關于公路工程粗集料壓碎值的定義及取值標準的探討

摘 要：在我國公路工程集料的指標體系中，壓碎指標一是，與其他指標不同；二是，與國外的情況相反處于非常突出和重要的地位，其原因至今仍是一個謎，也是為什么我國工程界如此青睞該指標。由于該指標概念的模糊性，工程使用目的的寬泛性，確定指標的隨意性和粗糙性，在實踐中引起較廣泛的關注和爭議。文章探索從該指標的定義、工程使用目的、強度特征、以及如何科學的、經濟的研究和確定取值標準等幾個方面，以水泥混凝土和瀝青混合料為例進行分析和討論，使石料在壓碎指標回歸到它的理性地位，能經濟有效地控制工程質量、降低工程造價、加快工程進度、減少技術浪費。

關鍵詞：粗集料；壓碎值；強度；水泥混凝土；瀝青混合料

引言

壓碎值作為水泥混凝土，瀝青混合料或半剛性，柔性基層，底基層中粗集料（以下簡稱石料）的力學指標，目前唯有澳大利亞正在執行的規范中采用壓碎值指標，世界其他國家都未采用此指標，但在我國許多《規范》[1-3]中，以及實際執行層面，該指標受到特別的重視，導致近年來在各地施工中不斷針對《規范》[1]中有關壓碎值的技術要求及相關規定提出質疑。另外，有些省、市、自治區的主管部門，或某工程項目的建設單位隨意擅自提高瀝青混合料中石料壓碎值的指標，直接的結果是較大幅度地提高了石料的品質，縮小了可用石料的范圍，或者將間接地提高了公路工程建設的成本，本可以就地選用的石料不能使用，需遠距離外購。這些問題已引起許多方面的關注和討論。所以，文章擬從壓碎指標的定義、使用目的、以及強度特征等幾個方面進行分析和討論，使石料的壓碎值回歸到它真正理性的地位，能經濟有效地控制工程質量的作用，從而真正提高工程質量，降低工程造價，加快工程進行，減少技術浪費。

1 壓碎值使用目的分析

《規范》[4]中對壓碎值有兩個定義，一是術語定義即“按規范方法測得的石料抵抗壓碎的能力，以壓碎試驗后小于規定粒徑的石料質量的百分比表示”。二是實驗定義即“集料壓碎值用于衡量石料在逐漸增加的荷載下抵抗壓碎值的能力，是衡量石料力學性質的指標，以評定其在公路工程中的適用性”。上述兩種定義綜合起來實際上是一個較完整的實驗內容和方法的定義，而且也寬泛地說明了壓碎值的使用目的，即力學指標，以評定其在公路工程的適用性。對路用粗集料，《規范》[2]表4·8·2和表4·8·5中規定了十項技術要求，即壓碎值、洛杉磯磨耗值、表觀相對密度、吸水率、堅固性、磨光值、粘附性、針片狀含量、粉粘粒含量和軟石含量（國外許多國家還采用沖擊值），在這十個指標中最難認識和理解的是壓碎值，從字面上分析是指石料在不同工況下被壓碎，如熱拌、冷拌和溫拌瀝青混合料碾壓成型時要達到規定的密度（或壓實度），必須采用重型壓路機進行碾壓，施工時部分石料有可能被壓碎，從而影響瀝青路面的使用品質，或瀝青路面在使用期間在車輛荷載的長期作用下，也可能使部分石料破損，可能造成路面病害，從此角度分析好像采用壓碎值指標尚有一定的道理，但是目前為止未看到有該方面的研究報導。但對水泥混凝土來講，在澆筑成型時（除RCC混凝土），則采用振搗棒、平板振動器和振動梁進行成型，水泥混凝土各種構件，如板、梁、柱、樁、墩等，受壓破壞可能不僅造成石料的破壞，還有可能產生粘著和水泥石破壞，所以，從字面上講還不如瀝青混合料有道理。國外大多數國家不采用壓碎值指標，或不將該指標作為主要指標，一定有其道理，所以，加強壓碎指標的國際交流，給出壓碎值的科學定義和使用目的的說明非常重要。

2 壓碎值的強度分析

一般的強度定義是指材料或構件受力時抵抗破壞的能力，將此強度定義與前述壓碎值的定義相對比，可知壓碎值實質上是表征石料的強度概念，作為工程材料常用的強度指標有，抗壓強度、抗拉強度和抗剪強度等，而對巖石一般采用飽和單軸極限抗壓強度指標，特別是在水泥混凝土試驗指標中不但沒有取消巖石的飽和單軸抗壓強度，而且又增加了壓碎值指標，但這兩個強度概念是有較大區別的。巖石的飽和單軸抗壓極限強度，是在規定尺寸下，逐漸加載至斷裂（破壞）所達到的最大應力，量綱為MPa，而壓碎值是在規定力（400KN）等條件下，小于規定粒徑的石料質量的百分比，量綱為%。依據上述分析壓碎值指標只能是一個間接反映石料強度值得指標，就像巖石的點荷載試驗，是一個簡便的，快速的，測定巖石抗壓強度的間接指標，所以點荷載試驗指標必須通過經驗公式換算到標準的巖石飽和單軸抗壓強度上去，否則，點荷載試驗是無意義的。同理，也應找出巖石的飽和單軸抗壓強度與壓碎值之間的相關經驗公式，就可以采用壓碎值來直接表征石料的強度概念，不僅概念清楚，而且目的明確，一是不必繞很大的彎，二是減少試驗指標，節約建設成本。如果不這樣認識，或者去做，會帶來或造成如下問題：

（1）目前不同規范規定的瀝青路面，水泥混凝土和半剛性基層，底基層的壓碎值指標，一是無理論依據和試驗數據支撐，從而導致任何部門單位都敢擅自提高壓碎值，二是壓碎值比飽和單軸抗壓強度高很多。詳見表1，如果按《規范》[1]第6·4·1表中的規定，并參照表1中壓碎值與抗壓強度的相關關系，Ⅰ類水泥混凝土（>C60），壓碎值<18（%），則對應巖石的抗壓強度約為90MPa以上，Ⅱ類水泥混凝土（C30-C60），壓碎值<20（%），則對應巖石的抗壓強度約為80MPa，Ⅲ類水泥混凝土（

（2）結構的強度與材料的強度從理論層面講不是相同的概念，一般講結構是材料的結構，反之材料一定是結構的材料，兩者互為因果關系，結構的參數和指標與材料的參數和指標是兩個截然不同的概念，一般結構的參數和指標控制和限制著材料的參數和指標，也就是說材料的指標不能低于結構所需的指標，也不能過高地超過結構規定的指標，保證一定的安全系數即可。另外，結構性質或性能不同的材料（或構件）組合，相互間的指標差異也不能太大，一是不協調，二是不經濟。例如，水泥混凝土對于石料、砂、水泥、水、粉煤灰、硅粉、外參劑等，它就是結構，但在橋梁、墩臺、柱、樁、水泥混凝土板、樓房、廠房等構造物中，水泥混凝土則成為材料。在水泥混凝土中它的強度破壞，一般決定三個方面，即骨料（石料）與水泥石膠結面的破裂（壞）稱粘著破裂；另一個是水泥石的破裂，其次是石料的破裂，其中任一個或兩個發生破裂都會導致水泥混凝土的破壞，即材料的破壞導致結構的破壞。水泥混凝土作為結構就像一個木桶，石料、水泥石就像組成木桶的一塊塊板，木桶裝水的多少不決定于最長的那塊板，而是決定于最短的板，一方面希望各塊板相對均衡，長度（或指強度）差異不能太大，這符合協調原則和經濟原則，另一方面應重點控制短板，也就是說最不利的材料強度不應低于結構的設計強度。大量水泥混凝土破壞情況顯示粘著破壞是導致水泥混凝土破壞的短板。《規范》[1]讓巖石的抗壓強度與水泥混凝土的強度相比，不如讓巖石的抗壓強度與水泥石的抗壓強度進行對比，這樣兩者的強度相差不大，而又高于水泥混凝土的強度，這種思路，一是概念清楚、正確，二是經濟合理，符合木桶原理。當然，巖石的抗壓強度或石料的壓碎值對不同標號的水泥混凝土的設計強度應高多少，或取多大的下限值，應通過實驗，首先確定巖石的強度與壓碎值之間的相關關系，再確定壓碎值與水泥混凝土設計強度之間的相關關系，就能夠科學的、經濟的和合理的確定壓碎值的取值下限，僅做壓碎值指標，而不必再做巖石的抗壓強度指標。

（3）瀝青混合料壓碎值的取值問題比水泥混凝土要復雜，例如，對密級配瀝青混凝土混合料的結構強度，對高速公路，一級公路由馬歇爾試驗測定的穩定度不確定，小于8KN，其他等級的公路不小于5KN。以此推論好像密級配瀝青混凝土混合料對石料的強度要求并不高，但實際上石料的強度或壓碎值還由石料的磨耗值、磨光值和堅固性指標來控制，如石料的強度低，則石料的磨耗值、磨光值、堅固性或沖擊值就低，就達不到規范規定的要求，特別是磨光值（對瀝青路面上面層）起著控制性作用，而對瀝青路面中、下面層來講，磨耗值，磨光值理論上已無意義，而其他石料指標應分層遞減，到底如何遞減，應由試驗來確定，實際規范已考慮到這樣的問題。對瀝青混合料來講，目前規范確定的石料壓碎值指標是基本合理的，主要問題，一是，取值的依據不清楚，二是，各省、市、自治區的主管部門，或者一些工程項目的建設單位，擅自提高壓碎值，所以必須嚴格執行規范的規定，不得擅自提高，更不能降低。

（4）在公路瀝青路面施工技術規范中對于石料（粗集料）的技術要求中未要求巖石的抗壓強度指標，僅規定了石料的壓碎值指標這是正確的，合理的。但是在公路橋涵施工技術規范中還不僅規定了巖石抗壓強度與水泥混凝土強度等級之比外，還規定了巖石的抗壓強度，火成巖>80MPa，變質巖>60MPa，水成巖>30MPa，該規定主要存在以下幾方面的問題：

首先，水成巖的概念是十九世紀的概念，而水成巖僅是沉積巖中的一類，所以，建議規范修訂時將水成巖改為沉積巖。

其次，對工程材料來講無論是巖漿巖（或稱火成巖）、沉積巖還是變質巖，雖然從地學的角度是三類不同成因的巖石，其結構、構造和礦物成分等方面有很大的區別和差異，而且對工程材料的強度和變形也各不相同，有的差異非常之大。如巖漿巖為熔結或結晶膠結，各向異性不發育，強度一般很高，變形很小。而沉積巖與部分負變質巖，物質組成復雜，為膠結物膠結，層理發育，即具明顯的各向異性，一是巖石強度變化大，二是相對強度比巖漿巖低，而正變質巖雖類同于巖漿巖，但因含較軟弱的變質礦物，而且層理、層麻理發育，即各向異性比巖漿巖發育，所以巖石也一般不如原巖漿高，但這絕對不能作為劃分工程材料的依據，對于工程材料來講只關注巖石的強度指標，不管巖石的成因類型，這一點極為重要，否則巖石就變成了地學巖石，而不是工程巖石。當然，在具體做試驗時一定要考慮巖石的成因。例如對沉積和變質巖由于它們各向異性發育，試驗應按最不利方向測定其強度，這樣就可避免各向異性對巖石強度造成的影響，只要巖石的強度技術指標滿足相關規范的要求就可以，與巖石的成因無關，這是基本概念不能錯。

3 結束語

（1）通過對現有《規范》[4]中壓碎值的定義及使用目的分析和討論，該定義僅是一個實驗定義，使用目的的表述比較寬泛，較難理解其真實的使用目的，以及在評價石料適用性中的作用和地位，所以，還需在國際交流的基礎上，加強研究，使壓碎值的定義更精確，在工程中的使用目的更明確。

（2）根據材料或構件的強度定義，壓碎指標是一個能間接反映石料抗壓強度的指標，可以與巖石的抗壓強度之間建立等效相關關系，以表征在石料條件下，而不是在巖石條件下的抗壓強度。

其次，在水泥混凝土中依據木桶原理，研究和尋找適合不同強度等級水泥混凝土的壓碎指標，滿足石料在水泥混凝土中的協調性、經濟性，使石料壓碎指標的確定建立在科學、合理的基礎上。

另外，在瀝青混合料中，針對瀝青混合料在瀝青路面中所處的層位，以及力學行為、功能行為和自然行為的差異性，并結合石料的其他技術指標，綜合分析科學合理地確定對應的壓碎指標，而且明確規定任何部門和單位不等擅自提高規范規定的壓值指標。

最后對《規范》[4]表6·4·1中關于巖石抗壓強度與水泥混凝土強度等級之比的規定建議取消，因為此規定即無理論依據，也無試驗數據說明，其意義不明確，應像瀝青混合料一樣，只采用壓碎指標，而不再采用巖石的抗壓強度指標。另外，將巖石的抗壓強度取值大小與巖石的成因相關聯，純屬概念問題，建議規范進行修改。

參考文獻

[1]中華人民共和國行業標準.公路橋涵施工技術規范（JTG/T F50-2011）[S].北京：人民交通出版社，2011.

[2]中華人民共和國行業標準.公路瀝青路面施工技術規范（JTG

F40-2004）[S].北京：人民交通出版社，2004.

[3]中華人民共和國行業標準.公路水泥混凝土路面施工技術細則

（JTG F30-2014）[S].北京：人民交通出版社，2014.

[4]中華人民共和國行業標準.公路工程集料試驗規程（JTG E42-

2005）[S].北京：人民交通出版社，2005.

作者簡介：黎炳 （1981-），男，廣東東莞人，碩士研究生，工程師，主要從事城市道路設計工作。