承擔(dān)骨架作用的小粒徑集料壓碎值試驗(yàn)方法研究

李展望,霍曉東,王 皓,武建民

(1.陜西省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065；2.山西交通技師學(xué)院，山西 太古 030800；3.長(zhǎng)安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064；4.中交建冀交高速公路投資發(fā)展有限公司，河北 石家莊 050000)

0 引言

目前我國與澳大利亞現(xiàn)行規(guī)范中采用壓碎值指標(biāo)來評(píng)價(jià)集料在荷載作用下的抗壓碎能力，將其視為重要的原材料控制指標(biāo)。而世界上其他國家多采用洛杉磯磨耗值反映粗集料的這項(xiàng)性能[1-3]。我國目前所使用的粗集料壓碎值試驗(yàn)方法(T 0316—2005)，同樣也是參照了澳大利亞的方法。對(duì)于壓碎值試驗(yàn)中集料粒徑的選擇，由于到目前表面層多用公稱最大粒徑13.2 mm的粗集料，所以《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42—2005)規(guī)定試樣選用9.5～13.2 mm粒徑范圍集料，壓碎后用2.36 mm篩孔過篩[4]。

細(xì)粒式瀝青混合料，例如Novachip、微表處及SMA-5等，在高速公路養(yǎng)護(hù)中得到廣泛應(yīng)用[5-6]，其所用集料最大公稱粒徑往往為4.75～9.5 mm，粒徑為2.36～4.75 mm的碎石作為此類瀝青混合料中的粗集料，承擔(dān)骨架作用以抵抗行車荷載[7-8]，承受較大的荷載應(yīng)力作用。但由于這類集料粒徑較小，不符合規(guī)程中的粗集料壓碎值試驗(yàn)方法要求。而規(guī)程中對(duì)2.36～4.75 mm粒徑的集料壓碎值試驗(yàn)是將其作為細(xì)集料進(jìn)行考慮的，即這類細(xì)集料用于填充骨架結(jié)構(gòu)之間的空隙，承受荷載應(yīng)力較小。如果用細(xì)集料壓碎指標(biāo)的試驗(yàn)方法評(píng)價(jià)這類小粒徑骨架集料的抗壓碎能力，則存在試驗(yàn)中的受力狀態(tài)與其實(shí)際工作情況不符的情況，因而不能正確評(píng)價(jià)其抵抗壓碎能力。當(dāng)前各級(jí)公路的養(yǎng)護(hù)和預(yù)防性養(yǎng)護(hù)工程中，大量的薄層罩面、微表處材料在進(jìn)行組成設(shè)計(jì)施工中[9]，需要對(duì)小粒徑骨架集料的壓碎值進(jìn)行合理評(píng)價(jià)。

本文通過對(duì)比分析粗集料壓碎值與細(xì)集料壓碎指標(biāo)的試驗(yàn)方法，對(duì)3種2.36～4.75 mm集料分別進(jìn)行了相應(yīng)的壓碎試驗(yàn)，提出了一種用于評(píng)價(jià)細(xì)粒式瀝青混合料中起骨架作用的小粒徑集料抵抗壓碎能力的試驗(yàn)方法。

1 現(xiàn)行粗、細(xì)集料壓碎值試驗(yàn)方法對(duì)比

現(xiàn)行《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》中粗、細(xì)集料壓碎試驗(yàn)方法進(jìn)行對(duì)比如表1所示。

表1 粗集料壓碎值試驗(yàn)與細(xì)集料壓碎指標(biāo)試驗(yàn)對(duì)比

由表1可知，兩種試驗(yàn)方法中，不僅試樣質(zhì)量不同，其加載壓力和加載方式更是有著顯著的差異，這主要是由于兩種方法的測(cè)試對(duì)象分別是瀝青混合料中承擔(dān)不同功能的兩種集料。粗集料壓碎值試驗(yàn)是針對(duì)在混合料中承擔(dān)骨架功能的集料，而細(xì)集料壓碎指標(biāo)試驗(yàn)則是針對(duì)在瀝青混合料中作為填充部分的集料[10-11]。

粗集料壓碎值試驗(yàn)中，采用的是9.5～13.2 mm粒徑的集料，而本文的研究對(duì)象是用于細(xì)粒式瀝青混合料中的2.36～4.75 mm的小粒徑集料。采用相同試驗(yàn)方法，會(huì)導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果與同料源的9.5～13.2 mm粒徑的集料偏差較大的原因?yàn)椋孩偻瑯淤|(zhì)量下小粒徑集料比表面積大，同樣加載條件下，加載時(shí)受力較?。虎谛×郊霞庸み^程中產(chǎn)生的破碎顆粒多，針片狀含量高；③試驗(yàn)結(jié)束后采用2.36 mm篩孔過篩計(jì)算壓碎值，對(duì)于小粒徑集料顯然不合理。因此考慮改變?cè)嚇淤|(zhì)量和加載方式對(duì)2.36～4.75 mm集料進(jìn)行加載測(cè)試，使單顆集料承受較大的受力，以表征其在細(xì)粒式瀝青混合料中作為骨架顆粒的工作特性，并在試驗(yàn)結(jié)束后分別采用不同篩孔進(jìn)行過篩，計(jì)算相應(yīng)的壓碎值，由此確定一種適合于評(píng)價(jià)承擔(dān)骨架作用的小粒徑集料抵抗壓碎能力的試驗(yàn)方法。

2 試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用2.36～4.75 mm粒徑的不同針片狀含量的玄武巖，分別編號(hào)為玄武巖1#和玄武巖2#，以及一種石灰?guī)r作為試驗(yàn)試樣，其中玄武巖1#針片狀含量較低，為8.9%；玄武巖2#針片狀含量較高，為31.0%；石灰?guī)r的針片狀含量為9.1%。粗集料壓碎值試驗(yàn)要求采用9.5～13.2 mm粒徑的集料，而本文所研究的主要是2.36～4.75 mm粒徑的集料?；谇笆觫俚目紤]，采用不同的集料質(zhì)量和加載方式對(duì)其進(jìn)行壓碎值試驗(yàn)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，以尋求一種適宜試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法。故在參照標(biāo)準(zhǔn)粗集料壓碎值試驗(yàn)方法(T0316—2005)(以下簡(jiǎn)稱T0316)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了以下4種試驗(yàn)方法：

a.試驗(yàn)方法A：對(duì)3種集料均采用T 0316方法進(jìn)行試驗(yàn)。

b.試驗(yàn)方法B：只改變?cè)嚇淤|(zhì)量，3種試樣質(zhì)量均采用T0316方法中要求質(zhì)量的1/4，除此之外，均與T0316方法相同。

c.試驗(yàn)方法C：同時(shí)改變?cè)嚇淤|(zhì)量和加載方式及加載大小。3種試樣質(zhì)量均采用T0316方法中要求質(zhì)量的1/4，加載總荷載由400 kN減小為200 kN，施加荷載時(shí)間仍為10 min，其余試驗(yàn)步驟與T0316方法相同。

d.試驗(yàn)方法D：不改變?cè)嚇淤|(zhì)量，加載總荷載由400 kN減小為200 kN，施加荷載時(shí)間仍為10 min，除此之外，均與T0316方法相同。

4種試驗(yàn)卸載后，分別對(duì)壓碎的試樣采用2.36、1.18、0.6 mm標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行篩分。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 粗、細(xì)集料壓碎值測(cè)試結(jié)果

本文首先對(duì)2.36～4.75 mm的玄武巖1#和2#及石灰?guī)r進(jìn)行了上述3種方法的壓碎值試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 不同集料壓碎值測(cè)試結(jié)果

同時(shí)，對(duì)與玄武巖1#相同料源的、針片狀含量較低的粒徑為9.5～13.2 mm的玄武巖以及石灰?guī)r采用標(biāo)準(zhǔn)的粗集料壓碎值實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表3所示。

表3 粗集料標(biāo)準(zhǔn)壓碎值試驗(yàn)結(jié)果

此外，對(duì)粒徑2.36～4.75 mm的玄武巖1#、玄武巖2#和石灰?guī)r，按照T 0350—2005分別進(jìn)行細(xì)集料壓碎指標(biāo)試驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。

表4 細(xì)集料壓碎指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

3.2 壓碎值測(cè)試方法比較分析

試驗(yàn)方法A中過2.36 mm篩孔的壓碎值均大于表3中同類型的粗集料的壓碎值，最小的是玄武巖1#，為26.2%；石灰?guī)r壓碎值最大，為32.0%。這是由于在相同試驗(yàn)條件下，集料粒徑較小，且采用相對(duì)較大的2.36 mm篩孔進(jìn)行壓碎值試驗(yàn)后的篩分，導(dǎo)致過篩的質(zhì)量較大，壓碎值偏大。因此，對(duì)于細(xì)粒式混合料中承擔(dān)骨架作用的小粒徑集料，現(xiàn)行壓碎值試驗(yàn)方法與標(biāo)準(zhǔn)不能合理評(píng)價(jià)其抗壓碎能力。

試驗(yàn)方法B將試樣的質(zhì)量減小到1/4進(jìn)行試驗(yàn)，從表2可知，3種試樣分別過相應(yīng)篩孔所得的壓碎值更大。過2.36 mm篩，玄武巖1#為30.1%，玄武巖2#為31.6%，石灰?guī)r為39.2%；過1.18 mm篩，壓碎值均在19%以上，即使通過較小的0.6 mm的篩，3試樣的壓碎值也均在11.0%以上。由此可見，在只減少試樣的質(zhì)量，而其他試驗(yàn)條件不變的情況下，單顆集料承受的壓力增加，從而被壓碎更多。

試驗(yàn)方法C不僅將試樣的質(zhì)量減少到1/4，并且將加載壓力減小至200 kN。由于改變了加載壓力，而使壓碎值相對(duì)減小。過2.36 mm篩，3種試樣的壓碎值在21.1%～26.0%之間，與表3結(jié)果相比仍然較大。過1.18 mm篩，玄武巖1#壓碎值為9.9%，石灰?guī)r為12.1%，與粗集料標(biāo)準(zhǔn)壓碎值試驗(yàn)(見表3)9.6%和12.5%相當(dāng)，玄武巖2#的壓碎值介于兩者之間。

試驗(yàn)方法D中試樣的質(zhì)量不變，僅加載壓力減小至200 kN。由于同樣數(shù)量的集料承擔(dān)較小的壓力，從而使壓碎值顯著減小。過各檔篩孔的壓碎值均小于方法C的結(jié)果。

根據(jù)4種試驗(yàn)方法得到的結(jié)果可知，玄武巖1#的壓碎值最小，玄武巖2#次之，石灰?guī)r壓碎值最大。這是由于玄武巖1#的針片狀含量為8.9%，而玄武巖2#的針片狀含量為31.0%，說明對(duì)同類巖石來說，壓碎值與針片狀含量密切相關(guān)[12-13]。對(duì)于石灰?guī)r而言，雖針片狀含量為9.1%，與玄武巖1#相當(dāng)，但其壓碎值均大于玄武巖1#、2#，這是由于石灰?guī)r的巖性和礦物組成不同于玄武巖，自身強(qiáng)度較差，故壓碎值最大。從石灰?guī)r比玄武巖1#和玄武巖2#的壓碎值大的多可知，相較于集料自身的棱角特性，集料的巖石種類對(duì)壓碎值影響更大[14-15]。

由表4細(xì)集料壓碎指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果可知，其與前述4種試驗(yàn)方法所得結(jié)果具有相同的規(guī)律，但由于荷載大小僅為25 kN，故壓碎值比較小，原因在于該方法針對(duì)在混合料中起填充作用而非骨架作用的集料。但在Novachip、微表處等細(xì)粒式瀝青混合料中，2.36～4.75 mm這檔集料形成混合料中骨架，承受荷載作用力更大，故細(xì)集料壓碎指標(biāo)的試驗(yàn)條件不符合該檔集料承受荷載的實(shí)際情況，因此不能用來評(píng)價(jià)其抗壓碎的能力。與粗集料標(biāo)準(zhǔn)壓碎值試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，玄武巖1#的壓碎值小了4.6個(gè)百分點(diǎn)，而石灰?guī)r的壓碎值反而大了1.4個(gè)百分點(diǎn)。這也表明采用細(xì)集料壓碎指標(biāo)試驗(yàn)方法評(píng)價(jià)承擔(dān)骨架作用的小粒徑集料的抗壓碎能力，存在顯著的偏差。

4 小粒徑骨架集料壓碎值試驗(yàn)方法的確定

4.1 試驗(yàn)方法的確定

確定小粒徑骨架集料壓碎值試驗(yàn)方法的基本出發(fā)點(diǎn)是該方法的試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)與標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法(同類型的集料在更大公稱粒徑混合料中充當(dāng)粗集料時(shí))的壓碎值試驗(yàn)結(jié)果相當(dāng)或較為接近。分析上述4種試驗(yàn)方法得到的結(jié)果，可以看出，對(duì)于承擔(dān)骨架作用的小粒徑集料進(jìn)行壓碎值試驗(yàn)，有兩處試驗(yàn)條件需要改進(jìn)：一是要確保小粒徑集料承受合理的壓力，可以通過改變?cè)嚇拥臄?shù)量和壓力大小來實(shí)現(xiàn)；二是壓碎后的試樣應(yīng)采用小于該檔集料粒徑的篩孔進(jìn)行篩分，以1.18 m或0.6 mm為宜。否則會(huì)由于通過率過高，造成壓碎值偏大。具體分析如下：

試驗(yàn)方法A與試驗(yàn)方法B相比，區(qū)別僅在于集料質(zhì)量不同。采用試驗(yàn)方法A，玄武巖1#和石灰?guī)r通過1.18 mm篩孔所得壓碎值，與T0316方法試驗(yàn)結(jié)果(見表3)數(shù)據(jù)相比偏大。試驗(yàn)方法B由于兩種試樣質(zhì)量減少，單個(gè)集料承擔(dān)的壓力增大，而使所得壓碎值與T0316方法試驗(yàn)結(jié)果相差更大。通過0.6 mm篩孔計(jì)算得到的壓碎值，也均與T0316方法試驗(yàn)結(jié)果相差較大。由此可知試驗(yàn)方法A、B均不能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)混合料中起骨架作用的集料抵抗壓碎的能力。

試驗(yàn)方法C中，不僅試樣采用T0316方法中要求質(zhì)量的1/4，并且將施加的荷載減小到200 kN，由表2中過1.18 mm標(biāo)準(zhǔn)篩試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，玄武巖1#壓碎值為9.9%，與粗集料壓碎值試驗(yàn)所得玄武巖1#的壓碎值9.6%相當(dāng)。石灰?guī)r同樣如此，采用試驗(yàn)方法C所得壓碎值為12.1%，與粗集料標(biāo)準(zhǔn)壓碎值試驗(yàn)所得壓碎值12.5%相當(dāng)。而方法D由于只減小荷載應(yīng)力，集料數(shù)量不變，意味著單顆集料所承擔(dān)的荷載應(yīng)力顯著降低，由此導(dǎo)致壓碎值顯著減小，亦無法合理評(píng)價(jià)其抗壓碎能力。

因此，建議將設(shè)計(jì)的壓碎值試驗(yàn)方法C用于評(píng)價(jià)細(xì)粒式瀝青混合料中承擔(dān)骨架作用的小粒徑粗集料的抗壓碎能力，并采用1.18 mm篩孔篩分壓碎試驗(yàn)后的試樣以計(jì)算壓碎值。

4.2 試驗(yàn)步驟

上述壓碎值試驗(yàn)方法C的主要試驗(yàn)步驟如下：

a.稱量T0316方法中要求質(zhì)量1/4的試樣，一次性倒入試筒中，并用金屬棒插搗25次，使其表面整平。

b.將試樣放置于壓力機(jī)上進(jìn)行加載，在10 min時(shí)總荷載達(dá)到200 kN。

c.穩(wěn)壓5 s卸載，隨即將試樣從壓力機(jī)取下。

d.取出筒內(nèi)試樣，用1.18 mm標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行篩分。

e.稱取通過1.18 mm篩孔的全部集料質(zhì)量。

f.計(jì)算壓碎值。

5 結(jié)論

a.對(duì)于細(xì)粒式瀝青混合料中，2.36～4.75 mm粒徑集料承擔(dān)骨架作用，現(xiàn)行試驗(yàn)規(guī)程中的粗集料壓碎值試驗(yàn)方法，不能合理評(píng)價(jià)其抗壓碎能力。而細(xì)集料壓碎指標(biāo)試驗(yàn)方法不符合細(xì)粒式瀝青混合料中該檔集料承受荷載的實(shí)際情況，因此不能用來評(píng)價(jià)其抗壓碎的能力。

b.在粗集料壓碎值試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了適用于Novachip、微表處等細(xì)粒式瀝青混合料中，承擔(dān)骨架作用的2.36～4.75 mm粒徑集料的壓碎值試驗(yàn)方法。試樣質(zhì)量按照T0316方法中要求質(zhì)量的1/4確定，加載條件為10 min達(dá)到200 kN，穩(wěn)壓5 s然后卸載，然后用1.18 mm標(biāo)準(zhǔn)篩對(duì)試樣進(jìn)行篩分，進(jìn)而測(cè)定該類承擔(dān)骨架作用的小粒徑集料的壓碎值。