沥青预裹覆碎石沥青用量研究

张存公　李太杰　皇甫建红　石剑　冯红梅　李金哲

摘要：为了在封层施工中增大沥青与碎石的粘结面积与粘结牢度，提高封层质量，把沥青预裹覆碎石的相关试验及经验数据上升到理论计算层面，通过试验数据、理论计算相互参照并引入“当量球”的方法，确定碎石预裹覆时沥青的用量等。研究结果表明，单粒径碎石在容器内的空间性质非常接近球体在容器内的空间性质，单一粒径碎石的计算可以简化为按球体计算。

关键词：同步封层；预裹覆碎石；当量球；沥青膜

中图分类号：U41602文献标志码：B

Abstract： In order to improve the bonding capability between asphalt and gravel during the sealing construction and attain better quality， theoretical calculation was conducted on empirical data and related tests， based on which an equivalent sphere was introduced to determine the amount of asphalt for precoating the gravel. The results indicate that the spatial properties of gravel consisting of the same size of grain in the container are very close to those of the sphere， so the calculation can be simplified by considering it a sphere.

Key words： synchronous sealing； precoated gravel； equivalent sphere； asphalt film

0引言

随着中国公路交通的不断发展，沥青碎石同步封层施工工艺在各等级公路的新建和养护工程中被广泛应用[1]。在同一时间内洒（撒）布沥青和碎石，可以让两者具有较大的表面裹附强度，使沥青路面具有良好的防水性、防滑性、耐磨性和耐久性[24]。

封层所用碎石的形状为较复杂，多为不规则多面体颗粒，表面布满各种条纹、沟槽、凹坑与微孔。通过取芯对封层过的路面进行观察，发现一些碎石凸出的棱角部分与沥青有结合的痕迹，这是由于碎石表面粘有石粉，不利于沥青与碎石的粘合。当热沥青与碎石接触时，由于碎石的温度较低，热沥青表面的温度迅速下降，沥青的粘度增大，很难浸润到碎石表面的条纹、沟槽、凹坑与微孔内与其粘合[5]。

通过增大沥青、碎石的粘结面积与粘结牢度（即增大沥青对碎石的表面裹附强度）是进一步提高沥青路面路用性能的方法[69]。采用沥青预裹覆碎石进行封层施工可以克服以上缺陷，提高封层质量。

预裹覆碎石的沥青用量与碎石颗粒的表面积及沥青膜的厚度有直接关系。但是，由于封层用碎石的形状为较复杂，其表面积无法用常规方法计算。本文从球体在容器内的空间性质入手，进行单一粒径碎石在容器内的空间性质研究，找出切入点，引入“当量球”法来研究以前用常规方法不能计算碎石表面积的问题并作出结论，以备施工参考。

1沥青预裹覆碎石

所谓沥青预裹覆碎石，即是将封层用碎石颗粒表面预先浸润粘结一层极薄沥青膜。在进行沥青碎石同步封层施工时，沥青与碎石的结合就变为沥青与沥青的结合，大大提高了沥青对碎石的裹附强度。因此，沥青碎石同步封层施工推荐优先选用沥青预裹覆碎石作为封层用材料。

沥青预裹覆碎石所用沥青为热沥青或乳化沥青，所用设备为拌和楼或预裹覆专用设备。乳化沥青可以常温下使用，安全、节能、环保方面的特性突出，因此已有乳化沥青生产设备的施工方会优先选择用乳化沥青预裹覆[10]。液态沥青有渗透力强的独特优势，有少数施工方尝试把液态沥青作为碎石预裹覆材料使用。

2沥青预裹覆碎石特性分析

2.1球体总体积

相同容积容器内各放满不同直径球体，球体为并排排布，容器内球体总体积对比如图1所示。容器的长、宽、高都是60 mm，分别放置直径为20、15、10、5 mm的球体。

2.3碎石颗粒总体积

空隙率为一定体积碎石中空隙所占体积与总碎石体积的比值，用η表示。

（1）测量桶容积VZ≈7.76。

（2）测量方法。将单一规格碎石装入量桶内（自然状态、不可摇晃墩实），装滿后刮平。用量杯向桶内快速加水，加至与量桶上平面持平为止（放到水平台上观察）。记录加入水的体积，并计算石堆的空隙率，如图2所示。

由图3可知，碎石在容器内的空间性质非常接近球体在容器内的空间性质。碎石真实体积平均占测量桶容积的5249%。如剔除2号料后，碎石真实体积平均占测量桶容积的5235%，更加接近球体占容器容积的百分比（5233%）。因此，单一粒径碎石的计算问题可以简化为球体计算。

2.4碎石总表面积分析

单位体积内单一粒径碎石总表面积可按球体计算。不同规格粒径碎石应有其各自对应的当量球，取每一种碎石粒径范围的中值作为当量球的直径，对应关系见表3。

由公式（6）转换成按当量球，计算单位体积（m3）单一粒径碎石总表面积Fs为

Fs=103πdd（9）

式中：dd为当量球直径。

3碎石预裹覆沥青用量分析

沥青预裹覆碎石的沥青用量直接与碎石颗粒的表面积和沥青膜的厚度有关。

3.1沥青膜厚度的确定

沥青预裹覆碎石，应能均匀地覆盖碎石全表面，并堆积在一起互不粘结。按以下步骤进行裹覆试验。

（1）试验用材料为粒径10～15 mm的单一粒径碎石和沥青含量为23%的乳化沥青。当乳化沥青的沥青含量过高时，不容易裹覆均匀；过低时，由于乳化液较多，碎石表面不易将其全部吸附。建议选用沥青含量为25%左右的乳化沥青。同时乳化沥青与碎石配伍性要好。

（2）试验用设备、工具及仪器仪表包括：烘箱、电吹风机、手动套筛、电子称、裹覆桶、量杯、有刻度的吸管以及料盘若干。

（3）裹覆试验结果。沥青与碎石的油石比（纯沥青与碎石的质量比）为2.5‰～30‰ 。

当碎石的比重取15，沥青的比重取10时，每立方米碎石需用沥青375～450 L。

沥青预裹覆碎石沥青膜厚度t的计算如下。

t=（3.75～4.50）×106 mm3÷

（251×106 mm2）≈0.015～0.018 mm

3.2沥青用量的确定

根据沥青预裹覆碎石沥青膜厚度值和单位体积单一粒径碎石的总表面积，就可以计算出单位体积（m3）单一粒径碎石预裹覆所用沥青量，

计算公式为

Q=[t×（Fs×106）] ×10-6= t×Fs（10）

单位体积单一粒径碎石预裹覆沥青用量见表4。

用沥青含量为23%的乳化沥青，粒径为5～10 mm单一粒径碎石进行预裹覆验证，结果测得油石比为420‰～500‰，与上述计算结果吻合。证明用当量球方法来计算单位体积容器内单一粒径碎石的总表面积，进而计算其沥青用量是可行的，而且结果是可使用的。

4结语

本文通过试验、计算、分析、归纳、验证，在以下几方面有所收获。

（1）相同容积的容器内分别放满不同直径球体，球体总体积相同，约占容器容积的5233%，与球体直径大小无关；但球体总表面积不同，且与球体直径成反比；碎石在容器内的空间性质非常接近球体在容器内的空间性质；单一粒径碎石的计算问题可以简化为按当量球计算。

（2）推导出相关计算公式及列表，方便使用。

（3）施工方油石比差异大是因为不同单一粒径碎石表面积不同，所以预裹覆所用沥青量也不同。

（4）当量球在平面上的排列形式有2种：一种是平面并排排列形式；另一种是平面互嵌排列形式。因为封层施工时，撒布在路面上的一层碎石为并排互嵌无规律分布，所以撒布量应在按2种排列形式分别计算的撒布量值之间。

（5）球体排列形式除图1外，还有球体互嵌排列形式，较接近多层单一粒径碎石间相互嵌、楔并压实的状态，这方面可作进一步研究。

参考文献：

[1]张宗辉.同步碎石封层技术在中国的快速发展及应用[J].筑路机械与施工机械化， 2004， 21（11）：58.

[2]董强柱.同步碎石封层施工技术研究[D].西安：长安大学，2009.

[3]薛跃武，贾广平.同步碎石封层施工技术应用[J].筑路机械与施工机械化，2012，29（3）：5759.

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[5]张存公，皇甫建红，薛向宇.碎石的某些物理特性对沥青碎石封层的影响[J].筑路机械与施工机械化，2011，28（7）：5759.

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[10]马沉重.改性乳化沥青纤维同步碎石封层技术的应用[J].筑路机械与施工机械化，2010，27（9）：5153.

[责任编辑：高甜]