贝雷法在沥青路面混合料级配优化中的应用

2015-02-21王海波

黑龙江交通科技 2015年11期

关键词：筛孔马歇尔集料

王海波

(中国水电八局国际部，孟加拉达吉项目)

贝雷法在沥青路面混合料级配优化中的应用

王海波

(中国水电八局国际部，孟加拉达吉项目)

为了优化达吉项目沥青混合料级配，减小路面早期破坏，提升路面的使用性能及使用寿命，对达吉项目上面层(Wearing course)沥青混合料配合比设计进行了相关优化。贝雷法主要通过控制[CA]比、[FAc]比、[FAF]比对混合料的骨架结构进行控制，把优化的级配用贝雷法进行检验，在此基础上结合马歇尔实验及冻融劈裂实验对混合料的高温性能及水损害性能进行考察，结果显示贝雷法能够较好的对混合料的级配进行检查评估，可为实际工程提供一定的参考。

贝雷法；沥青混合料；级配；骨架结构

1 概述

沥青混合料的路用性能及力学性能受很多因素的影响，沥青粘结材料特性、集料的力学性质和表面特性、集料的级配组成、沥青含量等都会对混合料的性能产生影响，实际施工中，拌和站的控制及现场摊铺压实也与沥青路面最终使用性能息息相关。沥青路面的早期破坏大部分集中在受力的中下面层，主要表现形式为车辙及水损害，混合料级配的不合理是导致路面早期破坏的重要原因。有研究表明，沥青混合料在最佳级配组成和最佳沥青含量时的抗车辙性能是普通级配下的数倍。

路面工程中混合料的级配设计通常分为三个阶段：一是目标配合比设计阶段；二是生产配合比设计阶段；三是试验路铺筑后级配再调整阶段。级配选择通常是由设计单位提供一定的级配范围，根据该范围选取级配中值曲线作为目标及配曲线进行最佳配合比实验。所得配合比优劣与否不能较早的由相关数据来评估，也不能对混合料的结构准确的判断。美国伊利诺州交通部的罗伯特·贝雷(Robert Bailey)通过自己提出的贝雷法，通过控制一定的控制指标，调整混合料粗细集料的比例，得出合适的[VMA]值，混合料形成良好的骨架结构，其抗车辙性能及耐久性能得以改善。

本文依托孟加拉达吉高速公路项目——达卡至吉达港四车道公路项目路面工程，所用集料均为孟加拉城市西莱特供应商提供的石灰岩及西莱特砂，沥青为印度进口针入度70-80的道路沥青。选取三种不同级配，进行马歇尔配合比设计，马歇尔实验结果结合贝雷法进行检测，考察贝雷法能否较好的检测混合料的级配优良与否。考虑孟加拉湿热多雨的亚热带季风型气候，采用马歇尔实验及冻融劈裂实验对混合料的高温性能及抗水损害性能对级配进行评价。

2 贝雷法

2.1 集料的填充

因为空隙的存在导致颗粒状集料嵌挤在一起后并不能完全填充某一单位体积，填充比例与以下几个因素有关。

(1) 压实功

静压、旋转压实、马歇尔击实均可以用来作为压实仪器，想获得较高的密度，提升静压力，更多击实次数及旋转压实次数均可达到要求。

(2)颗粒形状

针片状、扁平状集料颗粒在压实过程中易破碎，难以压实，规则的块状集料则容易被压实，嵌挤形成稳定结构。

(3)集料纹理

具有光滑纹理的颗粒易于重新变为更密实的结构，而粗糙纹理的颗粒因相互间摩擦阻力导致更难形成密实结构。

(4)颗粒尺寸

颗粒尺寸即为集料的级配，单一集料不能形成密实嵌挤结构，多级集料易形成密实的嵌挤结构。

2.2 粗细集料定义

我国规范中对沥青混合料的粗细集料分界点筛孔尺寸统一规定为4.75 mm，这具有一定的局限性。贝雷法基于集料的装填特性对集料级配进行评价，以选择具有较大内摩擦力和较大内摩擦角的矿料级配结构，基于混合料的最大公称粒径对粗细集料进行定义并进一步细化是贝雷法的关键精髓。贝雷法对于粗细集料分界点动态控制，具体定义如下

PSC=NMPS×0.22

(1)

式中：NMPS为集料最大公称粒径，PSC为关键控制筛孔尺寸。

式(1)中系数0.22为经验值，平面圆模型为贝雷法的基础，当颗粒全为圆形，直径为d，粗集料之间的空隙为0.15d，两圆一方、一圆两方、三方几种情况下的空隙率值，分别为0.20d、0.24d、0.29d，这四种情况的平均值即为0.22d。

2.3 贝雷法级配评估参数

贝雷法主要通过[CA]比、[FAc]比、[FAF]比三个值对混合料级配进行控制和验证，具体每个值的定义如下

[CA]比=(PNMPS/2-PPCS)/(100-PNMPS/2)

(2)

FAc=PFAIB/PPCS

(3)

FAF比=PFASB/PFAIB

(4)

式中：PNMPS/2=1/2筛孔通过率；PPCS=第一控制筛孔的通过率；PFAIB=细集料初级分界筛孔的通过率；PFASB=细集料次级分界筛孔的通过率。

[CA]比的建议值0.4～0.8，[FAc]比的建议范围0.25～0.5，[FAF]比的建议范围0.25～0.5。

达吉项目沥青上面层级配最大公称粒径为19 mm，集料控制筛孔比率由表1所示。运用该表可以对沥青面层混合料结构进行相应的检测评估。

表1 集料控制筛孔和比率汇总表

3 混合料级配检验

3.1 混合料级配组成

对所用材料进行筛分，密度试验等实验，把筛分结果进行级配组成设计。不同级配组成如表2所示，所用沥青含量均为各级配马歇尔实验所得到的最佳沥青含量。

表2 不同级配的沥青混合料

级配曲线的确定是根据业主合同规定的范围进行调整所得，如图1所示。

图 1

由图1可知，级配一最接近级配中值，级配二靠近级配曲线的下线，骨料结构偏粗，级配三接近级配曲线的上限，整体上偏细，三条曲线均在级配范围之内。

3.2 混合料贝雷法参数计算

根据表1、表2进行贝雷法参数的计算，计算结果如表3所示。级配二的CA比、FAc比、FAF范围均在推荐范围之内，另外三种级配这三个控制值至少有一个超出了推荐范围。由此可见，级配范围中值并不一定是一种理论上最优的级配组合，在进行设计或施工的过程中，应结合材料选取合理的级配曲线。对于三种不同级配，进行马歇尔等相关实验，对实验的结果进行统计后，结合贝雷法进行评价。

表3 贝雷法参数计算结果

3.3 实验结果

根据《公路工程集料试验规程》JTG+E42-2005，《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》JTG+E20-2011，《公路沥青路面施工技术规范》JTG+F40-2004，以及美国MS-2规范等规范要求进行沥青马歇尔实验及冻融劈裂实验，冻融劈裂用马歇尔稳定度试验仪代替压力机，加载速度均为50 mm/min，实验结果如表4 所示。

冻融劈裂对马歇尔成型的沥青混合料进行冻融循环，为了获得接近7%的空隙率，进行真空饱水实验试样的制备，马歇尔击实次数为双面击实50次，而不是双面75次。通过冻融循环处理的马歇尔试件与没有处理的进行对比，考察沥青混合料的抗水损害性能。