基于混合料特性的攪拌設備振動篩篩孔的確定

劉洪海，劉 騰，胡小金，周 雄

(1.長安大學 道路施工技術與裝備教育部重點實驗室，陜西 西安 710064；2.陜西路橋集團路面工程有限公司，陜西 西安 710054)

基于混合料特性的攪拌設備振動篩篩孔的確定

劉洪海1，劉 騰1，胡小金2，周 雄2

(1.長安大學 道路施工技術與裝備教育部重點實驗室，陜西 西安 710064；2.陜西路橋集團路面工程有限公司，陜西 西安 710054)

為了合理確定攪拌設備振動篩篩孔，基于SuperPave級配設計理論和Bailey級配理論，分析了瀝青混合料中粗細集料的比例與骨架嵌擠結構之間的關系、細集料含量對混合料抗永久變形能力和壓實難易程度的影響、半篩孔材料通過率對粗集料骨架結構和施工特性的影響及最大粒徑篩孔對剔除超限料的作用等，得出篩孔的選擇原則；以AC-16型瀝青混合料為例，進行了攪拌設備篩孔選擇與生產級配控制試驗研究，結果表明，目標級配和生產級配偏差可控制在±1%以內。

瀝青混合料；攪拌設備；振動篩；級配控制

0 引 言

間歇式瀝青混合料攪拌設備中，振動篩作為核心設備[1-2]，其生產量和生產質量對混合料路用性能有著極其重要的影響。振動篩的篩孔大小決定了熱料倉中的材料規(guī)格，篩孔尺寸的設置是否合理對混合料的級配組成以及生產穩(wěn)定性都有直接影響[3-5]。許多實體工程通常依據經驗或參考以往類似工程選擇各種類型混合料的控制用標準篩孔，并以此為基礎，根據一定的對應關系確定攪拌設備振動篩的篩孔尺寸[6]。Sivilevicius H研究了間歇式攪拌設備熱料倉的材料變化情況[7-8]；Mohanty M K等研究了振動篩的篩分特性[9]；李學春等研究了振動篩與級配精度之間的關系[10]；孟彩茹主要研究了試驗室標準篩孔與設備使用篩孔之間的關系等[11]。然而，目前尚缺乏基于混合料特性的振動篩篩孔選擇的理論分析以及在理論指導下的混合料篩孔的確定技術。本文在已有研究的基礎上，從設備和材料之間的相互作用關系出發(fā)，基于級配設計理論及試驗研究，對篩孔選擇原則加以確定。

1 瀝青混合料級配設計理論

1.1 SuperPave瀝青混合料級配設計理論

SuperPave瀝青混合料級配設計理論采用0.45次方級配圖，級配圖上有特征點和范圍要求，通過設置“控制點”和“限制區(qū)”控制級配曲線的范圍，如圖1所示[12-15]。控制點處于最大公稱粒徑、最大粒徑、中細粒徑(2.36 mm或4.75 mm)和填料粒徑處。限制區(qū)在中細粒徑尺寸(4.75 mm或2.36 mm)和0.3 mm之間，沿最大密度級配線形成一個區(qū)域。通過限制區(qū)的級配容易形成“駝峰”級配，“駝峰”級配混合料中含有較多的細集料或砂，較軟弱，抗永久變形能力差，難以壓實，且由于“駝峰”級配混合料中含有較多的細集料，因此礦料間隙率較小，對瀝青用量敏感，易塑性化。較好的混合料級配為：細集料低于限制區(qū)，粗集料位于最大密度線上方；交通量或荷載越大，級配應越靠近粗集料控制點，不推薦遵從最大密實度線的級配形式。這種礦料結構有著明顯的優(yōu)點：粗集料易于形成骨架結構，間隙率大，瀝青飽和度高，耐久性強[16]。只有在嚴格控制原材料質量的情況下，尤其是細集料棱角性很好，且不會出現(xiàn)“駝峰”時，級配才可不避開限制區(qū)。

圖1 SuperPave級配

1.2 Bailey級配多級嵌擠理論

Bailey級配設計法提出了多級嵌擠理論，該理論給出了級配控制的關鍵篩孔和重要篩孔。Bailey通過劃分粗集料和細集料及設定貝雷參數推薦取值范圍，闡述了級配和混合料特性之間的關系[17]。

1.2.1 粗、細集料的劃分

集料中的大顆粒為粗集料，填充粗集料空隙的小顆粒為細集料，一般將分界篩孔定為4.75 mm或2.36 mm。貝雷法中的粗、細集料分界由最大公稱粒徑確定，其數學模型是等直徑平面圓，如圖2所示。

圖2 平面圓模型

該模型表明，顆粒之間的空隙大小取決于顆粒的尺寸、形狀及組成形式。當有3個圓弧接觸面時，顆?？障堕g內切圓的直徑為0.15D(D為顆粒粒徑尺寸)；當有2個圓弧接觸面和1個直線接觸面時，內切圓直徑為0.20D；當有2個直線接觸面和1個圓弧接觸面時，內切圓直徑為0.24D；當有3個直線接觸面時，內切圓直徑為0.29D。由于實際使用的材料既非全方也非全圓，因此取以上4種情況的平均值0.22D作為粗集料與細集料的分界點，稱為第一控制篩孔，0.22是比例因子。同濟大學的林繡賢認為比例因子在一定范圍(一般為0.18～0.28)內變化對結構特性并沒有顯著影響，通過分析，可取0.25作為比例因子[18]。在工程應用中，混合料級配第一控制篩孔應取與計算值接近的標準篩孔。第一控制篩孔尺寸計算公式為

D1=iDmax

(1)

式中：D1為第一控制篩孔尺寸(mm)；i為比例因子，取0.22或0.25；Dmax為最大公稱粒徑尺寸(mm)。

1.2.2 Bailey參數

Bailey級配設計法在粗、細集料的用量上設定了限制范圍，細一級的材料用量由粗一級材料的間隙決定，以此類推，形成多級嵌擠結構。這種級配的混合料具有較好的高溫抗車轍能力。Bailey設計法中的參數計算和推薦取值范圍如下。

(1)粗集料的粗料率。Bailey混合料設計方法中，粗、細集料的分界點為第一控制篩孔，而又將粗集料以0.5D為界劃分為粗料和細料，稱該篩孔為粗集料的結構分界點。該分界點對粗集料自身結構有重要影響，其特性可用粗集料的粗料率描述，即

C=(P1/2-P1)/(100-P1/2)

(2)

式中：C為粗集料的粗料率(%)；P1/2為1/2公稱最大粒徑的篩孔通過率(%)；P1為第一控制篩孔通過率(%)。

(2)細集料的粗料率。細集料也由粗料和細料組成，分界點篩孔稱為第二控制篩孔，其篩孔尺寸計算見式(3)。按照同樣的方法可進一步計算第三控制篩孔。

D2=iD1

(3)

式中：D2為第二控制篩孔尺寸(mm)。

細集料填充了粗集料嵌擠之后的空隙，更細的集料填充了細集料中較粗顆粒相互嵌擠產生的空隙。因此，可用細集料的粗料率評價細集料中粗顆粒填充特性，即

F=P2/P1

(4)

式中：F為細集料的粗料率(%)；P2為合成級配在第二控制篩孔的通過率(%)。

2 攪拌設備篩孔選擇原則與篩孔確定

綜上所述，混合料中粗、細料的分界點是級配控制的關鍵，決定了級配是否能夠形成嵌擠結構，影響著混合料的高溫抗車轍能力。因此，首先應嚴格控制級配中第一控制篩孔的通過率。其次是控制重要篩孔(主要指限制區(qū)篩孔)的通過率，若級配中含有較多的細集料，則混合料的強度主要由瀝青膠砂決定，集料難以形成較強的骨架，混合料會塑性化，抗永久變形能力降低，且混合料對瀝青用量的敏感性上升，在施工過程中難以充分壓實。第三應控制粗集料結構分界點(粗集料中的粗料和細料的分界點，即半篩孔)的通過率，粗集料自身結構主要受到半篩孔材料通過率的影響。細料比例降低，會增加對空隙的填充程度，降低礦料間隙率；細料比例提高，會降低填塞料比例，提高干涉料的比例，使空隙率增大，也會相應地增大礦料間空隙率。第四是控制公稱最大粒徑篩孔或最大粒徑篩孔的通過率，目的就是剔除超限料。由于篩孔尺寸對混合料質量控制十分重要，故對篩孔的選擇需要遵循一定的原則，基礎控制篩孔目標有最大公稱粒徑篩孔(或最大粒徑篩孔)、第一控制篩孔、限制區(qū)篩孔、半篩孔等。需要特別注意的是，在選擇剔除超限料篩孔時，宜選公稱最大粒徑篩孔，不宜同時選擇最大公稱粒徑篩孔和最大粒徑篩孔。這是因為攪拌設備振動篩的篩孔尺寸在標準篩的基礎上經過了放大，已換算成為等效篩孔。不同類型混合料的特征篩孔如表1所示。

表1 混合料的特征篩孔

根據以上原則確定的標準篩孔尺寸并不能直接用于攪拌設備振動篩，還需要考慮振動的篩分效率，因此需要將標準篩孔換算成振動篩的等效篩孔。表2為各熱料倉中材料推薦規(guī)格與等效篩孔尺寸，其中方案1為最佳方案，應為首選。

3 防篩孔堵塞技術

瀝青混合料的級配組成和穩(wěn)定性與間歇式攪拌設備振動篩的篩分效率密切相關，當篩孔堵塞時，篩分效率降低，混合料出現(xiàn)竄倉現(xiàn)象。由顆粒堵塞篩孔數學模型可知[19]，是否容易堵篩由材料的物理特性、篩孔尺寸、篩網剛度以及振動篩的動力學參數等因素共同決定。臨界堵篩計算公式為

(5)

式中：A為篩子振幅，ω為篩子振動頻率，μ為石料與篩絲之間的摩擦系數，k為減振彈簧剛度，R為顆粒半徑，L為篩孔尺寸，ρ為石料密度。Aω2為篩分過程中顆粒的逃逸能力，由設備的振動參數決定；公式右邊為顆粒阻礙逃逸的能力，由材料特性和篩網參數決定。令(Aω2)/R=0，可得R=3/4L時，式(5)取得極值。由此可得振動篩堵篩臨界條件，見式(6)和圖3。

表2 熱料倉中材料推薦規(guī)格與等效篩孔

(6)

圖3 篩網剛度、篩孔與逃逸能力曲線

圖3表明，篩孔越小，堵篩發(fā)生的可能性越大，則需要振動篩提供的逃逸能力也越大。當篩孔尺寸小于6 mm時，堵篩會變得較為嚴重，這與工程實際情況相符。某工地3 mm篩孔的堵塞情況如圖4所示。由于篩孔大小由混合料類型決定，故對于具體工程而言，篩孔尺寸難以改變。所以，堵篩問題通常通過調整振動篩動力學參數來解決[20-21]，其中最常用的方法是調整振動篩的振幅和振動頻率，但對同一臺振動篩來說，各層篩網都安裝在一個整體機箱內，為了解決小尺寸篩孔堵篩而調整整體振動參數顯然不合理；還有一種解決方法是通過降低篩網剛度k實現(xiàn)，即選用剛度較小的彈性篩會更有效，如圖5所示。

圖4 剛性3 mm篩網堵篩情況

圖5 波浪彈性篩網防堵篩情況

4 生產配合比設計中篩孔選擇試驗研究

某高速公路上面層為AC-16型瀝青混合料，依據《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》(JTG F40—2004)要求，通過馬歇爾試驗、體積指標試驗，并經過路用性能檢驗確定目標級配，如表3和圖6所示。在生產配合比設計階段，首先確定振動篩的篩孔尺寸。根據前文理論分析，AC-16型瀝青混合料的粗細集料分界篩孔為4.75 mm，限制區(qū)控制篩孔為2.36 mm，半篩孔為9.5 mm，超限料剔除篩孔為19 mm。將以上標準篩孔換算為振動篩等效篩孔所對應的尺寸，分別為3.0、5.5、11、21 mm，其中3.0 mm篩網采用自潔能力較好的波浪型彈性篩網。篩網確定之后進行熱料倉取樣篩分，結果如表4所示。由篩分結果可見，除了2.36 mm篩孔的通過率略低于90%以外，其他篩孔的通過率均大于90%，篩分效率很高，混竄倉率很小。該試驗結果表明，以上篩孔十分利于生產級配的精準設計和施工過程中的穩(wěn)定性控制。根據篩分結果和目標級配，確定4#倉、3#倉、2#倉集料及砂倉、礦粉、水泥的質量比為28∶26∶15∶26∶4∶1，礦料合成級配及級配曲線如表5和圖7所示。目標級配與生產級配對比結果如表6所示，兩者之間的偏差均在±1%以內。

表3 AC-16礦料目標級配

表4 熱料倉篩分試驗結果

表5 AC-16生產配比礦料合成通過率

表6 AC-16目標級配與生產級配偏差

圖6 AC-16混合料合成級配曲線

圖7 AC-16混合料生產級配曲線

5 結 語

(1)不同粒徑的材料顆粒組成的級配決定了混合料的結構、性能和施工特性，在生產過程中，應合理選擇振動篩的篩孔，以滿足混合料的級配控制和特性要求。

(2)由于攪拌設備中能夠配置的篩網規(guī)格僅為4～6個，在選擇篩網時應確定與混合料特性密切相關的篩孔。混合料的級配結構中粗集料和細集料的比例是形成骨架嵌擠結構的關鍵，其分界點尺寸為第一控制篩孔；其次是限制區(qū)篩孔，限制區(qū)篩孔通過率決定著級配中細集料的含量，會影響混合料的抗永久變形能力和壓實難易程度；第三是半篩孔，該尺寸篩孔的材料通過率會影響粗集料自身結構，對施工離析和變異性有重要影響；第四是最大粒徑篩孔，目的是剔除超限料。

[1] 趙立武.淺談瀝青混合料攪拌設備振動篩的關鍵技術[J].民營科技,2016,21(7):194.

[2] 王鐵慶.間歇式瀝青攪拌設備振動篩篩孔配置研究[D].西安:長安大學,2005.

[3] 馮忠緒,李學武,劉治文.混合料攪拌設備篩孔尺寸優(yōu)化配置[J].中國公路學報,2014，27(10):122-126.

[4] 孟彩茹,馮忠緒.瀝青攪拌設備多層振動篩篩分效率試驗研究[J].武漢理工大學學報,2011,33(7):124-128.

[5] 劉 克.間歇式拌和樓二次篩分生產合成級配矩陣模型及參數研究[J].重慶交通大學學報:自然科學版,2014,33(6):69-78.

[6] 王鐵慶,張 平.間歇式瀝青混合料攪拌設備配篩技術研究[J].筑路機械與施工機械化,2006,23(11):17-19.

[7] SIVILEVICIUS H.The Influence of the Unload Wode of Asphalt Concrete Mixing Plant Hot Bin on the Homogeneity of Screened Fractions[J].Transport,2004,19(3):141-147.

[8] SIVILEVICIUS H,VISLAVICIUS K.Stochastic Simulation of the Influence of Variation of Minerial Material Grading and Dose Weight on the Homogeneity of Hot-mix Asphalt[J].Construction and Building Materials,2008,22(9):2007-2014.

[9] MOHANTY M K,PACITA,KHANNA N.Models for Predicting the Performance of a Linear Screen[J].Coal Preparation,2003,23(4):215-237.

[10] 李學春.提高瀝青拌合站骨料級配精度技術研究[D].長春:吉林大學,2012.

[11] 孟彩茹.瀝青混合料攪拌設備振動篩關鍵技術研究[D].西安:長安大學,2012.

[12] 姚恒中,杜 堅,張明洪.Research of Regularity of Throwing Movement for Solid Particle on the Shaker’s Screen[J].應用數學和力學(英文版),2002,23 (6):45-49.

[13] JOHNSON E.Low-profile Vibratory Screen Separators:Increasing Capacity for Tough Materials[J].Powder and Bulk Engineering,2004,18(12):17-23.

[14] KIEPPER B H,MERKA W C.Effects of Vibratory Microscreening on Proximate Composition and Recovery of Poultry Processing Wastewater Particulate Matter[J].Bioresource Technology,2008,99(18):8593-8597.

[15] PLOOY N F D,HEYNS P S.Using a Vibration Absorber to Reduce Vibratory Screen Structural Loading[J].The International Society for Optical Engineering,2002,753(2):1313-1317.

[16] 王鐵慶,楊 勇.間歇式瀝青混合料攪拌設備振動篩篩網配置研究[J].筑路機械與施工機械化,2005,22(3):15-17.

[17] 林繡賢.論Superpave組成配比的特色[J].華東公路,2002,24(2):3-7.

[18] 劉洪海,曾凡記.瀝青攪拌設備振動篩防堵模型與試驗研究[J].廣西大學學報:自然科學版,2015,40(2):382-389.

[19] 李揚揚. 瀝青攪拌設備振動篩的動力學分析及優(yōu)化設計[D].西安:長安大學,2015.

[20] 方守艷.雙振動體慣性往復反共振振動篩的動力學參數研究與應用[D].鄭州:河南工業(yè)大學,2013.

[21] 丁傳廣.大型振動篩動力學特性分析及振動控制[D].濟南:濟南大學,2013.

DeterminationofSieveSizesofMixingPlantBasedonCharacteristicsofMixture

LIU Hong-hai1, LIU Teng1, HU Xiao-jin2, ZHOU Xiong2

(1. Key Laboratory of Road Construction Technology and Equipment of Ministry of Education,Chang’an University, Xi’an 710064, Shaanxi, China； 2. Road Surface Construction Co., Ltd. of Shaanxi Road & Bridge Group, Xi’an 710054, Shaanxi, China)

In order to determine the proper sieve sizes for the mixing plant, the relationship between the proportion of coarse and fine aggregate and the interlocking skeleton structure, the impact of fine aggregate on the mixture's resistance to permanent deformation and compaction level, the effect of half-sieve size passing rate on the skeleton structure of coarse aggregate and the construction characteristics and the function of eliminating oversize materials of the maximum sieve size were studied on the basis of the theories of SuperPave and Bailey gradation design. The selection principle of sieve sizes for mixing plant was determined. The AC-16 asphalt mixture was used to check the selection of sieve sizes and production graduation control. The results showed that the deviation of production gradation from target gradation can be controlled in the range of ±1%.

asphalt mixture; mixing plant; vibrating screen; gradation control

U415.5

B

1000-033X(2017)11-0103-06

2017-05-08

中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助項目(2014G3252006)；陜西省交通廳科技項目(12-2k)

劉洪海(1963-)，男，陜西西安人，教授，博士研究生導師，研究方向為道路施工技術與裝備。

[責任編輯:王玉玲]