新的 UHPC 应用可以显着降低运输机构的成本，从而提高安全性。
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早上好，我叫Kyle Meer，是克莱姆森大学的博士生。我代表我的合作者Adam Beal和我们的导师Dr pad rangaraju，向您介绍我们的研究，题目是超高性能混凝土作为高摩擦表面处理。
当我们考虑道路设计时，通常会从道路几何形状，转弯半径和超高角度等方面考虑。但是，经常发生的情况是，在施工完成后，我们才发现某些道路段容易发生事故。在这种情况下，我们无法在不重新调整道路的情况下改变几何形状，所以我们剩下的变量就是提高摩擦系数。这通常是通过施加高摩擦表面处理来实现的，它由一层小粒度的刚玉骨料和一层薄薄的环氧树脂组成。这种处理在应用后非常有效，联邦公路管理局估计，它可以减少83%的湿滑路面事故，和57%的总事故。作为一个数据样本，来自我家乡南卡罗来纳州的事故数据显示，这种处理在每辆行驶车辆的基础上，可以减少近74%的事故。所以这些绝对可以提高安全性和减少事故。然而，它们相对于传统的路面材料来说，成本很高。刚玉骨料的价格大约是700美元一吨，这是你用于路面的标准骨料的十倍多。环氧树脂也很昂贵，每平方英尺的成本是327美元。所以如果我们看一种替代材料，比如没有钢纤维的超高性能混凝土，我们可以用一种非专利的配方，以四分之一英寸的厚度，以39美分每平方英尺的价格生产它。这些传统的高摩擦表面处理还有一些其他的缺点，它们有很高的碳足迹，这主要与骨料有关，因为刚玉是经过煅烧的，这个过程会产生碳，而且运输也是一个问题，因为大部分的材料来自中国。它们也倾向于在使用寿命结束时以一种导致摩擦降低和不均匀的方式失效，这本身就成为了一个安全问题。所以使用本地骨料作为粘结剂的超高性能混凝土，有可能成为这些传统的摩擦处理材料的合适替代品。所以这项研究的目的是开发和评估超高性能混凝土作为这种替代品，这是通过以下几个子目标来实现的：评估本地骨料与标准刚玉骨料的比较，开发一种合适的非专利的超高性能混凝土配方，开发和评估将其应用到现有路面基层的方法，最后根据摩擦、纹理和系统的粘结强度、耐磨性和抗剥落性能进行评估。下面是道路摩擦产生的概述，它来自于表面的宏观纹理和微观纹理。宏观纹理来自于我们骨料的大小和级配，当轮胎在其上滚动时，它会变形和恢复，这种滞后会从系统中消耗能量，产生摩擦。微观纹理来自于骨料的表面，它们之间有粘附力，也会产生摩擦。
骨料表面也会产生摩擦，还有一个摩擦的成分是剪切，但是它与另外两个相比可以忽略不计，所以在建模中经常被忽略。基于这一点，我们可以用高分辨率激光扫描和信号滤波来分离宏观纹理和微观纹理的频段，从而评估我们的骨料在微观纹理和宏观纹理方面的潜力。所以我们的方法是，查看五种不同的骨料和不同的级配，其中我们以刚玉骨料为参考，还有两种花岗岩，一种风冷渣，一种PE砾石和一种陷阱岩。我们观察了这些骨料在磨损下的性能，通过微德沃尔和洛杉矶磨损试验，以及磨损对微观纹理的影响，以及我们能够用这些骨料在表面上产生的摩擦类型，使用的是英式摆锤试验，如右下图所示。我们从中得到的结果是，当我们进行建模时，我们发现微观纹理优于宏观纹理，用英式摆锤试验来模拟摩擦。我们还发现刚玉骨料仍然是摩擦骨料的首选，这并不令人惊讶，其他研究过替代骨料的研究者也发现了这一点。然而，我们确实发现我们的两种骨料表现可接受，意思是它们在磨损前后保持了足够的摩擦水平，我们认为它们能够产生足够的摩擦能力，满足大多数情况下的需求。我们还注意到，我们的渣表现不佳，它在磨损试验下失去了很多纹理和摩擦。其他机构也使用渣作为摩擦骨料，但是我们的渣来源表现不佳。所以，转向实际生产我们的超高性能混凝土表面，我们考虑了许多因素，我们考虑了我们的骨料的含水条件，对于我们的初步试验，我们只考虑了刚玉骨料，因为它是我们表现最好的骨料。我们还考虑了撒播方法，我的意思是，当他们生产这些高摩擦表面处理时，环氧树脂涂在表面上，骨料撒在上面，靠自身重量嵌入，可以用手撒或用箱式撒布机。我们用我们的超高性能混凝土也做了同样的事情，但是由于超高性能混凝土与这些环氧树脂的流变性和流动特性不同，我们还考虑了使用振动来帮助骨料嵌入到浆体中。然后我们还考虑了另一种方法，我们把骨料混入到超高性能混凝土中，用一种表面减缓剂来处理最顶层，然后在混凝土凝固后的一段时间，我们移除它，就会留下裸露的骨料在表面上。然后我们根据它们能够产生的纹理和摩擦来评估这些不同的表面。在我们使用的各种等级的减缓剂中，我们发现12小时是凝固的最低时间，早于这个时间，我们实际上没有足够的凝固，以至于我们移除了整个表面，直到我们的基层，这是由红色的表面显示的，它是我们的基层材料。12小时是一个很好的最低时间，这可以延长到24小时，之后你实际上开始凝固表面，你就不会得到
我们想要的结果。这些是我们的不同表面，上面一行是我们的撒播方法，左上角是树脂基系统，然后我们有撒播和振动到超高性能混凝土中，分别用SSD和烘干处理的骨料。下面一行是表面减缓剂，从左到右是不同等级的减缓剂。其中，这个se200是唯一一个完全渗透到我们的系统和基层的。这并不意味着我们不能使用它，但是我们必须增加我们的表面处理的厚度，如果我们想使用它来防止这种情况发生。这些是我们相同的表面，但是我按照从最多纹理到最少纹理的顺序排列，你看到的是我们从高分辨率激光扫描仪得到的代表性的扫描线。有很多不同的方法可以处理这些扫描线来产生参数，但是也许最常用的路面宏观纹理的参数是平均轮廓深度。所以这是我们用来评估我们与树脂基系统的接近程度的初始方法。左边的图显示了所有这些不同方法的平均轮廓深度，按照顺序排列，橙色的条表示只用刷子，也就是说，我们制作了表面，只用扫帚刷掉松散的骨料，但是紫色的是我称之为初始调节的，它更类似于你在路面系统开放给交通之前或之后很快看到的情况。你可以看到，我们的一些系统实际上能够达到我们的最低目标，也就是1.5毫米，这是基于我们的骨料尺寸是2到4毫米，所以50%的嵌入到浆体中，50%的裸露出来，形成良好的纹理，大约是一半，也就是1.5到2毫米。所以我们的一些方法能够达到这个目标。我们在做这个过程中注意到的另一件事是，对于我们使用SSD条件骨料的撒播方法，我们注意到我们的骨料表面有白色沉积物，而且在我们振动的样品上，沉积物更重。从那张照片上很难看出来，但是放大后你可以看到，那个白色的浆体看起来是什么样子的。所以我们实际上做了一些扫描显微镜和能谱分析，来确定到底发生了什么，我们确定结果与基本上是高水含量水泥一致，也就是说，水在某个时候从骨料中出来，和超高性能混凝土混合，产生高水含量的水泥。我们在使用相同配比的立方体时，也注意到了同样的效果，其中SSD条件的是上面两个图，你可以看到有一些白色的云状物质混合在其中，还有一些云状物质围绕着其中的骨料颗粒。正如你可能预料的那样，这也导致了比烘干骨料低得多的抗压强度，后者几乎与没有骨料的浆体本身相同。有一个放大的图，你可以看到里面的白色浆体。有趣的是，当我们把高效减水剂的剂量提高到42%，使其具有更多的自密实一致性，我们不需要振动或搅动样品来获得充分的压实，我们就不再观察到这种现象
所以，无论发生了什么，都与我们对这些刚玉骨料施加的振动量有关，它们有着非常复杂的孔结构，它们把孔内的水吸出来，和浆体混合。我们在这项研究中注意到的另一件事是，我们使用的减缓剂，它们有一个宣传的蚀刻深度，也就是它们应该渗透到样品中多深，以暴露出骨料。对于我们的低水灰比的超高性能混凝土，我们实际上发现它们的有效性大大降低了，我们仍然看到了随着减缓剂等级的增加而呈线性的趋势，但是它们的有效性比宣传的蚀刻深度要低得多。所以，这项研究的初步结论是，我们的两种天然骨料提供了足够的摩擦和纹理，可以替代刚玉骨料。SSD条件的刚玉骨料不适合这种应用，所以我们不会再使用它。我们可以使用超高性能混凝土来替代这些树脂粘合剂，达到足够的宏观纹理。最后，我们发现，当你使用低水灰比的混合料时，表面减缓剂的有效性大大降低，你需要使用更重的减缓剂等级才能使它们起作用。所以，我们有很多正在进行和未来的工作，来完成这个项目。我们将完善我们的非专利超高性能混凝土配方的混合设计矩阵，考虑流动性、抗压强度、收缩、凝固时间和粘结强度。我们还将超越我们的表面宏观纹理，用英式摆锤试验和动态摩擦试验来观察摩擦，这些是在底部的。然后，我们还将用一个定制的适配板来进行磨损和剥落试验，你可以看到那里有不同的头。然后，我们将把这些都结合起来，做一个基于超高性能混凝土的系统与传统的高摩擦表面处理材料的成本效益分析。最后，我要感谢南卡罗来纳州的赞助，以及国家砖研究中心的DP使用，以及为我们的测试提供材料的几家公司。我们很乐意回答任何问题，谢谢你的时间。
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