關(guān)于公路工程粗集料壓碎值的定義及取值標(biāo)準(zhǔn)的探討

摘 要：在我國公路工程集料的指標(biāo)體系中，壓碎指標(biāo)一是，與其他指標(biāo)不同；二是，與國外的情況相反處于非常突出和重要的地位，其原因至今仍是一個(gè)謎，也是為什么我國工程界如此青睞該指標(biāo)。由于該指標(biāo)概念的模糊性，工程使用目的的寬泛性，確定指標(biāo)的隨意性和粗糙性，在實(shí)踐中引起較廣泛的關(guān)注和爭議。文章探索從該指標(biāo)的定義、工程使用目的、強(qiáng)度特征、以及如何科學(xué)的、經(jīng)濟(jì)的研究和確定取值標(biāo)準(zhǔn)等幾個(gè)方面，以水泥混凝土和瀝青混合料為例進(jìn)行分析和討論，使石料在壓碎指標(biāo)回歸到它的理性地位，能經(jīng)濟(jì)有效地控制工程質(zhì)量、降低工程造價(jià)、加快工程進(jìn)度、減少技術(shù)浪費(fèi)。

關(guān)鍵詞：粗集料；壓碎值；強(qiáng)度；水泥混凝土；瀝青混合料

引言

壓碎值作為水泥混凝土，瀝青混合料或半剛性，柔性基層，底基層中粗集料（以下簡稱石料）的力學(xué)指標(biāo)，目前唯有澳大利亞正在執(zhí)行的規(guī)范中采用壓碎值指標(biāo)，世界其他國家都未采用此指標(biāo)，但在我國許多《規(guī)范》[1-3]中，以及實(shí)際執(zhí)行層面，該指標(biāo)受到特別的重視，導(dǎo)致近年來在各地施工中不斷針對(duì)《規(guī)范》[1]中有關(guān)壓碎值的技術(shù)要求及相關(guān)規(guī)定提出質(zhì)疑。另外，有些省、市、自治區(qū)的主管部門，或某工程項(xiàng)目的建設(shè)單位隨意擅自提高瀝青混合料中石料壓碎值的指標(biāo)，直接的結(jié)果是較大幅度地提高了石料的品質(zhì)，縮小了可用石料的范圍，或者將間接地提高了公路工程建設(shè)的成本，本可以就地選用的石料不能使用，需遠(yuǎn)距離外購。這些問題已引起許多方面的關(guān)注和討論。所以，文章擬從壓碎指標(biāo)的定義、使用目的、以及強(qiáng)度特征等幾個(gè)方面進(jìn)行分析和討論，使石料的壓碎值回歸到它真正理性的地位，能經(jīng)濟(jì)有效地控制工程質(zhì)量的作用，從而真正提高工程質(zhì)量，降低工程造價(jià)，加快工程進(jìn)行，減少技術(shù)浪費(fèi)。

1 壓碎值使用目的分析

《規(guī)范》[4]中對(duì)壓碎值有兩個(gè)定義，一是術(shù)語定義即“按規(guī)范方法測(cè)得的石料抵抗壓碎的能力，以壓碎試驗(yàn)后小于規(guī)定粒徑的石料質(zhì)量的百分比表示”。二是實(shí)驗(yàn)定義即“集料壓碎值用于衡量石料在逐漸增加的荷載下抵抗壓碎值的能力，是衡量石料力學(xué)性質(zhì)的指標(biāo)，以評(píng)定其在公路工程中的適用性”。上述兩種定義綜合起來實(shí)際上是一個(gè)較完整的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和方法的定義，而且也寬泛地說明了壓碎值的使用目的，即力學(xué)指標(biāo)，以評(píng)定其在公路工程的適用性。對(duì)路用粗集料，《規(guī)范》[2]表4·8·2和表4·8·5中規(guī)定了十項(xiàng)技術(shù)要求，即壓碎值、洛杉磯磨耗值、表觀相對(duì)密度、吸水率、堅(jiān)固性、磨光值、粘附性、針片狀含量、粉粘粒含量和軟石含量（國外許多國家還采用沖擊值），在這十個(gè)指標(biāo)中最難認(rèn)識(shí)和理解的是壓碎值，從字面上分析是指石料在不同工況下被壓碎，如熱拌、冷拌和溫拌瀝青混合料碾壓成型時(shí)要達(dá)到規(guī)定的密度（或壓實(shí)度），必須采用重型壓路機(jī)進(jìn)行碾壓，施工時(shí)部分石料有可能被壓碎，從而影響瀝青路面的使用品質(zhì)，或?yàn)r青路面在使用期間在車輛荷載的長期作用下，也可能使部分石料破損，可能造成路面病害，從此角度分析好像采用壓碎值指標(biāo)尚有一定的道理，但是目前為止未看到有該方面的研究報(bào)導(dǎo)。但對(duì)水泥混凝土來講，在澆筑成型時(shí)（除RCC混凝土），則采用振搗棒、平板振動(dòng)器和振動(dòng)梁進(jìn)行成型，水泥混凝土各種構(gòu)件，如板、梁、柱、樁、墩等，受壓破壞可能不僅造成石料的破壞，還有可能產(chǎn)生粘著和水泥石破壞，所以，從字面上講還不如瀝青混合料有道理。國外大多數(shù)國家不采用壓碎值指標(biāo)，或不將該指標(biāo)作為主要指標(biāo)，一定有其道理，所以，加強(qiáng)壓碎指標(biāo)的國際交流，給出壓碎值的科學(xué)定義和使用目的的說明非常重要。

2 壓碎值的強(qiáng)度分析

一般的強(qiáng)度定義是指材料或構(gòu)件受力時(shí)抵抗破壞的能力，將此強(qiáng)度定義與前述壓碎值的定義相對(duì)比，可知壓碎值實(shí)質(zhì)上是表征石料的強(qiáng)度概念，作為工程材料常用的強(qiáng)度指標(biāo)有，抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度等，而對(duì)巖石一般采用飽和單軸極限抗壓強(qiáng)度指標(biāo)，特別是在水泥混凝土試驗(yàn)指標(biāo)中不但沒有取消巖石的飽和單軸抗壓強(qiáng)度，而且又增加了壓碎值指標(biāo)，但這兩個(gè)強(qiáng)度概念是有較大區(qū)別的。巖石的飽和單軸抗壓極限強(qiáng)度，是在規(guī)定尺寸下，逐漸加載至斷裂（破壞）所達(dá)到的最大應(yīng)力，量綱為MPa，而壓碎值是在規(guī)定力（400KN）等條件下，小于規(guī)定粒徑的石料質(zhì)量的百分比，量綱為%。依據(jù)上述分析壓碎值指標(biāo)只能是一個(gè)間接反映石料強(qiáng)度值得指標(biāo)，就像巖石的點(diǎn)荷載試驗(yàn)，是一個(gè)簡便的，快速的，測(cè)定巖石抗壓強(qiáng)度的間接指標(biāo)，所以點(diǎn)荷載試驗(yàn)指標(biāo)必須通過經(jīng)驗(yàn)公式換算到標(biāo)準(zhǔn)的巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度上去，否則，點(diǎn)荷載試驗(yàn)是無意義的。同理，也應(yīng)找出巖石的飽和單軸抗壓強(qiáng)度與壓碎值之間的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式，就可以采用壓碎值來直接表征石料的強(qiáng)度概念，不僅概念清楚，而且目的明確，一是不必繞很大的彎，二是減少試驗(yàn)指標(biāo)，節(jié)約建設(shè)成本。如果不這樣認(rèn)識(shí)，或者去做，會(huì)帶來或造成如下問題：

（1）目前不同規(guī)范規(guī)定的瀝青路面，水泥混凝土和半剛性基層，底基層的壓碎值指標(biāo)，一是無理論依據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，從而導(dǎo)致任何部門單位都敢擅自提高壓碎值，二是壓碎值比飽和單軸抗壓強(qiáng)度高很多。詳見表1，如果按《規(guī)范》[1]第6·4·1表中的規(guī)定，并參照表1中壓碎值與抗壓強(qiáng)度的相關(guān)關(guān)系，Ⅰ類水泥混凝土（>C60），壓碎值<18（%），則對(duì)應(yīng)巖石的抗壓強(qiáng)度約為90MPa以上，Ⅱ類水泥混凝土（C30-C60），壓碎值<20（%），則對(duì)應(yīng)巖石的抗壓強(qiáng)度約為80MPa，Ⅲ類水泥混凝土（

（2）結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與材料的強(qiáng)度從理論層面講不是相同的概念，一般講結(jié)構(gòu)是材料的結(jié)構(gòu)，反之材料一定是結(jié)構(gòu)的材料，兩者互為因果關(guān)系，結(jié)構(gòu)的參數(shù)和指標(biāo)與材料的參數(shù)和指標(biāo)是兩個(gè)截然不同的概念，一般結(jié)構(gòu)的參數(shù)和指標(biāo)控制和限制著材料的參數(shù)和指標(biāo)，也就是說材料的指標(biāo)不能低于結(jié)構(gòu)所需的指標(biāo)，也不能過高地超過結(jié)構(gòu)規(guī)定的指標(biāo)，保證一定的安全系數(shù)即可。另外，結(jié)構(gòu)性質(zhì)或性能不同的材料（或構(gòu)件）組合，相互間的指標(biāo)差異也不能太大，一是不協(xié)調(diào)，二是不經(jīng)濟(jì)。例如，水泥混凝土對(duì)于石料、砂、水泥、水、粉煤灰、硅粉、外參劑等，它就是結(jié)構(gòu)，但在橋梁、墩臺(tái)、柱、樁、水泥混凝土板、樓房、廠房等構(gòu)造物中，水泥混凝土則成為材料。在水泥混凝土中它的強(qiáng)度破壞，一般決定三個(gè)方面，即骨料（石料）與水泥石膠結(jié)面的破裂（壞）稱粘著破裂；另一個(gè)是水泥石的破裂，其次是石料的破裂，其中任一個(gè)或兩個(gè)發(fā)生破裂都會(huì)導(dǎo)致水泥混凝土的破壞，即材料的破壞導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞。水泥混凝土作為結(jié)構(gòu)就像一個(gè)木桶，石料、水泥石就像組成木桶的一塊塊板，木桶裝水的多少不決定于最長的那塊板，而是決定于最短的板，一方面希望各塊板相對(duì)均衡，長度（或指強(qiáng)度）差異不能太大，這符合協(xié)調(diào)原則和經(jīng)濟(jì)原則，另一方面應(yīng)重點(diǎn)控制短板，也就是說最不利的材料強(qiáng)度不應(yīng)低于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。大量水泥混凝土破壞情況顯示粘著破壞是導(dǎo)致水泥混凝土破壞的短板?！兑?guī)范》[1]讓巖石的抗壓強(qiáng)度與水泥混凝土的強(qiáng)度相比，不如讓巖石的抗壓強(qiáng)度與水泥石的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，這樣兩者的強(qiáng)度相差不大，而又高于水泥混凝土的強(qiáng)度，這種思路，一是概念清楚、正確，二是經(jīng)濟(jì)合理，符合木桶原理。當(dāng)然，巖石的抗壓強(qiáng)度或石料的壓碎值對(duì)不同標(biāo)號(hào)的水泥混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度應(yīng)高多少，或取多大的下限值，應(yīng)通過實(shí)驗(yàn)，首先確定巖石的強(qiáng)度與壓碎值之間的相關(guān)關(guān)系，再確定壓碎值與水泥混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度之間的相關(guān)關(guān)系，就能夠科學(xué)的、經(jīng)濟(jì)的和合理的確定壓碎值的取值下限，僅做壓碎值指標(biāo)，而不必再做巖石的抗壓強(qiáng)度指標(biāo)。

（3）瀝青混合料壓碎值的取值問題比水泥混凝土要復(fù)雜，例如，對(duì)密級(jí)配瀝青混凝土混合料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，對(duì)高速公路，一級(jí)公路由馬歇爾試驗(yàn)測(cè)定的穩(wěn)定度不確定，小于8KN，其他等級(jí)的公路不小于5KN。以此推論好像密級(jí)配瀝青混凝土混合料對(duì)石料的強(qiáng)度要求并不高，但實(shí)際上石料的強(qiáng)度或壓碎值還由石料的磨耗值、磨光值和堅(jiān)固性指標(biāo)來控制，如石料的強(qiáng)度低，則石料的磨耗值、磨光值、堅(jiān)固性或沖擊值就低，就達(dá)不到規(guī)范規(guī)定的要求，特別是磨光值（對(duì)瀝青路面上面層）起著控制性作用，而對(duì)瀝青路面中、下面層來講，磨耗值，磨光值理論上已無意義，而其他石料指標(biāo)應(yīng)分層遞減，到底如何遞減，應(yīng)由試驗(yàn)來確定，實(shí)際規(guī)范已考慮到這樣的問題。對(duì)瀝青混合料來講，目前規(guī)范確定的石料壓碎值指標(biāo)是基本合理的，主要問題，一是，取值的依據(jù)不清楚，二是，各省、市、自治區(qū)的主管部門，或者一些工程項(xiàng)目的建設(shè)單位，擅自提高壓碎值，所以必須嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)范的規(guī)定，不得擅自提高，更不能降低。

（4）在公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范中對(duì)于石料（粗集料）的技術(shù)要求中未要求巖石的抗壓強(qiáng)度指標(biāo)，僅規(guī)定了石料的壓碎值指標(biāo)這是正確的，合理的。但是在公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范中還不僅規(guī)定了巖石抗壓強(qiáng)度與水泥混凝土強(qiáng)度等級(jí)之比外，還規(guī)定了巖石的抗壓強(qiáng)度，火成巖>80MPa，變質(zhì)巖>60MPa，水成巖>30MPa，該規(guī)定主要存在以下幾方面的問題：

首先，水成巖的概念是十九世紀(jì)的概念，而水成巖僅是沉積巖中的一類，所以，建議規(guī)范修訂時(shí)將水成巖改為沉積巖。

其次，對(duì)工程材料來講無論是巖漿巖（或稱火成巖）、沉積巖還是變質(zhì)巖，雖然從地學(xué)的角度是三類不同成因的巖石，其結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和礦物成分等方面有很大的區(qū)別和差異，而且對(duì)工程材料的強(qiáng)度和變形也各不相同，有的差異非常之大。如巖漿巖為熔結(jié)或結(jié)晶膠結(jié)，各向異性不發(fā)育，強(qiáng)度一般很高，變形很小。而沉積巖與部分負(fù)變質(zhì)巖，物質(zhì)組成復(fù)雜，為膠結(jié)物膠結(jié)，層理發(fā)育，即具明顯的各向異性，一是巖石強(qiáng)度變化大，二是相對(duì)強(qiáng)度比巖漿巖低，而正變質(zhì)巖雖類同于巖漿巖，但因含較軟弱的變質(zhì)礦物，而且層理、層麻理發(fā)育，即各向異性比巖漿巖發(fā)育，所以巖石也一般不如原巖漿高，但這絕對(duì)不能作為劃分工程材料的依據(jù)，對(duì)于工程材料來講只關(guān)注巖石的強(qiáng)度指標(biāo)，不管巖石的成因類型，這一點(diǎn)極為重要，否則巖石就變成了地學(xué)巖石，而不是工程巖石。當(dāng)然，在具體做試驗(yàn)時(shí)一定要考慮巖石的成因。例如對(duì)沉積和變質(zhì)巖由于它們各向異性發(fā)育，試驗(yàn)應(yīng)按最不利方向測(cè)定其強(qiáng)度，這樣就可避免各向異性對(duì)巖石強(qiáng)度造成的影響，只要巖石的強(qiáng)度技術(shù)指標(biāo)滿足相關(guān)規(guī)范的要求就可以，與巖石的成因無關(guān)，這是基本概念不能錯(cuò)。

3 結(jié)束語

（1）通過對(duì)現(xiàn)有《規(guī)范》[4]中壓碎值的定義及使用目的分析和討論，該定義僅是一個(gè)實(shí)驗(yàn)定義，使用目的的表述比較寬泛，較難理解其真實(shí)的使用目的，以及在評(píng)價(jià)石料適用性中的作用和地位，所以，還需在國際交流的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)研究，使壓碎值的定義更精確，在工程中的使用目的更明確。

（2）根據(jù)材料或構(gòu)件的強(qiáng)度定義，壓碎指標(biāo)是一個(gè)能間接反映石料抗壓強(qiáng)度的指標(biāo)，可以與巖石的抗壓強(qiáng)度之間建立等效相關(guān)關(guān)系，以表征在石料條件下，而不是在巖石條件下的抗壓強(qiáng)度。

其次，在水泥混凝土中依據(jù)木桶原理，研究和尋找適合不同強(qiáng)度等級(jí)水泥混凝土的壓碎指標(biāo)，滿足石料在水泥混凝土中的協(xié)調(diào)性、經(jīng)濟(jì)性，使石料壓碎指標(biāo)的確定建立在科學(xué)、合理的基礎(chǔ)上。

另外，在瀝青混合料中，針對(duì)瀝青混合料在瀝青路面中所處的層位，以及力學(xué)行為、功能行為和自然行為的差異性，并結(jié)合石料的其他技術(shù)指標(biāo)，綜合分析科學(xué)合理地確定對(duì)應(yīng)的壓碎指標(biāo)，而且明確規(guī)定任何部門和單位不等擅自提高規(guī)范規(guī)定的壓值指標(biāo)。

最后對(duì)《規(guī)范》[4]表6·4·1中關(guān)于巖石抗壓強(qiáng)度與水泥混凝土強(qiáng)度等級(jí)之比的規(guī)定建議取消，因?yàn)榇艘?guī)定即無理論依據(jù)，也無試驗(yàn)數(shù)據(jù)說明，其意義不明確，應(yīng)像瀝青混合料一樣，只采用壓碎指標(biāo)，而不再采用巖石的抗壓強(qiáng)度指標(biāo)。另外，將巖石的抗壓強(qiáng)度取值大小與巖石的成因相關(guān)聯(lián)，純屬概念問題，建議規(guī)范進(jìn)行修改。

參考文獻(xiàn)

[1]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范（JTG/T F50-2011）[S].北京：人民交通出版社，2011.

[2]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范（JTG

F40-2004）[S].北京：人民交通出版社，2004.

[3]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).公路水泥混凝土路面施工技術(shù)細(xì)則

（JTG F30-2014）[S].北京：人民交通出版社，2014.

[4]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程（JTG E42-

2005）[S].北京：人民交通出版社，2005.

作者簡介：黎炳 （1981-），男，廣東東莞人，碩士研究生，工程師，主要從事城市道路設(shè)計(jì)工作。