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集料拌合在沥青混合料配合比设计的应用—基于贝雷法

William R. Vavrik， William J. Pine， and Samuel H. Carpenter

沥青混合料配合比设计最初是意图理解骨料、沥青和填料的混合过程中产生的空隙之间的相互作用。在沥青混合料配合比设计中，骨料结构设计的选择以及理解骨料结构和混合物体积参数的相互影响都是缺乏指导的。沥青混合料设计概念提出使用集料联结和集料压紧来发展一种集料混合方法用以满足体积标准并提供符合要求的填料特性。这种概念依赖于混合物中作为骨架的粗集料与适量细集料的混合来提供一个适当压实的集料结构。目标是运用集料的填料概念来分析混合级配并且使混合料的体积特性、压实特性与填料特性建立联系。为沥青混合料设计和分析提出的新概念包括骨料压实和骨料嵌锁，按体积混合集料存在的一种新的理解粗细集料和分析产生的分级的方法。这些概念是多年的现场经验的结果，也是沥青混合设计的贝里法的主要内容。这些方法作为沥青混合料设计的改进方法正在持续发展，并将协助承包商完成混合设计的过渡。

沥青混合料的设计已经自1900年代初开始研究。从一开始混合设计想要理解集料、沥青、压实过程中出现的空隙之间的相互作用。在上个世纪有很多混合设计方法进一步了解了沥青混合物。这些混合设计方法通常依赖于经验丰富的混合物设计者的经验和他们对当地材料的理解。对沥青混合物中的集料、填料的影响增加的理解是提升设计，建设和这些混合物的性能所必需的。

沥青混合料配合比设计

热沥青混合料是集料与沥青混凝土的结合。沥青混合料设计的目标是优化混合物在稳定性、耐用性、灵活性、抗疲劳强度、抗滑性、渗透性、和易用性方面的性能。这通常是通过对混合物的体积性质的评价来完成。

对沥青混合物体积参数的顾虑是气孔，包括矿物集料中的空隙(VMA)和沥青中的空隙(VFA)。沥青混合料中的气孔是集料涂层微粒之间的小型空气空间。VMA被定义为在压实的沥青混合物中在集料微粒之间的粒间空隙空间，包括空气空隙和活性沥青混凝土的体积。VFA是那部分被沥青混凝土填充的VMA。

当前沥青混合料设计方法是在根据观察到的施工性能建立的基础上的经验设计程序。这些设计方法中体积特性的特性并不能保证沥青混合料的性能。在当前沥青混合料设计方法中一种通过集料结合来实现所需的体积特性的方法是没有的。

沥青混合料配合比设计的艺术

沥青混合料配合比设计随着Superpavereg;体积混合料配合比设计方法的出现以及马歇尔和Hveem混合料配合比设计方法的逐步淘汰正处于一种改变的状态中。据设想在未来5年美国大部分沥青混合物将使用Superpave设计概念设计。

马歇尔混合料配合比设计

马歇尔混合料配合比设计理念包括选择一个集料级配和压实水平。集料与不同比例的沥青混凝土混合，然后在指定的温度水平压实，这个指定的温度与沥青混凝土固定的粘度—温度关系相关。然后确定压实样品生成的空隙并与规范值比较。正常情况下，基于名义上集料混合的最大尺寸， VMA要求有4%的气孔。如果没有达到指定的VMA，混合物会生成新的骨料级配，否则必须检查新的集料物质。这种设计方法论对集料级配的选择没有指导，或许级配的变化对于产出合适体积性能可能是必需的。

Superpave体积混合料配合比设计

Superpave体积混合料配合比设计程序开发作为战略公路研究项目的一部分，是一个设计和模拟沥青材料的综合性系统。实施沥青粘结剂测试是调整粘结剂针对气候和交通水平的性能。集料质量规范被建立以提高沥青混合料的性能。级配通过控制点和限制区域控制。限制区域包括避免设计含有过量的天然砂的混合物，以防生成柔性的混合物。回转式压实机已经发展成为一种实验室工具，用于更紧密地模拟现场沥青混合物的压实。

Superpave提供的工具被设计给混合物生产者，提供一种改进的方法去生产性能更优异的沥青路面。Superpave沥青混合料的设计仍然是一个试错的过程，依赖于当地的经验，对于集料级配实现设计的体积参数标准没有直接指导意义。

问题陈述

Superpave沥青混合料设计程序提供了必要的工具来设计和构造性能卓越的混合物。这个改进是通过使用Superpave回转式压缩机，改善集料和沥青混凝土质量规格和力学性能测试来实现。然而，缺乏指导在选择设计集料结构和理解集料结构与混合物设计、建设以及性能的相互关系上是缺乏指导的。有必要开发一种方法设计沥青混合物，运用骨料嵌锁和集料压实发展一种满足所有体积标准、容易建构、性能表现优良的沥青混合物。混合料配合比设计概念完成了这里提出的任务。

混合设计理念

这里讨论的混合物是基于下面的原则。沥青混合料的强度与抗车辙性能主要源自骨料嵌锁和适当的集料投放。混合物的耐久性由适当的混合物设计的计量参数来保证，包括气孔，VMA，VFA和粉末比例。

目标

本文的目的是提出一个系统化的方法混合骨料来得到所需的混合物性能——被称为贝利法。贝利法提供了一组工具，允许评估集料的混合来更好地理解集料级配和混合物性能之间的关系。这些关系通常是通过试错过程或通过多年的实验室和现场经验得到。

贝利法能通过给从业者必要的工具来开发和调整骨料混合改进混合料配合比设计和现场质量控制程序。新的步骤有助于确保骨料嵌锁和好的集料投放，抵抗永久变形，保持提供抗环境压力的体积特性。

适用性

有一点很重要的是，贝利法是一个系统化混合骨料的方法，可用于设计或控制沥青混合物而不用管用于混合设计过程(马歇尔锤，回转压缩机等等)压实力度是何种类型。此处提出的概念适用于密集配的沥青混合物；其他混合物类型需要调整各种参数。作者对使用贝利法做设计、质量控制和对沥青混合料作细致的评价有相当的经验。这种方法已经成功地应用于密集配的沥青混合物，包括从大型岩石到砂石的混合物，并且已被发现可以控制沥青混合料的VMA(1)。

历史

本文展示的概念和方法是基于罗伯特·贝利(退休)，一位伊利诺斯州交通局材料工程师在设计混合物方面多年的经验得来的。这些想法被贝利用于在伊利诺斯州运交通局的第5区的沥青混合料设计中，也是基于他从农业到混凝土和沥青混合料设计的经验得来。

贝利的步骤已经被作者改良为一种系统化的适用于所有密集配的沥青混合物的集料混合措施，不管集料在混合物中的最大尺寸是多少。贝利法未来的工作将会显示出针对未密集配的方法的适用性。

混合料配合比设计的概念

沥青混合物在传统上已经被设计用一种试错程序来挑选集料级配。在典型的百分比下集料结合，这种典型的百分比从经验信息数据库拓展为回到最开始的沥青混合料配合比设计。没有哪种混合料配合比设计方法提供一种方法来设计沥青混合料的集料结构。

这里提出的新的混合料配合比设计概念是基于下面的原则。沥青混合料的强度与抗车辙性能主要源自骨料嵌锁和适当的集料投放。混合物的耐久性由适当的混合物设计的计量参数来保证，包括气孔，VMA，VFA和粉末比例。

混合料配合比设计方法开发骨料嵌锁

要开发一种方法来结合集料，优化骨料嵌锁并达到适当的体积特性，有必要了解一些影响这些混合物的设计和性能的控制因素。以下部分给出的粗集料和细集料的解释提供了一个理解集料结合的背景。接下来的混合设计方法就建立在这种理解上，并且提供更多用于沥青混合料的集料结合的深入观察。

这种新的方法要对集料结合作一个好的混合设计需要对两个概念的理解：

bull;粗集料和细集料的区别，

bull;按体积结合集料来确保粗集料的嵌锁。

粗与细的对比

传统提出粗集料是大尺寸微粒，一般大于4号筛粒度材料(砾石尺寸材料)。细骨料是任何集料粒度小于4号筛粒度材料(沙子、淤泥和粘土大小材料)。为了本研究的目标，有必要改变这些定义来恰当地分析混合物级配以及确定填料和由混合物中所有集料结合确定的骨料嵌锁。

在这项研究中分析沥青混合料的集料混合需使用下面的粗集料和细集料的定义：

bull;粗集料：大集料颗粒，当放置在一个单位体积中时会产生空隙；

bull;细集料：集料颗粒填充粗集料产生的空隙的集料颗粒。

从这些定义中可以看出粗集料和细集料的集料粒度与粗和细单词本身没有关系。因此，细集料可以在传统的粗集料材料中，粗集料也可以在在传统的细集料材料中。这里有必要重新定义粗颗粒和细颗粒的尺寸区别，来理解他们的相互作用。

微粒和集料填充

对于集料填充的优化的全部目标有一个非常重要的结果。如果一个空间将被石头填充，那么结构强度是必需的，很明显，一块石头完全地填满空间具有最大的结构强度。更小块的石头，不管填充得多好，永远不会达到固体块石头的稳定性。如果石头没有完全填满空间，那么最大的一块与空间相适应的石头会比一小块石头提供更大的结构强度。如果剩余的最大的空间被能够放入的最大的一块石头填充，那么强度能进一步增加。

颗粒直径的二维分析

骨料形状的二维分析是基于四个几何图形的组合，这将产生一个颗粒的尺寸比例。这个比例是产生空隙的粗集料和完全填补空隙的细集料的直径比。分析二维圆形和平面的组合，得到了下面的尺寸关系：

bull;所有都是圆面的微粒：0.15尺寸比；

bull;两个圆面，一个平面：0.20尺寸比；

bull;一个圆面，两个平面：0.24尺寸比；

bull;所有都是平面粒子：0.29尺寸比。

0.22尺寸比是这四种不同的二维微粒组合的平均而且最能代表一种平均的状态。虽然实际尺寸比随混合物中的颗粒而变化，但是平均值无疑是典型的而且似乎适用于任意形状的微粒的排列组合，正如沥青混合料中的微粒一样。

颗粒尺寸的三维分析

文献在选择特定尺寸的球体产生的空隙上提供了指导但不解决问题。很明显，进一步研究粒子的放置必须精确地确定填充粒子的空隙的关系。可以假设填充系统中空隙的特定直径的范围从0.15(来自球体的四面体填充)到0.42(来自球体的立方体填充)(2，3)。这些微粒的排列方向如图1所示。因为集料的排列介乎立方体和四面体之间但是更类似于四面体填充，在这种情况下有更稳定的构造，因此用于本研究中0.22颗粒尺寸比是合理的。

0.22比率的运用

对于集料填充的确切微粒尺寸比的全面调查是一个大问题，已被许多研究人员研究，但是对集料微粒填充的理解没有统一的共识。本文并不能解决微粒填充的理论问题但是从当前研究中使用恰当的推荐值作为指导能够理解沥青混凝土混合料设计的集料的结合。

这项研究旨在开始这个课题并接受球体填充的结果为颗粒状材料填充的几何关系的恰当估计。此外，评价沥青混凝土的级配粒子直径比0.22似乎是一个适当的值。

在美国沥青混合物的级配分析已经标准化并提供一组标准的筛子。这些筛子的号码分别为11frasl;2in.，1in.，3frasl;4in.，1frasl;2in.，3frasl;8in.，4号，8号，16号，30号，50号，100号，200号(37.5，25，19， 12.5，9.5，4.75，2.36，1.18，0.600，0.300，0.150，和0.075毫米).微粒直径比的应用在一组标准筛上使其成为一组主要控制筛(PCSs).沥青混合物的标准筛尺寸的完整列表和相应的PCS尺寸在表1中给出.标准筛的粒度对每个PCS匹配得很好；因此，一组标准筛对分析一个0.22尺寸比的集料级配来说是足够的.

按体积组合

目前很多实践在重量基础上结合集料.如果要获得和理解粗集料必须按体积进行集料的结合.按重量组合集料没有提供混合物设计者必要的信息来评估骨料嵌锁的程度，因为相同重量的微粒在不同的特定重力下会产生不同体积量的微粒尺寸.

要完成集料的体积组合，必须收集更多信息.对于每种粗集料，必须知道松散和压实状况下的重度；对于细集料，必须知道压实状况下的重度.这些测量提供了评估嵌锁特性所需的特定孔隙结构的体积数据.

为了把命名法与这些符合当前实际的混合物设计概念联系起来，集料体积表示为重度.对于混合物设计者和质量控制人员来说比起理解集料体积的变化更易理解增加集料的重度.

粗集料的松散重度

一种集料的松散重度用0.25ft³每桶为单位确定.这个测试包括在标准重量、标准尺寸桶下沉积全部粗集料中的一份代表样本，把集料以标准松散状态下置于桶中.

如果桶的确切体积，集料的重量在沉积下从标准的重量下降，集料块的确切重量是已知的，粗骨料的孔隙的体积就可以确定.孔隙的体积是微粒恰好接触而且没有任何外力施加的情况下的体积.桶中集料的重量是集料的松散重度，单位是磅每立方英尺(千克/立方米).

粗集料的压实重度

粗集料的压实重度是由前述使用过程中重度和孔隙在AASHTO T19的集料过程中确定的，除此之外，所有的集料级配都要用于测试.压实重度由在三个相同升降机上所有粗集料下落到桶中来决定，每个升降机施加25根杆.当微粒承受压实固结时，压实重度与桶的体积和集料块的特定重力相结合来确定粗集料的孔隙体积.桶中集料的重量是集料的压实重度，单位是磅每立方英尺(千克/立方米)。

选择粗集料的重量lt;

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