基于AIMS系統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院1) 武漢 430063) (湖北省公路工程技術研究中心2) 武漢 430063)(湖北省路橋集團有限公司3) 武漢 430056)

0 引 言

集料作為路面材料中需求量最大的材料，在建設及環保要求不斷提高的情況下，日益成為稀缺資源.其中常用的優質集料，如石灰巖、玄武巖等集料價格更是水漲船高.鄂咸高速沿線常用集料短缺，安山巖儲量豐富，但其硬度高，不易加工[1]，必須對安山巖集料進行全面的性能指標評估，并有針對性地改進加工方法.

目前瀝青路面設計中，對集料性能指標的衡量主要體現在壓碎值、洛杉磯磨耗損失、含泥量、密度等物理力學特性方面[2]，并未給出集料表觀特性的具體指標與測試方法.有研究發現:集料的表觀特性對瀝青混合料性能有著巨大的影響[3].譚憶秋等[4-6]通過激光輪廓儀對集料表面紋理指標進行測量，得出隨著粗集料表面紋理指標下降，混合料抗水損害性能、抗車轍性能均會下降.集料的表觀特性會直接對瀝青混合料的特性產生很大的影響，包括集料顆粒的外形、棱角及表面紋理，會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，目前集料加工方法并沒有形成規范的加工標準，而新、舊瀝青路面施工技術規范中只提出瀝青混合料用粗、細集料規格要求，但沒有給出標準化加工方法及微觀上的量化評價指標.石灰巖、玄武巖采取的方法多為一級顎破加二級反擊破式的破碎方法[7-9]，但安山巖硬度高、難破碎，常規加工時易成片，文中對安山巖進行全面分析，并升級集料加工方法.

1 安山巖分析

1.1 安山巖基本力學性質

安山巖集料產自湖北省鄂州市，對比采用的石灰巖產自湖北京山縣，兩種集料均采用4.75～26.5 mm粒徑代表性集料進行試驗，試驗依據JTG E42—2005《公路工程集料試驗規程》進行，測量得到二者基本物理力學性質指標，見表1.

由表1可知：安山巖的各項基本物理力學指標均滿足規范要求，對比于石灰巖集料，安山巖集料：①有著更低的壓碎值；②洛杉磯磨耗值更低，說明其質地堅硬，更加耐磨，擁有更好的耐久性，這一點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巖存在不足，僅達到了滿足規范要求的程度.

表1 基本物理力學性質指標

采用70#基質瀝青成型混合料AC-25，級配采用AC-25C粗型密級配，見表2.

表2 AC-25C級配

檢測結果見表3.

表3 安山巖AC-25C瀝青混合料馬歇爾試驗結果

由表3可知:安山巖在高溫穩定性及水穩定性方面僅達到滿足規范要求.但在實際工程應用中，由于施工質量的變異性等因素，若應用此混合料，極易出現攤鋪后混合料性能指標不合格的情況.為此，考慮利用AIMS系統全面分析安山巖集料存在的問題，從而有針對性的進行改進，以期望得到合格的安山巖集料.

1.2 表觀特性指標測量

1.2.1集料成像系統的參數指標

1)紋理指數(TX) 紋理指數采用小波分析方法，將集料圖像分解到一定程度，在橫向、縱向、斜向的三個不同圖像中描述集料表面紋理，并計算特定分解度下三個方向的小波系數的平方數的均值，將其作為紋理指標，見式(1).紋理指標的數值范圍為[0, 1 000]，該指標接近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為單個圖像中的小波系數的總數；i為圖像編號，取值為1、2、3；j為小波系數指數；(x,y)為小波系數在變換域中的坐標.

2)棱角性指數(GA) 棱角性指數采用梯度方法定量表征粗、細集料顆粒的大小及其輪廓的變化.棱角性指數范圍為[0,10 000]，棱角性指標為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，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個點的傾斜角；n為集料輪廓線上所采集點的總數；i為集料輪廓線上采集的第i個點.

3)球度指數(SP) 球度指數用于描述粗集料的三維形狀，以式(3)進行計算，其數值范圍為[0,1].球度指標為1表示該集料各方向長度相等，是一個立方球體.

(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為集料最長方向的尺寸.

1.2.2測量結果

測試結果匯總整理見表4.

表4 4.75～26.5 mm粒徑安山巖表觀特性測量結果

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

這種表面紋理的不足會降低其與瀝青的黏附性.有文獻證明隨著粗集料表面紋理指標下降，混合料抗水損害性能、抗車轍性能均會下降.這也驗證了安山巖混合料高溫穩定性及水穩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 針對不足改進施工工藝

2.1 工藝分析

項目初期集料破碎經一級顎破后，采用先碎后篩的二級破碎閉式循環系統，即一級破碎機的排料全部給入二級破碎段的進料口進行破碎，然后將不滿足粒料要求的石料返回二級反擊破重新進行破碎[10-11].

這種閉式的循環系統使得集料間過度接觸，且連續級配的破碎程度明顯小于骨架級配[12].在這個過程中，集料破碎時間明顯變長，這相當于一個磨耗的過程，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定性和水穩定性無法滿足要求.為此需改變二級反擊破碎加工方式.

同時，二級破碎方式的改變會造成針片狀含量的上升，為此，添加立軸式沖擊破碎機為三級破碎以降低針片狀含量.立軸沖擊式破碎機是利用高速運動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勢，離心沖擊破碎機不僅能夠對礦料進行破碎，而且礦料在高速沖擊時可以對礦料中的扁平顆粒及軟弱棱角進行磨蝕，起到對礦料的整形作用.所以引入沖擊式破碎機可以進一步降低針片狀含量.同時，與二級破碎不同的破碎方式使得集料以新的方式破裂，便不會對集料表面過度磨耗，從而使得集料的表面紋理不會過度降低.

基于以上分析，在提升集料表面紋理指標同時，又保證集料針片狀含量符合規范，最終在集料加工過程中將石料的供給、破碎、傳送和篩分的各個環節組合起來，組裝成為針對安山巖的整套集料加工系統，流程見圖1.

圖1 集料加工系統流程圖

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配的關鍵參數[13].其中，在加工瀝青路面中、下面層集料時，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進料口進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會影響集料的粒度，所以根據這個間距，以3 cm為調整幅度，僅設置四組，以保證集料的生產粒徑及級配均在合理范圍內.對應命名見表5.然后根據這四種間距分別生產出對應的安山巖集料，用AIMS測量其表觀特性指標.

表5 反擊破碎板間距對應安山巖集料名稱 單位：mm

2.2 改進后集料表觀特性指標

將四個間距對應生產的安山巖集料的表觀數據測量結果見表6.

表6 4.75～16 mm粒徑安山巖表面紋理指數

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

因為一、二層反擊板與板錘的間距為相同趨勢變化，故以一層反擊板與板錘間距為橫軸，紋理指數為縱軸，繪制二者變化曲線見圖2.

圖2 各粒徑紋理指數隨反擊板間距變化

由圖2可知，隨著反擊板與板錘間距的增加，紋理指數的增加幅度為先增大后減小，且38 mm后紋理指數增加幅度很小，并且會帶來針片狀含量的增加.隨著間距繼續變化，部分振動篩上粒徑偏粗，表明破碎機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 混合料性能驗證

將改進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.將三組數據匯總見表7.

表7 安山巖AC-25C瀝青混合料馬歇爾試驗結果

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

當采用相同4.2%的油石比時，隨著集料表面紋理的增大，集料間縫隙增大，礦料間隙率、空隙率均會增大，瀝青飽和度也會降低，但此時表征高溫穩定性的動穩定度已經提升8.9%，表征水穩定性的凍融劈裂抗拉強度比已經提升9.3%.

當改進后的安山巖集料采用最佳油石比時，對比改進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；但空隙率及穩定度流值等一系列指標均獲得提升，對比與改進加工工藝前的安山巖混合料，此時表征高溫穩定性的動穩定度提升25.9%，表征水穩定性的凍融劈裂抗拉強度比提升14.5%.

4 結 論

1)為研究安山巖集料成型的混合料存在高溫穩定性、水穩定性不足的原因，采用AIMS集料表觀特性測試系統，全面測量安山巖集料表觀特性指標，發現傳統的集料加工方法會導致其表面紋理指數過低.

2)針對表面紋理指數不足，改進集料加工系統，最終得到一級顎破、改進關鍵參數后的二級反擊破、三級沖擊破的開式循環集料加工系統，保障針片狀含量合格的同時，減少集料磨耗，使得其表面紋理滿足使用需求.

3)對改進加工工藝前后安山巖集料分別成型瀝青混合料，并進行性能試驗，相同油石比下高溫穩定性的動穩定度已經提升8.9%，凍融劈裂抗拉強度比已經提升9.3%.最佳油石比下安山巖集料的動穩定度提升25.9%，凍融劈裂抗拉強度比提升14.5%.