应用贝雷法进行大粒径沥青混合料级配组成设计

李晓梅 马琳

摘要：贝雷法是通过确定不同的粗集料选取密度形成不同的集料骨架结构，进行集料级配设计；运用三个比例参数CA 比、FAc比及FAf比评价合成级配，使设计的混合料具有较好的抗车辙性能和耐久性。本文通过贝雷法设计大粒径沥青混合料级配的实践，简要的介绍了贝雷法设计级配的方法、步骤，总结了用贝雷法设计大粒径沥青混合料级配时有关参数值的确定和应该注意的问题。

关键词：贝雷法大粒径粗集料选取密度 级配设计CA比FAc比FAf比K值

中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：

传统的沥青混合料级配设计通常是依据已有的经验，通过试配－修正－试配的过程来确定矿料级配，使设计的矿质混合料形成适宜的空隙结构。采用这种方法很难设计出理想的粗集料嵌挤,并且它也不能适用于各种沥青混合料。贝雷法最初是由伊利诺伊州交通部的材料工程师Robert Bailey先生提出的，其主体思想是以形成的集料骨架作为混合料的承重主体，使设计的混合料能提供较高的抗车辙性能，同时通过调整粗细集料的比例，获得合适的VMA以保证设计混合料具有耐久性。通过不断总结，贝雷法中提出了用于评价级配的一系列参数，这些参数直接和VMA、空隙率和压实性能相关，有助于更好地理解集料级配与混合料中空隙体积的关系，也为设计合成级配提供了一套工具。贝雷法现已可应用于各种最大粒径的密级配沥青混合料及SMA,而且适用于任何一种混合料设计方法，包括Superpave、马歇尔设计法、维姆设计法等。

1．贝雷设计法简介

1.1． 基本概念

贝雷法主要是基于以下基本概念来阐明集料级配与沥青混合料体积特性之间的关系的。

1.1.1．集料的嵌挤与填充

空隙率是混合料设计中的重要指标，不同的集料嵌挤与填充情况会形成不同的空隙，它主要依赖于压实方法与压实功的大小、集料颗粒形状、表面纹理、粒径分布及颗粒强度等。贝雷法中按集料的嵌挤与填充情况，将密级配沥青混合料分为粗级配和细级配两种类型。

1.1.2．粗、细集料的定义

在贝雷法中，粗细集料定义不同于传统的划分方法，其定义如下：

粗集料：置于单位体积中能产生空隙的大集料颗粒；

细集料：能填充由粗集料产生的空隙的集料颗粒；

从上面的定义可以看出，粗细集料的划分是相对的，也是相辅相成的，粗细集料的分界点是随公称最大粒径而变化的。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

式中的0.22因子是按照下列方法确定的。当集料颗粒全为圆形时，达到嵌挤状态的第一控制筛孔尺寸与公称最大粒径之比为0.155；当集料颗粒全为方形时，这个比值为0.289。由于集料颗粒不可能全为圆形和方形，因此取二者的均值0.22为比例因子。

1.1.3．粗集料选取密度（即设计密度）

为了得到期望的集料骨架结构，设计者应选取设计级配中粗集料的适宜密度，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％以上，两者的关系如图1示。

图1选择密度含义

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％至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％。应注意的一点是，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％至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，当然，这也不是绝对的，还应充分考虑集料本身的性质和细集料所能起的骨架作用，如针片状、颗粒形状、集料表面纹理等。

1.2．检验级配的有关参数

用贝雷法设计而成的合成级配，应进行有关参数的计算和分析，以确定级配是否达到设计意图。

分析是将合成级配分成三个部分：第一部分是合成级配的粗集料部分，即最大粒径与PCS之间的集料；合成集料的细集料又被分成粗、细两个部分，其分界点称为第二控制筛孔（SCS），且SCS=PCS×0.22；细料的细部同样被再分一次，以第三控制筛（TCS）作为分界点，且TCS=SCS×0.22。合成集料的划分如图2所示：

图2级配的分析

对合成级配用CA、FAc及FAf三个参数进行分析后，再计算合成级配骨架稳定度K值，用以分析合成级配是否形成骨架结构。这些参数发生变化，将引起沥青混合料的体积特性、施工特性以及使用性能的变化。

①.CA比

即为粗集料比，该参数用于评价矿料中粗集料的含量、分布的均匀性和分析空隙特征。计算公式如下：

式中：PD/2－粒径为D/2（D为公称最大粒径）的通过率，％；

PPCS－第一控制筛孔的通过率，％

CA比对沥青混合料的体积特性有重要影响，它反映了粗集料中大粒径颗粒与D/2～PCS粒径颗粒之间的均衡关系，这种均衡关系将影响混合料的压实特性和路用性能。CA比增大，混合料的空隙率和VMA将相应增大。

当CA比接近1.0时，会因粗集料中D/2～PCS粒径颗粒含量过大而使混合料在施工中难于压实，且因粗集料颗粒之间容易产生移动而不易嵌挤成型。当CA比大于1.0时，D/2～PCS粒径颗粒将控制粗集料的骨架结构形成，而较大粒径的粗集料则悬浮于其中。

CA比随公称最大粒径的不同而有不同的取值范围要求。

②.FAc比

把细集料重新视为一混合料，并将其分成粗、细两个部分，细集料中粗料部分形成的空隙由细料部分进行填充。FAc就是用来反映细集料中粗料部分与细料部分的嵌挤、填充情况，计算公式如下：

式中：PSCS－第二控制筛孔的通过率，％

FAc值增大，表明细集料中起填充作用的细料部分比例增大，从而使细集料形成更为紧密的结构。国内外有关研究认为，FAc值应小于0.50，如果大于0.50表明混合料中含有过量的砂，在0.45次方级配曲线图上将出现“驼峰”，这是应该避免的。如果FAc比低于0.35，则表明合成级配不均匀，在0.45次方级配图上呈凹状，这种级配可能存在压实问题。FAc值对混合料的VMA有很大影响，随其值的减小VMA将不断增大。

③.FAf比

反映了合成集料中最细一级的嵌挤情况。FAf（Fine Portion of Fine Aggregate）反映了合成集料中最细一级的嵌挤情况，计算公式如下：

式中：PTCS－第三控制筛孔的通过率，％

与FAc比类似， 其值影响混合料的体积特性。一般VMA值随其减小而增大。对于一般的密级配沥青混合料，国内外研究也认为FAf比也应小于0.50。

④．骨架稳定度比k

反映了合成级配中设计级配骨架密度与松堆密度的关系，计算公式如下：

= +

上式中：共有n档粗集料，m档细集料， 代表最终矿料中第i档粗集料的用量为 %, 代表矿料中第i档细集料的用量为 %， 代表第i档粗集料的松装密度， 代表第i档粗集料的毛体积密度， 代表第i档细集料的干捣密度，K代表松装密度的修正百分比比值即骨架稳定度比。