国内外高速公路集料生产工艺、标准和管理探讨
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中国的高速公路经过20多年的飞速发展取得了令人瞩目的成果,通车里程从80年代的几百公里增加到2014年11.19万公里,通车里程居全球第一。但是这些成绩的背后也存在着许多的问题,由于公路建设速度过快,很多地方施工管理不到位,往往出现已经建成的高速公路出现通车不久就面临大修的情况,其中一部分是因为集料质量不符合规范引起的。特别是集料的生产工艺、设备和生产管理存在的问题尤为严重。

与国外相比,中国在集料的标准规范和生产质量控制方面有着很大的差距。国内的集料主要存在以下问题:1、集料规格不符合要求;2、针片状和粉尘含量超标;3、集料离析严重;4、供料不稳定。

沥青混凝土路面的工程质量很大程度上取决于集料是否规范。细集料质量稳定,不但能够保证工程质量,还可以减少沥青搅拌设备生产时的级配波动,提高搅拌设备的产量,进而减少生产过程中的能耗和有害气体的排放。因此公路集料质量控制的研究对沥青混凝土路面的施工质量意义重大。

1、集料加工设备与工艺

集料加工设备主要有振动给料机、鄂式破碎机、反击式破碎机或圆锥式破碎机、振动筛、给料机、皮带机和除尘设备等。设备工作原理和结构国外基本一致。

鄂式破碎机一般作为一级破碎用,主要有定鄂和动鄂两部分工作装置组成,通过动颚对定颚的周期性往复运动,对碎石进行挤压、揉搓、劈裂等多重破碎,使碎石由大变小,逐渐下落,直接从排料口排出。鄂式破碎机的优点结构简单、破碎比大、但生产的石料针片状含量较大,不能直接用于高速公路。

鄂式破碎机工作原理

圆锥式破碎机一般用于二级破碎,设备主要有2个同方向的圆锥体组成,工作时,定锥固定不动,动锥由电机通过皮带经传动轴带动,在偏心套的迫动下作旋摆运动,使物料在破碎腔内不断地受到冲击、挤压和弯曲的作用,从而达到物料破碎的目的。圆锥破碎机由于采用层压破碎原理,生产的碎石针片状石料较少,粒型较为均匀,料粒形状好,但缺点是调整和维修较为困难。

圆锥式破碎机工作原理

圆锥破碎机

反击式破碎机一般用作二级破碎或者三级破碎。通过装在转子上的反击板锤击石料并使石料和反击架碰撞进行破碎。石料进入板锤作用区时,与转子上的板锤撞击被破碎,接着又被抛向反击装置再次被破碎,然后又从反击板弹回板锤作用区。石料由大到小进入反击腔重复破碎,直到被破碎到所需粒度,由出料口排出。反击式破碎机的优点是可控制出料粒度,颗粒形状好,但在生产时粉尘较大。

反击式破碎机工作原理

反击式破碎机

对于碎石加工工艺,中国还没明确的标准要求。具体的加工流程视当地材料和施工要求而定,国内外通常采用二级或者三级加工工艺。

碎石生产线流程

对集料的加工管理,国内一些省份做了相应的研究,在江苏省制定的《高速公路施工标准化技术指南(路面工程)》规范中指出:“集料加工生产能力应满足工程需要。集料生产设备包括二次或二次以上破碎方式的碎石生产线(其中至少有一次采用反击式或者圆锥式破碎方式),除尘设备、振动喂料机和三层以上的振动筛。”规范还进一步明确了一级破碎宜采用鄂式破碎机,二级破碎机宜采用反击式破碎机,如集料针片状含量较高可采用冲击式破碎机整形。

圆锥破碎机在国内生产公路集料中使用较少,它主要用于破碎硬度较大的石料。1998年,陕西交通厅项目办投资600多万人民币在华县莲花寺引进芬兰诺德伯格生产的破碎设备,其工艺流程是“先碎后筛”的二级闭路系统,即一级破碎的石料全部进入圆锥破碎机进行二级破碎后,再进行成品料的筛分。一级破碎机选用诺德伯格C80R鄂式破碎机。二级破碎选用G158圆锥破碎机,进料粒度可达120mm,振动筛选用4层筛网,生产2.5-5mm、5-10mm和10-16mm的路面面层用石料。

并不是所有的破碎工艺都必须采用二级破碎,如合徐高速施工时,当地石料为石灰岩,施工单位经过分析论证,决定从石料厂采购大块石料,自己破碎加工,破碎工艺只采用一级破碎,破碎主机为反击式破碎机,振动筛为4层筛网,筛孔尺寸为22.5、15、9、5mm。在5个月的生产中,集料的优良率达到了95%以上。

目前高速公路所用的石料大多来源于社会上的小石料厂,这些厂家的生产工艺简单、设备简陋,石料质量难以满足施工规范要求。但石料市场是个卖方市场,为了解决石料供应和质量的矛盾,各地的施工管理单位相处了不少办法。江西吉莲高速提出了碎石材料市场准入制度的管理办法,要求碎石材料供应商必须经过领导审查合格并列入提供商准入名单后,方可为项目提供材料。吉莲高速建设办还对工艺流程、生产设备、生产能力、场地加工、规格等事项提出了要求,如路面基层碎石加工必须采用振动给料机,一级破碎用鄂式破碎机、二级和三级用反击式破碎机或冲击式整形破碎机,4层筛网以上的大面积振动筛、水洗料设备,布了。这样从制度上保证了碎石材料的品质。

2、集料加工标准与指标

对于混凝土路面,国内还没有出台一个单独的集料标准,仅在《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004中的4.8-4.10章节中提出对粗集料和细集料和填料的要求。于此对应的《公路工程集料试验规程》JTG42-2005给出了集料的取样、筛分等试验方法。国外则针对集料的不同用途制定了相应的集料标准。 中国《公路沥青路面施工技术规范》中关于对集料的技术 要求包括石料的压碎值、洛杉矶磨耗损失、表现相对密度、坚固性、吸水率、针片状含量和沥青的粘附性等。这些标准是针对每个集料而言的,选用的集料必须首先符合这些要求;但当单一规格集料的质量指标达不到要求,而按照集料配比计算的质量指标符合要求时,工程上也允许使用。

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表1 沥青混合用粗集料质量技术要求

高速公路、一级公路沥青路面表面层(磨耗层)的粗集料磨光值应符合表2的要求。除了SMA、OGFC路面外,允许在硬质粗集料中掺加部分粒径较小的磨光值达不到要求的粗集料,其最大掺加比例由磨光值试验确定。

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表2 粗集料与沥青的粘附性、磨光值的技术要求

破碎砾石应采用粒径大于50mm、含泥量不大于1%的砾石轧制,破碎面应符合表3的要求。

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表3 粗集料对破碎面的要求

细集料应洁净、干燥、无风化、无杂质,并有适当的颗粒级配,其质量应符合表4要求。

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表4 沥青混合料用细集料质量要求

国内和国外集料标准在粗集料的定义和级配要求上区别较大,中国是按公称粒径的大小将集料分为S1-S14各种规格,每种规格的集料对应着相应的筛分通过率。粗集料规格如表5。

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表5 沥青混合料用粗集料规格

欧盟关于道路用集料标准EN13043由下列部分组成:范围、引用指标、术语和定义、粗集料和细集料要求、填料要求、符合性评价、标示、标号与标签、附录。这与中国的集料规范类似。而欧盟混凝土集料标准EN12620和EN13043的不同之处在于把集料指标按几何要求、物理要求和化学要求进行划分,另外集料所提指标也有所不同。

EN13043S是用dID标示集料标号的,粗集料的定义是标号为D且粒度不大于45mm或标号为d的粒度不小于2mm的集料。可以看出欧洲的粗集料相当于中国的S4-S14的规格标准。EN13043要求所有的粗集料都应符合表6规定的与其粒度标号dID相对应的级配要求。

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表6 一般级配要求

对于级配的粗骨料,如果D≥2d,那么级配应符合中型筛的粗集料级配的总限值和公差要求,如表7。

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表7 中型筛的粗集料级配的总限值和公差

对于针片状含量,中国规范要求其在12%-20%的范围内,大小视公路等级要求而定,EN13043要求在15%-50%的范围内。对于粗集料,EN13043的标准取消了压碎值这个力学指标,改为洛杉矶磨耗值以及冲击值,且冲击值的试验方法与国内不同。中国却特别注重压碎值,压碎值是以前英国标准BS812中的方法,考虑到冲击值和磨光值有较好的相关性,所以中国在《公路沥青路面施工技术规范》中对冲击值不再做要求。集料的棱角性、细长颗粒、安定性和有害物质含量等只作为一般性的指标,没有太多的要求。集料的粘附性指标是中国特有的,国外一般没有,只要求沥青混合料满足水稳定性指标即可,粘附性仅仅作为初选集料品种的参考性指标。

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