承担骨架作用的小粒径集料压碎值试验方法研究

李展望,霍晓东,王 皓,武建民

(1.陕西省交通规划设计研究院有限公司，陕西 西安 710065；2.山西交通技师学院，山西 太古 030800；3.长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西 西安 710064；4.中交建冀交高速公路投资发展有限公司，河北 石家庄 050000)

0 引言

目前我国与澳大利亚现行规范中采用压碎值指标来评价集料在荷载作用下的抗压碎能力，将其视为重要的原材料控制指标。而世界上其他国家多采用洛杉矶磨耗值反映粗集料的这项性能[1-3]。我国目前所使用的粗集料压碎值试验方法(T 0316—2005)，同样也是参照了澳大利亚的方法。对于压碎值试验中集料粒径的选择，由于到目前表面层多用公称最大粒径13.2 mm的粗集料，所以《公路工程集料试验规程》(JTG E42—2005)规定试样选用9.5～13.2 mm粒径范围集料，压碎后用2.36 mm筛孔过筛[4]。

细粒式沥青混合料，例如Novachip、微表处及SMA-5等，在高速公路养护中得到广泛应用[5-6]，其所用集料最大公称粒径往往为4.75～9.5 mm，粒径为2.36～4.75 mm的碎石作为此类沥青混合料中的粗集料，承担骨架作用以抵抗行车荷载[7-8]，承受较大的荷载应力作用。但由于这类集料粒径较小，不符合规程中的粗集料压碎值试验方法要求。而规程中对2.36～4.75 mm粒径的集料压碎值试验是将其作为细集料进行考虑的，即这类细集料用于填充骨架结构之间的空隙，承受荷载应力较小。如果用细集料压碎指标的试验方法评价这类小粒径骨架集料的抗压碎能力，则存在试验中的受力状态与其实际工作情况不符的情况，因而不能正确评价其抵抗压碎能力。当前各级公路的养护和预防性养护工程中，大量的薄层罩面、微表处材料在进行组成设计施工中[9]，需要对小粒径骨架集料的压碎值进行合理评价。

本文通过对比分析粗集料压碎值与细集料压碎指标的试验方法，对3种2.36～4.75 mm集料分别进行了相应的压碎试验，提出了一种用于评价细粒式沥青混合料中起骨架作用的小粒径集料抵抗压碎能力的试验方法。

1 现行粗、细集料压碎值试验方法对比

现行《公路工程集料试验规程》中粗、细集料压碎试验方法进行对比如表1所示。

表1 粗集料压碎值试验与细集料压碎指标试验对比

由表1可知，两种试验方法中，不仅试样质量不同，其加载压力和加载方式更是有着显著的差异，这主要是由于两种方法的测试对象分别是沥青混合料中承担不同功能的两种集料。粗集料压碎值试验是针对在混合料中承担骨架功能的集料，而细集料压碎指标试验则是针对在沥青混合料中作为填充部分的集料[10-11]。

粗集料压碎值试验中，采用的是9.5～13.2 mm粒径的集料，而本文的研究对象是用于细粒式沥青混合料中的2.36～4.75 mm的小粒径集料。采用相同试验方法，会导致测试结果与同料源的9.5～13.2 mm粒径的集料偏差较大的原因为：①同样质量下小粒径集料比表面积大，同样加载条件下，加载时受力较小；②小粒径集料加工过程中产生的破碎颗粒多，针片状含量高；③试验结束后采用2.36 mm筛孔过筛计算压碎值，对于小粒径集料显然不合理。因此考虑改变试样质量和加载方式对2.36～4.75 mm集料进行加载测试，使单颗集料承受较大的受力，以表征其在细粒式沥青混合料中作为骨架颗粒的工作特性，并在试验结束后分别采用不同筛孔进行过筛，计算相应的压碎值，由此确定一种适合于评价承担骨架作用的小粒径集料抵抗压碎能力的试验方法。

2 试验方法设计

试验采用2.36～4.75 mm粒径的不同针片状含量的玄武岩，分别编号为玄武岩1#和玄武岩2#，以及一种石灰岩作为试验试样，其中玄武岩1#针片状含量较低，为8.9%；玄武岩2#针片状含量较高，为31.0%；石灰岩的针片状含量为9.1%。粗集料压碎值试验要求采用9.5～13.2 mm粒径的集料，而本文所研究的主要是2.36～4.75 mm粒径的集料。基于前述①的考虑，采用不同的集料质量和加载方式对其进行压碎值试验，并对结果进行分析，以寻求一种适宜试验评价方法。故在参照标准粗集料压碎值试验方法(T0316—2005)(以下简称T0316)的基础上，设计了以下4种试验方法：

a.试验方法A：对3种集料均采用T 0316方法进行试验。

b.试验方法B：只改变试样质量，3种试样质量均采用T0316方法中要求质量的1/4，除此之外，均与T0316方法相同。

c.试验方法C：同时改变试样质量和加载方式及加载大小。3种试样质量均采用T0316方法中要求质量的1/4，加载总荷载由400 kN减小为200 kN，施加荷载时间仍为10 min，其余试验步骤与T0316方法相同。

d.试验方法D：不改变试样质量，加载总荷载由400 kN减小为200 kN，施加荷载时间仍为10 min，除此之外，均与T0316方法相同。

4种试验卸载后，分别对压碎的试样采用2.36、1.18、0.6 mm标准筛进行筛分。

3 试验结果分析

3.1 粗、细集料压碎值测试结果

本文首先对2.36～4.75 mm的玄武岩1#和2#及石灰岩进行了上述3种方法的压碎值试验，其试验结果如表2所示。

表2 不同集料压碎值测试结果

同时，对与玄武岩1#相同料源的、针片状含量较低的粒径为9.5～13.2 mm的玄武岩以及石灰岩采用标准的粗集料压碎值实验方法进行测试，结果如表3所示。

表3 粗集料标准压碎值试验结果

此外，对粒径2.36～4.75 mm的玄武岩1#、玄武岩2#和石灰岩，按照T 0350—2005分别进行细集料压碎指标试验，结果如表4所示。

表4 细集料压碎指标试验结果

3.2 压碎值测试方法比较分析

试验方法A中过2.36 mm筛孔的压碎值均大于表3中同类型的粗集料的压碎值，最小的是玄武岩1#，为26.2%；石灰岩压碎值最大，为32.0%。这是由于在相同试验条件下，集料粒径较小，且采用相对较大的2.36 mm筛孔进行压碎值试验后的筛分，导致过筛的质量较大，压碎值偏大。因此，对于细粒式混合料中承担骨架作用的小粒径集料，现行压碎值试验方法与标准不能合理评价其抗压碎能力。

试验方法B将试样的质量减小到1/4进行试验，从表2可知，3种试样分别过相应筛孔所得的压碎值更大。过2.36 mm筛，玄武岩1#为30.1%，玄武岩2#为31.6%，石灰岩为39.2%；过1.18 mm筛，压碎值均在19%以上，即使通过较小的0.6 mm的筛，3试样的压碎值也均在11.0%以上。由此可见，在只减少试样的质量，而其他试验条件不变的情况下，单颗集料承受的压力增加，从而被压碎更多。

试验方法C不仅将试样的质量减少到1/4，并且将加载压力减小至200 kN。由于改变了加载压力，而使压碎值相对减小。过2.36 mm筛，3种试样的压碎值在21.1%～26.0%之间，与表3结果相比仍然较大。过1.18 mm筛，玄武岩1#压碎值为9.9%，石灰岩为12.1%，与粗集料标准压碎值试验(见表3)9.6%和12.5%相当，玄武岩2#的压碎值介于两者之间。

试验方法D中试样的质量不变，仅加载压力减小至200 kN。由于同样数量的集料承担较小的压力，从而使压碎值显著减小。过各档筛孔的压碎值均小于方法C的结果。

根据4种试验方法得到的结果可知，玄武岩1#的压碎值最小，玄武岩2#次之，石灰岩压碎值最大。这是由于玄武岩1#的针片状含量为8.9%，而玄武岩2#的针片状含量为31.0%，说明对同类岩石来说，压碎值与针片状含量密切相关[12-13]。对于石灰岩而言，虽针片状含量为9.1%，与玄武岩1#相当，但其压碎值均大于玄武岩1#、2#，这是由于石灰岩的岩性和矿物组成不同于玄武岩，自身强度较差，故压碎值最大。从石灰岩比玄武岩1#和玄武岩2#的压碎值大的多可知，相较于集料自身的棱角特性，集料的岩石种类对压碎值影响更大[14-15]。

由表4细集料压碎指标试验结果可知，其与前述4种试验方法所得结果具有相同的规律，但由于荷载大小仅为25 kN，故压碎值比较小，原因在于该方法针对在混合料中起填充作用而非骨架作用的集料。但在Novachip、微表处等细粒式沥青混合料中，2.36～4.75 mm这档集料形成混合料中骨架，承受荷载作用力更大，故细集料压碎指标的试验条件不符合该档集料承受荷载的实际情况，因此不能用来评价其抗压碎的能力。与粗集料标准压碎值试验结果对比，玄武岩1#的压碎值小了4.6个百分点，而石灰岩的压碎值反而大了1.4个百分点。这也表明采用细集料压碎指标试验方法评价承担骨架作用的小粒径集料的抗压碎能力，存在显著的偏差。

4 小粒径骨架集料压碎值试验方法的确定

4.1 试验方法的确定

确定小粒径骨架集料压碎值试验方法的基本出发点是该方法的试验结果应与标准试验方法(同类型的集料在更大公称粒径混合料中充当粗集料时)的压碎值试验结果相当或较为接近。分析上述4种试验方法得到的结果，可以看出，对于承担骨架作用的小粒径集料进行压碎值试验，有两处试验条件需要改进：一是要确保小粒径集料承受合理的压力，可以通过改变试样的数量和压力大小来实现；二是压碎后的试样应采用小于该档集料粒径的筛孔进行筛分，以1.18 m或0.6 mm为宜。否则会由于通过率过高，造成压碎值偏大。具体分析如下：

试验方法A与试验方法B相比，区别仅在于集料质量不同。采用试验方法A，玄武岩1#和石灰岩通过1.18 mm筛孔所得压碎值，与T0316方法试验结果(见表3)数据相比偏大。试验方法B由于两种试样质量减少，单个集料承担的压力增大，而使所得压碎值与T0316方法试验结果相差更大。通过0.6 mm筛孔计算得到的压碎值，也均与T0316方法试验结果相差较大。由此可知试验方法A、B均不能准确评价混合料中起骨架作用的集料抵抗压碎的能力。

试验方法C中，不仅试样采用T0316方法中要求质量的1/4，并且将施加的荷载减小到200 kN，由表2中过1.18 mm标准筛试验数据可知，玄武岩1#压碎值为9.9%，与粗集料压碎值试验所得玄武岩1#的压碎值9.6%相当。石灰岩同样如此，采用试验方法C所得压碎值为12.1%，与粗集料标准压碎值试验所得压碎值12.5%相当。而方法D由于只减小荷载应力，集料数量不变，意味着单颗集料所承担的荷载应力显著降低，由此导致压碎值显著减小，亦无法合理评价其抗压碎能力。

因此，建议将设计的压碎值试验方法C用于评价细粒式沥青混合料中承担骨架作用的小粒径粗集料的抗压碎能力，并采用1.18 mm筛孔筛分压碎试验后的试样以计算压碎值。

4.2 试验步骤

上述压碎值试验方法C的主要试验步骤如下：

a.称量T0316方法中要求质量1/4的试样，一次性倒入试筒中，并用金属棒插捣25次，使其表面整平。

b.将试样放置于压力机上进行加载，在10 min时总荷载达到200 kN。

c.稳压5 s卸载，随即将试样从压力机取下。

d.取出筒内试样，用1.18 mm标准筛进行筛分。

e.称取通过1.18 mm筛孔的全部集料质量。

f.计算压碎值。

5 结论

a.对于细粒式沥青混合料中，2.36～4.75 mm粒径集料承担骨架作用，现行试验规程中的粗集料压碎值试验方法，不能合理评价其抗压碎能力。而细集料压碎指标试验方法不符合细粒式沥青混合料中该档集料承受荷载的实际情况，因此不能用来评价其抗压碎的能力。

b.在粗集料压碎值试验的基础上，提出了适用于Novachip、微表处等细粒式沥青混合料中，承担骨架作用的2.36～4.75 mm粒径集料的压碎值试验方法。试样质量按照T0316方法中要求质量的1/4确定，加载条件为10 min达到200 kN，稳压5 s然后卸载，然后用1.18 mm标准筛对试样进行筛分，进而测定该类承担骨架作用的小粒径集料的压碎值。