貝雷法在級(jí)配碎石基層級(jí)配檢驗(yàn)中的應(yīng)用

徐云晴，孟 芹，李貴乾，吳楚鋼

(1.山東圣翰財(cái)貿(mào)職業(yè)學(xué)院，山東濟(jì)南 250316；2.貴州交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng)550008；3.廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西南寧530011；4.新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，新疆烏魯木齊830006)

0 前 言

針對(duì)我國(guó)高速公路半剛性基層路面常出現(xiàn)的反射裂縫、沖刷、唧漿等病害[1]，采用具有一定厚度和嚴(yán)格級(jí)配要求的優(yōu)質(zhì)級(jí)配碎石作為上基層，而半剛性材料作為下臥層的上柔下剛式“組合基層”，一方面在很大程度上能夠防止和減少半剛性基層的反射裂縫，同時(shí)級(jí)配碎石基層還能起到排水功能的作用[2]。

但是級(jí)配碎石作為路面柔性結(jié)構(gòu)層，主要的缺陷在于易產(chǎn)生較大的塑性變形。表征級(jí)配碎石材料力學(xué)特性的參數(shù)主要有承載比(CBR)、抗剪切性能、回彈模量、抗永久變形能力等。優(yōu)質(zhì)級(jí)配碎石層的CBR值和回彈模量較高，具有良好的荷載分布能力和較高的抗剪切能力，可以減輕車(chē)輛作用下的不均勻變形。

根據(jù)已有研究成果[3]，除去施工因素，級(jí)配碎石材料的力學(xué)特性主要取決于材料的級(jí)配及材料本身的質(zhì)量。實(shí)踐表明，級(jí)配是影響級(jí)配碎石強(qiáng)度與剛度最重要的因素。一般說(shuō)來(lái)，密實(shí)的級(jí)配容易獲得高強(qiáng)度，從而使級(jí)配碎石獲得高的 CBR值、回彈模量及抗永久變形能力。傳統(tǒng)的級(jí)配碎石級(jí)配組成設(shè)計(jì)是根據(jù)已有的經(jīng)驗(yàn)，采用試配—修正—試配的過(guò)程來(lái)確定礦料級(jí)配組成，但用這種方法很難設(shè)計(jì)出理想的粗集料嵌擠結(jié)構(gòu)。

縱觀國(guó)內(nèi)外級(jí)配設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)方法，貝雷法既考慮了集料體積特性，又具有級(jí)配評(píng)價(jià)指標(biāo)，在骨架密實(shí)型混合料設(shè)計(jì)上具有優(yōu)勢(shì)[4]。但是，目前貝雷法更多的是用來(lái)設(shè)計(jì)瀝青混合料級(jí)配，故貝雷參數(shù)都是針對(duì)瀝青混合料提出的。本文應(yīng)用貝雷法礦料級(jí)配理論，在我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范中推薦的級(jí)配碎石礦料級(jí)配范圍內(nèi)選取級(jí)配進(jìn)行合理性檢驗(yàn)，并推薦對(duì)級(jí)配碎石基層礦料級(jí)配設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)的貝雷參數(shù)合理范圍。

1 原材料及級(jí)配的確定

1.1 原材料

本文級(jí)配碎石原材料選取水界高速路試驗(yàn)樣品進(jìn)行試驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 集料性質(zhì)檢驗(yàn)結(jié)果

1.2 級(jí)配的確定

以JTJ 034-2000規(guī)范[5]中級(jí)配范圍2的上限和JTG D50-2006規(guī)范[6]中級(jí)配范圍7的下限為范圍，國(guó)內(nèi)常用連續(xù)型和骨架型級(jí)配碎石基層級(jí)配曲線都在此控制范圍內(nèi)。在這個(gè)范圍內(nèi)選取了12個(gè)不同的級(jí)配，12個(gè)級(jí)配中:級(jí)配7、級(jí)配8和級(jí)配10是推薦范圍上限、中值和下限；級(jí)配9是9.5 mm以上篩孔靠近推薦級(jí)配下限，9.5 mm以下逐漸靠近推薦范圍上限；級(jí)配3和級(jí)配4分別是昆安路和水界路實(shí)體工程應(yīng)用級(jí)配，9.5 mm以上靠近推薦級(jí)配上限，9.5 mm以下逐漸靠近推薦范圍下限。級(jí)配11為JTG D50-2006基層骨架密實(shí)范圍中值。BL-103是按照設(shè)計(jì)密度的103%用貝雷法設(shè)計(jì)的級(jí)配[7]。級(jí)配1～6則是滿足JTJ 034基層施工技術(shù)規(guī)范中級(jí)配范圍2的級(jí)配要求，且由上限向下限逐漸過(guò)渡排列的級(jí)配。選定的級(jí)配見(jiàn)圖1。

1.3 最佳含水率和最大干密度

將集料篩分成單檔集料，將各檔集料按照12個(gè)級(jí)配曲線進(jìn)行回配。按照不同的加水量重型擊實(shí)成型3個(gè)試件，每個(gè)級(jí)配類(lèi)型最佳含水率和最大干密度見(jiàn)表2。

圖1 選定的級(jí)配

表2 最佳含水率和最大干密度試驗(yàn)結(jié)果

1.4 承載比(CBR)試驗(yàn)

在最佳含水率下，將各檔料回配拌合的混合料進(jìn)行擊實(shí)成型，飽水24 h后測(cè)定承載比(CBR)，見(jiàn)表3。

表3 CBR試驗(yàn)結(jié)果 單位:%

這12個(gè)級(jí)配曲線中，只有級(jí)配1的CBR值小于100%，其余11個(gè)級(jí)配的CBR值都大于100%，除了級(jí)配1，其余級(jí)配都滿足基層級(jí)配碎石配合比設(shè)計(jì)的要求，可以在實(shí)際工程中應(yīng)用。

2 貝雷法集料級(jí)配評(píng)價(jià)

2.1 貝雷法簡(jiǎn)介

貝雷法是一套系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)級(jí)配的方法[8]，貝雷法對(duì)粗細(xì)集料是以公稱(chēng)最大粒徑(NMPS)的0.22倍來(lái)劃分第一控制篩孔:PCS，貝雷法進(jìn)而對(duì)PCS以下的細(xì)料作進(jìn)一步的劃分，分為較粗的細(xì)料和較細(xì)的細(xì)料，依次類(lèi)推，又提出兩個(gè)控制篩孔:第二控制篩孔SCS=PCS×0.22，第三控制篩孔TCS=SCS×0.22。

貝雷法提出自己的粗、細(xì)級(jí)配劃分標(biāo)準(zhǔn)。在貝雷法中，粗級(jí)配被定義為混合料中粗集料形成骨架，荷載主要由粗集料承擔(dān)的級(jí)配；細(xì)級(jí)配被定義為瀝青混合料中沒(méi)有足夠粗集料形成骨架因而所受荷載主要由細(xì)集料承擔(dān)的級(jí)配。粗集料松排狀態(tài)是粗集料形成骨架的底限，也是劃分粗級(jí)配、細(xì)級(jí)配的分界線。

貝雷法在美國(guó)更多的是用于級(jí)配的設(shè)計(jì)，而在設(shè)計(jì)級(jí)配前，首先要選擇設(shè)計(jì)密度。所謂設(shè)計(jì)密度，也就是設(shè)計(jì)者在他所設(shè)計(jì)的最終混合料中想要粗集料達(dá)到的緊密程度。人們一般用松裝密度的百分率來(lái)評(píng)價(jià)所選擇的設(shè)計(jì)密度，如圖2。對(duì)粗級(jí)配混合料，貝雷法設(shè)計(jì)密度一般取松裝密度的95%至105%。對(duì)細(xì)級(jí)配混合料，設(shè)計(jì)密度應(yīng)小于松裝密度的90%，這樣保證設(shè)計(jì)的瀝青混合料的主要集料骨架由細(xì)集料控制[9]。

2.2 貝雷參數(shù)

雖然貝雷法是在Surperpave體系下研究的，但是它作為一個(gè)系統(tǒng)的級(jí)配設(shè)計(jì)與檢驗(yàn)的方法，適用于各種級(jí)配混合料設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)[10]。但是為了適應(yīng)國(guó)內(nèi)級(jí)配碎石混合料以CBR設(shè)計(jì)方法為主的需求，需要重新界定貝雷參數(shù)的合理范圍。

圖2 設(shè)計(jì)密度含義

2.2.1 貝雷法三參數(shù)

當(dāng)合成級(jí)配決定后，計(jì)算貝雷法三參數(shù)對(duì)其進(jìn)行分析。

(1)貝雷法采用粗集料CA比來(lái)評(píng)價(jià)粗集料的裝填特性，可用下式計(jì)算:

式中:PD/2，PPCS指級(jí)配曲線在D/2，PCS處的通過(guò)率。

(2)貝雷法采用細(xì)集料FAc比來(lái)評(píng)價(jià)較粗的細(xì)集料的裝填特性，把細(xì)集料重新視為一混合料，并將其分成粗、細(xì)2個(gè)部分，細(xì)集料中粗料部分形成的空隙由細(xì)料部分進(jìn)行填充?？捎孟率接?jì)算:

式中:PSCS，PPCS指混合料級(jí)配曲線在SCS，PCS的通過(guò)率。

(3)FAf比反映了合成集料中最細(xì)一級(jí)的嵌擠情況，可用下式計(jì)算:

式中:PTCS，PSCS指混合料級(jí)配曲線在TCS，PCS的通過(guò)率。

對(duì)合成級(jí)配用CA、FAc比及FAf三個(gè)參數(shù)進(jìn)行分析。這些參數(shù)發(fā)生變化，將引起混合料的體積特性、施工特性以及使用性能的變化。

2.2.2 反算K

經(jīng)相關(guān)研究表明[10]，單純用三參數(shù)來(lái)檢驗(yàn)非貝雷法設(shè)計(jì)的級(jí)配是不夠的。建議增加一個(gè)參數(shù)，即根據(jù)已定級(jí)配反算松裝密度的修正百分比K。

式中:共有n檔粗集料，m檔細(xì)集料；pi代表最終礦料中第 i檔粗集料的用量為pi%；qi代表礦料中第i檔細(xì)集料的用量為qi%；ρ粗松i代表第i檔粗集料的松裝密度；ρ粗毛i代表第i檔粗集料的毛體積密度；ρ細(xì)搗i代表第i檔細(xì)集料的干搗密度；K 代表松裝密度的修正百分比比值。

3 貝雷法對(duì)12個(gè)級(jí)配的評(píng)價(jià)

3.1 貝雷三參數(shù)

對(duì)所選取的12個(gè)級(jí)配，按照式(1)、式(2)、式(3)計(jì)算其貝雷三參數(shù)，見(jiàn)表4。

表4 12個(gè)級(jí)配貝雷參數(shù)

(1)CA比與CBR的相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)為0.6901，證明各級(jí)配混合料主要由粗集料承擔(dān)荷載。FAc和FAf和CBR相關(guān)性較差，F(xiàn)Ac比和CBR相關(guān)系數(shù)為0.2153，大于FAf和CBR相關(guān)系數(shù)0.1046。這是由于水作為級(jí)配碎石混合料的膠結(jié)料，相比于瀝青粘性小得多，大大降低了粗細(xì)集料的膠結(jié)力。而國(guó)內(nèi)外經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研究提出的貝雷三參數(shù)是作為瀝青混合料的評(píng)價(jià)指標(biāo)，因此在引用貝雷法評(píng)價(jià)級(jí)配碎石骨架類(lèi)型的時(shí)候，只選擇CA比作為參數(shù)，

(2)較小的CA比，CBR反而偏大。CA比越小，混合料中粗集料越容易形成骨架，CBR越大越不容易形成骨架。研究表明[10]，CA比太小，混合料易發(fā)生離析。隨著CA比增大，細(xì)集料對(duì)粗集料干涉作用越來(lái)越明顯，導(dǎo)致混合料密度越來(lái)越小，空隙率越來(lái)越大，礦料間隙率越來(lái)越大，混合料越來(lái)越難以壓實(shí)，CBR下降的很快。在 CA比為0.58左右時(shí)，CBR取得最大值186.8，因此CA比在0.58左右的混合料有較好的穩(wěn)定性。

3.2 K值反算

方法一:將碎石篩分，按照規(guī)范測(cè)定各單檔粗集料的毛體積密度，見(jiàn)表5。各檔粗集料分別測(cè)定其松裝密度[7]，見(jiàn)表7。方法二:將碎石篩分，測(cè)定各檔粗集料回配的混合料的松裝密度，見(jiàn)表8。按式(5)計(jì)算回配的粗集料的合成毛體積相對(duì)密度，見(jiàn)表6。

兩種方法均采用逐檔回配測(cè)定細(xì)集料的干搗密度[7]，見(jiàn)表9。最后代入式(4)反算12個(gè)級(jí)配的K值，見(jiàn)表10。建立K值與CBR的關(guān)系為:

式中:p1、p2、…pn為各種礦料成分的配比，其和為100；γ1、γ2、…γn為各種礦料相應(yīng)的毛體積相對(duì)密度。

表5 各檔粗集料毛體積密度測(cè)試結(jié)果 單位:g/cm3

表6 各級(jí)配粗集料毛體積組合密度計(jì)算值 單位:g/cm3

表7 單檔粗集料松裝密度 單位:g/cm3

表8 各檔粗集料回配的松裝密度

表9 各檔細(xì)集料回配的干搗密度

表10 K值反算結(jié)果

由表10比較方法一和方法二可知，方法二單對(duì)每一檔集料的松裝密度進(jìn)行測(cè)定，然后反算K值。由于相同粒徑的集料摻配在一起集料之間的填充作用很弱，而彼此的相互干涉作用較大，造成集料間空隙的增大，從而降低了集料的嵌擠密實(shí)程度，故K值平均高于方法一約3.21%左右。所以采用方法一反算K值較科學(xué)。

方法一反算的K值與CBR的相關(guān)系數(shù)為0.8178，比方法二反算的K值與CBR的相關(guān)系數(shù)0.7918大。說(shuō)明采用各檔回配的方式測(cè)定粗集料的松裝密度和干搗密度，方法一和CBR的相關(guān)性要好一些。

分析第一種方法與CBR圖趨勢(shì)線可知，當(dāng)K值在72.79～92.99之間時(shí)，CBR急劇增大，在92.99～104.58時(shí)比較穩(wěn)定，在104.58以后CBR急劇減小。K=102.87左右時(shí)，CBR能取得最大值185.9。因此，可推薦K值范圍為92.99～104.58。

如果單純按照K值對(duì)級(jí)配進(jìn)行評(píng)價(jià)，方法一的計(jì)算結(jié)果表明，級(jí)配3和級(jí)配4、級(jí)配8、級(jí)配11、BL-103的K值分別為92.99%、97.19%、100.26%、99.15%、104.58%，都屬于粗型級(jí)配，并且都具有較好的骨架結(jié)構(gòu)。級(jí)配10的K值大于104.58%，可能會(huì)造成施工壓實(shí)困難，級(jí)配1的K值為72.79%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于粗細(xì)級(jí)配的分界線(92.99%)，屬于細(xì)型級(jí)配，所以并不能形成骨架結(jié)構(gòu)，粗集料將分散在過(guò)多的細(xì)集料中，形成懸浮密實(shí)型級(jí)配，其混合料的各種性質(zhì)更多的取決于細(xì)集料部分。

4 小 結(jié)

貝雷法在中國(guó)的研究與應(yīng)用方興未艾，其設(shè)計(jì)方法和參數(shù)還需要深入研究。在應(yīng)用貝雷法設(shè)計(jì)級(jí)配碎石新級(jí)配或驗(yàn)證已有級(jí)配時(shí)，都必須采用選取密度來(lái)檢驗(yàn)粗骨架是否形成，同時(shí)使CA比來(lái)控制混合料的施工特性和體積特性，只有這樣才能設(shè)計(jì)出好的級(jí)配。

(1)貝雷法三參數(shù)中，CA比對(duì)CBR的影響較大，相關(guān)系數(shù)為0.6901。而FAc和FAf對(duì)CBR影響較小，但是FAc和CBR相關(guān)系數(shù)為0.2153，大于FAf和CBR相關(guān)系數(shù)0.1046。綜合分析，CA比在0.65左右的混合料有較好的穩(wěn)定性。

(2)建議采用各檔回配的方法測(cè)定粗集料的干搗密度和松裝密度。K值建議范圍在92.99～104.58之間，即形成粗型級(jí)配，具有良好的骨架嵌擠結(jié)構(gòu)和壓實(shí)特性。當(dāng)K值小于92.99%時(shí)，粗集料骨架不穩(wěn)定，現(xiàn)場(chǎng)變異性大，K值大于104.58%表明級(jí)配偏粗，可能會(huì)造成施工壓實(shí)困難。

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