贝雷法在花岗岩SMA-13 混合料级配设计中的应用

■赖晓龙 谢凤翔

（1.福建林业职业技术学院，南平 353000；2.南平市成功沥青混凝土有限公司，南平 353000）

花岗岩作为一种典型的酸性石料，对于原材料丰富地区，在使用抗剥落剂的情况下用于沥青混凝土，具有一定的经济效益[1]。 要取得较好的路用性能，沥青混合料配合比设计是技术关键，包括选择矿料种类、矿料级配、沥青类型及等级、确定沥青用量和混合料密度等。 其中，矿料的级配选择是使沥青混合料取得最大密实度和优良骨架嵌挤效果的最好保证[2]。 贝雷法作为检验沥青混合料是否形成骨架嵌挤效果的一种有效方法，广泛用于矿料的级配设计及级配优化上。 马红梅等[3]、路杨[4]通过各档集料筛分结果及体积参数指标，计算其掺加比例，并通过路用性能检验， 证明贝雷法在SMA 混合料级配中能取得良好的骨架结构和优良的路用性能。 崔文博等[5]对SMA-16 的相关规范推荐级配进行贝雷法参数计算分析， 提出机场SMA-16 混合料优化级配范围，优化了机场SMA 混合料的设计方法。 本研究以花岗岩粗集料为研究对象，利用贝雷法设计理念进行花岗岩SMA-13 混合料级配的优化设计，以期花岗岩在SMA沥青混合料设计及使用中有更好的借鉴作用。

1 贝雷法设计原理简介

贝雷法是一套系统的设计和检验级配的方法[6]，以第一控制筛孔（PCS）即公称最大粒径（NMPS）的0.18～0.28 倍划分粗细集料，通常取NMPS 的0.22倍。对于细集料，又作进一步的划分，即第二控制筛孔（SCS）和第三控制筛孔（TCS），其筛孔的大小通过公式SCS=PCS×0.22，TCS=SCS×0.22 求得。因此，对于SMA-13 混合料， 取NMPS 为13.2mm，PCS 为2.36mm，SCS 为0.6 mm，TCS 为0.15 mm。

为确保沥青混合料的体积指标符合相关规范的要求，在验证沥青混合料的粗细集料能否形成良好的嵌挤与填充时，贝雷法提出3 个参数对其进行分析[7]，即粗集料比CA、细集料粗比FAc和细集料细比FAf。 其中CA 比表征级配的粗集料内部的比例组成，直接影响沥青混合料的嵌挤效果及其体积特性。CA 比过大，混合料因粗集料之间容易形成干涉，产生推移，在施工中较难压实；CA 比过小，混合料的粗细集料容易产生离析而不利于施工中的空隙率控制。FAc表征细集料内部的比例组成，将细集料划分为细集料粗料部分和细集料细料部分，细集料粗料的空隙将由细集料细料来填充和嵌挤。 FAf表征细集料中最小一级的嵌挤情况。 FAc和FAf的大小直接影响体积参数VMA 的值，一般来说，FAc和FAf的比值减小，体积参数VMA 将不断增大。 采用贝雷法设计SMA-13 混合料时，3 个参数计算公式和推荐范围见表1。

表1 SMA-13 贝雷法设计3 个参数计算公式和推荐范围

2 原材料性质分析

2.1 集料性质及其筛分结果

花岗岩粗集料来自南平顺昌某碎石料厂，分CA#1（10～15 mm）和CA#2（5～10 mm）两种规格，质地坚硬，表面粗糙，其性能检验结果见表2。 细集料采用三明尤溪某石料场的石灰岩石屑，规格FA（0～3 mm），矿粉采用石灰石矿粉，细集料和矿粉性能检验结果均符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTJ F40-2004）的要求。 对粗集料、细集料和矿粉进行筛分，测定各档集料的密度值，测定结果见表3～4。

表2 花岗岩粗集料性能检验结果

表3 花岗岩各档集料密度值（单位：g/cm3）

表4 花岗岩各级矿料筛分结果

2.2 其他材料性质

沥青采用的是厦门某公司生产的SBS 改性沥青（I-D 类），其性能检验结果见表5。 抗剥落剂采用重庆某公司生产的AR-I 型沥青抗剥落剂，固体，外观为黄色或棕黄色，无异味；具备抗水剥离能力强，有较高的热稳定性（分解温度>350℃），能直接加入热熔（160℃～170℃）沥青中。 添加量为沥青含量的0.4%。 添加抗剥落剂的沥青，采用水煮法检验改性沥青与花岗岩粗集料的黏附性，黏附等级为5 级。纤维采用LT-M 木质素纤维，质量较好，添加量为沥青混合料重量的0.3%。

表5 SBS 改性沥青技术指标

3 花岗岩SMA-13 混合料级配设计

3.1 贝雷法确定混合料级配

在应用贝雷法设计新级配或验证已有级配时，都必须选取密度来检验粗骨架是否形成，这样才能设计出好的级配。 拟定设计密度为松装密度的103%，P0.075=10.0%，设计空隙率V=4.0%，按照工程经验设置CA#1与CA#2的比例为65∶35。 根据规范[8]及文献资料[9]提供的计算方法，以及集料的筛分结果和密度指标， 通过计算求得CA#1∶CA#2∶FA∶MF 的比例为41∶24∶24∶11，其合成级配见表6。计算混合料级配的贝雷参数，粗集料比CA 为0.36，细集料粗比FAc为0.65，细集料细比FAf为0.69，均在参数建议范围内，表明该级配已形成良好的骨架嵌挤结构。

3.2 马歇尔法确定混合料级配

为验证贝雷法在花岗岩SMA-13 混合料级配设计的优劣性，也采用马歇尔设计体系进行花岗岩SMA-13 沥青混合料的矿料组成设计。先确定花岗岩SMA-13 混合料的4.75 mm 筛孔通过率分别是23.8%、27.3%、30.8%， 分别测定3 种级配的间隙率VCADRC。双面击实50 次制作试件，测定VV、VMA、VFA 及VCAmix等指标。 在混合料指标满足技术要求的基础上确定级配， 最终求得CA#1∶CA#2∶FA∶MF 的比例为45∶29∶14∶12。

两种设计方法设计的合成级配见表6， 级配曲线见图1。由表6 和图1 可见，马歇尔法级配曲线和规范推荐级配的中值接近，集料的粗细比例满足规范的要求。而贝雷法级配曲线中的0.6～4.75 mm 筛孔的通过率接近或高于推荐级配的上限值，表明粒径0.6 ～4.75 mm 的集料比规范值较少；0.075～0.6 mm筛孔及4.75～13.2 mm 筛孔的通过率在推荐级配的上限值和下限值之间，满足规范的要求。 不论是以2.36 mm 或以4.75 mm 为粗细集料分界点的关键筛孔，贝雷法级配曲线比马歇尔法级配曲线的通过率都要高一些。 总体来说，贝雷法级配比马歇尔法级配更偏细一些。

图1 花岗岩SMA-16 混合料合成级配曲线

3.3 两种级配的马歇尔试验

对两种级配进行马歇尔试验， 确定最佳油石比。 在确定最佳油石比的马歇尔试验中，初试沥青含量很重要。 不同的初始沥青用量下马歇尔试件的密度有所差异，这种差异会影响粗集料骨架间隙率VCAmix的准确性，从而使骨架标准判据VCAmix≤VCADRC失真。 为减少试验工作量，有必要对花岗岩SMA-13 混合料的两种级配进行沥青用量预估。 采用文献[10]提供的最佳沥青含量估算方法，计算得到贝雷法级配的初试沥青含量为5.82%， 油石比为6.18%；马歇尔法级配的初试沥青含量为5.71%，油石比为6.06%。以此估算值为中值，上下浮动0.3%，进行马歇尔试验。 马歇尔试验结果见表7。

表7 沥青混合料马歇尔试验结果

由表7 可知， 以空隙率4.0%为目标空隙率确定两级配的最佳油石比， 贝雷法级配为6.13%，马歇尔法级配为6.10%，两者相差不大。 但是，就马歇尔稳定度来说，贝雷法级配为11.22 kN，马歇尔法级配为10.14 kN，提高了10.65%，说明贝雷法级配比马歇尔级配取得更优良的稳定性能。

4 花岗岩SMA-13 混合料路用性能检验

花岗岩作为酸性石料用于沥青混凝土时，应进行浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验分析其抗水损害性能，进行车辙试验分析其高温稳定性能，进行低温弯曲试验分析其低温抗裂性能。 在两组级配最佳油石比条件下其路用性能试验结果见表8。

表8 花岗岩SMA-13 混合料路用性能试验结果

由表8 可知，贝雷法级配与马歇尔级配的花岗岩SMA-13 混合料各项路用性能数据结果相比，在浸水马歇尔试验中，残留稳定度提高了7.8%；在冻融劈裂试验中，抗拉强度比提高了8.0%；在车辙试验中，动稳定次数提高了34.69%；在低温弯曲试验中，最大破坏弯拉应变提高了4.5%。 由此可知，贝雷法级配较马歇尔法级配的花岗岩SMA-13 混合料取得了更好的路用性能，具备更优良的抗水损害性能、高温稳定性能和低温抗裂性能。

5 结论

（1）以空隙率4.0%为目标空隙率时，确定贝雷法级配与马歇尔法级配的花岗岩SMA-13 混合料最佳油石比，贝雷法级配为6.13%，马歇尔法级配为6.10%，两者相差不大。 （2）在最佳油石比条件下的路用性能试验中，与马歇尔法级配相比，贝雷法级配的花岗岩SMA-13 混合料的残留稳定度、抗拉强度比、动稳定次数、最大破坏弯拉应变均有不同程度的提高，具备更优良的路用性能。 （3）贝雷法设计的沥青混合料级配可有效提高花岗岩SMA-13混合料的路用性能。