基于AIMS系统的安山岩集料加工工艺研究

2022-03-12房晓斌魏遵广郑明建涂俊曙陈文涛

武汉理工大学学报（交通科学与工程版） 2022年1期

房晓斌魏遵广郑明建涂俊曙张轶陈文涛

(武汉理工大交通与物流工程学院1) 武汉 430063) (湖北省公路工程技术研究中心2) 武汉 430063)(湖北省路桥集团有限公司3) 武汉 430056)

0 引言

集料作为路面材料中需求量最大的材料，在建设及环保要求不断提高的情况下，日益成为稀缺资源.其中常用的优质集料，如石灰岩、玄武岩等集料价格更是水涨船高.鄂咸高速沿线常用集料短缺，安山岩储量丰富，但其硬度高，不易加工[1]，必须对安山岩集料进行全面的性能指标评估，并有针对性地改进加工方法.

目前沥青路面设计中，对集料性能指标的衡量主要体现在压碎值、洛杉矶磨耗损失、含泥量、密度等物理力学特性方面[2]，并未给出集料表观特性的具体指标与测试方法.有研究发现:集料的表观特性对沥青混合料性能有着巨大的影响[3].谭忆秋等[4-6]通过激光轮廓仪对集料表面纹理指标进行测量，得出随着粗集料表面纹理指标下降，混合料抗水损害性能、抗车辙性能均会下降.集料的表观特性会直接对沥青混合料的特性产生很大的影响，包括集料颗粒的外形、棱角及表面纹理，会直接或者间接地影响沥青混合料成型后集料颗粒之间的作用位置及有效作用面的大小.

同时，目前集料加工方法并没有形成规范的加工标准，而新、旧沥青路面施工技术规范中只提出沥青混合料用粗、细集料规格要求，但没有给出标准化加工方法及微观上的量化评价指标.石灰岩、玄武岩采取的方法多为一级颚破加二级反击破式的破碎方法[7-9]，但安山岩硬度高、难破碎，常规加工时易成片，文中对安山岩进行全面分析，并升级集料加工方法.

1 安山岩分析

1.1 安山岩基本力学性质

安山岩集料产自湖北省鄂州市，对比采用的石灰岩产自湖北京山县，两种集料均采用4.75～26.5 mm粒径代表性集料进行试验，试验依据JTG E42—2005《公路工程集料试验规程》进行，测量得到二者基本物理力学性质指标，见表1.

由表1可知：安山岩的各项基本物理力学指标均满足规范要求，对比于石灰岩集料，安山岩集料：①有着更低的压碎值；②洛杉矶磨耗值更低，说明其质地坚硬，更加耐磨，拥有更好的耐久性，这一点同样反映在磨光值上；③安山岩在与沥青黏附性方面相较于石灰岩存在不足，仅达到了满足规范要求的程度.

表1 基本物理力学性质指标

采用70#基质沥青成型混合料AC-25，级配采用AC-25C粗型密级配，见表2.

表2 AC-25C级配

检测结果见表3.

表3 安山岩AC-25C沥青混合料马歇尔试验结果

由表3可知:安山岩在高温稳定性及水稳定性方面仅达到满足规范要求.但在实际工程应用中，由于施工质量的变异性等因素，若应用此混合料，极易出现摊铺后混合料性能指标不合格的情况.为此，考虑利用AIMS系统全面分析安山岩集料存在的问题，从而有针对性的进行改进，以期望得到合格的安山岩集料.

1.2 表观特性指标测量

1.2.1集料成像系统的参数指标

1)纹理指数(TX) 纹理指数采用小波分析方法，将集料图像分解到一定程度，在横向、纵向、斜向的三个不同图像中描述集料表面纹理，并计算特定分解度下三个方向的小波系数的平方数的均值，将其作为纹理指标，见式(1).纹理指标的数值范围为[0, 1 000]，该指标接近0则表示集料颗粒表面为完全光滑的表面.

(1)

式中：D为图像分解方程；N为单个图像中的小波系数的总数；i为图像编号，取值为1、2、3；j为小波系数指数；(x,y)为小波系数在变换域中的坐标.

2)棱角性指数(GA) 棱角性指数采用梯度方法定量表征粗、细集料颗粒的大小及其轮廓的变化.棱角性指数范围为[0,10 000]，棱角性指标为0表示该集料颗粒为无棱角的圆形.

梯度角用于量化集料颗粒梯度上的变化并与二维图像上集料边界的尖锐程度相关，梯度向量的平均值被用于反映集料颗粒的棱角性，为

(2)

式中：θi为集料轮廓上第i个点的倾斜角；n为集料轮廓线上所采集点的总数；i为集料轮廓线上采集的第i个点.

3)球度指数(SP) 球度指数用于描述粗集料的三维形状，以式(3)进行计算，其数值范围为[0,1].球度指标为1表示该集料各方向长度相等，是一个立方球体.

(3)

式中：dS为集料最短方向的尺寸；dI为集料中间方向尺寸；dL为集料最长方向的尺寸.

1.2.2测量结果

测试结果汇总整理见表4.

表4 4.75～26.5 mm粒径安山岩表观特性测量结果

由表4可知:项目采用的常规加工方法的安山岩集料棱角性指标和球度指数均与精细化加工安山岩集料差别不大，表明采用常规方法加工得到的安山岩在棱角性指标和球度指标方面符合要求.但是其表面纹理却存在着明显的不足，其表面纹理比精细化加工安山岩小25%左右.

这种表面纹理的不足会降低其与沥青的黏附性.有文献证明随着粗集料表面纹理指标下降，混合料抗水损害性能、抗车辙性能均会下降.这也验证了安山岩混合料高温稳定性及水稳定性性能不足的原因很大程度上源于安山岩集料表面纹理的不足.

2 针对不足改进施工工艺

2.1 工艺分析

项目初期集料破碎经一级颚破后，采用先碎后筛的二级破碎闭式循环系统，即一级破碎机的排料全部给入二级破碎段的进料口进行破碎，然后将不满足粒料要求的石料返回二级反击破重新进行破碎[10-11].

这种闭式的循环系统使得集料间过度接触，且连续级配的破碎程度明显小于骨架级配[12].在这个过程中，集料破碎时间明显变长，这相当于一个磨耗的过程，安山岩自身硬度高于普通石料，难以破碎的同时其表面被不断地磨光，从而使得其表面纹理下降，降低了与沥青间的黏附性，使得混合料的高温稳定性和水稳定性无法满足要求.为此需改变二级反击破碎加工方式.

同时，二级破碎方式的改变会造成针片状含量的上升，为此，添加立轴式冲击破碎机为三级破碎以降低针片状含量.立轴冲击式破碎机是利用高速运动的物料相互自行破碎及物料之间的摩擦而粉碎.由于其破碎原理的优势，离心冲击破碎机不仅能够对矿料进行破碎，而且矿料在高速冲击时可以对矿料中的扁平颗粒及软弱棱角进行磨蚀，起到对矿料的整形作用.所以引入冲击式破碎机可以进一步降低针片状含量.同时，与二级破碎不同的破碎方式使得集料以新的方式破裂，便不会对集料表面过度磨耗，从而使得集料的表面纹理不会过度降低.

基于以上分析，在提升集料表面纹理指标同时，又保证集料针片状含量符合规范，最终在集料加工过程中将石料的供给、破碎、传送和筛分的各个环节组合起来，组装成为针对安山岩的整套集料加工系统，流程见图1.

图1 集料加工系统流程图

集料加工工艺中，反击板与板锤间距一般作为控制集料粒度和级配的关键参数[13].其中，在加工沥青路面中、下面层集料时，常用的第一层反击板与板锤的间距为35 mm，即矿料从反击式破碎机进料口进入到下一层板锤与反击板后矿料被破碎为小于等于35 mm的颗粒；第二层反击板与板锤的间距为25 mm，即矿料进入到第二层破碎腔后被破碎为粒径小于等于25 mm的颗粒后排出[14-15].考虑到反击板与板锤间距对会影响集料的粒度，所以根据这个间距，以3 cm为调整幅度，仅设置四组，以保证集料的生产粒径及级配均在合理范围内.对应命名见表5.然后根据这四种间距分别生产出对应的安山岩集料，用AIMS测量其表观特性指标.

表5 反击破碎板间距对应安山岩集料名称单位：mm

2.2 改进后集料表观特性指标

将四个间距对应生产的安山岩集料的表观数据测量结果见表6.

表6 4.75～16 mm粒径安山岩表面纹理指数

安山岩存在的主要问题是表面纹理指数的不足，故选取较大表面纹理值对应间距作为最佳反击板与板锤间距.

因为一、二层反击板与板锤的间距为相同趋势变化，故以一层反击板与板锤间距为横轴，纹理指数为纵轴，绘制二者变化曲线见图2.

图2 各粒径纹理指数随反击板间距变化

由图2可知，随着反击板与板锤间距的增加，纹理指数的增加幅度为先增大后减小，且38 mm后纹理指数增加幅度很小，并且会带来针片状含量的增加.随着间距继续变化，部分振动筛上粒径偏粗，表明破碎机的破碎腔反击板与板锤之间的间隙过大.所以最终选定一、二层反击板与板锤间距38 mm、28 mm为最佳间距.

3 混合料性能验证

将改进后的安山岩集料按袁油石比4.2%及最佳油石比4.5%分别成型AC-25沥青混合料试件.将三组数据汇总见表7.

表7 安山岩AC-25C沥青混合料马歇尔试验结果

由表7可知，改进加工工艺后的安山岩集料用于混合料时，混合料整体性能有很大提升，其中稳定度、流值均高于改进之前.

当采用相同4.2%的油石比时，随着集料表面纹理的增大，集料间缝隙增大，矿料间隙率、空隙率均会增大，沥青饱和度也会降低，但此时表征高温稳定性的动稳定度已经提升8.9%，表征水稳定性的冻融劈裂抗拉强度比已经提升9.3%.

当改进后的安山岩集料采用最佳油石比时，对比改进工艺前的安山岩集料，由于表面纹理的增大，集料单位面积裹附的沥青增多，所以油石比增大；但空隙率及稳定度流值等一系列指标均获得提升，对比与改进加工工艺前的安山岩混合料，此时表征高温稳定性的动稳定度提升25.9%，表征水稳定性的冻融劈裂抗拉强度比提升14.5%.