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标题 国内外道路集料生产工艺、标准和管理探讨
范文 谢立扬+谢诗元



0 引言
中国的高速公路经过30多年的建设，取得了令人瞩目的成果，通车里程由80年代的几百公里，增加到2014年的11.19万公里，通车里程位居全球第一。但是，在这些成绩背后也存在许多问题，由于公路建设速度过快，很多地方施工管理不到位，往往会出现已建成的高速公路通车不久就面临大修的现象，其中相当一部分问题是由于集料质量不符合规范而引起的。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及生产质量控制方面有相当大的差距。国内集料存在的问题主要集中在以下几个方面：集料规格不符合要求；针片状和粉尘含量超标；集料离析严重；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。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、颚式破碎机、反击式破碎机或圆锥破碎机、振动筛、给料皮带和除尘设备等。设备的工作原理和结构国内外基本一致。
颚式破碎机一般作为一级破碎用，主要由定颚和动颚两部分工作装置组成，通过动颚对定颚周期性的往复运动，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，直至从排料口排出。颚式破碎机的优点是结构简单、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。其工作原理见图1。
圆锥破碎机一般用于第二级破碎，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受到冲击、挤压和弯曲作用，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，粒级较为均匀，料粒形状较好，但缺点是调整和维修较为困难。其工作原理见图2。
反击破碎机可作为破碎系统的二级或三级破碎使用。通过装在转子上的反击板锤击石料并使石料与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，直至被破碎到所需粒度，由出料口排出。反击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。其工作原理见图3。
对于碎石的加工工艺，中国还没有明确的标准要求。具体的加工流程视当地材料和施工要求而定，国内外通常都采用二级或三级加工工艺，工艺流程见图4。
对集料的加工管理，国内一些省份做了相应的研究，广东交通厅立项的《沥青路面配套关键技术研究》课题将沥青路面集料标准化加工技术作为一个子项目研究，成果在7个项目中应用，并取得成功。在江苏省制定的《高速公路施工标准化技术指南（路面工程）》规范中提出：“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或圆锥式破碎方式）、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颚式破碎机，二级破碎宜采用反击破碎机，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了芬兰诺德伯格生产的破碎设备，其工艺流程是“先碎后筛”的二级破碎闭路系统，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。一级破碎选用诺德伯格C80R颚式破碎机，二级破碎选用G158圆锥破碎机，进料粒度可达120 mm，振动筛选用4层筛网，生产2.5～5mm、 5～10 mm和10～16 mm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，破碎工艺只采用了一级破碎，破碎主机为反击式破碎机，振动筛选择了4层筛网，筛孔尺寸定为22.5、15、9、5 mm。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，各地的施工管理部门想出了不少办法。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业主审查合格并列入供应商准入名单后，方可为项目供应材料。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、一级破碎用颚式破碎机、二级和三级用反击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、布袋除尘设备，并根据碎石加工规格，统一推荐了筛网的尺寸。这样从制度上保证了碎石材料的品质。
2 集料加工标准和指标
对于混凝土路面，国内目前还没有出台一个单独的集料标准，仅是在《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、细集料和填料的要求。与此对应的《公路工程集料试验规程》JTG 42—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，如在欧洲国家道路施工采用的 《Aggregtes for bituminous mixtures and surface treaments for roads、airfields and other traffficked areas》（EN13043：2002）、《Aggregtes for concrete》（EN12620：2002A1-2008）、EN13242：2002等欧盟标准，还相应地制订了EN933等32个集料指标的试验方法标准，但国内与国外所要求的技术指标基本相同。
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、表观相对密度、坚固性、吸水率、针片状含量和与沥青的粘附性等。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。
中国《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40—2004对粗集料规定的技术指标见表1。
高速公路、一级公路沥青路面表面层（或磨耗层）的粗集料磨光值应符合表2的要求。除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。
破碎砾石应采用粒径大于50 mm、含泥量不大于1%的砾石轧制，破碎面应符合表3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的规定。对于细集料的洁净程度，天然砂以小于0.075 mm含量的百分数表示，石屑和机制砂以砂当量（适用于0～4.75 mm）或亚甲蓝值（适用于0～2.36 mm或0～0.15 mm）表示。
国内与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成S1～S14各种规格，每种规格的集料对应着相应的筛分通过百分率。粗集料规格见表5。
美国Superpave规范中集料的特性包括粗集料的棱角性、细集料的棱角性、扁平与细长颗粒以及粘土含量。Superpave也规定“集料标准不是针对个别集料而是针对集料混合料的，只要综合的指标合格，也容许在工程上使用。”因为对针片状颗粒含量、砂当量等指标，有的集料规格难以达到要求，有的则容易符合要求，因此工程上允许采用按实际比例配制的集料混合料评价这些指标是否合格。
欧盟关于道路用集料标准EN13043由下列部分组成：范围、引用标准、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与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。
EN13043是用d/D标示集料标号的，粗集料的定义是标号为D且粒度不大于45 mm或标号为d且粒度不小于2 mm的集料。可以看出欧洲的粗集料相当于中国S4～S14规格标准。EN13043要求所有的粗集料都应符合表6中规定的与其粒度标号d/D相应的级配要求。
对于级配的粗集料，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所示。
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。对粗集料，EN13043标准取消了压碎值这个力学指标，改为洛杉矶磨耗值及冲击值，且冲击值的试验方法与国内不同。中国却特别重视压碎值，压碎值是以前英国标准BS812中的方法，考虑到冲击值与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》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，也没有太多的要求。 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。
3 集料的生产管理
对于沥青层用粗集料，中国还没有出台相应的集料质量管理方法，仅是在规范中提出：高速公路和一级公路不得使用筛选砾石和矿渣；粗、细集料必须由具有生产许可证的采石场生产或施工单位加工。
相比之下，国外在标准中对集料的来源、标示、检验及生产控制有着明确的要求，在准EN13043和EN12620中有专门“符合性评价”、“标示”、“标号和标签”3个条款对生产商进行约束。
在 “符合性评价”条款中明确要求：生产商对集料应进行初始形式试验和工厂生产控制，以确保所生产的集料符合欧洲标准要求，且在必要时须符合申报值；另外，应对生产所造成的环境影响进行试验评估，所有的试验结果还会归档。
“符合性评价”条款中的 “工厂生产控制”还要求生产商在生产场地建立一套符合附录要求的工厂生产控制系统，生产商持有的记录中应声明在集料生产过程中采取了何种质量控制程序。
在欧盟国家实施的集料工厂生产控制管理体系有以下要求。
（1）组织。规定了从事管理、实施和检查影响质量的工作人员的职责、权限及他们之间的关系，以及工厂控制的管理者代表和管理评审。
（2）控制程序。要求生产商建立并保存工厂控制手册，制定程序，满足工厂生产的工作要求，特别要对文件资料、分包合同和原材料进行控制。
（3）生产管理。规定了生产商应有识别和控制材料的程序；识别和控制有害材料的程序，以保证它们不超过使用集料地方所要求的限制底线；应有材料的储存程序，并且储存地址和内容已被识别；应有程序保证从仓库提取的材料质量没有下降，符合要求；应能识别产品的产地和型号。
（4）检查和试验。要求生产商有必要的生产设施和设备，对集料检查、取样、试验的频次和位置作出要求。
（5）记录。应当记录工厂生产控制的结果，包括采样地址、日期和时间及与集料试验相关的其他信息。
（6）不合格品控制。生产商应当记录、调查所有的不合格品，必要时采取纠正措施。
（7）在生产区的运输、储存和调整。生产商应做必要的安排，以保证在搬运和储存期间集料的质量。
（8）运输和包装。应当识别存储和交货的责任范围；如果集料有包装，所使用的包装方法不应污染和降低集料的品质。
（9）人员培训。应对有关人员进行培训，并保存培训记录。
在“标示”条款中，要求注明集料的来源、生产商、集料类型、集料成分和集料尺寸，如果需要，还应注明所依据的标准和特殊用途。在“标号和标签”条款中，要求交货单据至少包含以下内容：标号、发货日期、单据序号和欧洲标准编号。
由此可以看出，国外在集料的加工、试验和生产控制等环节已形成了一套完整、成熟的操作流程，从法规、制度上保证了集料生产的质量；而在中国，由于国情不同，对于集料的加工及控制尚处于摸索研究阶段，因此亟须公路管理部门尽早出一台系列的集料标准，以便指导公路建设单位和施工单位。
4 结语
集料的质量是影响沥青路面质量的主要因素之一，由于各种原因，中国还没有形成一套完整的关于路面集料的生产管理规范。本文针对目前集料生产管理粗放、集料质量不能满足规范要求等现象，论述了集料加工工艺和必须的加工设备，列举了国内外集料标准的差异，并阐述了欧洲EN13043、EN12620标准有关集料生产控制方面的条款，期望国内相关部门能借鉴国外的先进管理理念，提高国内集料的管理水平，确保公路施工质量。
参考文献：
[1] JTG F40—2004， 公路沥青路面施工技术规范[S].
[2] JTG 42—2005公路工程集料试验规程[S].
[3] EN13043：2002 Aggregtes for bituminous mixtures and surface treaments for roads 、airfields and other traffficked areas[S].
[4] EN12620：2002A1-2008， Aggregtes for concrete[S].
[5] 高 磊.路面碎石质量的控制方法[J].北方交通，2011（1）：19 -21.
[6] 任永利.刘 涛，梁锡三.沥青路面集料加工质量控制[J].长安大学学报：自然科学版，2008，28
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[7] 董 昱，袁卓亚.路用二级破碎石料生产实践和思考[J].筑路机械与施工机械化，2001，18（5）：
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[8] 陈泰浩，刘 涛.用传统方法加工的集料质量评价[J]，公路交通技术，2007（2）：32-36.
[9] 刘光榆.提高碎石加工质量的有效方法[J].筑路机械与施工机械化，2004，21（5）：54-56.
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更新时间：2024/12/22 23:14:33