基于AIMS系統(tǒng)的安山巖集料加工工藝研究

房曉斌 魏遵廣 鄭明建 涂俊曙 張 軼 陳文濤

(武漢理工大交通與物流工程學(xué)院1) 武漢 430063) (湖北省公路工程技術(shù)研究中心2) 武漢 430063)(湖北省路橋集團(tuán)有限公司3) 武漢 430056)

0 引 言

集料作為路面材料中需求量最大的材料，在建設(shè)及環(huán)保要求不斷提高的情況下，日益成為稀缺資源.其中常用的優(yōu)質(zhì)集料，如石灰?guī)r、玄武巖等集料價(jià)格更是水漲船高.鄂咸高速沿線常用集料短缺，安山巖儲(chǔ)量豐富，但其硬度高，不易加工[1]，必須對(duì)安山巖集料進(jìn)行全面的性能指標(biāo)評(píng)估，并有針對(duì)性地改進(jìn)加工方法.

目前瀝青路面設(shè)計(jì)中，對(duì)集料性能指標(biāo)的衡量主要體現(xiàn)在壓碎值、洛杉磯磨耗損失、含泥量、密度等物理力學(xué)特性方面[2]，并未給出集料表觀特性的具體指標(biāo)與測(cè)試方法.有研究發(fā)現(xiàn):集料的表觀特性對(duì)瀝青混合料性能有著巨大的影響[3].譚憶秋等[4-6]通過激光輪廓儀對(duì)集料表面紋理指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，得出隨著粗集料表面紋理指標(biāo)下降，混合料抗水損害性能、抗車轍性能均會(huì)下降.集料的表觀特性會(huì)直接對(duì)瀝青混合料的特性產(chǎn)生很大的影響，包括集料顆粒的外形、棱角及表面紋理，會(huì)直接或者間接地影響瀝青混合料成型后集料顆粒之間的作用位置及有效作用面的大小.

同時(shí)，目前集料加工方法并沒有形成規(guī)范的加工標(biāo)準(zhǔn)，而新、舊瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范中只提出瀝青混合料用粗、細(xì)集料規(guī)格要求，但沒有給出標(biāo)準(zhǔn)化加工方法及微觀上的量化評(píng)價(jià)指標(biāo).石灰?guī)r、玄武巖采取的方法多為一級(jí)顎破加二級(jí)反擊破式的破碎方法[7-9]，但安山巖硬度高、難破碎，常規(guī)加工時(shí)易成片，文中對(duì)安山巖進(jìn)行全面分析，并升級(jí)集料加工方法.

1 安山巖分析

1.1 安山巖基本力學(xué)性質(zhì)

安山巖集料產(chǎn)自湖北省鄂州市，對(duì)比采用的石灰?guī)r產(chǎn)自湖北京山縣，兩種集料均采用4.75～26.5 mm粒徑代表性集料進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)依據(jù)JTG E42—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行，測(cè)量得到二者基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，見表1.

由表1可知：安山巖的各項(xiàng)基本物理力學(xué)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，對(duì)比于石灰?guī)r集料，安山巖集料：①有著更低的壓碎值；②洛杉磯磨耗值更低，說明其質(zhì)地堅(jiān)硬，更加耐磨，擁有更好的耐久性，這一點(diǎn)同樣反映在磨光值上；③安山巖在與瀝青黏附性方面相較于石灰?guī)r存在不足，僅達(dá)到了滿足規(guī)范要求的程度.

表1 基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

采用70#基質(zhì)瀝青成型混合料AC-25，級(jí)配采用AC-25C粗型密級(jí)配，見表2.

表2 AC-25C級(jí)配

檢測(cè)結(jié)果見表3.

表3 安山巖AC-25C瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知:安山巖在高溫穩(wěn)定性及水穩(wěn)定性方面僅達(dá)到滿足規(guī)范要求.但在實(shí)際工程應(yīng)用中，由于施工質(zhì)量的變異性等因素，若應(yīng)用此混合料，極易出現(xiàn)攤鋪后混合料性能指標(biāo)不合格的情況.為此，考慮利用AIMS系統(tǒng)全面分析安山巖集料存在的問題，從而有針對(duì)性的進(jìn)行改進(jìn)，以期望得到合格的安山巖集料.

1.2 表觀特性指標(biāo)測(cè)量

1.2.1集料成像系統(tǒng)的參數(shù)指標(biāo)

1)紋理指數(shù)(TX) 紋理指數(shù)采用小波分析方法，將集料圖像分解到一定程度，在橫向、縱向、斜向的三個(gè)不同圖像中描述集料表面紋理，并計(jì)算特定分解度下三個(gè)方向的小波系數(shù)的平方數(shù)的均值，將其作為紋理指標(biāo)，見式(1).紋理指標(biāo)的數(shù)值范圍為[0, 1 000]，該指標(biāo)接近0則表示集料顆粒表面為完全光滑的表面.

(1)

式中：D為圖像分解方程；N為單個(gè)圖像中的小波系數(shù)的總數(shù)；i為圖像編號(hào)，取值為1、2、3；j為小波系數(shù)指數(shù)；(x,y)為小波系數(shù)在變換域中的坐標(biāo).

2)棱角性指數(shù)(GA) 棱角性指數(shù)采用梯度方法定量表征粗、細(xì)集料顆粒的大小及其輪廓的變化.棱角性指數(shù)范圍為[0,10 000]，棱角性指標(biāo)為0表示該集料顆粒為無棱角的圓形.

梯度角用于量化集料顆粒梯度上的變化并與二維圖像上集料邊界的尖銳程度相關(guān)，梯度向量的平均值被用于反映集料顆粒的棱角性，為

(2)

式中：θi為集料輪廓上第i個(gè)點(diǎn)的傾斜角；n為集料輪廓線上所采集點(diǎn)的總數(shù)；i為集料輪廓線上采集的第i個(gè)點(diǎn).

3)球度指數(shù)(SP) 球度指數(shù)用于描述粗集料的三維形狀，以式(3)進(jìn)行計(jì)算，其數(shù)值范圍為[0,1].球度指標(biāo)為1表示該集料各方向長(zhǎng)度相等，是一個(gè)立方球體.

(3)

式中：dS為集料最短方向的尺寸；dI為集料中間方向尺寸；dL為集料最長(zhǎng)方向的尺寸.

1.2.2測(cè)量結(jié)果

測(cè)試結(jié)果匯總整理見表4.

表4 4.75～26.5 mm粒徑安山巖表觀特性測(cè)量結(jié)果

由表4可知:項(xiàng)目采用的常規(guī)加工方法的安山巖集料棱角性指標(biāo)和球度指數(shù)均與精細(xì)化加工安山巖集料差別不大，表明采用常規(guī)方法加工得到的安山巖在棱角性指標(biāo)和球度指標(biāo)方面符合要求.但是其表面紋理卻存在著明顯的不足，其表面紋理比精細(xì)化加工安山巖小25%左右.

這種表面紋理的不足會(huì)降低其與瀝青的黏附性.有文獻(xiàn)證明隨著粗集料表面紋理指標(biāo)下降，混合料抗水損害性能、抗車轍性能均會(huì)下降.這也驗(yàn)證了安山巖混合料高溫穩(wěn)定性及水穩(wěn)定性性能不足的原因很大程度上源于安山巖集料表面紋理的不足.

2 針對(duì)不足改進(jìn)施工工藝

2.1 工藝分析

項(xiàng)目初期集料破碎經(jīng)一級(jí)顎破后，采用先碎后篩的二級(jí)破碎閉式循環(huán)系統(tǒng)，即一級(jí)破碎機(jī)的排料全部給入二級(jí)破碎段的進(jìn)料口進(jìn)行破碎，然后將不滿足粒料要求的石料返回二級(jí)反擊破重新進(jìn)行破碎[10-11].

這種閉式的循環(huán)系統(tǒng)使得集料間過度接觸，且連續(xù)級(jí)配的破碎程度明顯小于骨架級(jí)配[12].在這個(gè)過程中，集料破碎時(shí)間明顯變長(zhǎng)，這相當(dāng)于一個(gè)磨耗的過程，安山巖自身硬度高于普通石料，難以破碎的同時(shí)其表面被不斷地磨光，從而使得其表面紋理下降，降低了與瀝青間的黏附性，使得混合料的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性無法滿足要求.為此需改變二級(jí)反擊破碎加工方式.

同時(shí)，二級(jí)破碎方式的改變會(huì)造成針片狀含量的上升，為此，添加立軸式?jīng)_擊破碎機(jī)為三級(jí)破碎以降低針片狀含量.立軸沖擊式破碎機(jī)是利用高速運(yùn)動(dòng)的物料相互自行破碎及物料之間的摩擦而粉碎.由于其破碎原理的優(yōu)勢(shì)，離心沖擊破碎機(jī)不僅能夠?qū)ΦV料進(jìn)行破碎，而且礦料在高速?zèng)_擊時(shí)可以對(duì)礦料中的扁平顆粒及軟弱棱角進(jìn)行磨蝕，起到對(duì)礦料的整形作用.所以引入沖擊式破碎機(jī)可以進(jìn)一步降低針片狀含量.同時(shí)，與二級(jí)破碎不同的破碎方式使得集料以新的方式破裂，便不會(huì)對(duì)集料表面過度磨耗，從而使得集料的表面紋理不會(huì)過度降低.

基于以上分析，在提升集料表面紋理指標(biāo)同時(shí)，又保證集料針片狀含量符合規(guī)范，最終在集料加工過程中將石料的供給、破碎、傳送和篩分的各個(gè)環(huán)節(jié)組合起來，組裝成為針對(duì)安山巖的整套集料加工系統(tǒng)，流程見圖1.

圖1 集料加工系統(tǒng)流程圖

集料加工工藝中，反擊板與板錘間距一般作為控制集料粒度和級(jí)配的關(guān)鍵參數(shù)[13].其中，在加工瀝青路面中、下面層集料時(shí)，常用的第一層反擊板與板錘的間距為35 mm，即礦料從反擊式破碎機(jī)進(jìn)料口進(jìn)入到下一層板錘與反擊板后礦料被破碎為小于等于35 mm的顆粒；第二層反擊板與板錘的間距為25 mm，即礦料進(jìn)入到第二層破碎腔后被破碎為粒徑小于等于25 mm的顆粒后排出[14-15].考慮到反擊板與板錘間距對(duì)會(huì)影響集料的粒度，所以根據(jù)這個(gè)間距，以3 cm為調(diào)整幅度，僅設(shè)置四組，以保證集料的生產(chǎn)粒徑及級(jí)配均在合理范圍內(nèi).對(duì)應(yīng)命名見表5.然后根據(jù)這四種間距分別生產(chǎn)出對(duì)應(yīng)的安山巖集料，用AIMS測(cè)量其表觀特性指標(biāo).

表5 反擊破碎板間距對(duì)應(yīng)安山巖集料名稱 單位：mm

2.2 改進(jìn)后集料表觀特性指標(biāo)

將四個(gè)間距對(duì)應(yīng)生產(chǎn)的安山巖集料的表觀數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果見表6.

表6 4.75～16 mm粒徑安山巖表面紋理指數(shù)

安山巖存在的主要問題是表面紋理指數(shù)的不足，故選取較大表面紋理值對(duì)應(yīng)間距作為最佳反擊板與板錘間距.

因?yàn)橐弧⒍臃磽舭迮c板錘的間距為相同趨勢(shì)變化，故以一層反擊板與板錘間距為橫軸，紋理指數(shù)為縱軸，繪制二者變化曲線見圖2.

圖2 各粒徑紋理指數(shù)隨反擊板間距變化

由圖2可知，隨著反擊板與板錘間距的增加，紋理指數(shù)的增加幅度為先增大后減小，且38 mm后紋理指數(shù)增加幅度很小，并且會(huì)帶來針片狀含量的增加.隨著間距繼續(xù)變化，部分振動(dòng)篩上粒徑偏粗，表明破碎機(jī)的破碎腔反擊板與板錘之間的間隙過大.所以最終選定一、二層反擊板與板錘間距38 mm、28 mm為最佳間距.

3 混合料性能驗(yàn)證

將改進(jìn)后的安山巖集料按袁油石比4.2%及最佳油石比4.5%分別成型AC-25瀝青混合料試件.將三組數(shù)據(jù)匯總見表7.

表7 安山巖AC-25C瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

由表7可知，改進(jìn)加工工藝后的安山巖集料用于混合料時(shí)，混合料整體性能有很大提升，其中穩(wěn)定度、流值均高于改進(jìn)之前.

當(dāng)采用相同4.2%的油石比時(shí)，隨著集料表面紋理的增大，集料間縫隙增大，礦料間隙率、空隙率均會(huì)增大，瀝青飽和度也會(huì)降低，但此時(shí)表征高溫穩(wěn)定性的動(dòng)穩(wěn)定度已經(jīng)提升8.9%，表征水穩(wěn)定性的凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比已經(jīng)提升9.3%.

當(dāng)改進(jìn)后的安山巖集料采用最佳油石比時(shí)，對(duì)比改進(jìn)工藝前的安山巖集料，由于表面紋理的增大，集料單位面積裹附的瀝青增多，所以油石比增大；但空隙率及穩(wěn)定度流值等一系列指標(biāo)均獲得提升，對(duì)比與改進(jìn)加工工藝前的安山巖混合料，此時(shí)表征高溫穩(wěn)定性的動(dòng)穩(wěn)定度提升25.9%，表征水穩(wěn)定性的凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比提升14.5%.

4 結(jié) 論

1)為研究安山巖集料成型的混合料存在高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性不足的原因，采用AIMS集料表觀特性測(cè)試系統(tǒng)，全面測(cè)量安山巖集料表觀特性指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的集料加工方法會(huì)導(dǎo)致其表面紋理指數(shù)過低.

2)針對(duì)表面紋理指數(shù)不足，改進(jìn)集料加工系統(tǒng)，最終得到一級(jí)顎破、改進(jìn)關(guān)鍵參數(shù)后的二級(jí)反擊破、三級(jí)沖擊破的開式循環(huán)集料加工系統(tǒng)，保障針片狀含量合格的同時(shí)，減少集料磨耗，使得其表面紋理滿足使用需求.

3)對(duì)改進(jìn)加工工藝前后安山巖集料分別成型瀝青混合料，并進(jìn)行性能試驗(yàn)，相同油石比下高溫穩(wěn)定性的動(dòng)穩(wěn)定度已經(jīng)提升8.9%，凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比已經(jīng)提升9.3%.最佳油石比下安山巖集料的動(dòng)穩(wěn)定度提升25.9%，凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比提升14.5%.