應(yīng)用貝雷法進(jìn)行大粒徑瀝青混合料級配組成設(shè)計(jì)

李曉梅 馬琳

摘要：貝雷法是通過確定不同的粗集料選取密度形成不同的集料骨架結(jié)構(gòu)，進(jìn)行集料級配設(shè)計(jì)；運(yùn)用三個(gè)比例參數(shù)CA 比、FAc比及FAf比評價(jià)合成級配，使設(shè)計(jì)的混合料具有較好的抗車轍性能和耐久性。本文通過貝雷法設(shè)計(jì)大粒徑瀝青混合料級配的實(shí)踐，簡要的介紹了貝雷法設(shè)計(jì)級配的方法、步驟，總結(jié)了用貝雷法設(shè)計(jì)大粒徑瀝青混合料級配時(shí)有關(guān)參數(shù)值的確定和應(yīng)該注意的問題。

關(guān)鍵詞：貝雷法大粒徑粗集料選取密度 級配設(shè)計(jì)CA比FAc比FAf比K值

中圖分類號：S611文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：

傳統(tǒng)的瀝青混合料級配設(shè)計(jì)通常是依據(jù)已有的經(jīng)驗(yàn)，通過試配－修正－試配的過程來確定礦料級配，使設(shè)計(jì)的礦質(zhì)混合料形成適宜的空隙結(jié)構(gòu)。采用這種方法很難設(shè)計(jì)出理想的粗集料嵌擠,并且它也不能適用于各種瀝青混合料。貝雷法最初是由伊利諾伊州交通部的材料工程師Robert Bailey先生提出的，其主體思想是以形成的集料骨架作為混合料的承重主體，使設(shè)計(jì)的混合料能提供較高的抗車轍性能，同時(shí)通過調(diào)整粗細(xì)集料的比例，獲得合適的VMA以保證設(shè)計(jì)混合料具有耐久性。通過不斷總結(jié)，貝雷法中提出了用于評價(jià)級配的一系列參數(shù)，這些參數(shù)直接和VMA、空隙率和壓實(shí)性能相關(guān)，有助于更好地理解集料級配與混合料中空隙體積的關(guān)系，也為設(shè)計(jì)合成級配提供了一套工具。貝雷法現(xiàn)已可應(yīng)用于各種最大粒徑的密級配瀝青混合料及SMA,而且適用于任何一種混合料設(shè)計(jì)方法，包括Superpave、馬歇爾設(shè)計(jì)法、維姆設(shè)計(jì)法等。

1．貝雷設(shè)計(jì)法簡介

1.1． 基本概念

貝雷法主要是基于以下基本概念來闡明集料級配與瀝青混合料體積特性之間的關(guān)系的。

1.1.1．集料的嵌擠與填充

空隙率是混合料設(shè)計(jì)中的重要指標(biāo)，不同的集料嵌擠與填充情況會(huì)形成不同的空隙，它主要依賴于壓實(shí)方法與壓實(shí)功的大小、集料顆粒形狀、表面紋理、粒徑分布及顆粒強(qiáng)度等。貝雷法中按集料的嵌擠與填充情況，將密級配瀝青混合料分為粗級配和細(xì)級配兩種類型。

1.1.2．粗、細(xì)集料的定義

在貝雷法中，粗細(xì)集料定義不同于傳統(tǒng)的劃分方法，其定義如下：

粗集料：置于單位體積中能產(chǎn)生空隙的大集料顆粒；

細(xì)集料：能填充由粗集料產(chǎn)生的空隙的集料顆粒；

從上面的定義可以看出，粗細(xì)集料的劃分是相對的，也是相輔相成的，粗細(xì)集料的分界點(diǎn)是隨公稱最大粒徑而變化的。貝雷法中粗細(xì)集料的分界篩孔稱為第一控制篩孔，可按照下式確定：

PCS＝NMPS×0.22

式中：PCS － 第一控制篩孔尺寸（Primary Control Sieve）；

NMPS － 公稱最大粒徑

式中的0.22因子是按照下列方法確定的。當(dāng)集料顆粒全為圓形時(shí)，達(dá)到嵌擠狀態(tài)的第一控制篩孔尺寸與公稱最大粒徑之比為0.155；當(dāng)集料顆粒全為方形時(shí)，這個(gè)比值為0.289。由于集料顆粒不可能全為圓形和方形，因此取二者的均值0.22為比例因子。

1.1.3．粗集料選取密度（即設(shè)計(jì)密度）

為了得到期望的集料骨架結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)者應(yīng)選取設(shè)計(jì)級配中粗集料的適宜密度，從而確定粗集料的用量。確定粗集料選取密度時(shí)，必須考慮混合料是細(xì)級配還是粗級配。理論上，松裝密度是粗集料形成骨架結(jié)構(gòu)的下限，是粗級配混合料與細(xì)級配混合料的分界點(diǎn)；而干搗密度通常被看作是密級配瀝青混合料中粗集料形成骨架嵌擠結(jié)構(gòu)的上限，其值約為松裝密度的110％以上，兩者的關(guān)系如圖1示。

圖1選擇密度含義

粗集料選取密度按松裝密度的百分率計(jì)。對粗級配混合料，粗集料選取密度一般取松裝密度的95％至105%，但應(yīng)避免大于105％，以減小集料的破碎和現(xiàn)場壓實(shí)的難度。對細(xì)級配混合料，選取密度應(yīng)小于松裝密度的90％。應(yīng)注意的一點(diǎn)是，對密級配混合料，建議粗集料選取密度不要采用松裝密度的90％至95％，因?yàn)檫@個(gè)范圍的混合料粗集料骨架結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，現(xiàn)場的變異性較大，當(dāng)然，這也不是絕對的，還應(yīng)充分考慮集料本身的性質(zhì)和細(xì)集料所能起的骨架作用，如針片狀、顆粒形狀、集料表面紋理等。

1.2．檢驗(yàn)級配的有關(guān)參數(shù)

用貝雷法設(shè)計(jì)而成的合成級配，應(yīng)進(jìn)行有關(guān)參數(shù)的計(jì)算和分析，以確定級配是否達(dá)到設(shè)計(jì)意圖。

分析是將合成級配分成三個(gè)部分：第一部分是合成級配的粗集料部分，即最大粒徑與PCS之間的集料；合成集料的細(xì)集料又被分成粗、細(xì)兩個(gè)部分，其分界點(diǎn)稱為第二控制篩孔（SCS），且SCS=PCS×0.22；細(xì)料的細(xì)部同樣被再分一次，以第三控制篩（TCS）作為分界點(diǎn)，且TCS=SCS×0.22。合成集料的劃分如圖2所示：

圖2級配的分析

對合成級配用CA、FAc及FAf三個(gè)參數(shù)進(jìn)行分析后，再計(jì)算合成級配骨架穩(wěn)定度K值，用以分析合成級配是否形成骨架結(jié)構(gòu)。這些參數(shù)發(fā)生變化，將引起瀝青混合料的體積特性、施工特性以及使用性能的變化。

①.CA比

即為粗集料比，該參數(shù)用于評價(jià)礦料中粗集料的含量、分布的均勻性和分析空隙特征。計(jì)算公式如下：

式中：PD/2－粒徑為D/2（D為公稱最大粒徑）的通過率，％；

PPCS－第一控制篩孔的通過率，％

CA比對瀝青混合料的體積特性有重要影響，它反映了粗集料中大粒徑顆粒與D/2～PCS粒徑顆粒之間的均衡關(guān)系，這種均衡關(guān)系將影響混合料的壓實(shí)特性和路用性能。CA比增大，混合料的空隙率和VMA將相應(yīng)增大。

當(dāng)CA比接近1.0時(shí)，會(huì)因粗集料中D/2～PCS粒徑顆粒含量過大而使混合料在施工中難于壓實(shí)，且因粗集料顆粒之間容易產(chǎn)生移動(dòng)而不易嵌擠成型。當(dāng)CA比大于1.0時(shí)，D/2～PCS粒徑顆粒將控制粗集料的骨架結(jié)構(gòu)形成，而較大粒徑的粗集料則懸浮于其中。

CA比隨公稱最大粒徑的不同而有不同的取值范圍要求。

②.FAc比

把細(xì)集料重新視為一混合料，并將其分成粗、細(xì)兩個(gè)部分，細(xì)集料中粗料部分形成的空隙由細(xì)料部分進(jìn)行填充。FAc就是用來反映細(xì)集料中粗料部分與細(xì)料部分的嵌擠、填充情況，計(jì)算公式如下：

式中：PSCS－第二控制篩孔的通過率，％

FAc值增大，表明細(xì)集料中起填充作用的細(xì)料部分比例增大，從而使細(xì)集料形成更為緊密的結(jié)構(gòu)。國內(nèi)外有關(guān)研究認(rèn)為，F(xiàn)Ac值應(yīng)小于0.50，如果大于0.50表明混合料中含有過量的砂，在0.45次方級配曲線圖上將出現(xiàn)“駝峰”，這是應(yīng)該避免的。如果FAc比低于0.35，則表明合成級配不均勻，在0.45次方級配圖上呈凹狀，這種級配可能存在壓實(shí)問題。FAc值對混合料的VMA有很大影響，隨其值的減小VMA將不斷增大。

③.FAf比

反映了合成集料中最細(xì)一級的嵌擠情況。FAf（Fine Portion of Fine Aggregate）反映了合成集料中最細(xì)一級的嵌擠情況，計(jì)算公式如下：

式中：PTCS－第三控制篩孔的通過率，％

與FAc比類似， 其值影響混合料的體積特性。一般VMA值隨其減小而增大。對于一般的密級配瀝青混合料，國內(nèi)外研究也認(rèn)為FAf比也應(yīng)小于0.50。

④．骨架穩(wěn)定度比k

反映了合成級配中設(shè)計(jì)級配骨架密度與松堆密度的關(guān)系，計(jì)算公式如下：

= +

上式中：共有n檔粗集料，m檔細(xì)集料， 代表最終礦料中第i檔粗集料的用量為 %, 代表礦料中第i檔細(xì)集料的用量為 %， 代表第i檔粗集料的松裝密度， 代表第i檔粗集料的毛體積密度， 代表第i檔細(xì)集料的干搗密度，K代表松裝密度的修正百分比比值即骨架穩(wěn)定度比。