路用集料性能特性及加工工藝研究

朝克圖，徐 新

（1.烏蘭察布市公路工程質(zhì)量監(jiān)督站，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)交通運(yùn)輸廳，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020）

1 引言

截至2021年年底，全國(guó)公路總里程528.07萬(wàn)km[1]，我國(guó)目前每年僅公路建設(shè)需要集料近10億t。根據(jù)《內(nèi)蒙古自治區(qū)“十四五”公路水路交通運(yùn)輸發(fā)展規(guī)劃》，“十四五”期間，我區(qū)規(guī)劃建設(shè)二級(jí)及以上公路總里程11430km，其中高速公路2642km，一級(jí)公路2665km，二級(jí)公路6123km。據(jù)測(cè)算，完成以上公路建設(shè)任務(wù)總計(jì)需要消耗碎石約5億t。

在水泥混凝土中，集料的含量70%～85%，而在瀝青混合料中集料的含量更是高達(dá)90%～95%，集料的形態(tài)特征將直接影響混合料的路用性能[2]。因此，對(duì)集料性質(zhì)的研究是路面性能研究的重點(diǎn)。提高高速公路瀝青路面質(zhì)量、服務(wù)水平和使用壽命，首要任務(wù)是提高原材料的質(zhì)量，其中石料經(jīng)生產(chǎn)加工的集料是高速公路瀝青面層及基層施工的主要組成材料，其性質(zhì)和質(zhì)量對(duì)瀝青面層車(chē)轍、疲勞、耐久性、抗剝落、表面松散、抗滑等性能有著非常重要的影響，同時(shí)對(duì)基層材料強(qiáng)度、干縮特性、抗沖刷性能等也有著重要的影響。而影響集料性質(zhì)和質(zhì)量的因素有兩個(gè)方面：一是料源特性，即保證壓碎值、洛杉磯磨耗值、吸水率、瀝青黏附性、堅(jiān)固性、磨光值等巖石固有物理性能方面滿足技術(shù)要求；二是生產(chǎn)加工特性，即保證集料的潔凈、干燥、無(wú)風(fēng)化、無(wú)雜質(zhì)、良好的顆粒形狀、低的細(xì)長(zhǎng)扁平顆粒（或稱為針片狀顆粒）含量。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)圍繞集料的性能對(duì)瀝青混合料、水泥混凝土的性能影響開(kāi)展了大量的研究。呂寧菁等[3，4]針對(duì)細(xì)集料的不同巖性的改變對(duì)瀝青混合料性能的影響開(kāi)展了相關(guān)研究；圍繞粗集料的不同性能變化對(duì)瀝青混合料性能的影響，王曉威等[5]認(rèn)為針片狀顆粒含量對(duì)多孔瀝青混合料的空隙率、抗析漏、抗飛散以及透水性具有顯著影響。胡力群等[6，7]認(rèn)為粗集料的棱角性下降會(huì)造成多孔瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度、動(dòng)穩(wěn)定度、空隙率和抗滑性能明顯下降，任永利等[8-10]圍繞瀝青路面用集料的加工，開(kāi)展了針對(duì)性研究，提出了集料加工工藝、技術(shù)要求等。

圖1 壓碎值直方圖

2 內(nèi)蒙古地區(qū)集料技術(shù)指標(biāo)分析

2.1 數(shù)據(jù)收集

通過(guò)調(diào)研，收集內(nèi)蒙古地區(qū)近年來(lái)的相關(guān)集料檢測(cè)數(shù)據(jù)，共收集粗集料檢測(cè)數(shù)據(jù)177組，包括了內(nèi)蒙古12個(gè)盟市。其中包括壓碎值數(shù)據(jù)17 組，磨耗值數(shù)據(jù)168組，沖擊值數(shù)據(jù)59組，磨光值數(shù)據(jù)138組，與瀝青黏附性數(shù)據(jù)139組，添加抗剝落劑后與瀝青黏附性數(shù)據(jù)82組。

2.2 指標(biāo)要求

根據(jù)《瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）的要求及內(nèi)蒙古地區(qū)的特點(diǎn)，主要分析粗集料的壓碎值、洛杉磯磨耗值、沖擊值、磨光值和與瀝青的黏附性等指標(biāo)。

壓碎值是衡量石料力學(xué)性質(zhì)的指標(biāo)，磨耗值是石料抵抗磨耗的能力，沖擊值是石料抵抗沖擊荷載的能力。目前無(wú)論《瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）還是《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/T F30-2014），粗集料的技術(shù)要求中對(duì)沖擊值均未作要求，但其性能能夠代表粗集料的強(qiáng)度及抵抗沖擊的能力，磨光值是石料抵抗輪胎磨光作用的能力，黏附性是集料與瀝青之間黏結(jié)強(qiáng)度的表征。粗集料的技術(shù)要求見(jiàn)表1。

表1 瀝青路面用粗集料指標(biāo)

2.3 主要數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

針對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)，采用SPSS軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，SPSS是一款由IBM 推出的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析軟件，通過(guò)軟件計(jì)算，分析得到數(shù)據(jù)的均值、中值、眾數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差、方差、全距、極小值及極大值，通過(guò)對(duì)上述統(tǒng)計(jì)指標(biāo)的分析，可以表征整個(gè)數(shù)據(jù)的分布特征，主要技術(shù)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 內(nèi)蒙古地區(qū)集料技術(shù)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

2.4 具體參數(shù)分析

圖2 磨耗值直方圖

圖3 沖擊值直方圖

圖4 磨光值直方圖

圖5 與瀝青黏附性值直方圖

由圖1～圖6分析可知：

圖6 添加抗剝落劑后與瀝青黏附性直方圖

①粗集料的整體強(qiáng)度較強(qiáng)，粗集料的壓碎值均值為17.9%，中值為17.2%，標(biāo)準(zhǔn)差為4.56%，極小值為9.2%，極大值為30%，95.2%的粗集料壓碎值滿足高速公路及一級(jí)公路表面層的要求，所有的粗集料均滿足其他等級(jí)公路壓碎值的要求。

②粗集料的磨耗值均值為13.8%，中值為12.9%，標(biāo)準(zhǔn)差為6.56%，極小值為3.34%，極大值為36.88%，95.8%的集料磨耗值滿足高速公路及一級(jí)公路表面層的要求。

③粗集料的沖擊值均值為8.81%，中值為8.15%，標(biāo)準(zhǔn)差為3.44%，極小值為3.82%，極大值為18.4%。

④粗集料磨光值均值為43.86，中值為43.3，標(biāo)準(zhǔn)差為1.95，極小值為40.8，極大值為56.3，磨光值均能滿足《瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）的要求。

⑤粗集料與瀝青黏附性的均值為2.38，中值為2，標(biāo)準(zhǔn)差為1.17，極小值為1，極大值為5，內(nèi)蒙古地區(qū)巖石整體偏酸性，粗集料與瀝青的黏附性較差，只有16.7%的集料與瀝青的黏附性達(dá)到四級(jí)及四級(jí)以上。

⑥添加抗剝落劑后粗集料與瀝青的黏附性均值為4.41，中值為4，標(biāo)準(zhǔn)差為0.54，極小值為3，極大值為5，添加抗剝落劑后，97.5%的粗集料與瀝青的黏附性達(dá)到四級(jí)及四級(jí)以上。

3 集料各項(xiàng)指標(biāo)之間相關(guān)性分析

壓碎值均表征集料的力學(xué)性能，磨耗值表征集料的抗磨性能，沖擊值表征其抗沖擊性能，磨光值表征集料的摩擦性能，與瀝青的黏附性表征其與瀝青的黏結(jié)性，這幾項(xiàng)指標(biāo)均反映粗集料的料源特性，各指標(biāo)之間的相關(guān)性見(jiàn)表3。

表3 集料各項(xiàng)指標(biāo)相關(guān)性分析表

根據(jù)Pearson 相關(guān)性分析，參數(shù)之間的相關(guān)性系數(shù)是介于-1～1 之間的實(shí)數(shù)。當(dāng)相關(guān)性系數(shù)介于-1～0 之間時(shí)，表明變量之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系；當(dāng)相關(guān)性系數(shù)介于0～1 之間時(shí)，表明變量之間存在正相關(guān)關(guān)系；當(dāng)相關(guān)性系數(shù)為0時(shí)，二者之間不存在相關(guān)性。相關(guān)性系數(shù)越接近1，表明變量之間的相關(guān)性越強(qiáng)，當(dāng)相關(guān)系數(shù)越接近0，表明變量之間的相關(guān)性越弱。當(dāng)相關(guān)性系數(shù)的絕對(duì)值介于0.1～0.3之間時(shí)，一般認(rèn)為變量間存在弱相關(guān)；當(dāng)相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值介于0.3～0.5 之間時(shí)，一般認(rèn)為變量間存在中度相關(guān)；當(dāng)相關(guān)性系數(shù)的絕對(duì)值大于0.5時(shí)，一般認(rèn)為變量間存在強(qiáng)相關(guān)。

通過(guò)表3分析可知，壓碎值與磨耗值的相關(guān)系數(shù)為0.723，顯著性為0.000，即相關(guān)系數(shù)在0.001 水平顯著，壓碎值與磨耗值之間具有強(qiáng)相關(guān)性，同理，壓碎值與沖擊值和磨光值具有相關(guān)性，磨耗值與壓碎值、沖擊值和磨光值之間具有相關(guān)性；沖擊值與壓碎值和磨耗值之間具有相關(guān)性，磨光值與壓碎值、磨耗值和沖擊值之間具有相關(guān)性，集料的壓碎值、磨耗值與沖擊值之間可以建立線性關(guān)系，而通過(guò)對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)的線性分析，其相關(guān)系數(shù)較低。

4 集料性能影響因素分析

①母巖特性。集料是經(jīng)過(guò)巖石破碎整形后的產(chǎn)物，母巖的性能會(huì)在很大程度上對(duì)集料的力學(xué)性能產(chǎn)生影響，如巖石的礦物組成、巖性、物理力學(xué)性質(zhì)和孔隙結(jié)構(gòu)等直接影響集料的壓碎值、磨光值、磨耗值、黏附性等。

②集料加工工藝。集料在加工過(guò)程中，通過(guò)顎式破碎機(jī)、反擊式破碎機(jī)、圓錐破碎機(jī)、錘式破碎機(jī)、復(fù)合破碎機(jī)等破碎設(shè)備的擠壓破碎，會(huì)導(dǎo)致其表觀特征、力學(xué)性能發(fā)生改變，如針片狀含量、含泥量、破碎面等，影響壓碎值、磨光值、磨耗值和黏附性等集料性能。

5 內(nèi)蒙古集料加工特性研究

目前，內(nèi)蒙古地區(qū)集料加工常用的設(shè)備有顎式破碎機(jī)、反擊式破碎機(jī)、圓錐破碎機(jī)、錘式破碎機(jī)、復(fù)合破碎機(jī)等破碎設(shè)備，同時(shí)再配合給料機(jī)、振動(dòng)篩、除塵設(shè)備等構(gòu)成了集料加工整套設(shè)備，集料的加工設(shè)備及流程如圖7所示。

圖7 集料加工流程

在集料加工中，喂料機(jī)裝入宕口開(kāi)炸出的片石，其中可能含有泥土，因此，在鄂式破碎機(jī)和圓錐破碎機(jī)之間宜加入篩孔為10mm的振動(dòng)篩，將絕大多數(shù)的雜質(zhì)篩除，以保證進(jìn)入圓錐機(jī)碎石的潔凈。另外，在鄂式破碎機(jī)和圓錐破碎機(jī)、圓錐破碎機(jī)和反擊式破碎機(jī)之間增裝儲(chǔ)料倉(cāng)，目的有兩個(gè)：①當(dāng)流程后段發(fā)生機(jī)械故障時(shí)，前段仍可繼續(xù)生產(chǎn)，有提高產(chǎn)量作用；②保證供應(yīng)給碎石機(jī)的石料均衡穩(wěn)定，從而保證成品料顆粒形狀、顆粒級(jí)配穩(wěn)定。在圓錐破碎機(jī)和儲(chǔ)料倉(cāng)間安裝振篩機(jī)，將從圓錐破碎機(jī)出來(lái)的碎石挑選30mm～50mm 碎石進(jìn)入反擊式破碎機(jī)，碎石粒徑過(guò)大會(huì)降低反擊破的生產(chǎn)效率，粒徑過(guò)小會(huì)使未經(jīng)反擊破碎進(jìn)入31.5mm 檔以下的顆粒過(guò)多，造成集料針片含量增大。為了獲得潔凈的石料，需在反擊式破碎機(jī)前安裝除塵設(shè)備，在振篩機(jī)皮帶出口安裝除塵設(shè)備。

通過(guò)對(duì)內(nèi)蒙古地區(qū)石料場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)以下問(wèn)題：

①石料場(chǎng)規(guī)模較小。石料場(chǎng)在開(kāi)采過(guò)程中，需滿足環(huán)保要求及施工要求，通常在靠近山體巖石開(kāi)采宕口進(jìn)行建設(shè)，受各種條件限制，宕口選擇不合理，母巖質(zhì)量參差不齊，山皮少、風(fēng)化石較多，成品質(zhì)量參差不齊，成品料堆放不規(guī)范，周?chē)碾s物等容易混入其中；料場(chǎng)場(chǎng)地經(jīng)常三面環(huán)山，場(chǎng)地基本沒(méi)有硬化，沒(méi)有水洗、除塵條件，導(dǎo)致集料粉塵含量過(guò)多，集料質(zhì)量受到影響。

圖8 部分石料場(chǎng)母巖質(zhì)量較差

圖9 石料場(chǎng)場(chǎng)地簡(jiǎn)陋

②集料加工工藝缺乏針對(duì)性。集料大部分是公路沿線的社會(huì)料場(chǎng)，并不是針對(duì)高速公路建設(shè)用集料進(jìn)行加工，集料的質(zhì)量和要求沒(méi)有明確的加工工藝和管理制度，開(kāi)采往往選取常見(jiàn)的鄂式破碎機(jī)、反擊式破碎機(jī)和振動(dòng)篩的簡(jiǎn)單組合，生產(chǎn)出的集料品質(zhì)較差，不能滿足高速公路建設(shè)集料要求。并且對(duì)社會(huì)料場(chǎng)生產(chǎn)的集料沒(méi)有明確的檢測(cè)指標(biāo)，大多數(shù)料場(chǎng)沒(méi)有配置除塵裝置，不同路面混合料類(lèi)型加工篩網(wǎng)沒(méi)有統(tǒng)一的要求，導(dǎo)致集料中針片狀顆粒較多、粉塵含量超標(biāo)、顆粒級(jí)配偏粗或偏細(xì)等。

③集料加工設(shè)備配置不合理。加工集料時(shí)，對(duì)各類(lèi)加工機(jī)械沒(méi)有進(jìn)行合理配置，僅僅是選擇顎式破碎機(jī)并根據(jù)不同的混合料類(lèi)型合理設(shè)置振動(dòng)篩篩網(wǎng)，得到較好的顆粒級(jí)配，減少路面集料顆粒質(zhì)量的變異性。

6 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)內(nèi)蒙古近年來(lái)采用的粗集料進(jìn)行分析和石料場(chǎng)實(shí)地調(diào)研，可以得到如下結(jié)論：

①內(nèi)蒙古粗集料整體性能較佳，壓碎值、磨光值、磨耗值和沖擊值大部分都能夠滿足規(guī)范要求，但是與瀝青的黏附性較差，只有16.7%的集料與瀝青的黏附性達(dá)到四級(jí)及四級(jí)以上。

②內(nèi)蒙古集料加工工藝仍有待提升，石料場(chǎng)整體規(guī)模偏小，加工工藝流程仍有待提升。