基于混合料特性的搅拌设备振动筛筛孔的确定

刘洪海，刘 腾，胡小金，周 雄

(1.长安大学 道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西 西安 710064；2.陕西路桥集团路面工程有限公司，陕西 西安 710054)

基于混合料特性的搅拌设备振动筛筛孔的确定

刘洪海1，刘 腾1，胡小金2，周 雄2

(1.长安大学 道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西 西安 710064；2.陕西路桥集团路面工程有限公司，陕西 西安 710054)

为了合理确定搅拌设备振动筛筛孔，基于SuperPave级配设计理论和Bailey级配理论，分析了沥青混合料中粗细集料的比例与骨架嵌挤结构之间的关系、细集料含量对混合料抗永久变形能力和压实难易程度的影响、半筛孔材料通过率对粗集料骨架结构和施工特性的影响及最大粒径筛孔对剔除超限料的作用等，得出筛孔的选择原则；以AC-16型沥青混合料为例，进行了搅拌设备筛孔选择与生产级配控制试验研究，结果表明，目标级配和生产级配偏差可控制在±1%以内。

沥青混合料；搅拌设备；振动筛；级配控制

0 引 言

间歇式沥青混合料搅拌设备中，振动筛作为核心设备[1-2]，其生产量和生产质量对混合料路用性能有着极其重要的影响。振动筛的筛孔大小决定了热料仓中的材料规格，筛孔尺寸的设置是否合理对混合料的级配组成以及生产稳定性都有直接影响[3-5]。许多实体工程通常依据经验或参考以往类似工程选择各种类型混合料的控制用标准筛孔，并以此为基础，根据一定的对应关系确定搅拌设备振动筛的筛孔尺寸[6]。Sivilevicius H研究了间歇式搅拌设备热料仓的材料变化情况[7-8]；Mohanty M K等研究了振动筛的筛分特性[9]；李学春等研究了振动筛与级配精度之间的关系[10]；孟彩茹主要研究了试验室标准筛孔与设备使用筛孔之间的关系等[11]。然而，目前尚缺乏基于混合料特性的振动筛筛孔选择的理论分析以及在理论指导下的混合料筛孔的确定技术。本文在已有研究的基础上，从设备和材料之间的相互作用关系出发，基于级配设计理论及试验研究，对筛孔选择原则加以确定。

1 沥青混合料级配设计理论

1.1 SuperPave沥青混合料级配设计理论

SuperPave沥青混合料级配设计理论采用0.45次方级配图，级配图上有特征点和范围要求，通过设置“控制点”和“限制区”控制级配曲线的范围，如图1所示[12-15]。控制点处于最大公称粒径、最大粒径、中细粒径(2.36 mm或4.75 mm)和填料粒径处。限制区在中细粒径尺寸(4.75 mm或2.36 mm)和0.3 mm之间，沿最大密度级配线形成一个区域。通过限制区的级配容易形成“驼峰”级配，“驼峰”级配混合料中含有较多的细集料或砂，较软弱，抗永久变形能力差，难以压实，且由于“驼峰”级配混合料中含有较多的细集料，因此矿料间隙率较小，对沥青用量敏感，易塑性化。较好的混合料级配为：细集料低于限制区，粗集料位于最大密度线上方；交通量或荷载越大，级配应越靠近粗集料控制点，不推荐遵从最大密实度线的级配形式。这种矿料结构有着明显的优点：粗集料易于形成骨架结构，间隙率大，沥青饱和度高，耐久性强[16]。只有在严格控制原材料质量的情况下，尤其是细集料棱角性很好，且不会出现“驼峰”时，级配才可不避开限制区。

图1 SuperPave级配

1.2 Bailey级配多级嵌挤理论

Bailey级配设计法提出了多级嵌挤理论，该理论给出了级配控制的关键筛孔和重要筛孔。Bailey通过划分粗集料和细集料及设定贝雷参数推荐取值范围，阐述了级配和混合料特性之间的关系[17]。

1.2.1 粗、细集料的划分

集料中的大颗粒为粗集料，填充粗集料空隙的小颗粒为细集料，一般将分界筛孔定为4.75 mm或2.36 mm。贝雷法中的粗、细集料分界由最大公称粒径确定，其数学模型是等直径平面圆，如图2所示。

图2 平面圆模型

该模型表明，颗粒之间的空隙大小取决于颗粒的尺寸、形状及组成形式。当有3个圆弧接触面时，颗粒空隙间内切圆的直径为0.15D(D为颗粒粒径尺寸)；当有2个圆弧接触面和1个直线接触面时，内切圆直径为0.20D；当有2个直线接触面和1个圆弧接触面时，内切圆直径为0.24D；当有3个直线接触面时，内切圆直径为0.29D。由于实际使用的材料既非全方也非全圆，因此取以上4种情况的平均值0.22D作为粗集料与细集料的分界点，称为第一控制筛孔，0.22是比例因子。同济大学的林绣贤认为比例因子在一定范围(一般为0.18～0.28)内变化对结构特性并没有显著影响，通过分析，可取0.25作为比例因子[18]。在工程应用中，混合料级配第一控制筛孔应取与计算值接近的标准筛孔。第一控制筛孔尺寸计算公式为

D1=iDmax

(1)

式中：D1为第一控制筛孔尺寸(mm)；i为比例因子，取0.22或0.25；Dmax为最大公称粒径尺寸(mm)。

1.2.2 Bailey参数

Bailey级配设计法在粗、细集料的用量上设定了限制范围，细一级的材料用量由粗一级材料的间隙决定，以此类推，形成多级嵌挤结构。这种级配的混合料具有较好的高温抗车辙能力。Bailey设计法中的参数计算和推荐取值范围如下。

(1)粗集料的粗料率。Bailey混合料设计方法中，粗、细集料的分界点为第一控制筛孔，而又将粗集料以0.5D为界划分为粗料和细料，称该筛孔为粗集料的结构分界点。该分界点对粗集料自身结构有重要影响，其特性可用粗集料的粗料率描述，即

C=(P1/2-P1)/(100-P1/2)

(2)

式中：C为粗集料的粗料率(%)；P1/2为1/2公称最大粒径的筛孔通过率(%)；P1为第一控制筛孔通过率(%)。

(2)细集料的粗料率。细集料也由粗料和细料组成，分界点筛孔称为第二控制筛孔，其筛孔尺寸计算见式(3)。按照同样的方法可进一步计算第三控制筛孔。

D2=iD1

(3)

式中：D2为第二控制筛孔尺寸(mm)。

细集料填充了粗集料嵌挤之后的空隙，更细的集料填充了细集料中较粗颗粒相互嵌挤产生的空隙。因此，可用细集料的粗料率评价细集料中粗颗粒填充特性，即

F=P2/P1

(4)

式中：F为细集料的粗料率(%)；P2为合成级配在第二控制筛孔的通过率(%)。

2 搅拌设备筛孔选择原则与筛孔确定

综上所述，混合料中粗、细料的分界点是级配控制的关键，决定了级配是否能够形成嵌挤结构，影响着混合料的高温抗车辙能力。因此，首先应严格控制级配中第一控制筛孔的通过率。其次是控制重要筛孔(主要指限制区筛孔)的通过率，若级配中含有较多的细集料，则混合料的强度主要由沥青胶砂决定，集料难以形成较强的骨架，混合料会塑性化，抗永久变形能力降低，且混合料对沥青用量的敏感性上升，在施工过程中难以充分压实。第三应控制粗集料结构分界点(粗集料中的粗料和细料的分界点，即半筛孔)的通过率，粗集料自身结构主要受到半筛孔材料通过率的影响。细料比例降低，会增加对空隙的填充程度，降低矿料间隙率；细料比例提高，会降低填塞料比例，提高干涉料的比例，使空隙率增大，也会相应地增大矿料间空隙率。第四是控制公称最大粒径筛孔或最大粒径筛孔的通过率，目的就是剔除超限料。由于筛孔尺寸对混合料质量控制十分重要，故对筛孔的选择需要遵循一定的原则，基础控制筛孔目标有最大公称粒径筛孔(或最大粒径筛孔)、第一控制筛孔、限制区筛孔、半筛孔等。需要特别注意的是，在选择剔除超限料筛孔时，宜选公称最大粒径筛孔，不宜同时选择最大公称粒径筛孔和最大粒径筛孔。这是因为搅拌设备振动筛的筛孔尺寸在标准筛的基础上经过了放大，已换算成为等效筛孔。不同类型混合料的特征筛孔如表1所示。

表1 混合料的特征筛孔

根据以上原则确定的标准筛孔尺寸并不能直接用于搅拌设备振动筛，还需要考虑振动的筛分效率，因此需要将标准筛孔换算成振动筛的等效筛孔。表2为各热料仓中材料推荐规格与等效筛孔尺寸，其中方案1为最佳方案，应为首选。

3 防筛孔堵塞技术

沥青混合料的级配组成和稳定性与间歇式搅拌设备振动筛的筛分效率密切相关，当筛孔堵塞时，筛分效率降低，混合料出现窜仓现象。由颗粒堵塞筛孔数学模型可知[19]，是否容易堵筛由材料的物理特性、筛孔尺寸、筛网刚度以及振动筛的动力学参数等因素共同决定。临界堵筛计算公式为

(5)

式中：A为筛子振幅，ω为筛子振动频率，μ为石料与筛丝之间的摩擦系数，k为减振弹簧刚度，R为颗粒半径，L为筛孔尺寸，ρ为石料密度。Aω2为筛分过程中颗粒的逃逸能力，由设备的振动参数决定；公式右边为颗粒阻碍逃逸的能力，由材料特性和筛网参数决定。令(Aω2)/R=0，可得R=3/4L时，式(5)取得极值。由此可得振动筛堵筛临界条件，见式(6)和图3。

表2 热料仓中材料推荐规格与等效筛孔

(6)

图3 筛网刚度、筛孔与逃逸能力曲线

图3表明，筛孔越小，堵筛发生的可能性越大，则需要振动筛提供的逃逸能力也越大。当筛孔尺寸小于6 mm时，堵筛会变得较为严重，这与工程实际情况相符。某工地3 mm筛孔的堵塞情况如图4所示。由于筛孔大小由混合料类型决定，故对于具体工程而言，筛孔尺寸难以改变。所以，堵筛问题通常通过调整振动筛动力学参数来解决[20-21]，其中最常用的方法是调整振动筛的振幅和振动频率，但对同一台振动筛来说，各层筛网都安装在一个整体机箱内，为了解决小尺寸筛孔堵筛而调整整体振动参数显然不合理；还有一种解决方法是通过降低筛网刚度k实现，即选用刚度较小的弹性筛会更有效，如图5所示。

图4 刚性3 mm筛网堵筛情况

图5 波浪弹性筛网防堵筛情况

4 生产配合比设计中筛孔选择试验研究

某高速公路上面层为AC-16型沥青混合料，依据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)要求，通过马歇尔试验、体积指标试验，并经过路用性能检验确定目标级配，如表3和图6所示。在生产配合比设计阶段，首先确定振动筛的筛孔尺寸。根据前文理论分析，AC-16型沥青混合料的粗细集料分界筛孔为4.75 mm，限制区控制筛孔为2.36 mm，半筛孔为9.5 mm，超限料剔除筛孔为19 mm。将以上标准筛孔换算为振动筛等效筛孔所对应的尺寸，分别为3.0、5.5、11、21 mm，其中3.0 mm筛网采用自洁能力较好的波浪型弹性筛网。筛网确定之后进行热料仓取样筛分，结果如表4所示。由筛分结果可见，除了2.36 mm筛孔的通过率略低于90%以外，其他筛孔的通过率均大于90%，筛分效率很高，混窜仓率很小。该试验结果表明，以上筛孔十分利于生产级配的精准设计和施工过程中的稳定性控制。根据筛分结果和目标级配，确定4#仓、3#仓、2#仓集料及砂仓、矿粉、水泥的质量比为28∶26∶15∶26∶4∶1，矿料合成级配及级配曲线如表5和图7所示。目标级配与生产级配对比结果如表6所示，两者之间的偏差均在±1%以内。

表3 AC-16矿料目标级配

表4 热料仓筛分试验结果

表5 AC-16生产配比矿料合成通过率

表6 AC-16目标级配与生产级配偏差

图6 AC-16混合料合成级配曲线

图7 AC-16混合料生产级配曲线

5 结 语

(1)不同粒径的材料颗粒组成的级配决定了混合料的结构、性能和施工特性，在生产过程中，应合理选择振动筛的筛孔，以满足混合料的级配控制和特性要求。

(2)由于搅拌设备中能够配置的筛网规格仅为4～6个，在选择筛网时应确定与混合料特性密切相关的筛孔。混合料的级配结构中粗集料和细集料的比例是形成骨架嵌挤结构的关键，其分界点尺寸为第一控制筛孔；其次是限制区筛孔，限制区筛孔通过率决定着级配中细集料的含量，会影响混合料的抗永久变形能力和压实难易程度；第三是半筛孔，该尺寸筛孔的材料通过率会影响粗集料自身结构，对施工离析和变异性有重要影响；第四是最大粒径筛孔，目的是剔除超限料。

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DeterminationofSieveSizesofMixingPlantBasedonCharacteristicsofMixture

LIU Hong-hai1, LIU Teng1, HU Xiao-jin2, ZHOU Xiong2

(1. Key Laboratory of Road Construction Technology and Equipment of Ministry of Education,Chang’an University, Xi’an 710064, Shaanxi, China； 2. Road Surface Construction Co., Ltd. of Shaanxi Road & Bridge Group, Xi’an 710054, Shaanxi, China)

In order to determine the proper sieve sizes for the mixing plant, the relationship between the proportion of coarse and fine aggregate and the interlocking skeleton structure, the impact of fine aggregate on the mixture's resistance to permanent deformation and compaction level, the effect of half-sieve size passing rate on the skeleton structure of coarse aggregate and the construction characteristics and the function of eliminating oversize materials of the maximum sieve size were studied on the basis of the theories of SuperPave and Bailey gradation design. The selection principle of sieve sizes for mixing plant was determined. The AC-16 asphalt mixture was used to check the selection of sieve sizes and production graduation control. The results showed that the deviation of production gradation from target gradation can be controlled in the range of ±1%.

asphalt mixture; mixing plant; vibrating screen; gradation control

U415.5

B

1000-033X(2017)11-0103-06

2017-05-08

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2014G3252006)；陕西省交通厅科技项目(12-2k)

刘洪海(1963-)，男，陕西西安人，教授，博士研究生导师，研究方向为道路施工技术与装备。

[责任编辑:王玉玲]