碎石封層技術在農村公路中的應用

范家勇 ，蘇 震 ，劉瑋婧 ，張 文

（1.重慶鵬方路面工程技術研究院有限公司，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，我國的鄉村公路大多數還是土路和碎石路面為主，雖然已陸續出現了一些水泥混凝土路面，但水泥混凝土路面損壞后修復困難。因此，引進、研究、開發新的鄉村道路路面結構已迫在眉睫。而碎石封層技術是一種經濟、有效的路面施工技術，已在國外應用多年，因此，對碎石封層技術進行研究和推廣，能夠提升我國鄉村道路路面等級，改善鄉村公路運輸狀況，對促進城鄉經濟發展有著重要的經濟價值和社會意義。

碎石封層的工作原理是利用專用瀝青灑布設備將乳化瀝青膠結料灑布在路面上，然后在極短的時間內將單一粒徑的石料均勻撒布在乳化瀝青膠結料上，在膠輪壓路機行車碾壓下，使膠結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間內完成結合，并在外荷載作用下不斷形成強度。同時，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半月面，使石料被瀝青裹覆的面積達約70%，有足夠的結合強度。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的關鍵，實現該技術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號瀝青制備乳化瀝青，從材料選擇和施工工藝控制等方面對碎石封層技術進行了詳細的研究，該公司按照本文提出的技術在重慶選擇一段鄉村公路鋪筑了碎石封層的試驗段，該試驗段運行一段時間后結果良好。

2 碎石封層材料的選用

2.1 石料的選擇

2.1.1 石料的技術指標

石料的選擇依照下述的三個重要原則：

（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）級配，近乎單一級配,幾乎不含粉料。

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

參照《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40-2004)[1]粗集料的要求制定了本次試驗路石料的技術指標，并做了相應試驗，結果見表1。

表1 石料的技術要求及試驗結果

根據所選試驗段的路面狀況，提出了兩種施工工藝，并根據不同的工藝方案設計了兩種級配結構，見表2。

表2 碎石封層石料級配表

在選定的試驗段上進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，若只進行單層碎石施工，則采用S12的級配結構作為底層；而雙碎石封層組合施工，則采用S9型級配結構作為底層，然后再在上面施工一層S12型級配結構的填隙層。無論對哪一種施工工藝，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摩阻力，同時由于缺乏保護，胎體瀝青膜很容易在下一部工序完成前遭受施工機械的破壞；如果石料的覆蓋率過高則會影響上下膠結料的結合，從而導致層間的粘接力不足，另一方面也會造成不必要的材料浪費。根據經驗，碎石撒布覆蓋率宜為60%～80%。

參照國內外資料以及實驗室反復試驗，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 膠結料的選用

從碎石封層的原理可知，碎石封層用膠結料無論是瀝青或乳化瀝青必須具備如下三方面的性能：（1）足夠的粘結性，以保證一定的粘結強度；（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。試驗路采用重慶東道鵬方路橋工程有限公司自生產的乳化瀝青，以下就乳化瀝青用于碎石封層的性質和相關因素作說明。

2.2.1 乳化瀝青的性質

選擇用于生產乳化瀝青的基質瀝青，應該由當地的氣候條件，環境溫度來決定。總體來說，在相似的氣候條件下，瀝青的軟化點越高，相應的乳化瀝青灑布量就可以越多。因此，可以通過選擇較低標號的基質瀝青或添加一定量的改性劑到乳化瀝青當中提高乳化瀝青的撒布量。

用于碎石封層應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，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間。

根據ASTM(美國實驗與材料協會)規范的要求,應用重慶鵬方路面工程技術研究院實驗室的小型乳化瀝青生產設備進行了用于碎石封層應用的高粘度陽離子快裂乳化瀝青生產，通過室內試驗對各種配方進行篩選，優化出了最佳的乳化瀝青配方，具體方案和質量的檢測結果分別見表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檢

公司按照推薦的乳化瀝青配方進行了乳化瀝青生產，并對乳化瀝青的質量進行了檢測，三項檢測結果均符合ASTM規范要求，具體結果見表6。

表6 現場乳化瀝青樣品檢測結果

2.2.2 乳化瀝青的灑布量

在進行碎石封層路面施工時，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該是可以將骨料固定住，并且將其粘結到舊路面上，在此基礎上適當增加乳化瀝青的用量可以獲得更好的粘結性能。但乳化瀝青用量也不宜過多，如果乳化瀝青灑布過多，會導致在行車碾壓過程中，瀝青粘結料從石料的空隙中溢出，從而導致路面泛油，摩擦系數降低，在潮濕的天氣里，表現尤為突出。

為了達到較為理想的路面應用效果，乳化瀝青的灑布量應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該做適當調節。表7提供了對于特定級配的石料做碎石封層應用時乳化瀝青的一個大致灑布量。

表7 特定級配石料應用時乳化瀝青的灑布量

3 試驗段施工及檢測

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→施工材料的準備→現場施工→膠輪壓路機碾壓→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

試驗段選擇了兩種具有代表性的路面：一段是車流量相對較少且很少有重車通行的鄉村道路，采用單層碎石封層方案進行施工；一段是車流量相對較重的鄉村道路，采用雙層碎石封層方案進行施工。為使灑布層與原路面有良好的粘附力，在封閉的作業區內先對泥塊等雜物進行清掃，再用路面吹風機清除灰塵。

3.1.2 施工材料的準備

試驗段選用中石油“昆侖”70號基質瀝青，乳化劑采用美德維實偉克公司DF-42E型快裂乳化劑。乳化瀝青的生產將基質瀝青溫度控制在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%。灑布時乳化瀝青溫度要求40℃～60℃。設備采用重慶東道鵬方路橋工程有限公司的乳化瀝青生產車間和乳化瀝青灑布車。

3.1.3 現場施工工藝

（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（9.5 t）碾壓 2～3遍。目的是使撒布的石料均勻密實，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 試驗段運行結果觀測檢查

施工養生結束，通過一年的行車碾壓，整個路面從表觀上越來越平整，且路面使用情況良好，未產生橫向和縱向裂縫，碎石封層應力吸收層在整個路面系統發揮了巨大的應力吸收功能，有效的保證了整個路面系統的使用壽命。

4 結論

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

通過碎石封層的試驗段,對該項技術有了進一步的了解。碎石封層施工完成后，2 h內即可開放交通，待完全成型后可施工上封層罩面系統，縮短了封閉交通的時間，提高了公路的運輸效益。碎石封層環保和經濟的特性非常適合在農村公路建設中推廣應用。