貝雷法在花崗巖SMA-13 混合料級(jí)配設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

■賴曉龍 謝鳳翔

（1.福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南平 353000；2.南平市成功瀝青混凝土有限公司，南平 353000）

花崗巖作為一種典型的酸性石料，對(duì)于原材料豐富地區(qū)，在使用抗剝落劑的情況下用于瀝青混凝土，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益[1]。 要取得較好的路用性能，瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)是技術(shù)關(guān)鍵，包括選擇礦料種類、礦料級(jí)配、瀝青類型及等級(jí)、確定瀝青用量和混合料密度等。 其中，礦料的級(jí)配選擇是使瀝青混合料取得最大密實(shí)度和優(yōu)良骨架嵌擠效果的最好保證[2]。 貝雷法作為檢驗(yàn)瀝青混合料是否形成骨架嵌擠效果的一種有效方法，廣泛用于礦料的級(jí)配設(shè)計(jì)及級(jí)配優(yōu)化上。 馬紅梅等[3]、路楊[4]通過(guò)各檔集料篩分結(jié)果及體積參數(shù)指標(biāo)，計(jì)算其摻加比例，并通過(guò)路用性能檢驗(yàn)， 證明貝雷法在SMA 混合料級(jí)配中能取得良好的骨架結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的路用性能。 崔文博等[5]對(duì)SMA-16 的相關(guān)規(guī)范推薦級(jí)配進(jìn)行貝雷法參數(shù)計(jì)算分析， 提出機(jī)場(chǎng)SMA-16 混合料優(yōu)化級(jí)配范圍，優(yōu)化了機(jī)場(chǎng)SMA 混合料的設(shè)計(jì)方法。 本研究以花崗巖粗集料為研究對(duì)象，利用貝雷法設(shè)計(jì)理念進(jìn)行花崗巖SMA-13 混合料級(jí)配的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期花崗巖在SMA瀝青混合料設(shè)計(jì)及使用中有更好的借鑒作用。

1 貝雷法設(shè)計(jì)原理簡(jiǎn)介

貝雷法是一套系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)級(jí)配的方法[6]，以第一控制篩孔（PCS）即公稱最大粒徑（NMPS）的0.18～0.28 倍劃分粗細(xì)集料，通常取NMPS 的0.22倍。對(duì)于細(xì)集料，又作進(jìn)一步的劃分，即第二控制篩孔（SCS）和第三控制篩孔（TCS），其篩孔的大小通過(guò)公式SCS=PCS×0.22，TCS=SCS×0.22 求得。因此，對(duì)于SMA-13 混合料， 取NMPS 為13.2mm，PCS 為2.36mm，SCS 為0.6 mm，TCS 為0.15 mm。

為確保瀝青混合料的體積指標(biāo)符合相關(guān)規(guī)范的要求，在驗(yàn)證瀝青混合料的粗細(xì)集料能否形成良好的嵌擠與填充時(shí)，貝雷法提出3 個(gè)參數(shù)對(duì)其進(jìn)行分析[7]，即粗集料比CA、細(xì)集料粗比FAc和細(xì)集料細(xì)比FAf。 其中CA 比表征級(jí)配的粗集料內(nèi)部的比例組成，直接影響瀝青混合料的嵌擠效果及其體積特性。CA 比過(guò)大，混合料因粗集料之間容易形成干涉，產(chǎn)生推移，在施工中較難壓實(shí)；CA 比過(guò)小，混合料的粗細(xì)集料容易產(chǎn)生離析而不利于施工中的空隙率控制。FAc表征細(xì)集料內(nèi)部的比例組成，將細(xì)集料劃分為細(xì)集料粗料部分和細(xì)集料細(xì)料部分，細(xì)集料粗料的空隙將由細(xì)集料細(xì)料來(lái)填充和嵌擠。 FAf表征細(xì)集料中最小一級(jí)的嵌擠情況。 FAc和FAf的大小直接影響體積參數(shù)VMA 的值，一般來(lái)說(shuō)，F(xiàn)Ac和FAf的比值減小，體積參數(shù)VMA 將不斷增大。 采用貝雷法設(shè)計(jì)SMA-13 混合料時(shí)，3 個(gè)參數(shù)計(jì)算公式和推薦范圍見(jiàn)表1。

表1 SMA-13 貝雷法設(shè)計(jì)3 個(gè)參數(shù)計(jì)算公式和推薦范圍

2 原材料性質(zhì)分析

2.1 集料性質(zhì)及其篩分結(jié)果

花崗巖粗集料來(lái)自南平順昌某碎石料廠，分CA#1（10～15 mm）和CA#2（5～10 mm）兩種規(guī)格，質(zhì)地堅(jiān)硬，表面粗糙，其性能檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。 細(xì)集料采用三明尤溪某石料場(chǎng)的石灰?guī)r石屑，規(guī)格FA（0～3 mm），礦粉采用石灰石礦粉，細(xì)集料和礦粉性能檢驗(yàn)結(jié)果均符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTJ F40-2004）的要求。 對(duì)粗集料、細(xì)集料和礦粉進(jìn)行篩分，測(cè)定各檔集料的密度值，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表3～4。

表2 花崗巖粗集料性能檢驗(yàn)結(jié)果

表3 花崗巖各檔集料密度值（單位：g/cm3）

表4 花崗巖各級(jí)礦料篩分結(jié)果

2.2 其他材料性質(zhì)

瀝青采用的是廈門某公司生產(chǎn)的SBS 改性瀝青（I-D 類），其性能檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。 抗剝落劑采用重慶某公司生產(chǎn)的AR-I 型瀝青抗剝落劑，固體，外觀為黃色或棕黃色，無(wú)異味；具備抗水剝離能力強(qiáng)，有較高的熱穩(wěn)定性（分解溫度>350℃），能直接加入熱熔（160℃～170℃）瀝青中。 添加量為瀝青含量的0.4%。 添加抗剝落劑的瀝青，采用水煮法檢驗(yàn)改性瀝青與花崗巖粗集料的黏附性，黏附等級(jí)為5 級(jí)。纖維采用LT-M 木質(zhì)素纖維，質(zhì)量較好，添加量為瀝青混合料重量的0.3%。

表5 SBS 改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

3 花崗巖SMA-13 混合料級(jí)配設(shè)計(jì)

3.1 貝雷法確定混合料級(jí)配

在應(yīng)用貝雷法設(shè)計(jì)新級(jí)配或驗(yàn)證已有級(jí)配時(shí)，都必須選取密度來(lái)檢驗(yàn)粗骨架是否形成，這樣才能設(shè)計(jì)出好的級(jí)配。 擬定設(shè)計(jì)密度為松裝密度的103%，P0.075=10.0%，設(shè)計(jì)空隙率V=4.0%，按照工程經(jīng)驗(yàn)設(shè)置CA#1與CA#2的比例為65∶35。 根據(jù)規(guī)范[8]及文獻(xiàn)資料[9]提供的計(jì)算方法，以及集料的篩分結(jié)果和密度指標(biāo)， 通過(guò)計(jì)算求得CA#1∶CA#2∶FA∶MF 的比例為41∶24∶24∶11，其合成級(jí)配見(jiàn)表6。計(jì)算混合料級(jí)配的貝雷參數(shù)，粗集料比CA 為0.36，細(xì)集料粗比FAc為0.65，細(xì)集料細(xì)比FAf為0.69，均在參數(shù)建議范圍內(nèi)，表明該級(jí)配已形成良好的骨架嵌擠結(jié)構(gòu)。

3.2 馬歇爾法確定混合料級(jí)配

為驗(yàn)證貝雷法在花崗巖SMA-13 混合料級(jí)配設(shè)計(jì)的優(yōu)劣性，也采用馬歇爾設(shè)計(jì)體系進(jìn)行花崗巖SMA-13 瀝青混合料的礦料組成設(shè)計(jì)。先確定花崗巖SMA-13 混合料的4.75 mm 篩孔通過(guò)率分別是23.8%、27.3%、30.8%， 分別測(cè)定3 種級(jí)配的間隙率VCADRC。雙面擊實(shí)50 次制作試件，測(cè)定VV、VMA、VFA 及VCAmix等指標(biāo)。 在混合料指標(biāo)滿足技術(shù)要求的基礎(chǔ)上確定級(jí)配， 最終求得CA#1∶CA#2∶FA∶MF 的比例為45∶29∶14∶12。

兩種設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的合成級(jí)配見(jiàn)表6， 級(jí)配曲線見(jiàn)圖1。由表6 和圖1 可見(jiàn)，馬歇爾法級(jí)配曲線和規(guī)范推薦級(jí)配的中值接近，集料的粗細(xì)比例滿足規(guī)范的要求。而貝雷法級(jí)配曲線中的0.6～4.75 mm 篩孔的通過(guò)率接近或高于推薦級(jí)配的上限值，表明粒徑0.6 ～4.75 mm 的集料比規(guī)范值較少；0.075～0.6 mm篩孔及4.75～13.2 mm 篩孔的通過(guò)率在推薦級(jí)配的上限值和下限值之間，滿足規(guī)范的要求。 不論是以2.36 mm 或以4.75 mm 為粗細(xì)集料分界點(diǎn)的關(guān)鍵篩孔，貝雷法級(jí)配曲線比馬歇爾法級(jí)配曲線的通過(guò)率都要高一些。 總體來(lái)說(shuō)，貝雷法級(jí)配比馬歇爾法級(jí)配更偏細(xì)一些。

圖1 花崗巖SMA-16 混合料合成級(jí)配曲線

3.3 兩種級(jí)配的馬歇爾試驗(yàn)

對(duì)兩種級(jí)配進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)， 確定最佳油石比。 在確定最佳油石比的馬歇爾試驗(yàn)中，初試瀝青含量很重要。 不同的初始瀝青用量下馬歇爾試件的密度有所差異，這種差異會(huì)影響粗集料骨架間隙率VCAmix的準(zhǔn)確性，從而使骨架標(biāo)準(zhǔn)判據(jù)VCAmix≤VCADRC失真。 為減少試驗(yàn)工作量，有必要對(duì)花崗巖SMA-13 混合料的兩種級(jí)配進(jìn)行瀝青用量預(yù)估。 采用文獻(xiàn)[10]提供的最佳瀝青含量估算方法，計(jì)算得到貝雷法級(jí)配的初試瀝青含量為5.82%， 油石比為6.18%；馬歇爾法級(jí)配的初試瀝青含量為5.71%，油石比為6.06%。以此估算值為中值，上下浮動(dòng)0.3%，進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)。 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

由表7 可知， 以空隙率4.0%為目標(biāo)空隙率確定兩級(jí)配的最佳油石比， 貝雷法級(jí)配為6.13%，馬歇爾法級(jí)配為6.10%，兩者相差不大。 但是，就馬歇爾穩(wěn)定度來(lái)說(shuō)，貝雷法級(jí)配為11.22 kN，馬歇爾法級(jí)配為10.14 kN，提高了10.65%，說(shuō)明貝雷法級(jí)配比馬歇爾級(jí)配取得更優(yōu)良的穩(wěn)定性能。

4 花崗巖SMA-13 混合料路用性能檢驗(yàn)

花崗巖作為酸性石料用于瀝青混凝土?xí)r，應(yīng)進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)分析其抗水損害性能，進(jìn)行車轍試驗(yàn)分析其高溫穩(wěn)定性能，進(jìn)行低溫彎曲試驗(yàn)分析其低溫抗裂性能。 在兩組級(jí)配最佳油石比條件下其路用性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 花崗巖SMA-13 混合料路用性能試驗(yàn)結(jié)果

由表8 可知，貝雷法級(jí)配與馬歇爾級(jí)配的花崗巖SMA-13 混合料各項(xiàng)路用性能數(shù)據(jù)結(jié)果相比，在浸水馬歇爾試驗(yàn)中，殘留穩(wěn)定度提高了7.8%；在凍融劈裂試驗(yàn)中，抗拉強(qiáng)度比提高了8.0%；在車轍試驗(yàn)中，動(dòng)穩(wěn)定次數(shù)提高了34.69%；在低溫彎曲試驗(yàn)中，最大破壞彎拉應(yīng)變提高了4.5%。 由此可知，貝雷法級(jí)配較馬歇爾法級(jí)配的花崗巖SMA-13 混合料取得了更好的路用性能，具備更優(yōu)良的抗水損害性能、高溫穩(wěn)定性能和低溫抗裂性能。

5 結(jié)論

（1）以空隙率4.0%為目標(biāo)空隙率時(shí)，確定貝雷法級(jí)配與馬歇爾法級(jí)配的花崗巖SMA-13 混合料最佳油石比，貝雷法級(jí)配為6.13%，馬歇爾法級(jí)配為6.10%，兩者相差不大。 （2）在最佳油石比條件下的路用性能試驗(yàn)中，與馬歇爾法級(jí)配相比，貝雷法級(jí)配的花崗巖SMA-13 混合料的殘留穩(wěn)定度、抗拉強(qiáng)度比、動(dòng)穩(wěn)定次數(shù)、最大破壞彎拉應(yīng)變均有不同程度的提高，具備更優(yōu)良的路用性能。 （3）貝雷法設(shè)計(jì)的瀝青混合料級(jí)配可有效提高花崗巖SMA-13混合料的路用性能。