碎石封层技术在农村公路中的应用

范家勇 ，苏 震 ，刘玮婧 ，张 文

（1.重庆鹏方路面工程技术研究院有限公司，重庆市400054；2.中油燃料油股份有限公司，北京市100025；3.重庆中交科技股份有限公司，重庆市400054）

1 概述

目前，我国的乡村公路大多数还是土路和碎石路面为主，虽然已陆续出现了一些水泥混凝土路面，但水泥混凝土路面损坏后修复困难。因此，引进、研究、开发新的乡村道路路面结构已迫在眉睫。而碎石封层技术是一种经济、有效的路面施工技术，已在国外应用多年，因此，对碎石封层技术进行研究和推广，能够提升我国乡村道路路面等级，改善乡村公路运输状况，对促进城乡经济发展有着重要的经济价值和社会意义。

碎石封层的工作原理是利用专用沥青洒布设备将乳化沥青胶结料洒布在路面上，然后在极短的时间内将单一粒径的石料均匀撒布在乳化沥青胶结料上，在胶轮压路机行车碾压下，使胶结料与石料之间有最充分的表面接触，保证沥青与石料在最短的时间内完成结合，并在外荷载作用下不断形成强度。同时，由于流体沥青的表面张力，使沥青沿石料表面向上爬升，爬升高度约为石料高度的2/3，并在石料的表面形成一个半月面，使石料被沥青裹覆的面积达约70%，有足够的结合强度。因此提高沥青与集料的粘附性，增加石料被沥青裹覆的面积是该技术的关键，实现该技术的核心措施是选择合适的路用材料和施工工艺。

本文采用中石油“昆仑”70号沥青制备乳化沥青，从材料选择和施工工艺控制等方面对碎石封层技术进行了详细的研究，该公司按照本文提出的技术在重庆选择一段乡村公路铺筑了碎石封层的试验段，该试验段运行一段时间后结果良好。

2 碎石封层材料的选用

2.1 石料的选择

2.1.1 石料的技术指标

石料的选择依照下述的三个重要原则：

（1）硬度，必须有足够的硬度已抵挡交通磨损。在相对重载车较多，车流量较大的情况下，骨料的硬度尤为重要。

（2）级配，近乎单一级配,几乎不含粉料。

（3）形状，尽量使用立方体的骨料，避免针片结构，以保证骨料在沥青中达到合适的嵌入深度。

参照《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)[1]粗集料的要求制定了本次试验路石料的技术指标，并做了相应试验，结果见表1。

表1 石料的技术要求及试验结果

根据所选试验段的路面状况，提出了两种施工工艺，并根据不同的工艺方案设计了两种级配结构，见表2。

表2 碎石封层石料级配表

在选定的试验段上进行了单层碎石封层和双碎石封层组合两种施工工艺的试验，若只进行单层碎石施工，则采用S12的级配结构作为底层；而双碎石封层组合施工，则采用S9型级配结构作为底层，然后再在上面施工一层S12型级配结构的填隙层。无论对哪一种施工工艺，都要求石料干净以增加石料与沥青粘附性能。

2.1.2 石料的撒布量

碎石封层中石料必须有合适的撒布量。石料的覆盖率过低，无法提供足够的层间内摩阻力，同时由于缺乏保护，胎体沥青膜很容易在下一部工序完成前遭受施工机械的破坏；如果石料的覆盖率过高则会影响上下胶结料的结合，从而导致层间的粘接力不足，另一方面也会造成不必要的材料浪费。根据经验，碎石撒布覆盖率宜为60%～80%。

参照国内外资料以及实验室反复试验，提出了不同尺寸石料的撒布量，见表3。

表3 单石单层不同尺寸石料的撒布量

2.2 胶结料的选用

从碎石封层的原理可知，碎石封层用胶结料无论是沥青或乳化沥青必须具备如下三方面的性能：（1）足够的粘结性，以保证一定的粘结强度；（2）足够的爬升高度，以保证一定的裹覆面积；（3）较宽泛的适用性，以保证与石料的配伍性。试验路采用重庆东道鹏方路桥工程有限公司自生产的乳化沥青，以下就乳化沥青用于碎石封层的性质和相关因素作说明。

2.2.1 乳化沥青的性质

选择用于生产乳化沥青的基质沥青，应该由当地的气候条件，环境温度来决定。总体来说，在相似的气候条件下，沥青的软化点越高，相应的乳化沥青洒布量就可以越多。因此，可以通过选择较低标号的基质沥青或添加一定量的改性剂到乳化沥青当中提高乳化沥青的撒布量。

用于碎石封层应用的乳化沥青必须具有足够的粘度，以保证在满足单位面积洒布量的情况下在洒布石料之前不会流淌，从而保证石料在沥青膜中的嵌入深度，减少骨料的脱落。同时，在保证没有过多骨料脱落的情况下，乳化沥青的破乳速度直接决定了道路可以开放交通的时间。

根据ASTM(美国实验与材料协会)规范的要求,应用重庆鹏方路面工程技术研究院实验室的小型乳化沥青生产设备进行了用于碎石封层应用的高粘度阳离子快裂乳化沥青生产，通过室内试验对各种配方进行筛选，优化出了最佳的乳化沥青配方，具体方案和质量的检测结果分别见表4、表5。

表4 用于碎石封层阳离子快裂乳化沥青配方

表5 用于碎石封层阳离子快裂乳化沥青室内检

公司按照推荐的乳化沥青配方进行了乳化沥青生产，并对乳化沥青的质量进行了检测，三项检测结果均符合ASTM规范要求，具体结果见表6。

表6 现场乳化沥青样品检测结果

2.2.2 乳化沥青的洒布量

在进行碎石封层路面施工时，合适的乳化沥青洒布量是非常重要的。乳化沥青的最小使用量应该是可以将骨料固定住，并且将其粘结到旧路面上，在此基础上适当增加乳化沥青的用量可以获得更好的粘结性能。但乳化沥青用量也不宜过多，如果乳化沥青洒布过多，会导致在行车碾压过程中，沥青粘结料从石料的空隙中溢出，从而导致路面泛油，摩擦系数降低，在潮湿的天气里，表现尤为突出。

为了达到较为理想的路面应用效果，乳化沥青的洒布量应该由所选择的沥青类型，石料层的空隙容量，石料的形状及尺寸，交通量以及旧路面的状况来共同决定。特别是在有坡度的情况下，乳化沥青的使用量还应该做适当调节。表7提供了对于特定级配的石料做碎石封层应用时乳化沥青的一个大致洒布量。

表7 特定级配石料应用时乳化沥青的洒布量

3 试验段施工及检测

3.1 碎石封层的施工工艺

碎石封层的施工工艺主要包括:原有旧路面的处理→施工材料的准备→现场施工→胶轮压路机碾压→开放交通→路面清扫，剩余骨料回收。

3.1.1 原有旧路面的处理

试验段选择了两种具有代表性的路面：一段是车流量相对较少且很少有重车通行的乡村道路，采用单层碎石封层方案进行施工；一段是车流量相对较重的乡村道路，采用双层碎石封层方案进行施工。为使洒布层与原路面有良好的粘附力，在封闭的作业区内先对泥块等杂物进行清扫，再用路面吹风机清除灰尘。

3.1.2 施工材料的准备

试验段选用中石油“昆仑”70号基质沥青，乳化剂采用美德维实伟克公司DF-42E型快裂乳化剂。乳化沥青的生产将基质沥青温度控制在130℃～140℃，乳水温度控制在50℃～60℃，总体来讲乳水温度和沥青温度之和一般控制在180℃～200℃。根据工艺要求和施工的情况来看，乳化沥青的固含量为65%～67%。洒布时乳化沥青温度要求40℃～60℃。设备采用重庆东道鹏方路桥工程有限公司的乳化沥青生产车间和乳化沥青洒布车。

3.1.3 现场施工工艺

（1）单碎石封层

乳化沥青洒布量为1.4 kg/m2（乳化沥青固含量66.5%，下同），S12石料覆盖率为110%，撒布后 10～15 min用胶轮压路机（9.5 t）碾压 2～3遍。目的是使撒布的石料均匀密实，2～3 h后开放交通，自然碾压4 h后，清扫回收脱落的石料再利用。

（2）双碎石封层

下层油的洒布量为1.4 kg/m2，S9石料覆盖率为90%；上层洒布乳化沥青量为1.6 kg/m2，S12石料覆盖率为100%，养生、开放交通及清扫回收石料与单碎石封层相同。

3.1.4 试验段运行结果观测检查

施工养生结束，通过一年的行车碾压，整个路面从表观上越来越平整，且路面使用情况良好，未产生横向和纵向裂缝，碎石封层应力吸收层在整个路面系统发挥了巨大的应力吸收功能，有效的保证了整个路面系统的使用寿命。

4 结论

碎石封层由于胶结料和石料的粘结，使得铺筑后的封层具有良好的防水性能，很好的保护了雨水对于路基的损害；同时还具有良好的抗裂性能，减少了路面的裂缝，对原路的裂缝有一定的修复作用。

通过碎石封层的试验段,对该项技术有了进一步的了解。碎石封层施工完成后，2 h内即可开放交通，待完全成型后可施工上封层罩面系统，缩短了封闭交通的时间，提高了公路的运输效益。碎石封层环保和经济的特性非常适合在农村公路建设中推广应用。