贝雷法在SMA-13级配优化设计和检验中的应用研究

马红梅， 张新雨

(甘肃省交通科学研究院有限公司，甘肃省道路材料工程实验室， 甘肃 兰州 730050)



贝雷法在SMA-13级配优化设计和检验中的应用研究

马红梅， 张新雨

(甘肃省交通科学研究院有限公司，甘肃省道路材料工程实验室， 甘肃 兰州 730050)

依托临合高速公路工程项目，为了优化上面层沥青玛蹄脂碎石混合料SMA — 13矿料级配，提高沥青路面抗车辙性能、道路行车舒适性及安全性，以贝雷法级配设计理论为基础，以0.075 mm筛孔通过率为最小关键控制筛孔，结合马歇尔配合比设计法，提出了SMA — 13混合料级配检验指标及优化方法，并对优化后的级配进行了贝雷参数和路用性能验证。研究表明：贝雷法可以很好的应用于SMA — 13混合料级配优化，采用贝雷参数、体积指标和路用性能对SMA — 13混合料骨架结构进行三重检验，可有效保证设计混合料的各项性能。

贝雷法; SMA; 级配设计; 路用性能

1 概述

SMA沥青玛蹄脂碎石混合料是一种由粗集料的骨架嵌挤作用和沥青胶结料的粘结裹覆作用形成的骨架密实结构混合料。SMA混合料由于其良好的耐久性、高温稳定性、低温抗裂性、抗滑性，在我国高等级沥青路面的铺筑过程中得到广泛应用，多用于重载、高温区高速公路沥青路面上面层。而根据已有研究成果，沥青混合料的路用性能很大一部分是取决于矿料级配的，良好的级配是混合料形成强度，保证耐久性的基础。因此，准确地进行混合料级配设计，是确保SMA混合料沥青路面路用性能，尤其是抗车辙能力的前提。

目前，级配设计主要有2种思路： ①基于最大密度曲线的级配设计，该方法应用广泛。我国目前最常用的就是这种方法，但是由于该方法对集料的颗粒特性不予考虑，仅从集料的组成特性出发进行矿料级配设计，使得混合料体积指标较难控制； ②考虑集料体积特性的设计方法，以美国罗伯特·贝雷提出的贝雷法为典型代表。贝雷法是一种较为系统的沥青混合料矿料级配设计和检验方法，可通过参数检验、体积指标和路用性能三方面来指导级配设计。贝雷法的主要设计理念是嵌挤理论，即集料相互嵌挤所产生的空隙由下一粒级的集料填充，以此类推。由贝雷法设计的混合料，可以形成良好的骨架结构，从而具有较高的抗车辙性能，且细集料较为密实的填充了由粗集料产生的空隙从而使混合料具有良好的耐久性。贝雷法的设计理念与SMA混合料设计要求相一致。本文以依托工程上面层SMA — 13沥青混合料为研究对象，在贝雷法的深入研究及运用改善的基础上，进行级配设计及优化，并结合马歇尔法确定最佳沥青用量，使最终设计的混合料各项路用性能均达到最佳。

2 贝雷法分析

2.1 贝雷法控制筛孔划分

以粗集料形成的骨架作为沥青混合料的主要承重载体，通过对不同粒径集料进行粗细料划分并调整比例，按最佳比例进行掺配是贝雷法级配优化设计的主要思想。该思想基于以下2点：

① 沥青混合料的强度和抗车辙能力主要由粗集料形成的骨架结构和填充空隙的集料提供；

② 通过合理的体积参数，包括空隙率、矿料间隙率等来保证沥青混合料的耐久性。

我国现行沥青路面设计规范中将粗细集料的界限定为4.75 mm或2.36 mm。而贝雷法以公称最大粒径(NMPS)的0.22倍作为粗细集料的界限筛孔(PCS)，即粗细集料的界限筛孔根据NMPS的变化而不同。比例因子0.22并不是一个定值，研究表明，该因子在0.18～0.28之间对级配设计无明显影响。对于界限筛孔以下的部分按照比例因子进行进一步的划分，有第二控制筛孔(SCS=PCS)和第三控制筛孔(TCS=SCS)。同时，考虑到0.075 mm筛孔通过率对于SMA混合料矿粉掺量具有重要影响，是决定混合料耐久性的关键，在贝雷法各控制筛孔的基础上，将0.075 mm筛孔作为最小关键控制筛孔。贝雷法各控制筛孔的取值采用“就近原则”，SMA — 13控制筛孔分界点的划分结果见表1所示。

2.2 贝雷法检验参数

贝雷法的主要控制参数有3个： 粗集料的粗料率CA值、细集料的粗料率FAc值和细集料的细料率FAf值。各值的计算见式(1)～式(3)。

(1)

(2)

(3)

式中：PNMPS/2、PPCS、PSCS、PTCS为合成级配在1/2公称最大粒径筛孔、关键控制筛孔、第二控制筛孔和第三控制筛孔的通过率。

从式(1)～式(3)可以看出: CA表征粗集料内部颗粒组成结构，FAc、FAf值表征细集料内部颗粒组成结构。CA值过大时骨料很难形成骨架结构，混合料压实时容易推移；CA值过小时，混合料施工和易性不良。FAc值偏大，容易形成“驼峰”级配而导致混合料性能不良；FAc值过小，细集料中的偏粗颗粒产生的空隙不能完全填充，导致混合料空隙率和矿料间隙率偏大。FAf值用来评价细集料的填充特性，该值对混合料体积特性的影响同FAc值类似。

由式(1)可知:PNMPS/2决定了粗集料颗粒间的均衡，但是，NMPS/2和PCS的计算值和最接近实际筛孔的偏差较大，会影响CA值的检验效果。因此，本文采用筛孔通过率理论计算值进行CA的计算。由于13.2型级配是我国特有的级配类型，借鉴美国12.5型级配筛孔及其研究成果，在进行SMA— 13矿料级配CA值计算时NMPS/2取6.25 mm虚拟筛孔，6.25 mm筛孔的通过率采用式(4)进行计算。同时，参考美国19、12.5及9.5型级配贝雷参数建议值，推荐的13.2型级配贝雷参数范围，见表2。

(P9.5-P4.75)

(4)

式中：P9.5、P6.25、P4.75分别为9.5 mm筛孔、6.25 mm筛孔和4.75 mm 筛孔通过百分率，%。

表2 13.2型级配贝雷参数建议范围Table2 Baileyparametersrecommendedrangeofthe13.2graduation参数NMPS为13.2mmCA0.25～0.40FAc0.60～0.85FAf0.60～0.85

3 SMA-13配合比优化设计

3.1 原材料指标检测

使用贝雷法优化设计级配过程中所需集料相关密度见表3，松装密度是集料在松装状态下单位体积的质量，干捣密度是集料在捣实状态下单位体积的质量。各档集料筛分结果见表4。

表3 集料密度值Table3 Densityoftheaggregate(g·cm-3)材料表观相对密度毛体积相对密度松装密度干捣密度粗料A2.9842.8911.9222.010粗料B2.9732.9201.9382.113细料2.7122.6091.805矿粉2.722

表4 各档料筛分结果Table4 Separateresultsoftheaggregate筛孔/mm各筛孔通过率/%粗料A粗料B细料矿粉1610010010010013.294.11001001009.518.799.71001004.750.112.71001002.360.10.283.71001.180.10.149.51000.60.10.128.41000.30.10.118.71000.150.10.14.899.40.0750.00.00.482.4

3.2 贝雷法级配优化设计及检验

3.2.1 级配优化设计

本文对临合高速公路上面层SMA — 13混合料进行贝雷法配合比优化设计。为了保证粗集料形成紧密的嵌挤结构，粗集料的设计密度应尽可能接近干捣密度。因此，本文设计密度取松装密度的103%，=10.0%(规范规程设计级配范围中值)。参考工地原有目标配合比设计结果，两种粗集料按体积比55∶45混合。具体设计步骤如下：

① 初步计算粗细集料组成比例。

将粗集料A、B按照比例55∶45混合以后，每cm3体积内各粗集料用量为：

集料A： 1.922×103%×55%=1.089 g；

集料B：1.938×103%×45%=0.898 g。

粗集料间隙率VCA为：

VCA=0.316；

假定粗集料形成的骨架空隙完全由细集料按干捣密度填充，则cm3体积内所需细料为：

0.316×1.805=0.570，粗细料总量为：1.089+0.898+0.570=2.557 g。

粗细料初步组成为：

集料A： 1.089/2.557=42.6%；

集料B： 0.898/2.557=35.1%；

细料： 0.570/2.557=22.3%。

② 考虑粗料中含细集料和细料中含粗料影响对组成比例进行初步调整。

粗料中所含细料为：

集料A： 42.6%×0.1%=0.04%(P2.36=0.1%)；

集料B： 32.4%×0.2%=0.07%(P2.36=0.2%)；

总量： 0.04%+0.07%=0.11%。

细料中所含粗料为：

22.3%(1-83.7%)=3.63%(P2.36=83.7%)。

对粗料进行调整：

对细料进行调整：

22.3%+3.63%-0.11%=25.8%。

③ 考虑0.075 mm筛孔通过率对集料比例进行调整。

粗集料A、B中0.075 mm筛孔通过率为0，因此对粗集料比例不做调整。

细料：25.8%×0.4%=0.11%(P0.075=0.4%)；

可得所需矿粉为：(P0.075设计-P0.075合成)/P0.075矿粉=(10.0%-0.11%)/82.4%=12.1%；

细料调整为：25.8%-12.1%=13.7%。

对各档料的计算比例进行微调，并最终可得矿料级配为：集料A：集料B：细料：矿粉=41%：34%：13%：12%。最终合成的级配筛孔通过率见表5。

表5 贝雷法优化设计合成级配Table5 Compositegraduationbythebaileymethod 筛孔优化级配原级配筛孔优化级配原级配161001001.1818.516.613.297.697.80.615.814.49.566.666.90.314.513.44.7529.427.40.1512.612.82.3623.020.70.0759.910.2

3.2.2 参数检验

根据公式(1)～式(4)计算贝雷法CA、FAc、FAc参数值见表6。

表6 贝雷法参数检验Table6 Parametrictestofthebaileymethod检验参数设计值建议范围CA0.370.25～0.40FAc0.690.60～0.85FAc0.800.60～0.85

各贝雷参数均在参数建议范围内，表明该级配形成了良好的骨架嵌挤结构。

3.3 级配验证

本文在级配设计的基础上，采用马歇尔法确定该级配的最佳沥青用量，并就优化级配及工地原有级配进行相关的体积指标及路用性能指标检验。沥青结合料选用SBS改性沥青，该沥青与矿料粘附性好，经检测各项指标均满足规范JTGF40 — 2004中对SBSI — C的要求。马歇尔试验体积指标试验结果见表7所示。在最佳沥青用量下分别进行各项路用性能验证试验，判断不同级配各项性能的优劣。试验结果见表8。

表7 马歇尔试验结果Table7 Theresultsofmarshall项目试验结果设计级配工地级配技术标准最佳油石比5.35.4空隙率V/%4.04.23～5VMA/%17.116.8≥16.5VFA/%79.475.270～85稳定度/kN10.29.3≥6流值/(0.1mm)2.123.542～5飞散损失/%2.74.5≤15析漏损失率/%0.030.03≤0.1

由表7可知: 贝雷法设计的级配较工地原级配有较小的空隙率、较高的稳定性和较高的沥青饱和度。表8的试验结果表明，优化设计后的级配高温稳定性和抗水损害能力均优于工地原有级配，低温抗裂性能与工地原级配较为接近。综合贝雷法参数、马歇尔试验体积指标结果及路用性能试验结果可知，采用贝雷法优化设计的级配各项体积指标都较为优良。由此可知，经优化设计后的级配确实起到了骨架嵌挤作用，从而使设计的混合料具有优良的高温稳定性、低温抗裂性和抗水损害性能，大大提高了沥青路面的耐久性。

表8 路用性能试验数据Table8 Theresultoftheroadperformance试验项目试验指标实测值优化级配工地原级配技术要求车辙试验动稳定度/(次·mm-1)63525016冻融RT2/MPa0.740.67冻融劈裂试验未冻融RT1/MPa0.810.77抗拉强度比/%91.484.480马歇尔稳定度/kN10.29.3浸水马歇尔试验浸水马歇尔稳定度/kN8.97.7残留稳定度/%87.582.880低温弯曲试验最大破坏弯拉应变()39583873≥2800

4 总结

① 贝雷法级配设计理念与SMA混合料的设计要求高度一致，采用贝雷法进行SMA混合料级配设计可以更好的保证矿料的骨架密实结构。

② 采用筛孔通过率的计算值进行贝雷参数的计算，可以减少因筛孔偏差造成的贝雷参数检验效果的偏差；并借鉴国外贝雷法检验参数的建议范围，提出了SMA — 13型级配贝雷参数的合理范围，对于贝雷法在SMA混合料级配设计和检验中的应用起到控制和指导作用。

③ 采用贝雷参数、体积指标和路用性能三重指标进行矿料级配的优化设计与验证，从理论与实际的角度均保证了矿料级配嵌挤结构的形成，使得设计的沥青混合料具有非常优良的路用性能。

④ 经试验验证，采用贝雷法设计的混合料具有十分优良的高温稳定性、低温抗裂性和抗水损害性能，大大提高了沥青路面的耐久性。

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The Application of Bailey Method on SMA-13 Gradation Optimization Design and Test

MAHongmei， ZHANGXinyu

(Gansu Provincial Transportation Research Institute，Gansu Provincial Road Materials Engineering Laboratory，Lanzhou，Gansu 730050，China)

In order to optimizing the obove stone mastic asphal tmixes SMA-13 aggregate gradation，And improving asphalt pavement rutting resistance，road driving comfortable and safety，this paper relies on LinHe highway project，using 0.075 as the critical control sieve，basing on the Bailey method gradation and Marshall Mix Design theory，Proposed SMA-13 mixture gradation test indicators and Optimization，Also verify that the parameters and Bailey Road Performance of this method．it proved Bailey method can be good for SMA-13 mixture gradation optimization，the Bailey parameters，volume indicators and road performance triple test are effective for the SMA-13 mixture skeleton structure，which can effectively ensure that the design of the mix performance．

baileymethod; SMA; gradationdesign; roadperformance

2015 — 03 — 05

甘肃省科技计划资助项目(1104GKCA026)

马红梅(1988 — )，女，甘肃临夏人，工学硕士，主要从事道路方面的研究工作。

U 416.217

A

1674 — 0610(2016)05 — 0176 — 05