基于回彈法測試巖石表面強度影響因素分析

曹 貴 雷 磊（甘肅路橋建設(shè)集團有限公司，甘肅 蘭州 730030；甘肅路橋建設(shè)集團養(yǎng)護科技有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730050）

隨著工程對巖石質(zhì)量的重視，尤其是作為瀝青路面使用的巖石，要求具有結(jié)構(gòu)致密、具有堿性性質(zhì)、外觀具有棱角、表面粗糙及較高強度，不僅提高了路面的使用壽命，增強車輛行駛過程的安全性、舒適性和經(jīng)濟性。但在當(dāng)今集料加工機械和工藝日漸成熟的基礎(chǔ)上，我們需要考慮的就是如何能夠快速的對巖石的性能和強度進行測試并反映，為工程巖石的選取節(jié)省時間。常規(guī)的巖石單軸抗壓強度的力學(xué)性能測試方法費工、費時、且工作量大，現(xiàn)利用回彈法測試巖石表面強度的方法簡便、省工，能有效反映巖石的表面強度和抗磨耗性，但是對這種測試方法缺少足夠的認識。所以文章就回彈儀測試不同種類巖石強度，并與各巖石的單軸抗壓強度進行了對比，對利用回彈儀測試巖石回彈強度的影響因素方面做了一些探討。

1 測試方法

回彈法是利用回彈儀的彈性桿沖擊物體表面，將沖擊能量一部分由沖擊桿回彈距離來進行標(biāo)示的值。

1.1 巖石類型及性質(zhì)

為了對比礦物組成和結(jié)構(gòu)不同的巖石測試結(jié)果，選取了砂巖、石英巖、輝長巖、安山巖、閃長玢巖、泥質(zhì)板巖等類型的巖石進行測試。其礦物組成和結(jié)構(gòu)如表1所示。

1.2 回彈儀基本原理[1]

回彈儀是利用回彈儀的彈性桿沖擊物體表面，其沖擊能量的一部分轉(zhuǎn)化為使物體產(chǎn)生塑性變形的功，另一部分表現(xiàn)為沖擊桿的回彈距離即回彈值。在利用回彈儀測試巖石表面強度時，回彈值越大表明巖石表面強度越大，抗塑性變形能力也越強。本次試驗所采用的回彈儀為HT75型回彈儀，屬于中性回彈儀。

1.3 測試步驟

1.3.1 回彈儀校驗[2]

1）按照JJG817-2011《回彈儀計量檢定規(guī)程》進行檢定。

表1 各類巖石的概況

2）首先對回彈儀進行校檢，彈擊錘與彈擊桿碰撞瞬間，彈擊彈簧應(yīng)處于自由狀態(tài)；

3）在洛氏硬度HRC為60±2的鋼砧上進行率定，回彈儀率定值N=80±2，本次率定值為78；

1.3.2 巖石試件要求

1）對測試巖石選定測試面積大小不小于20cm×20cm，厚度不小于20cm的巖塊，表面沒有明顯的構(gòu)造裂紋；

2）對測試面進行切割或打磨成光面，并畫制測試點；

3）將試塊放置于穩(wěn)定的區(qū)域或平面進行測試。

1.3.3 回彈強度測試

1）將測試巖石按照JTG E41-2005《公路工程巖石試驗規(guī)程》進行干燥和飽和兩種狀態(tài)下制備試樣，測試其單軸抗壓強度和飽和抗壓強度。

2）對巖石回彈強度測試面進行切割，將測試試件固定好后，標(biāo)注測試區(qū)域；

3）打開回彈儀在測試區(qū)域選取測試點，將回彈儀觸頭垂直于測試點均勻下壓進行測試，并記錄讀數(shù)，本次測試點選取為25個，結(jié)果取平均值。

2 巖石性能測試結(jié)果

2.1 巖石力學(xué)性能測試結(jié)果

巖石力學(xué)性能測試結(jié)果見表2。

2.2 巖石回彈強度測試結(jié)果

巖石回彈強度測試結(jié)果見表3。

3 測試結(jié)果分析

3.1 巖性與巖石物理性能結(jié)果分析

從表1可以看到，不同種類巖石的礦組組成和礦物結(jié)構(gòu)也是不同的，即使具有不同的礦組成分，也可以有相同的礦物結(jié)構(gòu)，但是其物理性能也是不同的，因此各巖石的物理性能與其組成礦物關(guān)系較大。

3.2 巖石力學(xué)強度結(jié)果分析

從表2 中可以看到，各巖石在飽和狀態(tài)下的抗壓強度較低較大，說明水對巖石的抗壓強度具有明顯的影響，其軟化系數(shù)從0.49至0.79之間，單軸抗壓強度值越高的巖石在飽和狀態(tài)下的強度值降低越多，說明其對水的影響越敏感；巖石的抗壓強度變異性較大，即使同一種巖石的抗壓強度也有較大的差異，說明測試巖石抗壓強度值并不能夠完全掌握巖石的力學(xué)性質(zhì)；可見水對巖石的單軸抗壓強度影響較大，因此在不明確巖石天然含水情況下測試的抗壓強度并不可靠[3]。

3.3 巖石回彈強度結(jié)果分析

從表3中可以看到，各巖石在干燥狀態(tài)和飽和狀態(tài)下的回彈強度變化較小，其回彈軟化系數(shù)在0.85至0.94之間，說明測試巖石的回彈強度與巖石的干燥與否沒有較大關(guān)系，巖石回彈值的測試較巖石單軸抗壓強度的測試更為簡便，更能夠反映集料在路面使用中的耐久性。

3.4 巖石回彈強度測試影響因素分析

3.4.1 巖石內(nèi)在的影響

對巖石回彈值測試結(jié)果影響的內(nèi)在因素有巖石的礦物組成成分、礦物結(jié)構(gòu)、風(fēng)化程度、巖石中的構(gòu)造裂紋的發(fā)育情況等。從表1和表3的對比情況來看，回彈值大于41的巖石都具有塊狀結(jié)構(gòu)，且多數(shù)巖漿巖的回彈值較高，這說明巖石結(jié)構(gòu)致密，礦物中的微晶結(jié)構(gòu)越多，分布越均勻，風(fēng)化程度越低，且沒有礦物變晶時的回彈值較大，相應(yīng)的抗磨性越好，巖石中硬度小的礦物越多，具有泥狀結(jié)構(gòu)和不完全板狀結(jié)構(gòu)時回彈值較小，其耐磨性越差[4]。

3.4.2 測試過程的影響

對巖石回彈強度測試時，經(jīng)過試驗對比測試巖石的測試面大小，測試區(qū)域有無構(gòu)造裂紋，測試區(qū)域是否光滑，測試時回彈儀與測試面的角度，回彈儀的測試次數(shù)，回彈儀的型號等。

1）試驗中發(fā)現(xiàn)測試面越大，回彈值越穩(wěn)定，測試值變異性越小，測試面越小，測試值的變異性越大，不能完全反應(yīng)巖石的回彈強度，經(jīng)過對比測試巖塊尺寸應(yīng)不小于20cm×20cm×20cm時，測試值較穩(wěn)定[5]。

2）對同一種巖石選擇兩塊不同的測試面，一個具有構(gòu)造裂紋，一個是沒有構(gòu)造裂紋，試驗發(fā)現(xiàn)具有構(gòu)造裂紋的巖塊回彈值較低，且靠近裂紋處的回彈值更低，變異性較大，沒有裂紋的巖塊的回彈值較穩(wěn)定，且高于有裂紋的巖塊。原因是具有裂紋的巖塊在測試時裂紋處吸收了回彈儀的能量，使得測試值偏小，因此在測試時應(yīng)選擇沒有構(gòu)造裂紋的巖面進行測試。

表2 各類巖石的抗壓強度

表3 各類巖石的回彈強度

3）對比測試區(qū)域是否光滑對回彈強度的影響，選擇同一種類巖石，一個為經(jīng)過切割的光滑面，另一個為毛糙巖面。測試結(jié)果分析光滑面巖塊的回彈值較穩(wěn)定，毛糙面的巖塊回彈值偏低，且變應(yīng)性較大，原因是毛糙面的凸起在測試時容易擊碎吸收一部分的能量，是回彈值較小，因此在測試時應(yīng)對巖石測試面進行切割，形成光滑面進行測試。

4）回彈儀測試時與測試面的角度也會對回彈值具有影響，與測試面垂直時的測試值大于與測試面具有0～3°的回彈值，說明在回彈儀與測試面具有一定的偏角測試值就會降低，這是由于回彈儀的觸頭若與測試面有夾角，接觸的面積就較大，測試面吸收了一部分能量，測試值偏低。

5）回彈儀的型號對其結(jié)果有一定的影響[6]，回彈儀測試時的回彈次數(shù)多少能夠真實反映巖石的回彈強度，根據(jù)文獻中的介紹，有的說取35次、有的建議25次等，但是知道取值次數(shù)越多，數(shù)值就越穩(wěn)定，取值越少，數(shù)值偏差就越大，因此，在試驗中取值25次，可以在測試區(qū)域形成正方形，就有一定的代表性和均勻性。

4 結(jié) 語

回彈儀測試巖石表面強度相比于巖石單軸抗壓強度是一種簡便、省時、省工、有效的測試方法；回彈法測試巖石表面強度時，巖石的礦物結(jié)構(gòu)和測試過程都會對結(jié)果產(chǎn)生影響，因此在測試時應(yīng)該避免其發(fā)生；回彈法測試巖石便于公路集料生產(chǎn)宕口巖石表面強度和抗磨性的選擇；巖石的回彈強度越大，其表面強度越高，其抗磨性越好；建議將巖石的回彈強度測試用于巖石表面強度的確定和分級，在實際工程中應(yīng)用。

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[5]傅永勝.巖石回彈值指標(biāo)的測試應(yīng)用研究[J].第二屆全國工程地質(zhì)力學(xué)青年學(xué)術(shù)討論會論文集,1992.

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