貝雷法在SMA-13級(jí)配優(yōu)化設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)中的應(yīng)用研究

馬紅梅， 張新雨

(甘肅省交通科學(xué)研究院有限公司，甘肅省道路材料工程實(shí)驗(yàn)室， 甘肅 蘭州 730050)

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貝雷法在SMA-13級(jí)配優(yōu)化設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)中的應(yīng)用研究

馬紅梅， 張新雨

(甘肅省交通科學(xué)研究院有限公司，甘肅省道路材料工程實(shí)驗(yàn)室， 甘肅 蘭州 730050)

依托臨合高速公路工程項(xiàng)目，為了優(yōu)化上面層瀝青瑪蹄脂碎石混合料SMA — 13礦料級(jí)配，提高瀝青路面抗車轍性能、道路行車舒適性及安全性，以貝雷法級(jí)配設(shè)計(jì)理論為基礎(chǔ)，以0.075 mm篩孔通過率為最小關(guān)鍵控制篩孔，結(jié)合馬歇爾配合比設(shè)計(jì)法，提出了SMA — 13混合料級(jí)配檢驗(yàn)指標(biāo)及優(yōu)化方法，并對(duì)優(yōu)化后的級(jí)配進(jìn)行了貝雷參數(shù)和路用性能驗(yàn)證。研究表明：貝雷法可以很好的應(yīng)用于SMA — 13混合料級(jí)配優(yōu)化，采用貝雷參數(shù)、體積指標(biāo)和路用性能對(duì)SMA — 13混合料骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行三重檢驗(yàn)，可有效保證設(shè)計(jì)混合料的各項(xiàng)性能。

貝雷法; SMA; 級(jí)配設(shè)計(jì); 路用性能

1 概述

SMA瀝青瑪蹄脂碎石混合料是一種由粗集料的骨架嵌擠作用和瀝青膠結(jié)料的粘結(jié)裹覆作用形成的骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)混合料。SMA混合料由于其良好的耐久性、高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、抗滑性，在我國(guó)高等級(jí)瀝青路面的鋪筑過程中得到廣泛應(yīng)用，多用于重載、高溫區(qū)高速公路瀝青路面上面層。而根據(jù)已有研究成果，瀝青混合料的路用性能很大一部分是取決于礦料級(jí)配的，良好的級(jí)配是混合料形成強(qiáng)度，保證耐久性的基礎(chǔ)。因此，準(zhǔn)確地進(jìn)行混合料級(jí)配設(shè)計(jì)，是確保SMA混合料瀝青路面路用性能，尤其是抗車轍能力的前提。

目前，級(jí)配設(shè)計(jì)主要有2種思路： ①基于最大密度曲線的級(jí)配設(shè)計(jì)，該方法應(yīng)用廣泛。我國(guó)目前最常用的就是這種方法，但是由于該方法對(duì)集料的顆粒特性不予考慮，僅從集料的組成特性出發(fā)進(jìn)行礦料級(jí)配設(shè)計(jì)，使得混合料體積指標(biāo)較難控制； ②考慮集料體積特性的設(shè)計(jì)方法，以美國(guó)羅伯特·貝雷提出的貝雷法為典型代表。貝雷法是一種較為系統(tǒng)的瀝青混合料礦料級(jí)配設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)方法，可通過參數(shù)檢驗(yàn)、體積指標(biāo)和路用性能三方面來指導(dǎo)級(jí)配設(shè)計(jì)。貝雷法的主要設(shè)計(jì)理念是嵌擠理論，即集料相互嵌擠所產(chǎn)生的空隙由下一粒級(jí)的集料填充，以此類推。由貝雷法設(shè)計(jì)的混合料，可以形成良好的骨架結(jié)構(gòu)，從而具有較高的抗車轍性能，且細(xì)集料較為密實(shí)的填充了由粗集料產(chǎn)生的空隙從而使混合料具有良好的耐久性。貝雷法的設(shè)計(jì)理念與SMA混合料設(shè)計(jì)要求相一致。本文以依托工程上面層SMA — 13瀝青混合料為研究對(duì)象，在貝雷法的深入研究及運(yùn)用改善的基礎(chǔ)上，進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)及優(yōu)化，并結(jié)合馬歇爾法確定最佳瀝青用量，使最終設(shè)計(jì)的混合料各項(xiàng)路用性能均達(dá)到最佳。

2 貝雷法分析

2.1 貝雷法控制篩孔劃分

以粗集料形成的骨架作為瀝青混合料的主要承重載體，通過對(duì)不同粒徑集料進(jìn)行粗細(xì)料劃分并調(diào)整比例，按最佳比例進(jìn)行摻配是貝雷法級(jí)配優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要思想。該思想基于以下2點(diǎn)：

① 瀝青混合料的強(qiáng)度和抗車轍能力主要由粗集料形成的骨架結(jié)構(gòu)和填充空隙的集料提供；

② 通過合理的體積參數(shù)，包括空隙率、礦料間隙率等來保證瀝青混合料的耐久性。

我國(guó)現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范中將粗細(xì)集料的界限定為4.75 mm或2.36 mm。而貝雷法以公稱最大粒徑(NMPS)的0.22倍作為粗細(xì)集料的界限篩孔(PCS)，即粗細(xì)集料的界限篩孔根據(jù)NMPS的變化而不同。比例因子0.22并不是一個(gè)定值，研究表明，該因子在0.18～0.28之間對(duì)級(jí)配設(shè)計(jì)無明顯影響。對(duì)于界限篩孔以下的部分按照比例因子進(jìn)行進(jìn)一步的劃分，有第二控制篩孔(SCS=PCS)和第三控制篩孔(TCS=SCS)。同時(shí)，考慮到0.075 mm篩孔通過率對(duì)于SMA混合料礦粉摻量具有重要影響，是決定混合料耐久性的關(guān)鍵，在貝雷法各控制篩孔的基礎(chǔ)上，將0.075 mm篩孔作為最小關(guān)鍵控制篩孔。貝雷法各控制篩孔的取值采用“就近原則”，SMA — 13控制篩孔分界點(diǎn)的劃分結(jié)果見表1所示。

2.2 貝雷法檢驗(yàn)參數(shù)

貝雷法的主要控制參數(shù)有3個(gè)： 粗集料的粗料率CA值、細(xì)集料的粗料率FAc值和細(xì)集料的細(xì)料率FAf值。各值的計(jì)算見式(1)～式(3)。

(1)

(2)

(3)

式中：PNMPS/2、PPCS、PSCS、PTCS為合成級(jí)配在1/2公稱最大粒徑篩孔、關(guān)鍵控制篩孔、第二控制篩孔和第三控制篩孔的通過率。

從式(1)～式(3)可以看出: CA表征粗集料內(nèi)部顆粒組成結(jié)構(gòu)，F(xiàn)Ac、FAf值表征細(xì)集料內(nèi)部顆粒組成結(jié)構(gòu)。CA值過大時(shí)骨料很難形成骨架結(jié)構(gòu)，混合料壓實(shí)時(shí)容易推移；CA值過小時(shí)，混合料施工和易性不良。FAc值偏大，容易形成“駝峰”級(jí)配而導(dǎo)致混合料性能不良；FAc值過小，細(xì)集料中的偏粗顆粒產(chǎn)生的空隙不能完全填充，導(dǎo)致混合料空隙率和礦料間隙率偏大。FAf值用來評(píng)價(jià)細(xì)集料的填充特性，該值對(duì)混合料體積特性的影響同F(xiàn)Ac值類似。

由式(1)可知:PNMPS/2決定了粗集料顆粒間的均衡，但是，NMPS/2和PCS的計(jì)算值和最接近實(shí)際篩孔的偏差較大，會(huì)影響CA值的檢驗(yàn)效果。因此，本文采用篩孔通過率理論計(jì)算值進(jìn)行CA的計(jì)算。由于13.2型級(jí)配是我國(guó)特有的級(jí)配類型，借鑒美國(guó)12.5型級(jí)配篩孔及其研究成果，在進(jìn)行SMA— 13礦料級(jí)配CA值計(jì)算時(shí)NMPS/2取6.25 mm虛擬篩孔，6.25 mm篩孔的通過率采用式(4)進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)，參考美國(guó)19、12.5及9.5型級(jí)配貝雷參數(shù)建議值，推薦的13.2型級(jí)配貝雷參數(shù)范圍，見表2。

(P9.5-P4.75)

(4)

式中：P9.5、P6.25、P4.75分別為9.5 mm篩孔、6.25 mm篩孔和4.75 mm 篩孔通過百分率，%。

表2 13.2型級(jí)配貝雷參數(shù)建議范圍Table2 Baileyparametersrecommendedrangeofthe13.2graduation參數(shù)NMPS為13.2mmCA0.25～0.40FAc0.60～0.85FAf0.60～0.85

3 SMA-13配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 原材料指標(biāo)檢測(cè)

使用貝雷法優(yōu)化設(shè)計(jì)級(jí)配過程中所需集料相關(guān)密度見表3，松裝密度是集料在松裝狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量，干搗密度是集料在搗實(shí)狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量。各檔集料篩分結(jié)果見表4。

表3 集料密度值Table3 Densityoftheaggregate(g·cm-3)材料表觀相對(duì)密度毛體積相對(duì)密度松裝密度干搗密度粗料A2.9842.8911.9222.010粗料B2.9732.9201.9382.113細(xì)料2.7122.6091.805礦粉2.722

表4 各檔料篩分結(jié)果Table4 Separateresultsoftheaggregate篩孔/mm各篩孔通過率/%粗料A粗料B細(xì)料礦粉1610010010010013.294.11001001009.518.799.71001004.750.112.71001002.360.10.283.71001.180.10.149.51000.60.10.128.41000.30.10.118.71000.150.10.14.899.40.0750.00.00.482.4

3.2 貝雷法級(jí)配優(yōu)化設(shè)計(jì)及檢驗(yàn)

3.2.1 級(jí)配優(yōu)化設(shè)計(jì)

本文對(duì)臨合高速公路上面層SMA — 13混合料進(jìn)行貝雷法配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)。為了保證粗集料形成緊密的嵌擠結(jié)構(gòu)，粗集料的設(shè)計(jì)密度應(yīng)盡可能接近干搗密度。因此，本文設(shè)計(jì)密度取松裝密度的103%，=10.0%(規(guī)范規(guī)程設(shè)計(jì)級(jí)配范圍中值)。參考工地原有目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)結(jié)果，兩種粗集料按體積比55∶45混合。具體設(shè)計(jì)步驟如下：

① 初步計(jì)算粗細(xì)集料組成比例。

將粗集料A、B按照比例55∶45混合以后，每cm3體積內(nèi)各粗集料用量為：

集料A： 1.922×103%×55%=1.089 g；

集料B：1.938×103%×45%=0.898 g。

粗集料間隙率VCA為：

VCA=0.316；

假定粗集料形成的骨架空隙完全由細(xì)集料按干搗密度填充，則cm3體積內(nèi)所需細(xì)料為：

0.316×1.805=0.570，粗細(xì)料總量為：1.089+0.898+0.570=2.557 g。

粗細(xì)料初步組成為：

集料A： 1.089/2.557=42.6%；

集料B： 0.898/2.557=35.1%；

細(xì)料： 0.570/2.557=22.3%。

② 考慮粗料中含細(xì)集料和細(xì)料中含粗料影響對(duì)組成比例進(jìn)行初步調(diào)整。

粗料中所含細(xì)料為：

集料A： 42.6%×0.1%=0.04%(P2.36=0.1%)；

集料B： 32.4%×0.2%=0.07%(P2.36=0.2%)；

總量： 0.04%+0.07%=0.11%。

細(xì)料中所含粗料為：

22.3%(1-83.7%)=3.63%(P2.36=83.7%)。

對(duì)粗料進(jìn)行調(diào)整：

對(duì)細(xì)料進(jìn)行調(diào)整：

22.3%+3.63%-0.11%=25.8%。

③ 考慮0.075 mm篩孔通過率對(duì)集料比例進(jìn)行調(diào)整。

粗集料A、B中0.075 mm篩孔通過率為0，因此對(duì)粗集料比例不做調(diào)整。

細(xì)料：25.8%×0.4%=0.11%(P0.075=0.4%)；

可得所需礦粉為：(P0.075設(shè)計(jì)-P0.075合成)/P0.075礦粉=(10.0%-0.11%)/82.4%=12.1%；

細(xì)料調(diào)整為：25.8%-12.1%=13.7%。

對(duì)各檔料的計(jì)算比例進(jìn)行微調(diào)，并最終可得礦料級(jí)配為：集料A：集料B：細(xì)料：礦粉=41%：34%：13%：12%。最終合成的級(jí)配篩孔通過率見表5。

表5 貝雷法優(yōu)化設(shè)計(jì)合成級(jí)配Table5 Compositegraduationbythebaileymethod 篩孔優(yōu)化級(jí)配原級(jí)配篩孔優(yōu)化級(jí)配原級(jí)配161001001.1818.516.613.297.697.80.615.814.49.566.666.90.314.513.44.7529.427.40.1512.612.82.3623.020.70.0759.910.2

3.2.2 參數(shù)檢驗(yàn)

根據(jù)公式(1)～式(4)計(jì)算貝雷法CA、FAc、FAc參數(shù)值見表6。

表6 貝雷法參數(shù)檢驗(yàn)Table6 Parametrictestofthebaileymethod檢驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)值建議范圍CA0.370.25～0.40FAc0.690.60～0.85FAc0.800.60～0.85

各貝雷參數(shù)均在參數(shù)建議范圍內(nèi)，表明該級(jí)配形成了良好的骨架嵌擠結(jié)構(gòu)。

3.3 級(jí)配驗(yàn)證

本文在級(jí)配設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，采用馬歇爾法確定該級(jí)配的最佳瀝青用量，并就優(yōu)化級(jí)配及工地原有級(jí)配進(jìn)行相關(guān)的體積指標(biāo)及路用性能指標(biāo)檢驗(yàn)。瀝青結(jié)合料選用SBS改性瀝青，該瀝青與礦料粘附性好，經(jīng)檢測(cè)各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范JTGF40 — 2004中對(duì)SBSI — C的要求。馬歇爾試驗(yàn)體積指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果見表7所示。在最佳瀝青用量下分別進(jìn)行各項(xiàng)路用性能驗(yàn)證試驗(yàn)，判斷不同級(jí)配各項(xiàng)性能的優(yōu)劣。試驗(yàn)結(jié)果見表8。

表7 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果Table7 Theresultsofmarshall項(xiàng)目試驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)級(jí)配工地級(jí)配技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)最佳油石比5.35.4空隙率V/%4.04.23～5VMA/%17.116.8≥16.5VFA/%79.475.270～85穩(wěn)定度/kN10.29.3≥6流值/(0.1mm)2.123.542～5飛散損失/%2.74.5≤15析漏損失率/%0.030.03≤0.1

由表7可知: 貝雷法設(shè)計(jì)的級(jí)配較工地原級(jí)配有較小的空隙率、較高的穩(wěn)定性和較高的瀝青飽和度。表8的試驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的級(jí)配高溫穩(wěn)定性和抗水損害能力均優(yōu)于工地原有級(jí)配，低溫抗裂性能與工地原級(jí)配較為接近。綜合貝雷法參數(shù)、馬歇爾試驗(yàn)體積指標(biāo)結(jié)果及路用性能試驗(yàn)結(jié)果可知，采用貝雷法優(yōu)化設(shè)計(jì)的級(jí)配各項(xiàng)體積指標(biāo)都較為優(yōu)良。由此可知，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的級(jí)配確實(shí)起到了骨架嵌擠作用，從而使設(shè)計(jì)的混合料具有優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和抗水損害性能，大大提高了瀝青路面的耐久性。

表8 路用性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table8 Theresultoftheroadperformance試驗(yàn)項(xiàng)目試驗(yàn)指標(biāo)實(shí)測(cè)值優(yōu)化級(jí)配工地原級(jí)配技術(shù)要求車轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度/(次·mm-1)63525016凍融RT2/MPa0.740.67凍融劈裂試驗(yàn)未凍融RT1/MPa0.810.77抗拉強(qiáng)度比/%91.484.480馬歇爾穩(wěn)定度/kN10.29.3浸水馬歇爾試驗(yàn)浸水馬歇爾穩(wěn)定度/kN8.97.7殘留穩(wěn)定度/%87.582.880低溫彎曲試驗(yàn)最大破壞彎拉應(yīng)變()39583873≥2800

4 總結(jié)

① 貝雷法級(jí)配設(shè)計(jì)理念與SMA混合料的設(shè)計(jì)要求高度一致，采用貝雷法進(jìn)行SMA混合料級(jí)配設(shè)計(jì)可以更好的保證礦料的骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)。

② 采用篩孔通過率的計(jì)算值進(jìn)行貝雷參數(shù)的計(jì)算，可以減少因篩孔偏差造成的貝雷參數(shù)檢驗(yàn)效果的偏差；并借鑒國(guó)外貝雷法檢驗(yàn)參數(shù)的建議范圍，提出了SMA — 13型級(jí)配貝雷參數(shù)的合理范圍，對(duì)于貝雷法在SMA混合料級(jí)配設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)中的應(yīng)用起到控制和指導(dǎo)作用。

③ 采用貝雷參數(shù)、體積指標(biāo)和路用性能三重指標(biāo)進(jìn)行礦料級(jí)配的優(yōu)化設(shè)計(jì)與驗(yàn)證，從理論與實(shí)際的角度均保證了礦料級(jí)配嵌擠結(jié)構(gòu)的形成，使得設(shè)計(jì)的瀝青混合料具有非常優(yōu)良的路用性能。

④ 經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，采用貝雷法設(shè)計(jì)的混合料具有十分優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和抗水損害性能，大大提高了瀝青路面的耐久性。

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The Application of Bailey Method on SMA-13 Gradation Optimization Design and Test

MAHongmei， ZHANGXinyu

(Gansu Provincial Transportation Research Institute，Gansu Provincial Road Materials Engineering Laboratory，Lanzhou，Gansu 730050，China)

In order to optimizing the obove stone mastic asphal tmixes SMA-13 aggregate gradation，And improving asphalt pavement rutting resistance，road driving comfortable and safety，this paper relies on LinHe highway project，using 0.075 as the critical control sieve，basing on the Bailey method gradation and Marshall Mix Design theory，Proposed SMA-13 mixture gradation test indicators and Optimization，Also verify that the parameters and Bailey Road Performance of this method．it proved Bailey method can be good for SMA-13 mixture gradation optimization，the Bailey parameters，volume indicators and road performance triple test are effective for the SMA-13 mixture skeleton structure，which can effectively ensure that the design of the mix performance．

baileymethod; SMA; gradationdesign; roadperformance

2015 — 03 — 05

甘肅省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(1104GKCA026)

馬紅梅(1988 — )，女，甘肅臨夏人，工學(xué)碩士，主要從事道路方面的研究工作。

U 416.217

A

1674 — 0610(2016)05 — 0176 — 05