針片狀含量對混合料性能影響及基于破碎特性的針片狀含量控制

甘新立， 張文利

(貴州理工學(xué)院 交通工程學(xué)院, 貴州 貴陽 550003)

目前，瀝青路面已經(jīng)成為中國城市道路和高等級公路的主要形式，而集料作為瀝青混合料的主要組成部分，其顆粒特性也對瀝青路面的使用性能有著至關(guān)重要的影響。集料顆粒通過互相填充和嵌擠形成了強(qiáng)度，承受著交通荷載的反復(fù)作用，而不同形狀的集料顆粒由于相互之間的受力狀態(tài)不同，其對荷載的承受能力也有所差異。針片狀集料由于在荷載作用下出現(xiàn)斷裂，同時也難以和其他集料顆粒形成嵌擠，其含量對混合料有著不利影響。因此，探明針片狀顆粒含量對混合料性能的影響情況，以及在集料生產(chǎn)中進(jìn)行必要的質(zhì)量控制，減少產(chǎn)出的針片狀集料，對提高瀝青路面性能具有重要的意義。在針片狀顆粒對瀝青混合料性能的影響方面，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了一些研究和探索，也取得了一定的成果，但還缺乏更為系統(tǒng)的研究成果，而對集料破碎工藝及標(biāo)準(zhǔn)的研究則很少涉及。高強(qiáng)等對現(xiàn)有的石料破碎理論和破碎機(jī)械進(jìn)行了分析和總結(jié)，并對現(xiàn)有石料破碎機(jī)械的優(yōu)缺點進(jìn)行了分析；黃冬明等通過建立擠壓類破碎機(jī)層壓破碎過程操作模型，對經(jīng)擠壓類破碎機(jī)破碎的石料粒度進(jìn)行了分析。

該文通過在不同針片狀含量下測定瀝青混合料的路用性能指標(biāo)，對針片狀含量對瀝青混合料路用性能的影響進(jìn)行研究；建立石料母巖的破碎模型，對母巖體積、破碎率等因素對破碎后集料針片狀含量的影響情況進(jìn)行分析。

1 原材料和混合料設(shè)計

試驗所用瀝青為SBS I-C改性瀝青，技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

試驗所用集料為石灰?guī)r集料，將4.75～9.5 mm

表1 瀝青技術(shù)指標(biāo)

以及9.5～13.2 mm中針片狀顆粒選出，分別測定其技術(shù)指標(biāo)，其中4.75 mm以上粒徑的技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

設(shè)計混合料為AC-13，級配如表3所示。

表2 粗集料技術(shù)指標(biāo)

表3 設(shè)計混合料級配

2 針片狀含量對混合料性能的影響

通過調(diào)配，控制混合料針片狀含量分別為0%、10%、20%和30%，其中4.75～9.5 mm和9.5～13.2 mm的針片狀比例為1∶1，在各自最佳油石比下測定混合料的動穩(wěn)定度、浸水殘留穩(wěn)定度比、凍融劈裂強(qiáng)度比和低溫破壞應(yīng)變，結(jié)果如表4所示。

從表4可以看出：隨著針片狀含量的增加，混合料的各項性能均出現(xiàn)降低，且在針片狀含量為10%～20%時，混合料的路用性能降低最快。這是由于當(dāng)針片狀集料含量較多時，一方面，針片狀集料本身強(qiáng)度較低，在受力狀態(tài)下易從其較薄處斷裂，致使混合料試件在車轍試驗和低溫彎曲試驗中更易發(fā)生破壞；另一方面，針片狀集料的斷裂將會使混合料的級配變細(xì)，喪失部分嵌擠能力，這也是導(dǎo)致針片狀含量較大的混合料路用性能降低的重要原因。此外，針片狀集料在混合料試件成型過程中同樣容易斷裂，而集料的斷裂面由于無瀝青膜裹附，在浸水作用下，水將更容易從斷裂面處滲入到瀝青-集料黏附體系中，并對黏附體系造成破壞，從而致使混合料的水穩(wěn)定性能降低。

表4 不同針片狀含量下混合料路用性能指標(biāo)

3 母巖破碎性能研究

由于集料的針片狀含量對瀝青混合料的各項路用性能都產(chǎn)生著不利的影響，在集料的加工過程中也應(yīng)對針片狀含量進(jìn)行控制。

針片狀集料的含量一方面與集料的破碎工藝有關(guān)，且以往的研究和實踐也多是從這一角度對針片狀集料的含量進(jìn)行控制；另一方面，由于集料是由母巖經(jīng)破碎得到的，其破碎后針片狀集料的含量也必然與母巖有著密不可分的關(guān)系。當(dāng)母巖形狀不同時，其在破碎機(jī)械中的受力特點也存在差異：接近圓形的母巖，其受力將更為均勻，其破裂面的產(chǎn)生將更加隨機(jī)；接近于片狀的母巖，則在破碎機(jī)械中更易在薄弱環(huán)節(jié)和尖銳部位發(fā)生破裂。此外，母巖的大小也直接影響其在集料生產(chǎn)過程中的被破碎次數(shù)，越大的母巖，相應(yīng)的被破碎的次數(shù)也越多。

文獻(xiàn)[10]認(rèn)為，母巖破碎的充分與否可以用破碎率表征，其計算公式如式(1)所示：

(1)

式中：E為破碎比；D0為石料破碎前的粒徑；Dp為石料破碎后的粒料群的平均粒徑。

其中，石料的粒徑采用調(diào)和粒徑，即石料顆粒3個互相垂直方向的長為l、寬為b、高為h，則調(diào)和平均粒徑為：

(2)

假定母巖和破碎后集料顆粒的形狀可近似地分為正四面體、正六面體、正八面體和球形，破碎后粒料群的平均粒徑采用下式計算：

(3)

式中：Dp為粒料群的平均粒徑；D1～Dn為各類型集料的調(diào)和粒徑；x1～xn為各類集料的比例。

取各粒徑中值為正四面體、正六面體和正八面體顆粒的棱長或球形顆粒的直徑，則通過計算可知，各檔集料各顆粒形狀的調(diào)和平均粒徑如表5所示。

假設(shè)母巖的體積為V0，而破碎后各種集料顆粒的體積之和等于母巖體積。在各顆粒形狀中，正八面體最接近于針片狀，故以正八面體顆粒含量為針片狀顆粒含量。不同形狀母巖的調(diào)和粒徑如表6所示，假定正八面體顆粒比例為x，其余各形狀顆粒的比例均為(1-x)/3，則各粒徑范圍集料的調(diào)和平均粒徑如表7所示。

按式(1)計算各母巖形狀和粒徑范圍集料顆粒的破碎率，結(jié)果如表8所示。

表5 各檔集料各顆粒形狀的調(diào)和平均粒徑計算結(jié)果

表6 各形狀母巖的調(diào)和粒徑

表7 各粒徑范圍集料顆粒的調(diào)和平均粒徑

通過換算可以得到各母巖形狀和粒徑范圍的集料針片狀含量，其形式可以用式(4)表示，得到各母巖形狀及粒徑范圍下集料的針片狀含量如表9所示。

(4)

式中：V0為母巖體積；E為破碎率；a、b為系數(shù)。

從表9可以看出：① 在相同破碎率和粒徑范圍下，母巖為接近正六面體和球形的，其系數(shù)a相同，系數(shù)b較小，表明破碎后集料中的針片狀含量相對較低，而正四面體和正八面體母巖破碎后的針片狀含量相對較高；② 各母巖形狀及粒徑范圍下，針片狀含量均隨破碎率升高而降低；③ 采用較小體積的母巖，其破碎后集料的針片狀含量較小。

表8 各母巖形狀及粒徑范圍下集料的破碎率

表9 各母巖形狀及粒徑范圍下集料的針片狀含量

4 結(jié)論

(1) 隨著集料針片狀含量的增加，混合料的各項路用性能均出現(xiàn)降低，且當(dāng)針片狀含量為10%～20%時，混合料的性能降低最快。

(2) 建立了采用母巖體積及破碎率表征的石料破碎模型。

(3) 通過采用接近正六面體或球形的母巖、增大破碎率以及減小母巖體積的方法可以減小破碎后集料的針片狀顆粒含量。