貝雷法在瀝青路面混合料級(jí)配優(yōu)化中的應(yīng)用

王海波

(中國水電八局國際部，孟加拉達(dá)吉項(xiàng)目)

?

貝雷法在瀝青路面混合料級(jí)配優(yōu)化中的應(yīng)用

王海波

(中國水電八局國際部，孟加拉達(dá)吉項(xiàng)目)

為了優(yōu)化達(dá)吉項(xiàng)目瀝青混合料級(jí)配，減小路面早期破壞，提升路面的使用性能及使用壽命，對(duì)達(dá)吉項(xiàng)目上面層(Wearing course)瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)進(jìn)行了相關(guān)優(yōu)化。貝雷法主要通過控制[CA]比、[FAc]比、[FAF]比對(duì)混合料的骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制，把優(yōu)化的級(jí)配用貝雷法進(jìn)行檢驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上結(jié)合馬歇爾實(shí)驗(yàn)及凍融劈裂實(shí)驗(yàn)對(duì)混合料的高溫性能及水損害性能進(jìn)行考察，結(jié)果顯示貝雷法能夠較好的對(duì)混合料的級(jí)配進(jìn)行檢查評(píng)估，可為實(shí)際工程提供一定的參考。

貝雷法；瀝青混合料；級(jí)配；骨架結(jié)構(gòu)

1 概 述

瀝青混合料的路用性能及力學(xué)性能受很多因素的影響，瀝青粘結(jié)材料特性、集料的力學(xué)性質(zhì)和表面特性、集料的級(jí)配組成、瀝青含量等都會(huì)對(duì)混合料的性能產(chǎn)生影響，實(shí)際施工中，拌和站的控制及現(xiàn)場攤鋪壓實(shí)也與瀝青路面最終使用性能息息相關(guān)。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(xiàn)形式為車轍及水損害，混合料級(jí)配的不合理是導(dǎo)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(jí)配組成和最佳瀝青含量時(shí)的抗車轍性能是普通級(jí)配下的數(shù)倍。

路面工程中混合料的級(jí)配設(shè)計(jì)通常分為三個(gè)階段：一是目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)階段；二是生產(chǎn)配合比設(shè)計(jì)階段；三是試驗(yàn)路鋪筑后級(jí)配再調(diào)整階段。級(jí)配選擇通常是由設(shè)計(jì)單位提供一定的級(jí)配范圍，根據(jù)該范圍選取級(jí)配中值曲線作為目標(biāo)及配曲線進(jìn)行最佳配合比實(shí)驗(yàn)。所得配合比優(yōu)劣與否不能較早的由相關(guān)數(shù)據(jù)來評(píng)估，也不能對(duì)混合料的結(jié)構(gòu)準(zhǔn)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(biāo)，調(diào)整混合料粗細(xì)集料的比例，得出合適的[VMA]值，混合料形成良好的骨架結(jié)構(gòu)，其抗車轍性能及耐久性能得以改善。

本文依托孟加拉達(dá)吉高速公路項(xiàng)目——達(dá)卡至吉達(dá)港四車道公路項(xiàng)目路面工程，所用集料均為孟加拉城市西萊特供應(yīng)商提供的石灰?guī)r及西萊特砂，瀝青為印度進(jìn)口針入度70-80的道路瀝青。選取三種不同級(jí)配，進(jìn)行馬歇爾配合比設(shè)計(jì)，馬歇爾實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)合貝雷法進(jìn)行檢測，考察貝雷法能否較好的檢測混合料的級(jí)配優(yōu)良與否。考慮孟加拉濕熱多雨的亞熱帶季風(fēng)型氣候，采用馬歇爾實(shí)驗(yàn)及凍融劈裂實(shí)驗(yàn)對(duì)混合料的高溫性能及抗水損害性能對(duì)級(jí)配進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2 貝雷法

2.1 集料的填充

因?yàn)榭障兜拇嬖趯?dǎo)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(gè)因素有關(guān)。

(1) 壓實(shí)功

靜壓、旋轉(zhuǎn)壓實(shí)、馬歇爾擊實(shí)均可以用來作為壓實(shí)儀器，想獲得較高的密度，提升靜壓力，更多擊實(shí)次數(shù)及旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)均可達(dá)到要求。

(2)顆粒形狀

針片狀、扁平狀集料顆粒在壓實(shí)過程中易破碎，難以壓實(shí)，規(guī)則的塊狀集料則容易被壓實(shí)，嵌擠形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

(3)集料紋理

具有光滑紋理的顆粒易于重新變?yōu)楦軐?shí)的結(jié)構(gòu)，而粗糙紋理的顆粒因相互間摩擦阻力導(dǎo)致更難形成密實(shí)結(jié)構(gòu)。

(4)顆粒尺寸

顆粒尺寸即為集料的級(jí)配，單一集料不能形成密實(shí)嵌擠結(jié)構(gòu)，多級(jí)集料易形成密實(shí)的嵌擠結(jié)構(gòu)。

2.2 粗細(xì)集料定義

我國規(guī)范中對(duì)瀝青混合料的粗細(xì)集料分界點(diǎn)篩孔尺寸統(tǒng)一規(guī)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(duì)集料級(jí)配進(jìn)行評(píng)價(jià)，以選擇具有較大內(nèi)摩擦力和較大內(nèi)摩擦角的礦料級(jí)配結(jié)構(gòu)，基于混合料的最大公稱粒徑對(duì)粗細(xì)集料進(jìn)行定義并進(jìn)一步細(xì)化是貝雷法的關(guān)鍵精髓。貝雷法對(duì)于粗細(xì)集料分界點(diǎn)動(dòng)態(tài)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(guān)鍵控制篩孔尺寸。

式(1)中系數(shù)0.22為經(jīng)驗(yàn)值，平面圓模型為貝雷法的基礎(chǔ)，當(dāng)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(jí)配評(píng)估參數(shù)

貝雷法主要通過[CA]比、[FAc]比、[FAF]比三個(gè)值對(duì)混合料級(jí)配進(jìn)行控制和驗(yàn)證，具體每個(gè)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(xì)集料初級(jí)分界篩孔的通過率；PFASB=細(xì)集料次級(jí)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(dá)吉項(xiàng)目瀝青上面層級(jí)配最大公稱粒徑為19 mm，集料控制篩孔比率由表1所示。運(yùn)用該表可以對(duì)瀝青面層混合料結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的檢測評(píng)估。

表1 集料控制篩孔和比率匯總表

3 混合料級(jí)配檢驗(yàn)

3.1 混合料級(jí)配組成

對(duì)所用材料進(jìn)行篩分，密度試驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)，把篩分結(jié)果進(jìn)行級(jí)配組成設(shè)計(jì)。不同級(jí)配組成如表2所示，所用瀝青含量均為各級(jí)配馬歇爾實(shí)驗(yàn)所得到的最佳瀝青含量。

表2 不同級(jí)配的瀝青混合料

級(jí)配曲線的確定是根據(jù)業(yè)主合同規(guī)定的范圍進(jìn)行調(diào)整所得，如圖1所示。

圖 1

由圖1可知，級(jí)配一最接近級(jí)配中值，級(jí)配二靠近級(jí)配曲線的下線，骨料結(jié)構(gòu)偏粗，級(jí)配三接近級(jí)配曲線的上限，整體上偏細(xì)，三條曲線均在級(jí)配范圍之內(nèi)。

3.2 混合料貝雷法參數(shù)計(jì)算

根據(jù)表1、表2進(jìn)行貝雷法參數(shù)的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表3所示。級(jí)配二的CA比、FAc比、FAF范圍均在推薦范圍之內(nèi)，另外三種級(jí)配這三個(gè)控制值至少有一個(gè)超出了推薦范圍。由此可見，級(jí)配范圍中值并不一定是一種理論上最優(yōu)的級(jí)配組合，在進(jìn)行設(shè)計(jì)或施工的過程中，應(yīng)結(jié)合材料選取合理的級(jí)配曲線。對(duì)于三種不同級(jí)配，進(jìn)行馬歇爾等相關(guān)實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后，結(jié)合貝雷法進(jìn)行評(píng)價(jià)。

表3 貝雷法參數(shù)計(jì)算結(jié)果

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》JTG+E42-2005，《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》JTG+E20-2011，《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》JTG+F40-2004，以及美國MS-2規(guī)范等規(guī)范要求進(jìn)行瀝青馬歇爾實(shí)驗(yàn)及凍融劈裂實(shí)驗(yàn)，凍融劈裂用馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)儀代替壓力機(jī)，加載速度均為50 mm/min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4 所示。

凍融劈裂對(duì)馬歇爾成型的瀝青混合料進(jìn)行凍融循環(huán)，為了獲得接近7%的空隙率，進(jìn)行真空飽水實(shí)驗(yàn)試樣的制備，馬歇爾擊實(shí)次數(shù)為雙面擊實(shí)50次，而不是雙面75次。通過凍融循環(huán)處理的馬歇爾試件與沒有處理的進(jìn)行對(duì)比 ，考察瀝青混合料的抗水損害性能。

表4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果匯總

表5 合同規(guī)范技術(shù)要求

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，級(jí)配二的性能更為優(yōu)異，穩(wěn)定度和瀝青飽和度均可以達(dá)到要求，規(guī)范對(duì)于凍融劈裂要求結(jié)果在75以上，級(jí)配一和級(jí)配三均沒有達(dá)到規(guī)范的要求，見表5。級(jí)配一和級(jí)配三的空隙率偏小，礦料間隙率VFA接近規(guī)范的最低限度，所以并不是較好的級(jí)配組合。

4 結(jié) 論

(1)貝雷法使瀝青混合料設(shè)計(jì)的相關(guān)技術(shù)人員對(duì)體積指標(biāo)及瀝青混合料的骨架結(jié)構(gòu)有了更深刻的認(rèn)識(shí)，在進(jìn)行瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)的過程中，合理運(yùn)用貝雷法進(jìn)行級(jí)配檢驗(yàn)與控制，能在實(shí)際生產(chǎn)中避免瀝青混合料設(shè)計(jì)的盲目性和僅憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)試的局限性。

(2)應(yīng)用貝雷法進(jìn)行相關(guān)控制參數(shù)的計(jì)算，顯示級(jí)配二是最佳的級(jí)配結(jié)果。通過相關(guān)的實(shí)驗(yàn)論證，級(jí)配二較另外兩個(gè)級(jí)配也具有更好的力學(xué)性能及抗水損害性能。這說明貝雷法在實(shí)際工程中的應(yīng)用是可行的，能夠作為級(jí)配設(shè)計(jì)中的一種控制方法。

(3)貝雷法對(duì)CA比、FAc比、FAF比三個(gè)控制值進(jìn)行計(jì)算，但有時(shí)并不是萬能的，需綜合其他理論及馬歇爾實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定最佳瀝青用量和最佳級(jí)配組成，設(shè)計(jì)出最優(yōu)的瀝青混合料。

[1] 樊統(tǒng)江.采用正交試驗(yàn)方法進(jìn)行SMA混合料的配合比設(shè)計(jì)研究[J].石油瀝青，2000，14(2):18-19.

[2] 郝培文,等.應(yīng)用貝雷法進(jìn)行級(jí)配組成設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)[J].長安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2004，(11).

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

[4] 黃衛(wèi)東,等.集料級(jí)配評(píng)估的貝雷法[J].中外公路，2005，(2).

2015-02-12

U416.1

C

1008-3383(2015)11-0008-02