技术概述

粗集料磨耗试验是公路工程、铁路工程以及建筑材料领域中一项极为关键的材料物理性能检测项目。该试验的主要目的是通过模拟集料在施工过程中以及后续服役期间，受外界机械力作用而产生的磨耗、撞击和摩擦等破坏过程，来评定集料抵抗磨耗作用的能力。这种能力通常以磨耗率（也称磨耗损失率）来表征，是衡量石料坚固性、耐磨性以及适用性的核心指标。

在道路工程中，沥青混合料或水泥混凝土的面层骨料直接承受车辆轮胎的摩擦、冲击以及自然环境的风化作用。如果粗集料的耐磨性能不足，路面在通车后不久便会出现骨料破碎、表面剥落、抗滑性能下降等病害，严重影响道路的使用寿命和行车安全。因此，通过粗集料磨耗试验筛选出优质的石料，是保障基础设施工程质量的第一道关卡。

从技术原理上分析，粗集料磨耗试验依据不同的测试方法，主要分为洛杉矶磨耗试验和道瑞试验。其中，洛杉矶磨耗试验是目前国内外应用最为广泛的标准方法。其基本原理是将一定规格和质量的集料样品与标准钢球一同放入磨耗机滚筒内，在规定的转速下旋转规定次数。在此过程中，集料受到钢球的撞击、研磨以及集料之间的相互摩擦作用。试验结束后，通过筛分称重，计算小于某规定粒径的碎屑质量占原试样质量的百分比，即得到磨耗率。磨耗率越低，说明集料越坚硬、耐磨性能越好。

粗集料的磨耗值不仅反映了岩石本身的矿物成分、结晶构造和硬度，还间接反映了岩石的抗压强度和抗冲击性能。对于工程师而言，这项试验数据是路面结构设计、材料配合比设计以及料源选择的重要依据。随着现代交通流量的增加和轴载的加重，对粗集料耐磨性能的要求也日益提高，这使得粗集料磨耗试验的重要性愈发凸显。

检测样品

进行粗集料磨耗试验时，样品的制备过程严格遵循相关国家标准或行业规范，样品的代表性和制备质量直接决定试验结果的准确性。检测样品通常来源于采石场、碎石加工厂或施工现场的料堆。

在取样环节，检测人员需要按照随机取样的原则，从料堆的不同部位、不同深度抽取具有代表性的石料。样品运回实验室后，需经过烘干或风干处理，确保样品处于干燥状态，以排除水分对试验结果的干扰。

针对洛杉矶磨耗试验，样品的级配和粒径选择至关重要。根据《公路工程集料试验规程》（JTG 3432）等标准，通常根据工程实际使用的集料规格选择相应的粒级进行试验。最常用的粒级是4.75mm至13.2mm（或4.75mm至9.5mm）的粗集料。在某些特定标准中，也可能采用更大粒径的组合级配，如10mm至20mm与20mm至30mm的混合料。

样品制备的具体要求如下：

  • 筛分处理： 必须使用标准方孔筛对样品进行严格筛分，剔除超径和逊径颗粒，确保试验样品的粒径组成完全符合标准规定。
  • 清洗除尘： 筛分后的样品应进行清洗，去除粘附在石料表面的粉尘和杂质，然后置于温度为105℃±5℃的烘箱中烘干至恒重。
  • 称量质量： 根据所选用的试验方法标准（如A法、B法等），准确称取规定质量的试样，通常为5000g左右，精确至1g。
  • 外观检查： 检查样品中是否存在针片状颗粒含量过高的情况，因为在某些试验条件下，针片状颗粒极易破碎，从而显著增大磨耗值，导致结果失真。

样品的质量控制是试验成功的基础。如果样品中混有软弱颗粒或风化严重的石料，即使试验操作过程无误，得出的磨耗率也会偏高，反映出料源质量较差的真实情况。因此，在样品制备阶段，检测人员还需要对样品进行表观密度、吸水率等基础指标的观测，以便综合判断样品的物理状态。

检测项目

粗集料磨耗试验的核心检测项目即为“磨耗值”或“磨耗率”。该指标是以质量损失百分比的形式表示的数值，具体含义为集料在磨耗试验后，通过规定孔径筛子的细粉及碎屑质量占试验前集料总质量的百分比。

围绕这一核心指标，检测过程中涉及的参数和计算项目包括：

  • 试验前质量： 烘干后并符合粒级要求的集料试样的总质量，通常标记为m1。
  • 试验后质量： 经磨耗机旋转研磨后，留在规定孔径筛网（通常为1.7mm方孔筛）上的集料质量，标记为m2。
  • 磨耗损失质量： 即试验前后质量的差值，反映了被磨耗掉的部分。
  • 洛杉矶磨耗值（Q）： 计算公式为 Q = (m1 - m2) / m1 × 100%。该数值越小，代表集料越耐磨；数值越大，代表集料在摩擦和冲击作用下越容易破碎磨损。

除了核心的磨耗率数值外，在实际工程检测报告中，往往还需要结合以下关联项目进行综合评定：

1. 压碎值： 粗集料压碎值用于衡量集料在逐渐增加的荷载下抵抗压碎的能力。虽然与磨耗试验的受力机理不同，但两者存在一定的相关性。通常压碎值小的石料，其磨耗值也较小，反之亦然。这两个指标共同构成了评价粗集料力学性能的“双子星”。

2. 冲击值： 反映集料抵抗冲击荷载的能力，对于机场跑道、高等级公路沥青路面等承受冲击荷载较大的工程尤为重要。

3. 磨光值： 主要用于评价集料抵抗轮胎磨光作用的能力，直接关系到路面的抗滑性能。磨耗值主要关注质量损失，而磨光值关注的是表面纹理的耐久性。

4. 粘附性等级： 对于沥青混合料用集料，磨耗试验后的石料表面状态也值得观察，这关系到沥青与集料的结合能力。

在工程验收标准中，磨耗率通常设定有明确的阈值。例如，高速公路沥青路面表面层用粗集料的洛杉矶磨耗值一般要求不大于28%，有些高要求项目甚至要求不大于26%。如果检测结果超标，该批次集料将被判定为不合格，严禁用于主体工程。

检测方法

粗集料磨耗试验的标准检测方法主要以洛杉矶法为主，但在具体操作细节上，不同标准和工程需求会有所差异。以下详细介绍洛杉矶磨耗试验的标准操作流程及技术要点。

1. 方法原理与标准依据：

洛杉矶磨耗试验依据的主要标准包括《公路工程集料试验规程》（JTG 3432）、《建设用卵石、碎石》（GB/T 14685）以及美国ASTM C131/C535标准等。其核心原理是利用旋转的钢鼓和内部提升板，将钢球和集料提升至一定高度后落下，利用冲击和研磨作用使集料磨损。

2. 试验步骤详解：

（1）准备工作： 将准备好的试样和标准钢球洗净烘干。钢球的数量和总质量需严格按照标准规定配置。例如，对于常用的A级配（粒级4.75mm~13.2mm），通常使用12个钢球，总质量约为5000g±25g。

（2）装样： 将称量好的试样（m1）和钢球一同放入磨耗机的滚筒内。注意钢球应均匀分布，避免堆积在一侧。盖好滚筒盖板，确保紧固密封，防止试验过程中粉尘外泄或钢球飞出。

（3）设定参数： 设定磨耗机的旋转次数。标准规定旋转速度一般为30r/min~33r/min，总旋转次数通常为500转。对于质地较软的石料，有时会采用100转或200转进行试验，但在结果表示时需注明。

（4）启动试验： 启动设备，计数器开始工作。在运转过程中，滚筒内的叶板会不断将集料和钢球带起并抛落，产生强烈的冲击和摩擦。检测人员应关注设备运行状态，确保转速稳定、无异常震动。

（5）筛分与清洗： 达到规定转数后，机器自动停机。取出滚筒内的所有物料（集料和钢球）。先用孔径为1.7mm（或其他规定孔径）的筛子筛去细粉，然后将筛余的粗集料用水冲洗干净，以彻底去除粘附的石粉。注意收集冲洗过程中的细小颗粒，防止损失。

（6）烘干与称量： 将冲洗后的筛余集料置于105℃±5℃的烘箱中烘干至恒重，冷却至室温后称量其质量（m2）。

3. 结果计算与判定：

按照公式 Q = (m1 - m2) / m1 × 100% 计算磨耗值。通常需要进行两次平行试验，取算术平均值作为最终结果。如果两次结果的差值超过标准规定的允许误差（如2%），则需重新进行试验。

4. 其他检测方法——道瑞试验：

除了洛杉矶法，道瑞试验也是评价粗集料抗磨耗性能的重要方法，主要用于测定粗集料在道路表层受到轮胎磨损时的抗磨光能力，即测定集料的磨光值（PSV）。该方法通过特殊的加速磨光机，使用橡胶轮胎和金刚砂对集料试件进行磨光处理，然后用摆式摩擦系数测定仪测定磨光后的摩擦系数。道瑞试验更多用于评估路面抗滑性能，与洛杉矶试验侧重点不同，但在高等级路面工程中常配合使用。

检测仪器

粗集料磨耗试验所需的仪器设备属于专用的土木工程检测仪器，其精度和稳定性直接关系到试验数据的可靠性。主要的检测仪器及辅助设备如下：

1. 洛杉矶磨耗试验机：

这是该试验的核心设备。主要由滚筒、电机传动系统、计数控制器和机架组成。滚筒通常为钢制圆筒，内径约为710mm，内侧长度约为508mm，内部设有坚固的叶板（提升板），用于提升钢球和集料。优质的磨耗机应具备转速稳定、计数准确、自动停机、运转平稳低噪音等特点。滚筒内壁应平整光滑，无明显凹痕，叶板应可更换且安装牢固。

2. 标准钢球：

钢球是磨耗试验的研磨介质，一般采用耐磨的高碳钢或合金钢制成。标准钢球的直径通常在46.0mm至47.6mm之间，每个球的质量约为390g至445g。钢球表面应光滑无锈蚀，且总质量需定期校准，以确保试验条件的一致性。不同级配的试验可能要求不同数量的钢球。

3. 标准试验筛：

用于样品制备和试验后筛分。需要配备一套方孔筛，孔径包括31.5mm、26.5mm、19mm、16mm、13.2mm、9.5mm、4.75mm、2.36mm、1.7mm等。试验筛必须经过计量检定，符合国家标准要求，筛孔偏差应在允许范围内。

4. 电热鼓风干燥箱：

用于烘干样品。控温范围通常为室温至300℃，控温精度要求在±5℃以内。干燥箱应具备良好的鼓风系统，以保证箱内温度均匀，确保样品烘干彻底。

5. 电子天平：

用于称量样品质量。根据试验要求，天平的量程应不小于10kg，感量（分度值）应不大于1g，甚至更精确。天平需定期进行校准，确保称量准确。

6. 辅助工具：

  • 搪瓷盘、金属盘： 用于盛放样品、清洗样品。
  • 毛刷： 用于清理筛网和磨耗机内部的粉尘。
  • 卡尺： 用于测量钢球直径和检查集料粒径。

仪器设备的维护保养同样重要。试验结束后，应及时清理滚筒内的残余石粉，保持叶板和滚筒内壁光洁。钢球应清洗擦干后存放于干燥处，防止生锈导致质量变化。定期检查计数器的准确性以及传动皮带的张紧度，确保设备始终处于良好的工作状态。

应用领域

粗集料磨耗试验作为评价石料耐久性的关键手段，其应用领域十分广泛，涵盖了基础设施建设、交通工程、水利工程等多个方面。

1. 公路与道路工程：

这是粗集料磨耗试验最主要的应用领域。无论是沥青混凝土路面还是水泥混凝土路面，面层集料都必须具备良好的耐磨性能。在高速公路、一级公路的建设中，业主和监理单位对粗集料的磨耗值有着严格的控制标准。磨耗率低的石料能有效抵抗车辆轮胎的反复摩擦和冲击，保持路面平整度和构造深度，延长道路大修周期。此外，在基层、底基层施工中，虽然对磨耗要求相对较低，但对于防止集料在摊铺碾压过程中破碎也有一定的控制需求。

2. 铁路建设工程：

在高速铁路和普通铁路的道砟筛选中，磨耗试验是必检项目。铁路道砟长期承受列车动荷载的冲击、震动以及环境风化，如果耐磨性差，道砟极易粉化，导致道床板结、排水不畅，进而危及行车安全。因此，铁路行业标准对道砟的磨耗率有着明确且严格的限值要求，以确保铁路路基的稳定性和耐久性。

3. 桥梁与隧道工程：

桥梁的桥面铺装层、伸缩缝装置以及隧道的路面工程，同样需要使用耐磨性优良的粗集料。特别是在大跨度桥梁的钢桥面铺装中，对集料的抗磨耗性能要求极高，通常选用玄武岩、辉绿岩等硬度高、磨耗值低的优质石料。

4. 机场场道工程：

机场跑道的道面直接承受飞机起降时的巨大冲击力和轮胎摩擦力，且对道面的抗滑性能要求极高。因此，机场道面混凝土用粗集料必须通过严格的磨耗试验筛选。只有磨耗值合格的石料，才能保证跑道在长期服役中不出现剥落、坑槽等病害，确保飞行安全。

5. 水利水电工程：

在水利工程的大坝混凝土、溢洪道护面等部位，水流携带泥沙的冲刷磨损作用极强。这就要求混凝土骨料具有极强的抗磨蚀能力。通过粗集料磨耗试验，可以优选抗磨性能好的人工骨料或天然骨料，提高水工建筑物的抗冲磨性能。

6. 建筑石材开采与加工行业：

对于采石场和石材加工企业，磨耗试验是评价产品等级、确定销售定位的重要依据。矿山企业在开采新矿点时，必须先进行磨耗试验，以判断该矿体岩石是否具有开采价值和经济效益。磨耗率过高的岩石只能作为低档建材或废弃，而磨耗率低的岩石则可作为高价值商品销售给重点工程项目。

常见问题

在粗集料磨耗试验的实际操作、结果分析及应用过程中，技术人员和送检单位经常会遇到一些疑问。以下针对常见问题进行详细解答，有助于更准确地理解和运用该检测项目。

问：粗集料磨耗试验结果偏高（磨耗率大）的原因有哪些？

答：磨耗率偏高通常由以下几方面原因导致：

  • 岩石本身性质： 岩石硬度低、矿物成分不稳定、解理发育或存在风化现象。例如，石灰岩的磨耗率通常高于花岗岩和玄武岩。
  • 样品制备不当： 样品中针片状颗粒含量过高。针片状颗粒在磨耗过程中极易断裂破碎，导致质量损失增大。此外，样品含水率过高或含泥量过大也会影响结果。
  • 试验条件偏差： 钢球数量不足或质量不达标，导致冲击力不够，可能反而使研磨时间延长增加磨损；反之，若钢球过多或过大，冲击力过猛，也会导致集料过度破碎。另外，磨耗机转速过快或转数设置过多，也会人为增大磨耗值。
  • 操作失误： 试验后筛分时，冲洗不干净导致石粉残留被计入质量（导致结果偏低），或者冲洗时细小颗粒流失过多（导致结果偏高），以及称量读数错误等。

问：洛杉矶磨耗试验的平行试验误差允许范围是多少？

答：根据《公路工程集料试验规程》，通常要求两次平行试验结果的差值不应大于2%。如果差值超过此范围，说明试验过程可能存在不稳定因素，或者样品不均匀，需要重新取样进行试验，并取符合要求的平行试验结果的算术平均值作为最终报告值。

问：为什么不同标准（如国标与行标）对同一粒级的钢球配置要求不同？

答：不同标准体系是基于不同的工程背景和经验数据建立的。例如，公路工程标准更侧重于模拟车辆荷载对路用集料的破坏，其级配选择和钢球配置旨在模拟这种特定的工况。而建筑集料标准可能更关注一般混凝土的耐久性。因此，在进行检测时，必须明确委托方所依据的具体标准，严格按照该标准的规定配置钢球和设置转数。

问：磨耗试验中为什么要冲洗样品？

答：在试验结束后进行冲洗，是为了将磨耗产生的细小石粉与未被磨损的粗颗粒彻底分离。如果不冲洗，微细的石粉可能会粘附在粗颗粒表面，导致称量质量偏大，计算出的磨耗率偏小，掩盖了集料真实耐磨性能差的事实，从而给工程质量带来隐患。通过冲洗，能够真实反映出集料被磨损掉的质量。

问：如何降低粗集料的磨耗值？

答：对于工程应用方而言，降低磨耗值（提高耐磨性）主要从源头控制。首先，选择质地坚硬、致密的岩石种类，如玄武岩、辉绿岩、花岗岩等；其次，优化碎石加工工艺，减少针片状颗粒的产生，改善颗粒形状；再次，加强料源管理，剔除风化岩、泥块等杂质。对于料场而言，合理选择开采面，避开风化严重的矿层是关键措施。

问：磨耗值与压碎值有什么区别和联系？

答：两者都是评价粗集料力学性能的指标，但受力机理不同。磨耗值反映的是集料抵抗摩擦和冲击磨损的能力，侧重于动态的、长期的表面损耗和破碎；压碎值反映的是集料在静压力作用下抵抗压碎的能力，侧重于静态的抗压强度。一般而言，磨耗值大的石料，其压碎值通常也较大，两者呈正相关关系。在实际工程中，往往需要同时检测这两个指标，才能全面评价集料的力学特性。

问：试验后的钢球为什么会有质量损失？

答：在磨耗过程中，钢球与坚硬的集料相互撞击摩擦，钢球本身也会产生磨损，导致质量减小。因此，标准规定需定期（如每做若干次试验后）检查钢球的总质量。当钢球总质量损失超过规定范围（如累计损失达到一定克数）时，必须更换新钢球，以保证试验条件的标准化和结果的可比性。