基于贝雷法沥青混合料矿料级配设计方法探究

王勇智，王 代，刘 亮

(1.中州大学工程技术学院，郑州450044;2.河南省交通规划勘察设计院有限责任公司，郑州450052)

沥青混合料由粗集料、细集料、填料及沥青结合料所组成，其中在混合料中粗集料形成骨架结构，细集料填充其间空隙，沥青和填料形成的沥青胶结料将粗细集料粘结在一起，从而形成骨架密实结构，以具有良好的高、低温稳定性、耐久性等路用性能。优良的路用性能需要良好的级配设计来实现。

目前的级配设计大多根据主控制筛孔的通过率，选取粗、中、细三种级配类型，通过矿料间隙率、沥青饱和度等参数的比选来确定级配。由于大多数粗、细两种级配要么太粗要么太细，存在某些体积指标不能满足要求，所以绝大多数选取中间级配，这就造成级配比选失去了意义。并且沥青混合料的性能不仅主控制筛孔通过率对其有着影响，粗、细集料内部之间的比例关系也对沥青混合料的骨架稳定度有着不可忽视的作用。

本文依次通过粗集料单因素振实试验、细集料捣实试验并借鉴贝雷法设计密度的概念，以AC-20型混合料矿料级配为例进行设计，从理论上确定粗、细集料内部间的组合和粗、细矿料之间的比例关系。

1.原材料试验

本次试验采用新乡石灰岩石料。首先对粗、细集料筛分成各档，并测定各档的毛体积相对密度，具体分档及其毛体积相对密度见表1和表2。

表1 各档粗集料毛体积相对密度

表2 各档细集料毛体积相对密度

2.粗集料单因素振实试验

粗集料在混合料中的作用主要是形成稳定的骨架，本次通过单因素振实试验，以骨架空隙率最小值为目标函数，来确定粗集料各档之间的比例。具体试验方法为首先选取1#(26.5～19.0mm)与2#(19.0～16.0mm)通过不同比例的掺配，掺匀后分两层装入直径为25cm、体积为11711cm3的圆柱形内，放在振动台上，并在其上放一直径与试筒一致、厚为5cm的压块，每层振动60s。计算各不同比例下的矿料剩余空隙率，以矿料剩余空隙率最小值为最佳掺配比例，再通过相同的方法，求出1#+2#与3#(16.0～13.2mm)的最佳比例，依次求出粗集料内部各档之间的最佳比例，见图1。从图上曲线走势可以看出，随着不同粒径集料比例的逐渐增加，粒径较粗的集料之间的空隙逐渐被下一档较细集料所填充，剩余空隙率减少，但下一档集料增加到一定比例后，较粗集料间的大多空隙已被下一档集料所填充，并且逐渐干涉较粗集料间的接触，剩余骨架空隙率又逐渐增大。

通过振实试验，粗集料内部各档之间的最佳比例为 1#∶2#∶3#∶4#∶5#=14.7∶6.3∶21.0∶18.0∶40.0。

3.细集料内部组成颗粒级配设计

细集料在混合料中的作用为填充粗集料形成的骨架，通常认为细集料越密实越有利于粗集料骨架的稳定，为了研究细集料内部之间的比例，选取泰波公式不同的n值，设计7种级配，见表3。通过捣实试验，以剩余空隙率最小值为目标函数，求得细集料最佳的内部比例。本次试验采用直径为15cm，体积为3074cm3圆筒，分三层捣实，每层各捣实25次。不同n值的捣实剩余空隙率结果见表4、图2。从捣实结果可以看出n为0.45时，剩余骨架空隙率最小。

图1 粗集料内部各档最佳比例

表3 不同n值下各档细集料的比例

表4 不同n值各种级配捣实试验剩余空隙率

图2 不同m值下的剩余空隙率

4.粗细集料比例大小设计

如何确定粗细集料之间的比例，在目前沥青混合料马歇尔设计中通常是以4.75mm筛孔的通过率设计粗、中、细三种级配，但具体如何确定三者用量缺乏理论依据，本文借鉴贝雷法级配设计思想，以下面的公式来确定粗细集料内部之间的比例。

对于AC-20型沥青混合料，其主控制筛孔PCS为4.75mm;0.075mm筛孔的通过率选取级配范围中值，即P0.075为5%。通过粗集料单因素振实试验和细集料捣实试验结果，即可得到细集料干捣实密度和粗集料合成毛体积密度。粗集料设计密度是人们想要达到的粗集料骨架的紧密程度，一般用粗集料松装密度的百分率表示，通常取松装密度的95%～105%。设计密度大于松装密度的105%时，集料容易压碎且难以压实;小于95%时骨架结构不稳定。本次以粗集料振实密度为标准，设计密度选取粗集料振实密度的 90%、95%、100%、105%、110%，由式(1)，即可计算出不同设计密度时的主控制筛孔通过率，即粗细集料之间的比例。

表5 粗集料不同设计密度下的PCS值

5.AC-20矿料级配设计

最终由单因素振实试验和细集料捣实试验结果确定的粗、细集料内部比例和PCS值即可确定不同 设计密度下的矿料级配见表5、表6和图3。

表6 不同设计密度下的矿料级配

6.结论

本文从粗、细集料在混合料中的作用出发，并结合贝雷法级配设计思想，采用单因素振实试验、细集料捣实试验，以剩余空隙率最小值为目标函数，对粗、细集料内部组合进行设计，并采用粗集料设计密度来对粗细集料比例进行优化，从理论上建立了混合料中各种矿料间的比例关系。

(1)通过单因素振实试验，以剩余空隙率最小值为目标函数，确定了粗集料间的最优组合。

(2)通过泰波级配理论，设计不同n值的细集料级配组合，并通过捣实试验，以矿料剩余空隙率最小值为目标函数，确定了细集料间的最优组合。

(3)以粗集料振实密度为标准，根据骨架稳定度要求，选择设计密度并以此确定了粗细集料间的比例关系。最终从理论上设计了不同设计密度下的矿料级配组成。

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