贝雷参数对混合料级配特征与施工特性的影响

贝雷参数对混合料级配特征与施工特性的影响

第32卷　第5期

2010年3月武　汉　理　工　大　学　学　报JOURNALOFWUHANUNIVERSITYOFTECHNOLOGYVol.32　No.5　Mar.2010DOI:10.3963/j.issn.167124431.2010.05.018

贝雷参数对混合料级配特征与施工特性的影响

马登成1,刘洪海1,马尉倘2,陈　筝3

(1.长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室,西安710064;2.广州能达高级公路维护有限公司,广州510030;

3.武汉理工大学硅酸盐材料工程教育部重点实验室,武汉430070)

摘　要:　通过贝雷法对混合料进行级配设计,分析了贝雷参数CA、FAC、FAf对混合料级配特征与施工特性的影响。结果表明:贝雷参数值对沥青混合料的空隙率、矿料间隙率、粗集料骨架的形成;CA;FAC,FAf同FAC类似,其值也影响混合料的施工特性。

关键词:　贝雷参数;　沥青混合料;;　中图分类号:U:文章编号:167124431(2010)0520067205

ofParametersonMixtureGradationandConstruction

CharacteristicsBasedonBaileyMethod

MADeng2cheng1,LIUHong2hai1,MAWei2tang2,CHENZheng3

(1.KeyLaboratoryforHighwayConstructionTechnologyandEquipmentofMinistryofEducation,

Chang’anUniversity,Xi’an710064,China;2.GuangdongLongdaSuperhighwayMaintenanceCoLtd,

Guangzhou510030,China;3.KeyLaboratoryofSilicateMaterialsScienceandEngineeringof

MinistryofEducation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)

Abstract:　TheinfluenceofCA,FACandFAfonthecharacteristicsofasphaltmixturegradationandconstructionareana2lyzedbygradationdesignoftheBaileymethod.Theresultsshowthattheseparametershasasignificanteffectonpercentairvoids,VMA,formationofthecoarseaggregateskeleton,ruttingresistanceanddensificationcharacteristicsofasphaltmixture;TheChangeofCAdecidesthedegreeofcrowdednessofcoarseaggregateandconstructioncharacteristicsofmixture;FAChasthegreatestimpactontheVMA,FACandFAfalsohavesomeeffectsontheconstructionproperties.

Baileyparameters;　asphaltmixture;　gradationcharacteristics;　constructionpropertiesKeywords:　

传统的沥青混合料矿料级配设计方法在长期的使用过程中,逐渐暴露出其缺陷和不足,并且不能适用于各种沥青混合料。美国伊利诺州交通部的罗伯特 贝雷(RobertBailey)先生提出的贝雷级配设计检验方法,提出了混合料级配设计中粗集料骨架嵌挤程度的确定方法,考虑了各组成集料填充特性的级配方法及判定法则[1,2]。贝雷法现已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。中国自从林绣贤利用该法来评价不同的级配、并利用粗细集料比检验级配的嵌挤以来,许多工程都不同程度的利用该法设计沥青混合料的配合比。目前应用贝雷法仅是通过验证粗细集料的比例来保证粗集料的骨架,因此这具有一定的局限性[326]。为此,对贝雷参数收稿日期:2009210220.

基金项目:内蒙古交通厅合作项目(NJ22004222).

作者简介:马登成(19812),男,博士生.E2mail:mdc8235@

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　　　　　　　　　　　　　　　　武　汉　理　工　大　学　学　报　　　　　　　　　　　　　　2010年3月68

在评价级配时所起的作用以及对混合料施工特性的影响进行分析,为更好应用贝雷法进行沥青混合料级配设计和评价级配提供参考。

1　贝雷法的基本概念[2]

贝雷法通过以下基本概念阐明集料级配与混合料特性之间的关系。

1.1　粗、细集料的划分

粗集料是指能产生空隙的大颗粒集料,细集料是指能填充粗集料产生空隙的小颗粒集料。贝雷法中粗细集料不再以4.75mm或2.36mm划分,而是以最大公称粒径确定。其数学基础是等直径平面圆模型,如图1所示[6]。

颗粒之间的空隙决定子颗粒的尺寸和形状。

当3个相互接触的颗粒全为圆形时,空隙中内切圆

的直径为0.15D(D为颗粒尺寸);当有1个接触面

为平面时,内切圆直径为0.20D;当有2个接触面

为平面时,内切圆直径为0.24D;当3个接触面均

为平面时,内切圆直径为0.29D。由于实际使用的

材料既非全方也非全圆,因此取以上4D0.22D,。同济,计算公式见式(1)。

(1)PCS=NMPS×0.22

式中,PCS、NMPS为第一控制筛孔尺寸、最大公称尺寸。

1.2　松装密度与干捣实密度

松装密度是集料堆积状态下不捣实时单位体积重量。试验方法是:将风干的代表性试样装入相应的容量桶内,到材料流出,用直径15mm的金属棒刮平,在不压实材料时称重计算松装密度,进行3次试验取均值。为了减小筒的边界效应对颗粒填充的影响,要求筒的直径大于10倍公称最大粒径。干捣实密度是集料在捣实时的单位体积重量。试验方法是:将材料分3层放入量筒,每放入一层用捣棒捣实25次,最后用合适的材料填充表面空隙,称重计算干捣实密度。试验进行3次取均值。

1.3　粗集料嵌挤程度

粗集料的嵌挤程度取决于压实力、压实方法、颗粒形状、纹理、粒径和颗粒强度等。按颗粒的紧密程度,将粗集料形成的骨架分为2种类型:紧排骨架和松排骨架。

紧排骨架是压实混合料中的粗集料间隙率小于粗集料干捣实空隙率,适用于间断级配和开级配沥青混合料。如SMA、OGFC等。松排骨架是压实混合料中粗集料间隙率在粗集料松装空隙率和粗集料干捣实空隙率之间,适用于骨架嵌挤连续级配密实结构如Superpave混合料。由此可见压实混合料中粗集料间隙率愈向粗集料干捣实空隙率靠近,粗集料的嵌挤程度愈高,混合料力学性能愈佳,但施工难度愈大。

1.4　集料填充特性

集料填充特性是单位体积中不同粒径的颗粒相互填充,集料之间存在空隙的特性。其填充比例和程度主要取决于集料级配组成、颗粒形状和表面纹理、压实方法和压实功。

1.5　粗级配混合料与细级配混合料

粗级配混合料为粗集料形成骨架结构的密级配混合料;细级配混合料为粗集料不足以形成骨架结构,荷载主要由细集料承担的密级配混合料。

1.6　粗集料的选取密度

根据期望得到的粗集料骨架结构选取的设计密度。松装密度是粗集料形成骨架嵌挤结构的下限,干捣实密度是连续级配粗集料形成骨架嵌挤结构的上限。松装密度是粗、细级配混合料的分界点。

1.7　混合料施工特性

混合料的施工特性为沥青混合料在摊铺、压实时的难易程度所表现出的工作特征,如是否容易发生材料

贝雷参数对混合料级配特征与施工特性的影响

第32卷　第5期　　　　　马登成,刘洪海,马尉倘,等:贝雷参数对混合料级配特征与施工特性的影响　　　　69离析,碾压推移、开裂及压实的难易程度等。混合料的施工特性直接决定了沥青路面的压实度、平整度和耐久性等。

2　贝雷级配设计方法

2.1　粗集料选取设计密度

粗集料设计密度与嵌挤程度有很好的相关性,直接决定粗集料的骨架结构。贝雷法提出的设计密度大于粗集料的松装密度,以满足粗集料形成相互嵌挤,干捣实密度为设计密度的上限,越接近干捣实密度施工难度越大,压实越困难。设计密度一般应从松装密度开始,最大不超过松装密度与干捣实密度的平均值[8,9]。坚硬的集料可取最小值,较软的集料取最大值。通常干捣实密度为松装密度的110%以上[6]。按松装密度的百分比计算,粗级配混合料取松装密度的100%～105%,细级配混合料取松装密度的90%以下。对于密级配混合料避免采用松装密度的90%～95%,以免混合料粗集料骨架不稳定,施工出现严重的变异性。

2.2　级配设计步骤

1)选取粗集料的预期密度;2)初步拟定几种集料组成比例;3)度,矿粉仅作视密度;4)测定大于0.22D、0.222D、0.22nDmm222D、0.22nD等合成集料的松装密度和干捣实密度)。各级粗,VMA是否满足要求;8)对合成级配进行分析。

3　贝雷参数对混合料级配特征的影响

贝雷法采用贝雷参数对粗细集料的级配进行约束。贝雷法的矿粉级配特征是粗细集料的用量有严格的范围,粗一级集料形成的空隙决定了细一级集料的用量,形成多级嵌挤密实结构,使混合料既具有抗车辙能力又具有抗水损坏的综合性能。

3.1　贝雷参数

3.1.1　粗集料的粗料率CA值

第一控制筛孔决定了粗细集料,可用1/2D(公称最大粒径)将粗集料进一步分为粗料和细料,通过该尺寸筛孔,材料的变化会影响粗集料自身结构,称为粗集料结构分界点[3,10]。其特性可用粗集料的粗料率(CA)描述,见式(2)。

CA=(PNMPS/2-PPCS)/(100-PNMPS/2)(2)

式中,PNMPS/2、PPCS为1/2公称最大粒径的通过率、第一控制筛孔通过率。

式(2)中分母为粗集料的粗料部分,分子为粗集料的细料部分,因此PNMPS/2决定了粗集料颗粒之间的均衡关系。粗集料称为填塞料,CA减小时,填塞料的比例增加,会增加对空隙的填充,矿料间隙率减小;CA值增大时,干涉料增加,细料的干涉作用越来越明显,空隙率逐渐增大,矿料间空隙率增大。

3.1.2　细集料的粗料率

若将细集料视为一种也是由粗料和细料组成的合成级配的混合料,其分界点可用第一控制筛孔的公式计算称为第二控制筛孔,见式(3)、式(4)。同理可进一步计算第三控制筛孔。

SCS=PCS×0.22

TCS=SCS×0.22(3)(4)

式中,PCS、SCS、TCS为第一控制筛孔尺寸、第二控制筛孔尺寸、第三控制筛孔尺寸。

粗集料相互嵌挤产生的空隙由细集料填充,同理细集料中较粗的部分相互嵌挤产生的空隙由较细的集料填充。评价细集料中粗颗粒填充特性的参数用细集料的粗料率FAC,见式(5)。评价细集料中的细颗粒填充特性的参数用细集料的细料率FAf,见式(6)。

FAC=PSCS-PPCS

(5)

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FAf=PTcs/PScs(6)

式中、PPcs、PScs、PTcs为合成级配在第一控制筛孔、第二控制筛孔和第三控制筛孔的通过率。

3.2　贝雷参数值范围表1　各参数建议范围

最大公称尺寸/mm

37.50

25.50

19.00

12.50

9.50

4.75CA0.80～0.900.70～0.850.60～0.750.50～0.650.40～0.550.30～0.450.35～0.500.35～0.50FACFAf由于贝雷参数值直接决定了集料的填充特性和混合料的体积参数,因此文献[1,2]中WilliamRVavrik提出了CA值应为0.4～0.8之间,FAC、FAf参数值范围为0.35～0.50之间,后来修正为根据最大公称粒径给出不同的CA值。见表1。各最大公称粒径

的控制筛孔和贝雷参数比值计算见表2[3]。

最大公称粒1/2最大公称第一控制

径NMPS/mm筛孔/mm

37.5

25

19

12.5

9.5

4.7519.012.59.54.75表2　集料控制筛孔和参数比值计算第二控制筛孔/mm2.361.181.180.6030第三控制筛孔/mm0.600.300.075筛孔/mm9.54.754.752.CA(P19.0-P9.5(100-P19.0)(-4.75)(100-5)(P54.75)/100-P)P-)/-P75)(P4.75-P2.36)/(100-P4.75)(P2.36-P1.18)/(100-P2.36)FACP2.36/P1./P4.751./75P0.60/P2.36P0.60/P2.36P0.30/P1.18FAfP0.60/P2.36P0.30/P1.18P0.30/P1.18P0.15/P0.60P0.15/P0.60P0.075/P0.304　贝雷参数对混合料施工特性的影响

贝雷法密级配混合料设计中,选取的设计密度在粗集料松装密度和干捣实密度之间是为了保证粗集料形成面2面相互接触的嵌挤骨架,以具有较高的稳定性。贝雷参数CA、FAC、FAf值的合理范围则是保证集料的合理填充产生符合要求的体积指标,满足耐久性的要求,并具有良好的施工特性,以提高和保证施工质量。

4.1　CA对混合料施工特性的影响

粗集料形成骨架嵌挤的前提条件如式(3)、式(4)所示,混合料中的粗集料间隙率应小于粗集料干捣实空隙率。这要求粗集料足够多,细集料对粗集料不能产生过大的干涉。即次一级集料粒径不能过大,数量不能过多。

CA比的变化在很大程度上决定了粗集料的嵌挤程度和混合料的施工特性[10]。当CA比增大时,粗集料中的细集料增多易对集料级配发生干涉,混合料中的粗细级骨架从强骨架向弱骨架发展;CA比过大时骨料不能形成骨架结构,当CA比值接近1.0时,细料和粗料两部分数量接近,在形成骨架时都不占主要地位,由于中间粒径过多,不能形成一致的骨架结构。混合料在碾压时容易推移,也很难压实。当CA值大于1.0时,细集料占据主要地位,粗颗粒少,处于悬浮状态;当比偏小时,需要较多的细集料填充空隙,虽然粗集料嵌挤较好,但是由于粗、细集料比例失调,粗料成分往往不均匀,混合料容易发生。建议控制在0.4～0.6之间。

4.2　FAC、FAf对混合料施工特性的影响

若将混合料中的细集料作为一个整体看待时,也有粗、细料之分,较粗的成分形成的空隙由较细的成分填充,FAC反映了细集料中粗料部分与细料部分的嵌挤情况。FAC增大,细料成分比例增大使细集料形成更紧密的结构。但比值过大,表明细料过多,在0.45次级配图上会出现“驼峰”曲线。产生以下不良后果:1)降低混合料的强度和抵抗永久变形的能力;2)集料VMA不合格,不能保证足够的沥青膜厚;3)混合料对沥青含量非常敏感,沥青的微小变化都会使混合料变得不稳定;4)可能造成压实不稳定,出现严重的推移、开裂。

若FAC比值低,细集料中的粗料空隙由较少的细料填充,会增加VAM和混合料的空隙率。在0.45次方级配图上曲线呈凹状,会产生压实问题。在3个参数中FAC值对混合料VAM影响最大。由此可见细集料组成十分重要,在进行级配设计时,不能仅采用0～5mm的单一规格材料,往往0.3～2.36mm之间的材料不能满足级配要求,粉尘又多使比值过大或过小,造成不良级配,影响混合料的施工特性和路用性能。建议控制在0.35～0.5之间。

贝雷参数对混合料级配特征与施工特性的影响

第32卷　第5期　　　　　马登成,刘洪海,马尉倘,等:贝雷参数对混合料级配特征与施工特性的影响　　　　71细集料中的FAf值可用来评价细集料中的细料成分的填充特性。同FAC类似,其值影响混合料的体积特性。FAf增加,混合料的空隙减少;FAf减小,VMA值增大。建议控制在0.35～0.5之间。

5　结　论

a.贝雷法的矿料级配特征是粗、细集料的粒径尺寸和用量有较严格的范围和数量限制,粗一级集料形成的空隙决定了细一级集料的用量,形成多级嵌挤密实结构。

b.选取设计密度在粗集料松装密度和干捣实密度之间是为了保证粗集料形成嵌挤结构;贝雷参数值的合理范围则是保证集料合理填充产生符合要求的体积指标。其取值大小对混合料的施工特性有重要影响。

c.贝雷法的CA比和FA比能够有效地检验粗、细集料级配的合理性。从而可达到改善高性能沥青混合料集料的级配特性和路用性能的目的。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/x3jm.html