基于贝雷法二灰稳定碎石级配组成分析

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　　摘要：本文对集料级配评价方法－贝雷法进行了研究和分析，制定了针对二灰稳定碎石的级配评价标准，并对包括规范级配在内的六种二灰稳定碎石级配进行了评价，通过比较，得出了规范级配和其它五种级配的结构和路用性能的优劣。
　　关键词：级配组成贝雷法二灰碎石
　　前言
　　 贝雷法是一种系统的级配合成方法，采用该法设计的级配粗集料能形成嵌挤而作为混合料的骨架，使设计的混合料有较高的抗裂性能和较优良的耐疲劳性能[1]。贝雷法提出了用于评价矿料级配的一系列参数，有助于更好的理解集料级配与混合料中空隙体积的关系，也为评价合成级配提供了一套工具。因此，本文采用贝雷法对二灰碎石集料级配进行评价。
　　1.贝雷法的基本介绍
　　1.1 基本概念[2]
　　 1.集料的嵌挤
　　 集料颗粒经过压实不可能完全填充之间的空隙，总要存在空隙的。集料压实嵌挤的程度主要取决于压实方法、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。贝雷法按集料的嵌挤与填充情况，将集料级配分为粗级配和细级配两种类型。粗级配是指粗集料能形成骨架结构的密级配混合料；细级配是指粗集料不足以形成骨架，主要依靠细集料来承担荷载等外在作用的密级配混合料。
　　 2.粗、细集料的定义
　　 贝雷法中对粗细集料的定义如下：
　　 粗集料：置于单位体积中能产生空隙的的大集料颗粒组成要求；
　　 细集料：能填充由粗集料产生的空隙的集料颗粒。
　　1.2 贝雷法对粗细集料的划分
　　 粗细集料的分界点是随着最大公称粒径变化而变化的。贝雷法中粗细集料的分界筛孔为第一控制筛孔，可按照下式确定：
　　 PCS=D×0.22 （1）
　　 式中:PCS――第一控制筛孔尺寸(Primary Control Sieve)；
　　 D――最大公称粒径。
　　 上式中的0.22的定义是按照下列方法确定的。当集料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；当集料全为方形时，这个比值为0.289。由于集料不可能全为方形和圆形，因此取二者均值0.22为比例因子。分析表明，比例因子在0.18～0.28这个范围对级配影响不大。林绣贤先生取分界点为0.25D，本文仍采用0.22D作为分界点。
　　1.3 贝雷法对其他粒径的划分
　　 粗集料形成嵌挤结构，所形成的空隙由细集料填充，这些细集料相互嵌挤，又形成了更小一级的空隙，由更细的集料填充，形成多级嵌挤结构，因此，也需要对细集料进行逐级划分，将细集料中较粗成分和较细成分划分开。粗细集料划分的思想同样适用于对细集料的划分，通过逐级划分将细集料分成较粗和较细部分，再将其中较细成分再划分：
　　 PCS =D×0.22（1）
　　 SCS= PCS×0.22（2）
　　 TCS= SCS×0.22（3）
　　 式中: PCS － 第一控制筛孔尺寸(Primary Control Sieve)；
　　 SCS － 第二控制筛孔尺寸(Secend Control Sieve)；
　　 TCS － 第三控制筛孔尺寸(Third Control Sieve)；
　　 取最大公称粒径的一半(D/2)作为为半筛尺寸D/2。
　　2 贝雷法对混合料级配的评价方法[3]
　　2.1粗集料的粗料率(CA)值
　　 为了检验矿料颗粒中粗集料嵌挤程度，贝雷法采用CA评价。CA采用各控制点的通过率来计算，分子部分可以看作式粗集料中较细的部分，分母可以看作粗集料中较粗的成分。
　　 CA=(PD/2-PPCS)/(100- PD/2) （3）
　　 式中；PD/2― ―级配曲线在D/2处的通过率；
　　 PPCS― ―级配曲线在PCS处的通过率。
　　 粗集料的CA值直接影响到混合料的空隙和施工中的和易性。一般认为CA值最好介于0.4～0.8之间。当CA值偏小时，混合料比较容易压实，但需要更多的细集料来填充空隙，而且其中粗集料成分不均匀，容易发生离析；若CA值接近1.0，表明两部分数量接近，都不能在形成骨架时占据上风，这种混合料虽然不容易发生离析，但由于中间粒料过多，不能形成一致的骨架结构，这种混合料很难压实，碾压时很容易发生推移现象。当CA值大于1.0，表明细集料占据上风，粗颗粒较少，互相之间不能完全嵌挤，处于一种悬浮状态。
　　2.2 细集料的粗料率(FAc)值
　　 粗集料相互嵌挤形成骨架，并形成空隙，细集料则填充这些空隙。细集料可以看作和整个混合料级配一样，也具有一定的粗细成分，较粗成分所形成的空隙由较细部分来填充。评价细集料中较粗成分的嵌挤特性用FAc值。
　　 FAc= PSCS / PPCS （4）
　　 式中：PSCS――级配曲线在SCS处的通过率；
　　 PPCS――级配曲线在PCS处的通过率。
　　 研究认为，FAc应介于0.25～0.50之间。当FAc较大时，整个级配中的细集料部分嵌挤密实，此时，FAc值增大，细集料中的细料部分较多，可以完全填充由较粗部分所形成的空隙。但是，FAc过大和过小的混合料级配都不利于嵌挤结构的形成。
　　2.3细集料的细料率(FAf)值
　　 整个混合料的粗细嵌挤程度用CA值来反映，细集料中的较粗部分嵌挤用FAc来评价的，其中较细部分由FAf来评价：
　　 FAf= PTCS/PSCS （5）
　　 FAf一般介于0.25～0.50之间，它的变化会引起混合料体积的变化。一般来说，FAf增加会引起混合料空隙率的减小，FAf过大则会产生级配曲线在细料处的平坡现象。
　　3 贝雷法对二灰稳定碎石集料级配的评价结果
　　3.1二灰稳定碎石级配的选择
　　 根据以往的经验和近年来研究成果，选用6种二灰稳定碎石级配级配进行比较，各种级配汇总如表1所示。
　　表1 级配汇总表
　　
　　级配编号 集料通过下列筛孔的质量百分率（％）
　　备注
　　 37.5 31.5 26.5 19.0 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.075
　　Ⅰ 100 95~100 48~68 24~34 11~21 6~16 2~12 0~6 0~3 沥青路面[4]
　　设计规范
　　 100 97.5 58 29 16 11 7 3 1.5
　　Ⅱ 100 85~93 54~80 30~48 14~34 6~23 4~17 3~11 0~4 某设计院
　　使用级配
　　 100 89 67 39 24 14.5 10.5 7 2
　　Ⅲ 100 68~86 35~58 22~32 16~28 8~15 0~3 某研究所
　　使用级配
　　 100 77 46.5 27 22 11.5 1.5
　　Ⅳ 100 95~100 72~81 53~71 33~54 21~41 7~17 0~10 连续级配
　　 100 97.5 76.5 62 38.5 31 12 5

　　Ⅴ 100 95~100 60~80 30~51 10~18 0~10 某地经
　　验级配
　　 100 97.5 70 41 14 5
　　Ⅵ 95~100 81~90 65~81 43~64 17~37 5~16 0~10 K法计算
　　级配
　　 97.5 85.5 73 53.5 27 10.5 5
　　3.2二灰碎石集料级配各种结构各级分界点的划分
　　 根据研究资料，本文对二灰碎石集料级配根据最大公称粒径的不同进行了分类，各种结构的D、PCS、SCS、TCS可查表2。
　　表2 二灰碎石集料级配各种结构各级分界点（mm）
　　结构形式 D D/2 pcs scs tcs
　　1 37.5 19 9.5 2.36 0.6
　　2 31.5 13.2 4.75 1.18 0.3
　　3 26.5 13.2 4.75 1.18 0.3
　　4 19.0 9.5 4.75 1.18 0.3
　　3.3 二灰碎石集料级配三种参数的建议范围
　　 二灰碎石集料级配对CA值、FAc值和 FAf值三种参数的建议范围见表3。
　　 表3 各参数的建议范围
　　D 37.5 31.5 26.5 19 9.5
　　CA 0.4～0.8 0.4～0.8 0.4～0.8 0.4～0.75 0.4～0.55
　　FAc 0.25～0.50 0.25～0.50 0.25～0.50 0.25～0.50 0.25～0.50
　　FAf 0.25～0.50 0.25～0.50 0.25～0.50 0.25～0.50 0.25～0.50
　　3.4 二灰碎石级配贝雷法评价结果分析
　　 根据贝雷法对混合料嵌挤状况的评价方法，对所选的6种不同级配范围的上限、中值和下限对应的CA值、FAc值和 FAf值进行计算，计算结果见表4。
　　表4 贝雷法评价二灰碎石集料级配范围
　　级配类型 CA FAc FAf
　　 下限 中值 上限 下限 中值 上限 下限 中值 上限
　　Ⅰ 0.33 0.40 0.49 0.18 0.44 0.57 0.00 0.31 0.36
　　Ⅱ 0.32 0.38 0.47 0.29 0.44 0.5 0.33 0.40 0.41
　　Ⅲ 0.5 0.76 1.19 0.48 0.56 0.6 0.32 0.38 0.41
　　Ⅳ 0.39 0.41 0.80 ― ― ― ― ― ―
　　Ⅴ 0.55 0.79 1.16 ― ― ― ― ― ―
　　Ⅵ 0.46 0.57 0.75 0.00 0.19 0.27 ― ― ―
　　 由表4可以看出，除Ⅱ型级配外，其余各个级配类型的中值的CA值均在0.4～0.8之间，集料级配所形成的骨架结构较好，混合料比较容易压实，但Ⅰ型、Ⅳ型级配CA值稍小，需要更多的细集料来填充空隙，而且其中粗集料成分不均匀，施工时容易发生离析，这在施工中得到了验证。
　　 Ⅰ型级配CA值均在0.4～0.8之间，混合料比较容易压实，符合嵌挤原则，是一种骨架结构较好的级配，不过，中值为0.40，接近建议范围下限，其级配范围上限的CA值为0.49，施工时容易离析。但其级配曲线的FAc值范围较宽，包含了建议范围，其细集料是符合嵌挤结构。
　　 Ⅱ型级配CA值中值为0.38，低于建议范围下限，其级配范围上限的CA值为0.47，施工时容易离析。但是，其级配曲线的FAc和FAf都在建议范围之内，说明其细集料均符合嵌挤结构。
　　 Ⅲ型规范级配中值的CA值为0.76，其级配范围上限的CA值为1.19，大于1.0，且FAc值较大，表明细集料较多，粗颗粒较少，互相之间不能完全嵌挤，处于一种悬浮状态。
　　 Ⅳ型规范级配CA值中值为0.41，接近建议范围下限，混合料比较容易压实，但需要更多的细集料来填充空隙，而且其中粗集料成分不均匀，容易发生离析。
　　 Ⅴ型级配CA值中值为0.79，接近建议范围上限，其级配范围上限的CA值为1.16，大于1.0，表明细集料占据上风，粗颗粒较少，互相之间不能完全嵌挤，处于一种悬浮状态。
　　 K法计算的Ⅵ型级配的CA值范围在0.4～0.8之间，混合料比较容易压实，符合嵌挤原则，是一种骨架结构较好的级配。但是其FAc值较小，表明细集料中的细料部分较少，较粗部分所形成的空隙无法被完全填充，混合料级配不均匀，容易发生混合料软化现象，难于碾压。
　　4、结论
　　 1. 除Ⅱ型级配外，其余各个级配类型的中值的CA值均在0.4～0.8之间，集料级配所形成的骨架结构较好，混合料比较容易压实。
　　 2. Ⅲ型和Ⅴ型的CA值接近建议范围的上限，表明细集料占据上风，粗颗粒较少，互相之间不能完全嵌挤，是一种悬浮密实结构。Ⅰ型和Ⅱ型的CA值接近建议范围的下限，能够形成良好的骨架结构，并且级配曲线的FAc和FAf都在建议范围之内，说明其细集料均符合嵌挤结构，可以说是一种骨架密实型级配。Ⅵ型的CA值范围在0.4～0.8之间，混合料比较容易压实，符合嵌挤原则，是一种骨架结构较好的级配，但是，其FAc值较小，不利于嵌挤结构的形成。
　　 3. 贝雷法可以有效地判断二灰碎石集料所形成的结构型式，有助于更好地理解集料级配与混合料中空隙率体积的关系，采用贝雷法对二灰碎石混合料中的集料级配进行评价是可行的。
　　

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