移动破碎路边孤石在山区公路底基层中的应用

李泓韦，徐文远，解世林，程 维

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨 150040)

0 引言

大多数山区公路改扩建工程都会受到地理和自然环境因素的影响，山体土层中含有大量尺寸不一的孤石，因此路基的施工过程中会挖除很多孤石;孤石随意丢弃在修建公路的两侧，既影响公路周边的景观，又会对车辆的行驶安全造成影响。如何合理处理路边遗留和开挖山体所产生的孤石，就成了山区公路施工中亟需解决的问题。

国内外学者对类似问题做了不少研究［1-3］，如卢晓东等对利用大型移动破碎机剥离和开采露天矿山技术进行了分析;陈琳研究了水泥混凝土板破碎稳固技术，这种技术多使用在水泥混凝土路面“白改黑”工程上，先采用冲击压实技术对达到使用期限的路面板进行破碎稳固处理，再加铺沥青面层;吕智英等将国外成熟的再生骨料生产的模式、分级分类情况及骨料的强化手段作为研究对象，对混凝土再生骨料的研究动态与发展趋势进行了研究。建筑垃圾破碎的生产工艺主要是通过使用破碎筛分机将建筑垃圾进行处理，并设置人工或机械设备去除杂质，制备再生骨料。公路作为线状施工作业面，操作范围狭窄，特别是在山区公路，受地形因素的影响更为明显，路边孤石不是集中堆放，而是分散在路边几十公里甚至上百公里的线路上，所以移动式破碎筛分技术恰好可以适应这种应用环境。

本文依托三莫公路亚雪段改扩建工程，对移动破碎生产的碎石和料场生产的碎石进行对比，并通过基础试验和强度试验的数据分析，确定移动破碎生产的碎石是否满足施工需要，同时对2种不同方式生产的骨料进行技术经济分析。

1 试验

亚雪公路属于二级公路改扩建工程，面层为沥青混凝土路面，为了验证路边孤石经过移动破碎站破碎成不同规格碎石后能否满足公路路面施工的要求，对移动破碎站生产的碎石和传统料场机械生产的碎石进行基础性试验，包括含泥量试验、针片状颗粒含量试验。在基础指标满足施工需要的基础上，重点考察骨料是否满足公路底基层施工的需求，通过对破碎后孤石材料的压碎值试验，确定其是否具备用于公路基层的路用性能。

1.1 原材料

水泥采用P·O42.5普通硅酸盐水泥，生产地为牡丹江温春;石屑砂当量为50%左右，产自红星石场;碎石采用移动破碎筛分设备和料场生产的各尺寸碎石骨料;试验室用水均为自来水。

1.1.1 碎石骨料性能

选取3种粒径的料场破碎和移动破碎生产的碎石骨料进行物理力学试验和颗粒参数分析，对比2种骨料的不同之处，并验证移动破碎生产出来的骨料是否能够满足公路基层施工的技术要求。

在对材料进行配合比设计之前，先检测破碎后的孤石和料场生产的碎石的基础性能指标，并依据规范《建设用卵石、碎石》(GB/T 14685—2011)对2种材料进行评价。

(1)含泥量。选取不同尺寸的料场破碎碎石和移动破碎碎石骨料进行含泥量试验，结果如表1、图1所示。

表1 含泥量对比

《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)规定粗集料含泥量指标应该小于1.0%，含泥量过大会造成集料对沥青的黏附性降低，也会对混合料的水稳定性和高温稳定性产生影响。从图1可以看出，料场生产的不同尺寸的粗集料含泥量平均值在1.5%左右，而移动破碎站生产的粗集料含泥量的平均值在0.7%左右，料场生产的骨料不满足沥青路面面层施工的需要。

图1 碎石含泥量曲线

查阅规范《建设用卵石、碎石》(GB/T 14685—2011)可知，料场生产的碎石属于三类碎石，而在施工现场破碎孤石后的集料属于二类碎石。移动破碎碎石的含泥量比料场生产碎石的含泥量要低。

通常在碎石骨料的正常生产环节，无论是料场破碎还是现场破碎，碎石的含泥量几乎可以忽略不计，集料的含泥量变化主要是发生在堆积及运输环节上。没有良好的降尘措施就会使碎石骨料表面包裹细小的颗粒，造成含泥量偏大，但是基本上含泥量不会有显著上升。相同尺寸下，料场生产的碎石在试验环节含泥量要更大一些，主要是因为料场到施工现场有一定的距离，汽车运送距离远，路途中有过多灰尘附着在骨料表面。大粒径的孤石经过初次破碎后会放置一段时间再进行二次破碎，轻微风化和灰尘会进行筛除，而且现场距离工地料场较近，能够被及时利用，所以含泥量会低一些。

所以，在粗集料含泥量这项指标上，孤石破碎后的骨料适用于路面施工的各个结构层。

(2)针片状颗粒含量。选取不同尺寸的料场破碎碎石和移动破碎碎石骨料进行针片状颗粒含量试验，结果如表2、图2所示。《

表2 针片状颗粒含量对比

图2 碎石针片状颗粒含量曲线

公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)中规定，集料针片状颗粒含量在高速及一级路面设计中不大于15%，在其他等级路面设计中不大于18%。亚雪公路属于二级公路，依据图2，移动破碎生产的碎石原则上满足面层施工的要求，但是由于亚雪公路在实际中按照高等级公路的标准建设，而移动破碎的针片状含量接近于临界状态，当针片状颗粒含量超过10%后，会影响混合料的压实度，对抗剪强度产生影响，而且针片状颗粒含量越高，沥青混合料的高温稳定性和水稳定性越差。

分析表2、图2可知，粒径越大，移动破碎碎石的针片状颗粒含量越少。这是因为移动式破碎设备的筛分少，破碎也不如料场细致，所以生产出的碎石粒径越小，针片状颗粒含量就越大。

针片状颗粒含量涉及到粗集料的粒形因素，混合料中集料之间相互作用，局部范围内的针状或片状颗粒由于规格的限制，无法较好地与其他材料相互配合，从而影响材料的整体性［4-6］。所以，集料的粒形、骨料间的空隙率都是影响混合料强度的重要因素。

综上所述，尽管破碎后的孤石骨料针片状颗粒含量满足沥青路面施工的标准，但是不建议使用到沥青混合料中，为了确保安全，可将其利用到基层或底基层施工中。

1.1.2 路用性能试验

公路各结构层集料的路用指标如表3所示，对底基层仅需要考察压碎值是否达到标准的要求［7］。

表3 集料的路用指标要求

压碎指标是判断集料能否使用于公路底基层施工的重要指标，选取料场破碎和移动破碎碎石进行压碎指标试验，结果如表4、图3所示。

对比发现，料场生产的碎石和移动破碎生产出的碎石压碎指标有显著的不同，但两者压碎指标均小于30%，满足公路底基层施工的要求。

表4 两种碎石的压碎指标

图3 压碎指标曲线

移动破碎生产的碎石压碎指标的平均值比料场生产的碎石要大5%左右，说明路边遗留的孤石强度不如山上开采的碎石强度大。造成这种情况的原因可能是孤石长期遗留在道路两侧，受自然环境因素的影响较大。

根据《建筑用卵石、碎石》(GB/T 14685—2011)做压碎值指标试验时，要筛除小于9.5 mm和大于19.0 mm的碎石，并去除针片状颗粒，所以从两者压碎指标的对比可以看出，料场生产的粗集料的强度要比路边孤石大。根据压碎指标，料场生产的碎石属于二类碎石，移动破碎生产的碎石属于三类碎石，两者均满足二级公路底基层施工的要求。

1.2 试验方案

参照《公路工程无机结合料稳定类材料试验规程》(JTG E51—2009)，在相同的配合比下采用重型击实法确定2种材料的最大干密度和最佳含水量;根据所确定的最大干密度和最佳含水量，按照静压成型法分别成型圆柱形试件，采用无侧限应变测试仪进行无侧限抗压强度试验。

2 试验结果与分析

2.1 击实特性

通过不同水泥含量下的混合料击实试验，确定最佳水泥用量为5.5%左右，同时通过试验数据确定2种情况下无机结合料的最大干密度和最佳含水率，如表5、6所示。

表5 移动破碎击实试验数据

表6 料场生产击实试验数据

根据2种碎石击实试验数据，绘制最大干密度和最佳含水率曲线，如图4所示。

图4 最佳含水率和最大干密度曲线

由图4可以看出:在进行击实试验时，混合料最佳含水率为5.5%左右，此时移动破碎碎石的最大干密度为2.33 g·cm－3，料场破碎碎石的最大干密度为2.34 g·cm－3，两者差别不大，且均满足《公路工程无机结合料稳定试验规程》(JTG E51—2009)的要求。

造成这种情况可能是由于移动破碎站破碎的不精细，骨料中针片状颗粒过多，干扰混合料结合的紧密程度，造成在最佳含水率和最大干密度上稍微差一些，但是仍在可控制的范围内 。

2.2 无侧限抗压强度

选用最佳含水率和最大干密度的不同骨料混合料制作圆柱体试件，养生后进行无侧限抗压强度试验，试验结果见表7、8。

表7 料场破碎试件无侧限抗压强度试验结果

对比2种不同骨料混合料的无侧限抗压强度发现，料厂生产骨料的混合料抗压强度为2.8 MPa，移动破碎孤石骨料的混合料抗压强度为2.5 MPa，孤石破碎后的骨料在抗压强度上相对较弱一些。

表8 移动破碎试件无侧限抗压强度试验结果

3 技术经济性分析

碎石采购和运输的大概费用如表9所示。

表9 碎石采购与运输费用

采用不同的移动破碎方式生产相同工程量的碎石，其成本见表 10、11［14-17］。

表10 移动破碎成本

表11 采用预破碎成本

对比移动破碎筛分技术和采购料生产的碎石费用金额可以发现，为了生产8 680 m3适用于底基层的碎石骨料，通过料场进行碎石采购和运输的费用为120余万元，而采用不同的移动破碎方法生产这些碎石所需的费用在60万元左右。因此移动式破碎设备在山区公路底基层的修建中体现出更好的经济性［18-20］。

4 结语

山区公路在施工过程中会因为地形位置等原因造成交通运输不便，而公路修建需要大量材料，在运输成本和施工时间上会制约工程的进度。本文依托的亚雪公路处在山岭重丘区，道路两侧和山体中遗留有不少孤石，通过引入移动式破碎站可以有效缓解运输费用和时间问题，同时山区可以充分利用自身的优势达到就地取材的目的。

通过含泥量、针片状颗粒含量、压碎指标试验可以发现，移动式破碎站生产的碎石骨料基本满足公路底基层施工的需要，其混合料的强度也满足要求;而在技术经济性方面，移动破碎的碎石相比于料场生产的碎石更经济合理。

在国内，移动破碎设备在公路施工中的应用还处在起步阶段，而这种生产碎石的方式非常适用于受地形和环境等因素影响很大的施工环境，值得进一步推广应用。

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