基于貝雷法瀝青混合料礦料級配設計方法探究

王勇智，王 代，劉 亮

(1.中州大學工程技術學院，鄭州450044;2.河南省交通規劃勘察設計院有限責任公司，鄭州450052)

瀝青混合料由粗集料、細集料、填料及瀝青結合料所組成，其中在混合料中粗集料形成骨架結構，細集料填充其間空隙，瀝青和填料形成的瀝青膠結料將粗細集料粘結在一起，從而形成骨架密實結構，以具有良好的高、低溫穩定性、耐久性等路用性能。優良的路用性能需要良好的級配設計來實現。

目前的級配設計大多根據主控制篩孔的通過率，選取粗、中、細三種級配類型，通過礦料間隙率、瀝青飽和度等參數的比選來確定級配。由于大多數粗、細兩種級配要么太粗要么太細，存在某些體積指標不能滿足要求，所以絕大多數選取中間級配，這就造成級配比選失去了意義。并且瀝青混合料的性能不僅主控制篩孔通過率對其有著影響，粗、細集料內部之間的比例關系也對瀝青混合料的骨架穩定度有著不可忽視的作用。

本文依次通過粗集料單因素振實試驗、細集料搗實試驗并借鑒貝雷法設計密度的概念，以AC-20型混合料礦料級配為例進行設計，從理論上確定粗、細集料內部間的組合和粗、細礦料之間的比例關系。

1.原材料試驗

本次試驗采用新鄉石灰巖石料。首先對粗、細集料篩分成各檔，并測定各檔的毛體積相對密度，具體分檔及其毛體積相對密度見表1和表2。

表1 各檔粗集料毛體積相對密度

表2 各檔細集料毛體積相對密度

2.粗集料單因素振實試驗

粗集料在混合料中的作用主要是形成穩定的骨架，本次通過單因素振實試驗，以骨架空隙率最小值為目標函數，來確定粗集料各檔之間的比例。具體試驗方法為首先選取1#(26.5～19.0mm)與2#(19.0～16.0mm)通過不同比例的摻配，摻勻后分兩層裝入直徑為25cm、體積為11711cm3的圓柱形內，放在振動臺上，并在其上放一直徑與試筒一致、厚為5cm的壓塊，每層振動60s。計算各不同比例下的礦料剩余空隙率，以礦料剩余空隙率最小值為最佳摻配比例，再通過相同的方法，求出1#+2#與3#(16.0～13.2mm)的最佳比例，依次求出粗集料內部各檔之間的最佳比例，見圖1。從圖上曲線走勢可以看出，隨著不同粒徑集料比例的逐漸增加，粒徑較粗的集料之間的空隙逐漸被下一檔較細集料所填充，剩余空隙率減少，但下一檔集料增加到一定比例后，較粗集料間的大多空隙已被下一檔集料所填充，并且逐漸干涉較粗集料間的接觸，剩余骨架空隙率又逐漸增大。

通過振實試驗，粗集料內部各檔之間的最佳比例為 1#∶2#∶3#∶4#∶5#=14.7∶6.3∶21.0∶18.0∶40.0。

3.細集料內部組成顆粒級配設計

細集料在混合料中的作用為填充粗集料形成的骨架，通常認為細集料越密實越有利于粗集料骨架的穩定，為了研究細集料內部之間的比例，選取泰波公式不同的n值，設計7種級配，見表3。通過搗實試驗，以剩余空隙率最小值為目標函數，求得細集料最佳的內部比例。本次試驗采用直徑為15cm，體積為3074cm3圓筒，分三層搗實，每層各搗實25次。不同n值的搗實剩余空隙率結果見表4、圖2。從搗實結果可以看出n為0.45時，剩余骨架空隙率最小。

圖1 粗集料內部各檔最佳比例

表3 不同n值下各檔細集料的比例

表4 不同n值各種級配搗實試驗剩余空隙率

圖2 不同m值下的剩余空隙率

4.粗細集料比例大小設計

如何確定粗細集料之間的比例，在目前瀝青混合料馬歇爾設計中通常是以4.75mm篩孔的通過率設計粗、中、細三種級配，但具體如何確定三者用量缺乏理論依據，本文借鑒貝雷法級配設計思想，以下面的公式來確定粗細集料內部之間的比例。

對于AC-20型瀝青混合料，其主控制篩孔PCS為4.75mm;0.075mm篩孔的通過率選取級配范圍中值，即P0.075為5%。通過粗集料單因素振實試驗和細集料搗實試驗結果，即可得到細集料干搗實密度和粗集料合成毛體積密度。粗集料設計密度是人們想要達到的粗集料骨架的緊密程度，一般用粗集料松裝密度的百分率表示，通常取松裝密度的95%～105%。設計密度大于松裝密度的105%時，集料容易壓碎且難以壓實;小于95%時骨架結構不穩定。本次以粗集料振實密度為標準，設計密度選取粗集料振實密度的 90%、95%、100%、105%、110%，由式(1)，即可計算出不同設計密度時的主控制篩孔通過率，即粗細集料之間的比例。

表5 粗集料不同設計密度下的PCS值

5.AC-20礦料級配設計

最終由單因素振實試驗和細集料搗實試驗結果確定的粗、細集料內部比例和PCS值即可確定不同 設計密度下的礦料級配見表5、表6和圖3。

表6 不同設計密度下的礦料級配

6.結論

本文從粗、細集料在混合料中的作用出發，并結合貝雷法級配設計思想，采用單因素振實試驗、細集料搗實試驗，以剩余空隙率最小值為目標函數，對粗、細集料內部組合進行設計，并采用粗集料設計密度來對粗細集料比例進行優化，從理論上建立了混合料中各種礦料間的比例關系。

(1)通過單因素振實試驗，以剩余空隙率最小值為目標函數，確定了粗集料間的最優組合。

(2)通過泰波級配理論，設計不同n值的細集料級配組合，并通過搗實試驗，以礦料剩余空隙率最小值為目標函數，確定了細集料間的最優組合。

(3)以粗集料振實密度為標準，根據骨架穩定度要求，選擇設計密度并以此確定了粗細集料間的比例關系。最終從理論上設計了不同設計密度下的礦料級配組成。

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