基于形態特征的路用集料加工質量研究

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.華南理工大學土木與交通學院，廣東 廣州 510641；3.廣州肖寧道路工程技術研究事務所有限公司，廣東 廣州 510641)

瀝青路面的性能、施工工藝等在我國經過長期的研究與實踐后，現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看，許多項目的瀝青路面均未能實現長壽命路面。原材料加工質量對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配波動大時都會在一定程度上影響瀝青路面的路用性能和使用壽命。目前，國內石場較為混亂，生產線配置不規范，集料質量參差不齊，且集料單檔級配不穩定，在實際工程施工質量控制管理中難以確保瀝青路面的質量[1]。集料質量不穩定是目前石場存在的主要問題之一[2]。當集料質量較差或出現較大波動時，則很難進行配合比設計或導致實際生產配合比與設計配合比出現較大的偏差，進而影響瀝青混凝土的性能和使用壽命[3]。因此，如何規范石場加工工藝和改善集料加工質量是當前瀝青路面集料質量管理亟待解決的問題。為提高瀝青路面集料質量，本文在調研集料加工設備和加工工藝的基礎上，采用合理的生產線配置，研究不同主機轉速對集料外觀的影響；采用紋理激光掃描儀檢測并評價不同破碎主機轉速下所加工集料的外觀，研究合理的設備參數，為規范瀝青路面原材料加工提供技術支撐。

1 集料加工設備調研

對我國常見的集料加工設備進行了調研，各設備詳情見表1。

表1 各集料加工設備詳情表

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備能較大程度幫助石場加工出高質量的集料[4]，由表1可知，鄂式破碎機能夠破損中粗粒徑的碎石，是較為理想的初破設備。由于母材從宕口爆破后會混入泥塊，在母材初破后宜增設篩孔尺寸為50 mm振動篩，篩去塊石中的泥塊，可在一定程度上提高集料的潔凈度。塊石經過初破后成為中粒徑碎石，由表1可知，圓錐破碎機、反擊破碎機和錘式破碎機都能進行中粒徑碎石的細破。當生產線配置圓錐破碎機時，需再配置反擊破碎機或錘式破碎機對集料進行整形，提高集料的粒形；當未配置圓錐破碎機時，可直接配置反擊破碎機進行集料加工，但由于集料只進行了二次破碎，會存在較多超粒徑集料[5]。為提高集料生產效率，宜加裝錘式破碎機或反擊破碎機對二次破碎過篩后的超粒徑集料進行第三次破碎。由于反擊式破碎機采用撞擊和摩擦的方式進行集料破碎，再此過程中易產生較大的粉塵，為控制各檔集料粉塵的含量，在反擊式破碎機后應加裝引風除塵設備，除去反擊式破碎后集料中的大部分粉塵。反擊式破碎機的板錘和襯板易磨損，根據反擊式破碎機實際使用經驗，宜7～10 d更換反擊破板錘，20 d更換襯板。

2.2 細集料加工流程

若采用塊石加工機制砂，則需對塊石進行初破，再進行二次細破，然后采用制砂機進行研磨，最后除塵得到成品機制砂。若采用3～5 mm、5～10 mm、10～20 mm和20～30 mm等規格集料進行機制砂加工，可采用制砂機直接進行加工，經振動篩和除塵后得到成品機制砂。

3 不同加工工藝對集料的影響

采用粒徑為30～50 mm的輝綠巖塊石進行集料加工工藝研究。設定5個不同的破碎主機轉速，研究不同轉速對集料外觀的影響，試驗設置參數見表2。

由于主機轉速不同，則其主機實際的運行功率也不同，查閱RC7-10試驗機的相關資料，破碎主機不同轉速對應的工作頻率如表3所示。

表3 破碎主機轉速與工作頻率對應參照表

通過試驗發現，當轉速低于45 m/s時，破碎機會因破碎效率偏低出現喂料量不穩定的情況，甚至出現設備過載停機喂料的情況。當喂料量不穩定時，其破碎效率是處于波動狀態，會導致成品料質量和產量出現波動，如針片狀含量增多，規格出現波動等，不利于集料質量的穩定性控制。

本次研究的振動篩篩網設置為4.75 mm、9.5 mm、13.2 mm和16 mm，可得到4種規格的集料。通過各檔集料的對比可知，破碎機轉速設定為55 m/s時，所生產的粗集料棱角性明顯低于其他工況下生產的集料。

4 集料加工紋理及形態測試評價

4.1 分形維數計算原理

在集料外觀形態的評價方面，國內外均進行了大量的研究，小波變換分析法、灰度值法和盒計數維數法等均能評價集料的外觀形態。小波變換分析法是對集料二維形態下的紋理進行測量計算，在二維形態下，集料本身的形態并未完整，該方法代表性不強，無法全面準確地表征集料真實的形態；灰度值法在圖像轉換過程會有部分紋理丟失，其準確性相對較差；而盒計數維數法是對集料三維空間數據的微觀紋理分布情況進行計算，能較好的表征集料的微觀紋理形態[6]。盒計數維數的原理如下：

設r為立方體的邊長。若存在一個盒維數c，使得r→0時，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所需邊長為r的M維立方體的最小數目。

(2)

式中：k為唯一正數。由于式(1)和式(2)均為正數，則可得式(3)，進一步求得式(4)。

(3)

(4)

這里舍去了logk這一項，因為它是常數項，當r→0時，分母趨于無窮大。另外，由于0

4.2 棱角性計算原理

棱角性是根據所采集集料圖像的邊界變化率來求解的。當邊界相鄰位置的變化率大時，可由此判斷該處存在棱角，集料棱角性測試步驟如圖1所示。

圖1 梯度棱角法計算步驟

相關研究表明，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 激光測試

紋理激光掃描儀采用日本的新一代超高速激光測量儀，其有效測量范圍為±23 mm，分辨率為0.05 mm。激光束寬度25～39 mm，由800個光點組成，光點直徑48 μm，高程重復精度為0.5μm。數據采集速度為64 000個輪廓/s，即測量時以0.64 m/s移動激光頭或者目標物，測量也可以精確到0.01 mm。

紋理激光掃描儀的工作原理是利用線性激光射束在集料表面進行掃描，根據集料表面不同測點反射數據，可以換算出不同位置的高差關系，從而繪制出集料的輪廓構造[8]。測試原理的數學表達式為

(5)

4.4 測試結果分析

(1)棱角性分析

對上文不同轉速下加工的集料進行棱角性分析，研究破碎機不同轉速對集料外觀的影響。破碎機不同轉速下集料的棱角值和分維值檢測結果見圖2和圖3。

圖2 主機轉速對集料棱角性的影響

圖3 主機轉速對集料微觀紋理的影響

由圖2可知，在轉速為35～55 m/s范圍內，無論轉速保持在何值，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。從實際生產情況來看，當轉速低于45 m/s時，成品集料的針片狀含量將會偏大，故單從棱角性分析，破碎機的轉速設置不應小于45 m/s。

(2)微觀紋理形態分析

由圖3可得，當破碎機轉速為40 m/s時，不同粒徑集料的分維值差異并不明顯；當轉速在45～50 m/s時，4.75 mm規格的集料表面微觀紋理分形維數明顯大于其他粒徑集料的紋理分形維數值。整體上來看，隨著集料粒徑的增加，其表面微紋理分維值呈現下降趨勢，該規律與集料棱角性指標變化一致，說明棱角保持較好的集料，其表面微觀紋理保持較好，而棱角破壞嚴重，說明整形效果過度，對破碎面的微紋理產生一定的破壞。

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的轉速范圍內，集料表面的分形維數基本呈現先降低后增加而后再減少的趨勢，各檔集料在轉速為45 m/s時，其分維值均能處于較高值，而55 m/s時均最低，說明轉速在45 m/s左右時，加工輝綠巖集料能得到較好的微觀紋理粗糙度。

(3)針片狀分析

本文除分析棱角性和分維值指標外，還對集料的針片狀含量進行檢測，測量結果見圖4。

圖4 集料的針片狀含量測試結果

由圖4可知，當破碎機轉速為35 m/s和55 m/s時，9.5 mm及以下規格集料的針片狀含量明顯高于9.5 mm以上規格的集料。由此可知，這兩種工況下不適合進行輝綠巖粗集料生產。4.75 mm和16 mm規格集料的針片狀含量受破碎機轉速影響較小，而9.5 mm規格集料影響最為明顯。從針片狀含量指標來看，破碎機轉速范圍為40～50 m/s時，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的基礎上，破碎機轉速為45 m/s時，是該設備加工輝綠巖粗集料較為合理的參數設置。

5 結 論

(1)在轉速為35～55 m/s范圍內，無論轉速保持在何值，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)集料表面微觀紋理的分形維數隨著集料粒徑的增加而呈現下降趨勢，該規律與集料棱角性指標變化一致，棱角保持較好的集料表面微觀紋理保持較好，棱角磨損嚴重，對破碎面的微紋理也會產生一定的破壞。

(3)在綜合考慮集料棱角性、表面微觀紋理、針片狀含量等指標的基礎上，通過合理地設置破碎主機轉速，能使成品粗集料的形態特征狀態達到較優水平。