貝雷法在瀝青路面混合料級配優化中的應用

王海波

(中國水電八局國際部，孟加拉達吉項目)

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貝雷法在瀝青路面混合料級配優化中的應用

王海波

(中國水電八局國際部，孟加拉達吉項目)

為了優化達吉項目瀝青混合料級配，減小路面早期破壞，提升路面的使用性能及使用壽命，對達吉項目上面層(Wearing course)瀝青混合料配合比設計進行了相關優化。貝雷法主要通過控制[CA]比、[FAc]比、[FAF]比對混合料的骨架結構進行控制，把優化的級配用貝雷法進行檢驗，在此基礎上結合馬歇爾實驗及凍融劈裂實驗對混合料的高溫性能及水損害性能進行考察，結果顯示貝雷法能夠較好的對混合料的級配進行檢查評估，可為實際工程提供一定的參考。

貝雷法；瀝青混合料；級配；骨架結構

1 概 述

瀝青混合料的路用性能及力學性能受很多因素的影響，瀝青粘結材料特性、集料的力學性質和表面特性、集料的級配組成、瀝青含量等都會對混合料的性能產生影響，實際施工中，拌和站的控制及現場攤鋪壓實也與瀝青路面最終使用性能息息相關。瀝青路面的早期破壞大部分集中在受力的中下面層，主要表現形式為車轍及水損害，混合料級配的不合理是導致路面早期破壞的重要原因。有研究表明，瀝青混合料在最佳級配組成和最佳瀝青含量時的抗車轍性能是普通級配下的數倍。

路面工程中混合料的級配設計通常分為三個階段：一是目標配合比設計階段；二是生產配合比設計階段；三是試驗路鋪筑后級配再調整階段。級配選擇通常是由設計單位提供一定的級配范圍，根據該范圍選取級配中值曲線作為目標及配曲線進行最佳配合比實驗。所得配合比優劣與否不能較早的由相關數據來評估，也不能對混合料的結構準確的判斷。美國伊利諾州交通部的羅伯特·貝雷(Robert Bailey)通過自己提出的貝雷法，通過控制一定的控制指標，調整混合料粗細集料的比例，得出合適的[VMA]值，混合料形成良好的骨架結構，其抗車轍性能及耐久性能得以改善。

本文依托孟加拉達吉高速公路項目——達卡至吉達港四車道公路項目路面工程，所用集料均為孟加拉城市西萊特供應商提供的石灰巖及西萊特砂，瀝青為印度進口針入度70-80的道路瀝青。選取三種不同級配，進行馬歇爾配合比設計，馬歇爾實驗結果結合貝雷法進行檢測，考察貝雷法能否較好的檢測混合料的級配優良與否。考慮孟加拉濕熱多雨的亞熱帶季風型氣候，采用馬歇爾實驗及凍融劈裂實驗對混合料的高溫性能及抗水損害性能對級配進行評價。

2 貝雷法

2.1 集料的填充

因為空隙的存在導致顆粒狀集料嵌擠在一起后并不能完全填充某一單位體積，填充比例與以下幾個因素有關。

(1) 壓實功

靜壓、旋轉壓實、馬歇爾擊實均可以用來作為壓實儀器，想獲得較高的密度，提升靜壓力，更多擊實次數及旋轉壓實次數均可達到要求。

(2)顆粒形狀

針片狀、扁平狀集料顆粒在壓實過程中易破碎，難以壓實，規則的塊狀集料則容易被壓實，嵌擠形成穩定結構。

(3)集料紋理

具有光滑紋理的顆粒易于重新變為更密實的結構，而粗糙紋理的顆粒因相互間摩擦阻力導致更難形成密實結構。

(4)顆粒尺寸

顆粒尺寸即為集料的級配，單一集料不能形成密實嵌擠結構，多級集料易形成密實的嵌擠結構。

2.2 粗細集料定義

我國規范中對瀝青混合料的粗細集料分界點篩孔尺寸統一規定為4.75 mm，這具有一定的局限性。貝雷法基于集料的裝填特性對集料級配進行評價，以選擇具有較大內摩擦力和較大內摩擦角的礦料級配結構，基于混合料的最大公稱粒徑對粗細集料進行定義并進一步細化是貝雷法的關鍵精髓。貝雷法對于粗細集料分界點動態控制，具體定義如下

PSC=NMPS×0.22

(1)

式中：NMPS為集料最大公稱粒徑，PSC為關鍵控制篩孔尺寸。

式(1)中系數0.22為經驗值，平面圓模型為貝雷法的基礎，當顆粒全為圓形，直徑為d，粗集料之間的空隙為0.15d，兩圓一方、一圓兩方、三方幾種情況下的空隙率值，分別為0.20d、0.24d、0.29d，這四種情況的平均值即為0.22d。

2.3 貝雷法級配評估參數

貝雷法主要通過[CA]比、[FAc]比、[FAF]比三個值對混合料級配進行控制和驗證，具體每個值的定義如下

[CA]比=(PNMPS/2-PPCS)/(100-PNMPS/2)

(2)

FAc=PFAIB/PPCS

(3)

FAF比=PFASB/PFAIB

(4)

式中：PNMPS/2=1/2篩孔通過率；PPCS=第一控制篩孔的通過率；PFAIB=細集料初級分界篩孔的通過率；PFASB=細集料次級分界篩孔的通過率。

[CA]比的建議值0.4～0.8，[FAc]比的建議范圍0.25～0.5，[FAF]比的建議范圍0.25～0.5。

達吉項目瀝青上面層級配最大公稱粒徑為19 mm，集料控制篩孔比率由表1所示。運用該表可以對瀝青面層混合料結構進行相應的檢測評估。

表1 集料控制篩孔和比率匯總表

3 混合料級配檢驗

3.1 混合料級配組成

對所用材料進行篩分，密度試驗等實驗，把篩分結果進行級配組成設計。不同級配組成如表2所示，所用瀝青含量均為各級配馬歇爾實驗所得到的最佳瀝青含量。

表2 不同級配的瀝青混合料

級配曲線的確定是根據業主合同規定的范圍進行調整所得，如圖1所示。

圖 1

由圖1可知，級配一最接近級配中值，級配二靠近級配曲線的下線，骨料結構偏粗，級配三接近級配曲線的上限，整體上偏細，三條曲線均在級配范圍之內。

3.2 混合料貝雷法參數計算

根據表1、表2進行貝雷法參數的計算，計算結果如表3所示。級配二的CA比、FAc比、FAF范圍均在推薦范圍之內，另外三種級配這三個控制值至少有一個超出了推薦范圍。由此可見，級配范圍中值并不一定是一種理論上最優的級配組合，在進行設計或施工的過程中，應結合材料選取合理的級配曲線。對于三種不同級配，進行馬歇爾等相關實驗，對實驗的結果進行統計后，結合貝雷法進行評價。

表3 貝雷法參數計算結果

3.3 實驗結果

根據《公路工程集料試驗規程》JTG+E42-2005，《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》JTG+E20-2011，《公路瀝青路面施工技術規范》JTG+F40-2004，以及美國MS-2規范等規范要求進行瀝青馬歇爾實驗及凍融劈裂實驗，凍融劈裂用馬歇爾穩定度試驗儀代替壓力機，加載速度均為50 mm/min，實驗結果如表4 所示。

凍融劈裂對馬歇爾成型的瀝青混合料進行凍融循環，為了獲得接近7%的空隙率，進行真空飽水實驗試樣的制備，馬歇爾擊實次數為雙面擊實50次，而不是雙面75次。通過凍融循環處理的馬歇爾試件與沒有處理的進行對比 ，考察瀝青混合料的抗水損害性能。

表4 實驗結果匯總

表5 合同規范技術要求

由實驗結果可以看出，級配二的性能更為優異，穩定度和瀝青飽和度均可以達到要求，規范對于凍融劈裂要求結果在75以上，級配一和級配三均沒有達到規范的要求，見表5。級配一和級配三的空隙率偏小，礦料間隙率VFA接近規范的最低限度，所以并不是較好的級配組合。

4 結 論

(1)貝雷法使瀝青混合料設計的相關技術人員對體積指標及瀝青混合料的骨架結構有了更深刻的認識，在進行瀝青混合料配合比設計的過程中，合理運用貝雷法進行級配檢驗與控制，能在實際生產中避免瀝青混合料設計的盲目性和僅憑經驗進行調試的局限性。

(2)應用貝雷法進行相關控制參數的計算，顯示級配二是最佳的級配結果。通過相關的實驗論證，級配二較另外兩個級配也具有更好的力學性能及抗水損害性能。這說明貝雷法在實際工程中的應用是可行的，能夠作為級配設計中的一種控制方法。

(3)貝雷法對CA比、FAc比、FAF比三個控制值進行計算，但有時并不是萬能的，需綜合其他理論及馬歇爾實驗結果確定最佳瀝青用量和最佳級配組成，設計出最優的瀝青混合料。

[1] 樊統江.采用正交試驗方法進行SMA混合料的配合比設計研究[J].石油瀝青，2000，14(2):18-19.

[2] 郝培文,等.應用貝雷法進行級配組成設計的關鍵技術[J].長安大學學報(自然科學版)，2004，(11).

[3] 吳傳海.基于貝雷法的逐段填充對混合礦料骨架特性影響分析[J].公路，2010，(7).

[4] 黃衛東,等.集料級配評估的貝雷法[J].中外公路，2005，(2).

2015-02-12

U416.1

C

1008-3383(2015)11-0008-02