瀝青預(yù)裹覆碎石瀝青用量研究

張存公　李太杰　皇甫建紅　石劍　馮紅梅　李金哲

摘要：為了在封層施工中增大瀝青與碎石的粘結(jié)面積與粘結(jié)牢度，提高封層質(zhì)量，把瀝青預(yù)裹覆碎石的相關(guān)試驗及經(jīng)驗數(shù)據(jù)上升到理論計算層面，通過試驗數(shù)據(jù)、理論計算相互參照并引入“當量球”的方法，確定碎石預(yù)裹覆時瀝青的用量等。研究結(jié)果表明，單粒徑碎石在容器內(nèi)的空間性質(zhì)非常接近球體在容器內(nèi)的空間性質(zhì)，單一粒徑碎石的計算可以簡化為按球體計算。

關(guān)鍵詞：同步封層；預(yù)裹覆碎石；當量球；瀝青膜

中圖分類號：U41602文獻標志碼：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

隨著中國公路交通的不斷發(fā)展，瀝青碎石同步封層施工工藝在各等級公路的新建和養(yǎng)護工程中被廣泛應(yīng)用[1]。在同一時間內(nèi)灑（撒）布瀝青和碎石，可以讓兩者具有較大的表面裹附強度，使瀝青路面具有良好的防水性、防滑性、耐磨性和耐久性[24]。

封層所用碎石的形狀為較復(fù)雜，多為不規(guī)則多面體顆粒，表面布滿各種條紋、溝槽、凹坑與微孔。通過取芯對封層過的路面進行觀察，發(fā)現(xiàn)一些碎石凸出的棱角部分與瀝青有結(jié)合的痕跡，這是由于碎石表面粘有石粉，不利于瀝青與碎石的粘合。當熱瀝青與碎石接觸時，由于碎石的溫度較低，熱瀝青表面的溫度迅速下降，瀝青的粘度增大，很難浸潤到碎石表面的條紋、溝槽、凹坑與微孔內(nèi)與其粘合[5]。

通過增大瀝青、碎石的粘結(jié)面積與粘結(jié)牢度（即增大瀝青對碎石的表面裹附強度）是進一步提高瀝青路面路用性能的方法[69]。采用瀝青預(yù)裹覆碎石進行封層施工可以克服以上缺陷，提高封層質(zhì)量。

預(yù)裹覆碎石的瀝青用量與碎石顆粒的表面積及瀝青膜的厚度有直接關(guān)系。但是，由于封層用碎石的形狀為較復(fù)雜，其表面積無法用常規(guī)方法計算。本文從球體在容器內(nèi)的空間性質(zhì)入手，進行單一粒徑碎石在容器內(nèi)的空間性質(zhì)研究，找出切入點，引入“當量球”法來研究以前用常規(guī)方法不能計算碎石表面積的問題并作出結(jié)論，以備施工參考。

1瀝青預(yù)裹覆碎石

所謂瀝青預(yù)裹覆碎石，即是將封層用碎石顆粒表面預(yù)先浸潤粘結(jié)一層極薄瀝青膜。在進行瀝青碎石同步封層施工時，瀝青與碎石的結(jié)合就變?yōu)闉r青與瀝青的結(jié)合，大大提高了瀝青對碎石的裹附強度。因此，瀝青碎石同步封層施工推薦優(yōu)先選用瀝青預(yù)裹覆碎石作為封層用材料。

瀝青預(yù)裹覆碎石所用瀝青為熱瀝青或乳化瀝青，所用設(shè)備為拌和樓或預(yù)裹覆專用設(shè)備。乳化瀝青可以常溫下使用，安全、節(jié)能、環(huán)保方面的特性突出，因此已有乳化瀝青生產(chǎn)設(shè)備的施工方會優(yōu)先選擇用乳化瀝青預(yù)裹覆[10]。液態(tài)瀝青有滲透力強的獨特優(yōu)勢，有少數(shù)施工方嘗試把液態(tài)瀝青作為碎石預(yù)裹覆材料使用。

2瀝青預(yù)裹覆碎石特性分析

2.1球體總體積

相同容積容器內(nèi)各放滿不同直徑球體，球體為并排排布，容器內(nèi)球體總體積對比如圖1所示。容器的長、寬、高都是60 mm，分別放置直徑為20、15、10、5 mm的球體。

2.3碎石顆?？傮w積

空隙率為一定體積碎石中空隙所占體積與總碎石體積的比值，用η表示。

（1）測量桶容積VZ≈7.76。

（2）測量方法。將單一規(guī)格碎石裝入量桶內(nèi)（自然狀態(tài)、不可搖晃墩實），裝滿后刮平。用量杯向桶內(nèi)快速加水，加至與量桶上平面持平為止（放到水平臺上觀察）。記錄加入水的體積，并計算石堆的空隙率，如圖2所示。

由圖3可知，碎石在容器內(nèi)的空間性質(zhì)非常接近球體在容器內(nèi)的空間性質(zhì)。碎石真實體積平均占測量桶容積的5249%。如剔除2號料后，碎石真實體積平均占測量桶容積的5235%，更加接近球體占容器容積的百分比（5233%）。因此，單一粒徑碎石的計算問題可以簡化為球體計算。

2.4碎石總表面積分析

單位體積內(nèi)單一粒徑碎石總表面積可按球體計算。不同規(guī)格粒徑碎石應(yīng)有其各自對應(yīng)的當量球，取每一種碎石粒徑范圍的中值作為當量球的直徑，對應(yīng)關(guān)系見表3。

由公式（6）轉(zhuǎn)換成按當量球，計算單位體積（m3）單一粒徑碎石總表面積Fs為

Fs=103πdd（9）

式中：dd為當量球直徑。

3碎石預(yù)裹覆瀝青用量分析

瀝青預(yù)裹覆碎石的瀝青用量直接與碎石顆粒的表面積和瀝青膜的厚度有關(guān)。

3.1瀝青膜厚度的確定

瀝青預(yù)裹覆碎石，應(yīng)能均勻地覆蓋碎石全表面，并堆積在一起互不粘結(jié)。按以下步驟進行裹覆試驗。

（1）試驗用材料為粒徑10～15 mm的單一粒徑碎石和瀝青含量為23%的乳化瀝青。當乳化瀝青的瀝青含量過高時，不容易裹覆均勻；過低時，由于乳化液較多，碎石表面不易將其全部吸附。建議選用瀝青含量為25%左右的乳化瀝青。同時乳化瀝青與碎石配伍性要好。

（2）試驗用設(shè)備、工具及儀器儀表包括：烘箱、電吹風機、手動套篩、電子稱、裹覆桶、量杯、有刻度的吸管以及料盤若干。

（3）裹覆試驗結(jié)果。瀝青與碎石的油石比（純?yōu)r青與碎石的質(zhì)量比）為2.5‰～30‰ 。

當碎石的比重取15，瀝青的比重取10時，每立方米碎石需用瀝青375～450 L。

瀝青預(yù)裹覆碎石瀝青膜厚度t的計算如下。

t=（3.75～4.50）×106 mm3÷

（251×106 mm2）≈0.015～0.018 mm

3.2瀝青用量的確定

根據(jù)瀝青預(yù)裹覆碎石瀝青膜厚度值和單位體積單一粒徑碎石的總表面積，就可以計算出單位體積（m3）單一粒徑碎石預(yù)裹覆所用瀝青量，

計算公式為

Q=[t×（Fs×106）] ×10-6= t×Fs（10）

單位體積單一粒徑碎石預(yù)裹覆瀝青用量見表4。

用瀝青含量為23%的乳化瀝青，粒徑為5～10 mm單一粒徑碎石進行預(yù)裹覆驗證，結(jié)果測得油石比為420‰～500‰，與上述計算結(jié)果吻合。證明用當量球方法來計算單位體積容器內(nèi)單一粒徑碎石的總表面積，進而計算其瀝青用量是可行的，而且結(jié)果是可使用的。

4結(jié)語

本文通過試驗、計算、分析、歸納、驗證，在以下幾方面有所收獲。

（1）相同容積的容器內(nèi)分別放滿不同直徑球體，球體總體積相同，約占容器容積的5233%，與球體直徑大小無關(guān)；但球體總表面積不同，且與球體直徑成反比；碎石在容器內(nèi)的空間性質(zhì)非常接近球體在容器內(nèi)的空間性質(zhì)；單一粒徑碎石的計算問題可以簡化為按當量球計算。

（2）推導(dǎo)出相關(guān)計算公式及列表，方便使用。

（3）施工方油石比差異大是因為不同單一粒徑碎石表面積不同，所以預(yù)裹覆所用瀝青量也不同。

（4）當量球在平面上的排列形式有2種：一種是平面并排排列形式；另一種是平面互嵌排列形式。因為封層施工時，撒布在路面上的一層碎石為并排互嵌無規(guī)律分布，所以撒布量應(yīng)在按2種排列形式分別計算的撒布量值之間。

（5）球體排列形式除圖1外，還有球體互嵌排列形式，較接近多層單一粒徑碎石間相互嵌、楔并壓實的狀態(tài)，這方面可作進一步研究。

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[責任編輯：高甜]