基于形態(tài)特征的路用集料加工質(zhì)量研究

何小剛，馮寶平，李偉雄，陳 搏

(1.中交二公局東萌工程有限公司，陜西 西安 710119；2.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510641；3.廣州肖寧道路工程技術(shù)研究事務(wù)所有限公司，廣東 廣州 510641)

瀝青路面的性能、施工工藝等在我國(guó)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的研究與實(shí)踐后，現(xiàn)階段瀝青路面的施工工藝是比較成熟的，但從瀝青路面整體使用壽命情況來(lái)看，許多項(xiàng)目的瀝青路面均未能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命路面。原材料加工質(zhì)量對(duì)其使用壽命影響最為顯著。集料針片狀含量、含泥量、軟石含量等偏高或集料單檔級(jí)配波動(dòng)大時(shí)都會(huì)在一定程度上影響瀝青路面的路用性能和使用壽命。目前，國(guó)內(nèi)石場(chǎng)較為混亂，生產(chǎn)線(xiàn)配置不規(guī)范，集料質(zhì)量參差不齊，且集料單檔級(jí)配不穩(wěn)定，在實(shí)際工程施工質(zhì)量控制管理中難以確保瀝青路面的質(zhì)量[1]。集料質(zhì)量不穩(wěn)定是目前石場(chǎng)存在的主要問(wèn)題之一[2]。當(dāng)集料質(zhì)量較差或出現(xiàn)較大波動(dòng)時(shí)，則很難進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)或?qū)е聦?shí)際生產(chǎn)配合比與設(shè)計(jì)配合比出現(xiàn)較大的偏差，進(jìn)而影響瀝青混凝土的性能和使用壽命[3]。因此，如何規(guī)范石場(chǎng)加工工藝和改善集料加工質(zhì)量是當(dāng)前瀝青路面集料質(zhì)量管理亟待解決的問(wèn)題。為提高瀝青路面集料質(zhì)量，本文在調(diào)研集料加工設(shè)備和加工工藝的基礎(chǔ)上，采用合理的生產(chǎn)線(xiàn)配置，研究不同主機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)集料外觀(guān)的影響；采用紋理激光掃描儀檢測(cè)并評(píng)價(jià)不同破碎主機(jī)轉(zhuǎn)速下所加工集料的外觀(guān)，研究合理的設(shè)備參數(shù)，為規(guī)范瀝青路面原材料加工提供技術(shù)支撐。

1 集料加工設(shè)備調(diào)研

對(duì)我國(guó)常見(jiàn)的集料加工設(shè)備進(jìn)行了調(diào)研，各設(shè)備詳情見(jiàn)表1。

表1 各集料加工設(shè)備詳情表

2 集料加工工藝流程

2.1 粗集料加工流程

配備合理的集料加工設(shè)備能較大程度幫助石場(chǎng)加工出高質(zhì)量的集料[4]，由表1可知，鄂式破碎機(jī)能夠破損中粗粒徑的碎石，是較為理想的初破設(shè)備。由于母材從宕口爆破后會(huì)混入泥塊，在母材初破后宜增設(shè)篩孔尺寸為50 mm振動(dòng)篩，篩去塊石中的泥塊，可在一定程度上提高集料的潔凈度。塊石經(jīng)過(guò)初破后成為中粒徑碎石，由表1可知，圓錐破碎機(jī)、反擊破碎機(jī)和錘式破碎機(jī)都能進(jìn)行中粒徑碎石的細(xì)破。當(dāng)生產(chǎn)線(xiàn)配置圓錐破碎機(jī)時(shí)，需再配置反擊破碎機(jī)或錘式破碎機(jī)對(duì)集料進(jìn)行整形，提高集料的粒形；當(dāng)未配置圓錐破碎機(jī)時(shí)，可直接配置反擊破碎機(jī)進(jìn)行集料加工，但由于集料只進(jìn)行了二次破碎，會(huì)存在較多超粒徑集料[5]。為提高集料生產(chǎn)效率，宜加裝錘式破碎機(jī)或反擊破碎機(jī)對(duì)二次破碎過(guò)篩后的超粒徑集料進(jìn)行第三次破碎。由于反擊式破碎機(jī)采用撞擊和摩擦的方式進(jìn)行集料破碎，再此過(guò)程中易產(chǎn)生較大的粉塵，為控制各檔集料粉塵的含量，在反擊式破碎機(jī)后應(yīng)加裝引風(fēng)除塵設(shè)備，除去反擊式破碎后集料中的大部分粉塵。反擊式破碎機(jī)的板錘和襯板易磨損，根據(jù)反擊式破碎機(jī)實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，宜7～10 d更換反擊破板錘，20 d更換襯板。

2.2 細(xì)集料加工流程

若采用塊石加工機(jī)制砂，則需對(duì)塊石進(jìn)行初破，再進(jìn)行二次細(xì)破，然后采用制砂機(jī)進(jìn)行研磨，最后除塵得到成品機(jī)制砂。若采用3～5 mm、5～10 mm、10～20 mm和20～30 mm等規(guī)格集料進(jìn)行機(jī)制砂加工，可采用制砂機(jī)直接進(jìn)行加工，經(jīng)振動(dòng)篩和除塵后得到成品機(jī)制砂。

3 不同加工工藝對(duì)集料的影響

采用粒徑為30～50 mm的輝綠巖塊石進(jìn)行集料加工工藝研究。設(shè)定5個(gè)不同的破碎主機(jī)轉(zhuǎn)速，研究不同轉(zhuǎn)速對(duì)集料外觀(guān)的影響，試驗(yàn)設(shè)置參數(shù)見(jiàn)表2。

由于主機(jī)轉(zhuǎn)速不同，則其主機(jī)實(shí)際的運(yùn)行功率也不同，查閱RC7-10試驗(yàn)機(jī)的相關(guān)資料，破碎主機(jī)不同轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的工作頻率如表3所示。

表3 破碎主機(jī)轉(zhuǎn)速與工作頻率對(duì)應(yīng)參照表

通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于45 m/s時(shí)，破碎機(jī)會(huì)因破碎效率偏低出現(xiàn)喂料量不穩(wěn)定的情況，甚至出現(xiàn)設(shè)備過(guò)載停機(jī)喂料的情況。當(dāng)喂料量不穩(wěn)定時(shí)，其破碎效率是處于波動(dòng)狀態(tài)，會(huì)導(dǎo)致成品料質(zhì)量和產(chǎn)量出現(xiàn)波動(dòng)，如針片狀含量增多，規(guī)格出現(xiàn)波動(dòng)等，不利于集料質(zhì)量的穩(wěn)定性控制。

本次研究的振動(dòng)篩篩網(wǎng)設(shè)置為4.75 mm、9.5 mm、13.2 mm和16 mm，可得到4種規(guī)格的集料。通過(guò)各檔集料的對(duì)比可知，破碎機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為55 m/s時(shí)，所生產(chǎn)的粗集料棱角性明顯低于其他工況下生產(chǎn)的集料。

4 集料加工紋理及形態(tài)測(cè)試評(píng)價(jià)

4.1 分形維數(shù)計(jì)算原理

在集料外觀(guān)形態(tài)的評(píng)價(jià)方面，國(guó)內(nèi)外均進(jìn)行了大量的研究，小波變換分析法、灰度值法和盒計(jì)數(shù)維數(shù)法等均能評(píng)價(jià)集料的外觀(guān)形態(tài)。小波變換分析法是對(duì)集料二維形態(tài)下的紋理進(jìn)行測(cè)量計(jì)算，在二維形態(tài)下，集料本身的形態(tài)并未完整，該方法代表性不強(qiáng)，無(wú)法全面準(zhǔn)確地表征集料真實(shí)的形態(tài)；灰度值法在圖像轉(zhuǎn)換過(guò)程會(huì)有部分紋理丟失，其準(zhǔn)確性相對(duì)較差；而盒計(jì)數(shù)維數(shù)法是對(duì)集料三維空間數(shù)據(jù)的微觀(guān)紋理分布情況進(jìn)行計(jì)算，能較好的表征集料的微觀(guān)紋理形態(tài)[6]。盒計(jì)數(shù)維數(shù)的原理如下：

設(shè)r為立方體的邊長(zhǎng)。若存在一個(gè)盒維數(shù)c，使得r→0時(shí)，有方程式(1)。

Mr(B)∝1/rc

(1)

式中:B為空間上任意有界非空子集，Mr(B)為覆蓋B所需邊長(zhǎng)為r的M維立方體的最小數(shù)目。

(2)

式中：k為唯一正數(shù)。由于式(1)和式(2)均為正數(shù)，則可得式(3)，進(jìn)一步求得式(4)。

(3)

(4)

這里舍去了logk這一項(xiàng)，因?yàn)樗浅?shù)項(xiàng)，當(dāng)r→0時(shí)，分母趨于無(wú)窮大。另外，由于0

4.2 棱角性計(jì)算原理

棱角性是根據(jù)所采集集料圖像的邊界變化率來(lái)求解的。當(dāng)邊界相鄰位置的變化率大時(shí)，可由此判斷該處存在棱角，集料棱角性測(cè)試步驟如圖1所示。

圖1 梯度棱角法計(jì)算步驟

相關(guān)研究表明，梯度棱角性的取值范圍為0～1 000，梯度棱角性取值越大，棱角性越好[7]。

4.3 激光測(cè)試

紋理激光掃描儀采用日本的新一代超高速激光測(cè)量?jī)x，其有效測(cè)量范圍為±23 mm，分辨率為0.05 mm。激光束寬度25～39 mm，由800個(gè)光點(diǎn)組成，光點(diǎn)直徑48 μm，高程重復(fù)精度為0.5μm。數(shù)據(jù)采集速度為64 000個(gè)輪廓/s，即測(cè)量時(shí)以0.64 m/s移動(dòng)激光頭或者目標(biāo)物，測(cè)量也可以精確到0.01 mm。

紋理激光掃描儀的工作原理是利用線(xiàn)性激光射束在集料表面進(jìn)行掃描，根據(jù)集料表面不同測(cè)點(diǎn)反射數(shù)據(jù)，可以換算出不同位置的高差關(guān)系，從而繪制出集料的輪廓構(gòu)造[8]。測(cè)試原理的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(5)

4.4 測(cè)試結(jié)果分析

(1)棱角性分析

對(duì)上文不同轉(zhuǎn)速下加工的集料進(jìn)行棱角性分析，研究破碎機(jī)不同轉(zhuǎn)速對(duì)集料外觀(guān)的影響。破碎機(jī)不同轉(zhuǎn)速下集料的棱角值和分維值檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖2和圖3。

圖2 主機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)集料棱角性的影響

圖3 主機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)集料微觀(guān)紋理的影響

由圖2可知，在轉(zhuǎn)速為35～55 m/s范圍內(nèi)，無(wú)論轉(zhuǎn)速保持在何值，棱角性最多的為4.75 mm的集料，且集料粒徑越大，集料的棱角性越少。從實(shí)際生產(chǎn)情況來(lái)看，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于45 m/s時(shí)，成品集料的針片狀含量將會(huì)偏大，故單從棱角性分析，破碎機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)置不應(yīng)小于45 m/s。

(2)微觀(guān)紋理形態(tài)分析

由圖3可得，當(dāng)破碎機(jī)轉(zhuǎn)速為40 m/s時(shí)，不同粒徑集料的分維值差異并不明顯；當(dāng)轉(zhuǎn)速在45～50 m/s時(shí)，4.75 mm規(guī)格的集料表面微觀(guān)紋理分形維數(shù)明顯大于其他粒徑集料的紋理分形維數(shù)值。整體上來(lái)看，隨著集料粒徑的增加，其表面微紋理分維值呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，該規(guī)律與集料棱角性指標(biāo)變化一致，說(shuō)明棱角保持較好的集料，其表面微觀(guān)紋理保持較好，而棱角破壞嚴(yán)重，說(shuō)明整形效果過(guò)度，對(duì)破碎面的微紋理產(chǎn)生一定的破壞。

而不同破碎工藝的集料紋理粗糙度也有所差異：在35～55 m/s的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，集料表面的分形維數(shù)基本呈現(xiàn)先降低后增加而后再減少的趨勢(shì)，各檔集料在轉(zhuǎn)速為45 m/s時(shí)，其分維值均能處于較高值，而55 m/s時(shí)均最低，說(shuō)明轉(zhuǎn)速在45 m/s左右時(shí)，加工輝綠巖集料能得到較好的微觀(guān)紋理粗糙度。

(3)針片狀分析

本文除分析棱角性和分維值指標(biāo)外，還對(duì)集料的針片狀含量進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 集料的針片狀含量測(cè)試結(jié)果

由圖4可知，當(dāng)破碎機(jī)轉(zhuǎn)速為35 m/s和55 m/s時(shí)，9.5 mm及以下規(guī)格集料的針片狀含量明顯高于9.5 mm以上規(guī)格的集料。由此可知，這兩種工況下不適合進(jìn)行輝綠巖粗集料生產(chǎn)。4.75 mm和16 mm規(guī)格集料的針片狀含量受破碎機(jī)轉(zhuǎn)速影響較小，而9.5 mm規(guī)格集料影響最為明顯。從針片狀含量指標(biāo)來(lái)看，破碎機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為40～50 m/s時(shí)，輝綠巖粗集料的整體粒形較好。

綜上所述，在綜合考慮集料棱角性、分維值和針片狀含量指標(biāo)的基礎(chǔ)上，破碎機(jī)轉(zhuǎn)速為45 m/s時(shí)，是該設(shè)備加工輝綠巖粗集料較為合理的參數(shù)設(shè)置。

5 結(jié) 論

(1)在轉(zhuǎn)速為35～55 m/s范圍內(nèi)，無(wú)論轉(zhuǎn)速保持在何值，棱角性最多的為4.75 mm的集料，且集料粒徑越大，集料的棱角性越少。

(2)集料表面微觀(guān)紋理的分形維數(shù)隨著集料粒徑的增加而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，該規(guī)律與集料棱角性指標(biāo)變化一致，棱角保持較好的集料表面微觀(guān)紋理保持較好，棱角磨損嚴(yán)重，對(duì)破碎面的微紋理也會(huì)產(chǎn)生一定的破壞。

(3)在綜合考慮集料棱角性、表面微觀(guān)紋理、針片狀含量等指標(biāo)的基礎(chǔ)上，通過(guò)合理地設(shè)置破碎主機(jī)轉(zhuǎn)速，能使成品粗集料的形態(tài)特征狀態(tài)達(dá)到較優(yōu)水平。