针片状含量对混合料性能影响及基于破碎特性的针片状含量控制

甘新立， 张文利

(贵州理工学院 交通工程学院, 贵州 贵阳 550003)

目前，沥青路面已经成为中国城市道路和高等级公路的主要形式，而集料作为沥青混合料的主要组成部分，其颗粒特性也对沥青路面的使用性能有着至关重要的影响。集料颗粒通过互相填充和嵌挤形成了强度，承受着交通荷载的反复作用，而不同形状的集料颗粒由于相互之间的受力状态不同，其对荷载的承受能力也有所差异。针片状集料由于在荷载作用下出现断裂，同时也难以和其他集料颗粒形成嵌挤，其含量对混合料有着不利影响。因此，探明针片状颗粒含量对混合料性能的影响情况，以及在集料生产中进行必要的质量控制，减少产出的针片状集料，对提高沥青路面性能具有重要的意义。在针片状颗粒对沥青混合料性能的影响方面，国内外学者已经进行了一些研究和探索，也取得了一定的成果，但还缺乏更为系统的研究成果，而对集料破碎工艺及标准的研究则很少涉及。高强等对现有的石料破碎理论和破碎机械进行了分析和总结，并对现有石料破碎机械的优缺点进行了分析；黄冬明等通过建立挤压类破碎机层压破碎过程操作模型，对经挤压类破碎机破碎的石料粒度进行了分析。

该文通过在不同针片状含量下测定沥青混合料的路用性能指标，对针片状含量对沥青混合料路用性能的影响进行研究；建立石料母岩的破碎模型，对母岩体积、破碎率等因素对破碎后集料针片状含量的影响情况进行分析。

1 原材料和混合料设计

试验所用沥青为SBS I-C改性沥青，技术指标如表1所示。

试验所用集料为石灰岩集料，将4.75～9.5 mm

表1 沥青技术指标

以及9.5～13.2 mm中针片状颗粒选出，分别测定其技术指标，其中4.75 mm以上粒径的技术指标如表2所示。

设计混合料为AC-13，级配如表3所示。

表2 粗集料技术指标

表3 设计混合料级配

2 针片状含量对混合料性能的影响

通过调配，控制混合料针片状含量分别为0%、10%、20%和30%，其中4.75～9.5 mm和9.5～13.2 mm的针片状比例为1∶1，在各自最佳油石比下测定混合料的动稳定度、浸水残留稳定度比、冻融劈裂强度比和低温破坏应变，结果如表4所示。

从表4可以看出：随着针片状含量的增加，混合料的各项性能均出现降低，且在针片状含量为10%～20%时，混合料的路用性能降低最快。这是由于当针片状集料含量较多时，一方面，针片状集料本身强度较低，在受力状态下易从其较薄处断裂，致使混合料试件在车辙试验和低温弯曲试验中更易发生破坏；另一方面，针片状集料的断裂将会使混合料的级配变细，丧失部分嵌挤能力，这也是导致针片状含量较大的混合料路用性能降低的重要原因。此外，针片状集料在混合料试件成型过程中同样容易断裂，而集料的断裂面由于无沥青膜裹附，在浸水作用下，水将更容易从断裂面处渗入到沥青-集料黏附体系中，并对黏附体系造成破坏，从而致使混合料的水稳定性能降低。

表4 不同针片状含量下混合料路用性能指标

3 母岩破碎性能研究

由于集料的针片状含量对沥青混合料的各项路用性能都产生着不利的影响，在集料的加工过程中也应对针片状含量进行控制。

针片状集料的含量一方面与集料的破碎工艺有关，且以往的研究和实践也多是从这一角度对针片状集料的含量进行控制；另一方面，由于集料是由母岩经破碎得到的，其破碎后针片状集料的含量也必然与母岩有着密不可分的关系。当母岩形状不同时，其在破碎机械中的受力特点也存在差异：接近圆形的母岩，其受力将更为均匀，其破裂面的产生将更加随机；接近于片状的母岩，则在破碎机械中更易在薄弱环节和尖锐部位发生破裂。此外，母岩的大小也直接影响其在集料生产过程中的被破碎次数，越大的母岩，相应的被破碎的次数也越多。

文献[10]认为，母岩破碎的充分与否可以用破碎率表征，其计算公式如式(1)所示：

(1)

式中：E为破碎比；D0为石料破碎前的粒径；Dp为石料破碎后的粒料群的平均粒径。

其中，石料的粒径采用调和粒径，即石料颗粒3个互相垂直方向的长为l、宽为b、高为h，则调和平均粒径为：

(2)

假定母岩和破碎后集料颗粒的形状可近似地分为正四面体、正六面体、正八面体和球形，破碎后粒料群的平均粒径采用下式计算：

(3)

式中：Dp为粒料群的平均粒径；D1～Dn为各类型集料的调和粒径；x1～xn为各类集料的比例。

取各粒径中值为正四面体、正六面体和正八面体颗粒的棱长或球形颗粒的直径，则通过计算可知，各档集料各颗粒形状的调和平均粒径如表5所示。

假设母岩的体积为V0，而破碎后各种集料颗粒的体积之和等于母岩体积。在各颗粒形状中，正八面体最接近于针片状，故以正八面体颗粒含量为针片状颗粒含量。不同形状母岩的调和粒径如表6所示，假定正八面体颗粒比例为x，其余各形状颗粒的比例均为(1-x)/3，则各粒径范围集料的调和平均粒径如表7所示。

按式(1)计算各母岩形状和粒径范围集料颗粒的破碎率，结果如表8所示。

表5 各档集料各颗粒形状的调和平均粒径计算结果

表6 各形状母岩的调和粒径

表7 各粒径范围集料颗粒的调和平均粒径

通过换算可以得到各母岩形状和粒径范围的集料针片状含量，其形式可以用式(4)表示，得到各母岩形状及粒径范围下集料的针片状含量如表9所示。

(4)

式中：V0为母岩体积；E为破碎率；a、b为系数。

从表9可以看出：① 在相同破碎率和粒径范围下，母岩为接近正六面体和球形的，其系数a相同，系数b较小，表明破碎后集料中的针片状含量相对较低，而正四面体和正八面体母岩破碎后的针片状含量相对较高；② 各母岩形状及粒径范围下，针片状含量均随破碎率升高而降低；③ 采用较小体积的母岩，其破碎后集料的针片状含量较小。

表8 各母岩形状及粒径范围下集料的破碎率

表9 各母岩形状及粒径范围下集料的针片状含量

4 结论

(1) 随着集料针片状含量的增加，混合料的各项路用性能均出现降低，且当针片状含量为10%～20%时，混合料的性能降低最快。

(2) 建立了采用母岩体积及破碎率表征的石料破碎模型。

(3) 通过采用接近正六面体或球形的母岩、增大破碎率以及减小母岩体积的方法可以减小破碎后集料的针片状颗粒含量。