沥青混凝土级配设计方法研究

摘要：重点探讨分析了用贝雷法进行级配设计的方法以及贝雷法三个参数的选取对沥青混合料的性能的影响，对贝雷法需要注意的问题加以讨论，简要介绍了其它级配的设计方法。

关键词：级配设计 贝雷法 参数

矿料级配设计是沥青混凝土配合比设计的一项重要的内容，据国外研究得出的经典的说法是,沥青混合料的高温抗车辙能力有60%依赖于矿料级配的嵌挤的作用，沥青结合料的粘结性只能有40%的作用。对于各种沥青混合料类型，《公路沥青路面施工技术规范》虽然也规定了一个范围，但规定的范围较宽，因此，需要对沥青混合料的级配设计引起重视。

贝雷法级配设计

由伊利诺州交通部的罗伯特.贝雷（Robert Bailey）发明的一种级配组成设计方法被称为“贝雷法”，其主体思想是以集料的骨架作为混合料的承重主体，期望以此提高抗车辙性能，同时通过调整粗细集料的比例，获得合适的间隙率保证设计的混合料具有一定的耐久性。

1.1贝雷法中粗细集料的定义

在贝雷法中，粗细集料的定义不同于传统的以4.75筛孔为界的划分方法，其对粗细集料的定义为：

（1）粗集料。置于单位体积中能产生空隙的大集料颗粒。

（2）细集料。能填充粗集料产生的空隙的集料颗粒。

贝雷法中粗细集料的分界筛孔称为第一控制筛孔，可按照下式确定：

PCS=NMPS×0.22

式中：PCS―第一控制筛孔尺寸（Primary Control Sieve）;

NMPS―公称最大粒径（同马歇尔中的定义）

式中0.22是基于集料的球形嵌挤模式得到的。

1.2贝雷法中参数的定义

贝雷法中给出了3个参数，其意义如下：

CA。其表达式为：

[CA]= （1）

式中：PD/2为粒径D/2（D为工程最大粒径）的通过率（%）；PPCS为第一控制筛孔的通过率（%）；

FAC.。其表达式为：

[FAC]=（2）

式中：PSCS为第二控制筛孔的通过率（%），第二控制筛孔为0.22倍的第一控制筛孔。

[FAf]= （3）

式中：PTCS为第三控制筛孔的通过率（%），第三控制筛孔为0.22倍的第二控制筛孔。

从式(1)、式(2)、式(3)可以看出，CA比表征的是粗集料内部质量比，FA。比、FAr比表征的是细集料(PCS以下)内部质量比。这对于合成级配，还缺少粗细集料之间的质量比，贝雷法是用设计密度来控制粗细集料之间的质量比。

1.3贝雷法级配设计步骤

（1）确定粗集料的选取密度（kg.m-3）。

(2)计算粗集料在选取密度下的空隙体积。

（3）用细集料的干捣实密度确定填充粗集料空隙所需的细集料（kg.m-3）。

（4）利用粗、细集料各组分的密度，确定填充矿质混合料的总重（kg.m-3），根据各级粗集料体积+各级细集料体积=单位体积，并确定各集料的合成质量百分比。

（5）根据粗集料中所含的部分细集料及细集料中所含的部分粗集料，分别修正粗、细集料的质量百分比。

（6）若使用矿质填料或回收粉尘，则需要调整细集料部分的百分含量。

（7）确定经修正后各集料最终的质量百分含量。

（8）合成级配的分析。

矿料组成确定后，需要对集料的体积特征进一步分析。

2贝雷法中各参数的确定

2.1粗集料密度的确定

为了得到期望的集料骨架结构,应选取粗集料的适宜密度,从而确定粗集料的用量。确定粗集料选取密度时,必须考虑混合料是细级配还是粗级配。理论上,松装密度是粗集料形成骨架结构的下限,是粗级配混合料与细级配混合料的分界点;而干捣密度通常被看作是密级配沥青混合料中粗集料形成骨架嵌挤结构的上限,其值约为松装密度的110%。粗集料选取密度按松装密度的百分率计。对粗级配混合料,粗集料选取密度一般取松装密度的95%~105%;对易碎的软集料可接近105%,但应避免大于105%,以减小集料的破碎和现场压实的难度;对细级配混合料,选取密度应小于松装密度的90%。应注意的是,对密级配混合料,建议粗集料选取密度不要采用松装密度的90%~95%,因为这个范围的混合料粗集料骨架结构不稳定,现场的变异性较大。

2.2 CA值的选取

根据贝雷法的要求认为，当CA比在0.4～0.8范围内时，能确保粗料在集料结构的平衡。当CA比过小时，沥青混合料易发生离析，当CA比接近1时，级配中的粗料会变得不平衡，这是由于干涉颗粒将控制粗集料的结构，从而导致难以压实，且易于推移。由此看来控制CA比并不是来控制粗集料的骨架的。即使CA比都在要求的范围内，也仅仅说明其没有发生颗粒干涉，且施工和易性好而已。

2.3 FA值的选取

贝雷法中，对FAC和FAf的值的选用也用一定的规定。当FAC较低时，混合料不均匀，难以压实到规定的密实程度。随着FAC增加，整个混合料中的细集料部分压实的更加紧密。但较大的FAC意味着细集料的过细，细集料较粗部分产生的空隙率较多，需要较多的较细部分填充空隙，导致混合料稳定性不足。对于大多数密集配混合料来说，FAC在0.25～0.50之间比较合适。同理，随着FAf的增加，混合料的空隙将逐步减少，但较高的FAf在级配曲线上可能呈现出“驼峰状”。

3 其它级配设计方法

3.1 最大理论密度法

早在20世纪60年代初期,美国的Joseph F.Goode和Lawrence A. Lufsey提出了一种级配曲线图,即以筛孔直径的n次幂为横坐标,以集料累计角原点(0,0)和右上角(D0.435,100)的直线。 采用轧制碎石料对n取0.35、0.40、0.45、0.50、0.55时的不同级配进行了马氏试验。试验结果同样是当n取0.435时,混合料的密实度最大。

3.2 变i法

林绣贤教授在20世纪70年代提出的直接以通过百分率的递减率i为参数的i法，变i法在嵌挤密实结构级配设计中的应用(表3)是依据粒子干涉理论,由次一级颗粒填充前一级颗粒之间的空隙至最大密实度,剩余空隙再由更次一级颗粒填充至最大密实度,依次逐级填充而最终得到的嵌挤密实级配(MG-16)范围和变i法计算的级配(CI-16)范围结果。

4结论

贝雷法是一种新发展起来的级配设计方法，在中国刚开始应用。在贝雷法设计中，要严格控制三个参数的取值，但是，要设计路用性能良好的骨架密实型沥青混合料，三个参数是不够的，因为贝雷法不具有广泛的适用性，但是针对特定的混合料级配设计都有其自身的特点。