碎石封層技術(shù)在農(nóng)村公路中的應(yīng)用

范家勇 ，蘇 震 ，劉瑋婧 ，張 文

（1.重慶鵬方路面工程技術(shù)研究院有限公司，重慶市400054；2.中油燃料油股份有限公司，北京市100025；3.重慶中交科技股份有限公司，重慶市400054）

1 概述

目前，我國的鄉(xiāng)村公路大多數(shù)還是土路和碎石路面為主，雖然已陸續(xù)出現(xiàn)了一些水泥混凝土路面，但水泥混凝土路面損壞后修復(fù)困難。因此，引進(jìn)、研究、開發(fā)新的鄉(xiāng)村道路路面結(jié)構(gòu)已迫在眉睫。而碎石封層技術(shù)是一種經(jīng)濟(jì)、有效的路面施工技術(shù)，已在國外應(yīng)用多年，因此，對(duì)碎石封層技術(shù)進(jìn)行研究和推廣，能夠提升我國鄉(xiāng)村道路路面等級(jí)，改善鄉(xiāng)村公路運(yùn)輸狀況，對(duì)促進(jìn)城鄉(xiāng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)意義。

碎石封層的工作原理是利用專用瀝青灑布設(shè)備將乳化瀝青膠結(jié)料灑布在路面上，然后在極短的時(shí)間內(nèi)將單一粒徑的石料均勻撒布在乳化瀝青膠結(jié)料上，在膠輪壓路機(jī)行車碾壓下，使膠結(jié)料與石料之間有最充分的表面接觸，保證瀝青與石料在最短的時(shí)間內(nèi)完成結(jié)合，并在外荷載作用下不斷形成強(qiáng)度。同時(shí)，由于流體瀝青的表面張力，使瀝青沿石料表面向上爬升，爬升高度約為石料高度的2/3，并在石料的表面形成一個(gè)半月面，使石料被瀝青裹覆的面積達(dá)約70%，有足夠的結(jié)合強(qiáng)度。因此提高瀝青與集料的粘附性，增加石料被瀝青裹覆的面積是該技術(shù)的關(guān)鍵，實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的核心措施是選擇合適的路用材料和施工工藝。

本文采用中石油“昆侖”70號(hào)瀝青制備乳化瀝青，從材料選擇和施工工藝控制等方面對(duì)碎石封層技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的研究，該公司按照本文提出的技術(shù)在重慶選擇一段鄉(xiāng)村公路鋪筑了碎石封層的試驗(yàn)段，該試驗(yàn)段運(yùn)行一段時(shí)間后結(jié)果良好。

2 碎石封層材料的選用

2.1 石料的選擇

2.1.1 石料的技術(shù)指標(biāo)

石料的選擇依照下述的三個(gè)重要原則：

（1）硬度，必須有足夠的硬度已抵擋交通磨損。在相對(duì)重載車較多，車流量較大的情況下，骨料的硬度尤為重要。

（2）級(jí)配，近乎單一級(jí)配,幾乎不含粉料。

（3）形狀，盡量使用立方體的骨料，避免針片結(jié)構(gòu)，以保證骨料在瀝青中達(dá)到合適的嵌入深度。

參照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)[1]粗集料的要求制定了本次試驗(yàn)路石料的技術(shù)指標(biāo)，并做了相應(yīng)試驗(yàn)，結(jié)果見表1。

表1 石料的技術(shù)要求及試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)所選試驗(yàn)段的路面狀況，提出了兩種施工工藝，并根據(jù)不同的工藝方案設(shè)計(jì)了兩種級(jí)配結(jié)構(gòu)，見表2。

表2 碎石封層石料級(jí)配表

在選定的試驗(yàn)段上進(jìn)行了單層碎石封層和雙碎石封層組合兩種施工工藝的試驗(yàn)，若只進(jìn)行單層碎石施工，則采用S12的級(jí)配結(jié)構(gòu)作為底層；而雙碎石封層組合施工，則采用S9型級(jí)配結(jié)構(gòu)作為底層，然后再在上面施工一層S12型級(jí)配結(jié)構(gòu)的填隙層。無論對(duì)哪一種施工工藝，都要求石料干凈以增加石料與瀝青粘附性能。

2.1.2 石料的撒布量

碎石封層中石料必須有合適的撒布量。石料的覆蓋率過低，無法提供足夠的層間內(nèi)摩阻力，同時(shí)由于缺乏保護(hù)，胎體瀝青膜很容易在下一部工序完成前遭受施工機(jī)械的破壞；如果石料的覆蓋率過高則會(huì)影響上下膠結(jié)料的結(jié)合，從而導(dǎo)致層間的粘接力不足，另一方面也會(huì)造成不必要的材料浪費(fèi)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，碎石撒布覆蓋率宜為60%～80%。

參照國內(nèi)外資料以及實(shí)驗(yàn)室反復(fù)試驗(yàn)，提出了不同尺寸石料的撒布量，見表3。

表3 單石單層不同尺寸石料的撒布量

2.2 膠結(jié)料的選用

從碎石封層的原理可知，碎石封層用膠結(jié)料無論是瀝青或乳化瀝青必須具備如下三方面的性能：（1）足夠的粘結(jié)性，以保證一定的粘結(jié)強(qiáng)度；（2）足夠的爬升高度，以保證一定的裹覆面積；（3）較寬泛的適用性，以保證與石料的配伍性。試驗(yàn)路采用重慶東道鵬方路橋工程有限公司自生產(chǎn)的乳化瀝青，以下就乳化瀝青用于碎石封層的性質(zhì)和相關(guān)因素作說明。

2.2.1 乳化瀝青的性質(zhì)

選擇用于生產(chǎn)乳化瀝青的基質(zhì)瀝青，應(yīng)該由當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，環(huán)境溫度來決定。總體來說，在相似的氣候條件下，瀝青的軟化點(diǎn)越高，相應(yīng)的乳化瀝青灑布量就可以越多。因此，可以通過選擇較低標(biāo)號(hào)的基質(zhì)瀝青或添加一定量的改性劑到乳化瀝青當(dāng)中提高乳化瀝青的撒布量。

用于碎石封層應(yīng)用的乳化瀝青必須具有足夠的粘度，以保證在滿足單位面積灑布量的情況下在灑布石料之前不會(huì)流淌，從而保證石料在瀝青膜中的嵌入深度，減少骨料的脫落。同時(shí)，在保證沒有過多骨料脫落的情況下，乳化瀝青的破乳速度直接決定了道路可以開放交通的時(shí)間。

根據(jù)ASTM(美國實(shí)驗(yàn)與材料協(xié)會(huì))規(guī)范的要求,應(yīng)用重慶鵬方路面工程技術(shù)研究院實(shí)驗(yàn)室的小型乳化瀝青生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行了用于碎石封層應(yīng)用的高粘度陽離子快裂乳化瀝青生產(chǎn)，通過室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)各種配方進(jìn)行篩選，優(yōu)化出了最佳的乳化瀝青配方，具體方案和質(zhì)量的檢測(cè)結(jié)果分別見表4、表5。

表4 用于碎石封層陽離子快裂乳化瀝青配方

表5 用于碎石封層陽離子快裂乳化瀝青室內(nèi)檢

公司按照推薦的乳化瀝青配方進(jìn)行了乳化瀝青生產(chǎn)，并對(duì)乳化瀝青的質(zhì)量進(jìn)行了檢測(cè)，三項(xiàng)檢測(cè)結(jié)果均符合ASTM規(guī)范要求，具體結(jié)果見表6。

表6 現(xiàn)場乳化瀝青樣品檢測(cè)結(jié)果

2.2.2 乳化瀝青的灑布量

在進(jìn)行碎石封層路面施工時(shí)，合適的乳化瀝青灑布量是非常重要的。乳化瀝青的最小使用量應(yīng)該是可以將骨料固定住，并且將其粘結(jié)到舊路面上，在此基礎(chǔ)上適當(dāng)增加乳化瀝青的用量可以獲得更好的粘結(jié)性能。但乳化瀝青用量也不宜過多，如果乳化瀝青灑布過多，會(huì)導(dǎo)致在行車碾壓過程中，瀝青粘結(jié)料從石料的空隙中溢出，從而導(dǎo)致路面泛油，摩擦系數(shù)降低，在潮濕的天氣里，表現(xiàn)尤為突出。

為了達(dá)到較為理想的路面應(yīng)用效果，乳化瀝青的灑布量應(yīng)該由所選擇的瀝青類型，石料層的空隙容量，石料的形狀及尺寸，交通量以及舊路面的狀況來共同決定。特別是在有坡度的情況下，乳化瀝青的使用量還應(yīng)該做適當(dāng)調(diào)節(jié)。表7提供了對(duì)于特定級(jí)配的石料做碎石封層應(yīng)用時(shí)乳化瀝青的一個(gè)大致灑布量。

表7 特定級(jí)配石料應(yīng)用時(shí)乳化瀝青的灑布量

3 試驗(yàn)段施工及檢測(cè)

3.1 碎石封層的施工工藝

碎石封層的施工工藝主要包括:原有舊路面的處理→施工材料的準(zhǔn)備→現(xiàn)場施工→膠輪壓路機(jī)碾壓→開放交通→路面清掃，剩余骨料回收。

3.1.1 原有舊路面的處理

試驗(yàn)段選擇了兩種具有代表性的路面：一段是車流量相對(duì)較少且很少有重車通行的鄉(xiāng)村道路，采用單層碎石封層方案進(jìn)行施工；一段是車流量相對(duì)較重的鄉(xiāng)村道路，采用雙層碎石封層方案進(jìn)行施工。為使灑布層與原路面有良好的粘附力，在封閉的作業(yè)區(qū)內(nèi)先對(duì)泥塊等雜物進(jìn)行清掃，再用路面吹風(fēng)機(jī)清除灰塵。

3.1.2 施工材料的準(zhǔn)備

試驗(yàn)段選用中石油“昆侖”70號(hào)基質(zhì)瀝青，乳化劑采用美德維實(shí)偉克公司DF-42E型快裂乳化劑。乳化瀝青的生產(chǎn)將基質(zhì)瀝青溫度控制在130℃～140℃，乳水溫度控制在50℃～60℃，總體來講乳水溫度和瀝青溫度之和一般控制在180℃～200℃。根據(jù)工藝要求和施工的情況來看，乳化瀝青的固含量為65%～67%。灑布時(shí)乳化瀝青溫度要求40℃～60℃。設(shè)備采用重慶東道鵬方路橋工程有限公司的乳化瀝青生產(chǎn)車間和乳化瀝青灑布車。

3.1.3 現(xiàn)場施工工藝

（1）單碎石封層

乳化瀝青灑布量為1.4 kg/m2（乳化瀝青固含量66.5%，下同），S12石料覆蓋率為110%，撒布后 10～15 min用膠輪壓路機(jī)（9.5 t）碾壓 2～3遍。目的是使撒布的石料均勻密實(shí)，2～3 h后開放交通，自然碾壓4 h后，清掃回收脫落的石料再利用。

（2）雙碎石封層

下層油的灑布量為1.4 kg/m2，S9石料覆蓋率為90%；上層灑布乳化瀝青量為1.6 kg/m2，S12石料覆蓋率為100%，養(yǎng)生、開放交通及清掃回收石料與單碎石封層相同。

3.1.4 試驗(yàn)段運(yùn)行結(jié)果觀測(cè)檢查

施工養(yǎng)生結(jié)束，通過一年的行車碾壓，整個(gè)路面從表觀上越來越平整，且路面使用情況良好，未產(chǎn)生橫向和縱向裂縫，碎石封層應(yīng)力吸收層在整個(gè)路面系統(tǒng)發(fā)揮了巨大的應(yīng)力吸收功能，有效的保證了整個(gè)路面系統(tǒng)的使用壽命。

4 結(jié)論

碎石封層由于膠結(jié)料和石料的粘結(jié)，使得鋪筑后的封層具有良好的防水性能，很好的保護(hù)了雨水對(duì)于路基的損害；同時(shí)還具有良好的抗裂性能，減少了路面的裂縫，對(duì)原路的裂縫有一定的修復(fù)作用。

通過碎石封層的試驗(yàn)段,對(duì)該項(xiàng)技術(shù)有了進(jìn)一步的了解。碎石封層施工完成后，2 h內(nèi)即可開放交通，待完全成型后可施工上封層罩面系統(tǒng)，縮短了封閉交通的時(shí)間，提高了公路的運(yùn)輸效益。碎石封層環(huán)保和經(jīng)濟(jì)的特性非常適合在農(nóng)村公路建設(shè)中推廣應(yīng)用。