国外道路工程中不同类型轻制沥青的配制和转换研究

吴清志，李 冲，吴 政

（1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072；2.中国市政工程华北设计研究总院有限公司重庆分公司，重庆 401147）

0 前 言

在高等级道路工程基层施工中需要中凝型轻制沥青如MC30和MC70作为道路工程中的透层油，以提高道路的路基层与其上层的黏结性，封闭路基表面的空隙或作为临时保护路基层不受雨水和交通的损害。根据规范JTGF40—2004规定沥青路面各类基层都必须喷洒透层油，沥青层必须在透层油完全渗透基层后方可铺筑。

在沥青混凝土路面施工时，特别是原沥青路面加厚时需要快凝型轻制沥青如RC70和RC250作为黏层油，主要用于新老沥青混凝土路面之间的黏结，也是为加强沥青层与沥青层之间或沥青层与水泥混凝土路面之间的黏结需洒布的沥青材料薄层。

很多国外工程所在国，特别是非洲国家不生产轻制沥青，若进口轻制沥青会由于价格、运输等因素制约着承包商。如何将进口的黏稠沥青或石油沥青配制成工程需要的轻制沥青或液体石油沥青是国际工程承包商须面对的问题，如何将不同类型的轻制沥青之间进行转化是国际承包商须解决的技术问题［1］。

本文提供了以美标AASHTO为基础的轻制沥青（透层油和黏层油）的配制和不同指标轻制沥青之间的转换实用技术。

1 轻制沥青的技术参数

快凝型和中凝型轻制沥青的具体技术指标见表1～2。

表1和表2为美国AASHTO标准，从表中看出轻制沥青的技术指标的质量控制主要是蒸馏试验和运动黏度试验。

表1 快凝轻制沥青的技术指标［2］

表2 中凝轻制沥青的技术指标［3］

国内公路沥青混凝土施工技术规范［4］对快凝轻质沥青的规定只有2种，对中凝轻制沥青的规定有6种，其黏度检测指标为时间秒，这与美国标准不同。

本文透层油与黏层油配制和转化是专用于美标的国际工程。

2 配制轻制沥青用材料及试验

2.1 试验材料

采用针入度为60／70，软化点为52℃、闪点为293℃，其25℃时比重为1.015的黏稠沥青；采用壳牌煤油，其25℃时比重为0.78；采用汽油，其25℃时比重为0.714。

采用当地销售的汽油，其25℃时比重为0.714。

2.2 蒸馏试验

不同汽油含量时的蒸馏试验结果列入表3。表3中的汽油含量是指汽油体积与汽油体积加沥青体积的和之比，黏层沥青的拌制温度控制范围在100～123℃。

从表3中可看出，225℃的馏分值随汽油含量的增加而增加，两者之间有较好的线性关系。260℃的馏分值也随汽油含量的增加而增加，但两者之间呈二次曲线关系。316℃时的馏分值同样也随汽油含量的增加而增加，在试验范围内有一峰值，过了峰值后其馏分值随汽油含量的增加而减小。360℃时的蒸馏残余值随汽油含量的增加而减小，两者之间有较好的线性关系。

表3 不同汽油含量的蒸馏试验结果

不同煤油含量时的蒸馏试验结果列入表4，在各个温度下的馏分变化规律与掺汽油时的变化规律完全相同。从回归系数来看，各回归方程高度相关。

表4 不同煤油含量的蒸馏试验结果

2.3 运动黏度试验

采用从德国进口的逆流式黏度计，按AASHTO T202-91（ASTM D2171-92）试验方法对不同掺配比例的汽油和煤油在60℃温度下进行了的运动黏度性能试验，其试验结果分别列入表5和表6。

表5 不同煤油掺量的黏度试验结果

表6 不同汽油掺量的黏度试验结果

设X为运动黏度，而Y为煤油掺量，根据表3两者的关系式如下：

同理，设x为运动黏度，y为汽油掺量，根据表4两者的关系如下：

以上两公式可推算出不同黏度所对应的煤油和汽油的掺量。

3 轻制沥青的掺配比例

3.1 采用汽油配制各种快凝型轻质沥青的比例

根据AASHTO标准的要求已将上述试验结果分析，可得到采用汽油配制各种快凝轻制沥青的掺配比例如表7所示。

从表7中可以看出，采用汽油可配制出既满足蒸馏试验条件，又满足黏度试验条件的快凝型轻质沥青。只要黏度条件满足要求，蒸馏条件自然可满足要求，这是因为蒸馏条件范围大于黏度限制范围之故。表7说明汽油适合配制快凝性轻制沥青。

表7中RC后面的数值越大，其黏度也越大，其中的汽油的含量越少，反之亦然。

表7 采用汽油配制快凝型轻质沥青的比例

汽油挥发性大，施工需特别注意安全。

已知配制快凝轻制沥青的掺配比例，可将表中4种轻制沥青之间进行转换。

3.2 快凝型轻质沥青中黏稠沥青和汽油用量与汽油掺量和比重之间的关系式

从表7看出，快凝型低黏度轻制沥青向高黏度轻制沥青转化时需增加其黏度，而高黏度轻制沥青向低黏度轻制沥青转化时需降低其黏度，可通过增加沥青或增加汽油含量来实现。

设快凝型轻制沥青中汽油含量为m，汽油和沥青的重量分别为Wp和Wb，密度分别为ρp和ρb，体积分别为Vp和Vb，快凝轻制沥青的总体积为V，计算公式为：

由式（3）有

将Wb＝Vbρb和Wp＝Vpρp代入（5）式中，整理有：

由（4）和（6）可得：

设km＝1／［1＋（1／m-1）ρp／ρb］，则式（7）和式（8）简化为：

由式（3）到（10）可计算出表4中已知体积V任何快凝型轻制沥青中黏稠沥青和汽油的重量和体积。

进一步，根据式（3）和（4）可推导出快凝型轻制沥青的混合密度ρ与汽油掺量，汽油和黏稠沥青的密度之间的关系公式如下：

配制1000L中凝型轻制沥青其混合密度、黏稠沥青和汽油混合前后的体积和重量计算结果列入表8。

表8 1000L轻制沥青混合密度、黏稠沥青和汽油的体积和重量计算结果

3.3 采用煤油配制各种中凝型轻质沥青的比例

根据AASHTO标准的要求和上述试验结果分析，可得到采用煤油配制各种中凝型轻质沥青的掺配比例如表9～10所示。

表9 采用煤油配制中凝型轻质沥青的比例

表10 采用煤油配制中凝型轻质沥青的配制比例

3.4 中凝型轻质沥青中黏稠沥青和煤油用量与煤油掺量和比重之间的关系式

从表9看出，中凝型低黏度轻制沥青向高黏度轻制沥青转化时需增加其黏度，而高黏度轻制沥青向低黏度轻制沥青转化时需降低其黏度，可通过增加沥青或增加煤油含量来实现。

设中凝型轻制沥青中煤油含量为n，煤油和黏稠沥青的重量分别为Wp和Wb，密度分别为ρk和ρb，体积分别为Vk和Vb，中凝沥青的总体积为V。其公式为：

由式（12）有

将Wb＝Vbρb和Wk＝Vkρk代入（14）式中，整理有：

由式（13）和（15）可得：

设kn＝1／［1＋（1／n-1）ρk／ρb］，则式（16）和式（17）简化为：

由式（12）到（19）可计算出表4中已知体积V任何中凝型轻制沥青中黏稠沥青和煤油的重量和体积。

进一步，根据式（13）和（14）可推导出轻制沥青的混合密度ρ与煤油掺量，煤油和黏稠沥青的密度之间的关系如下：

配制1000L中凝型轻制沥青其混合密度、黏稠沥青和汽油混合前后的体积和重量计算，最终结果列入表11。

表11 1000L中凝型轻制沥青混合密度、黏稠沥青和煤油的体积及重量计算结果

已知中凝轻制沥青的掺配比例，可对以上各规格沥青之间进行转换。

从满足AASHTO蒸馏限制条件来看，煤油适用于配制中凝型轻制沥青；而汽油适用于快凝性轻制沥青的配制。配制中凝型轻质沥青的精度要求大于配制快凝型轻质沥青的要求，采用煤油配制轻质沥青的安全性高于采用汽油配制轻质沥青。

4 轻制沥青配制的施工方法

当有地磅时，可采用地磅进行准确的称量。

当无地磅时，假设采用10000L的沥青撒布车，油量由油标刻度直接读数，读数精度为100L，当配制6000L轻制沥青时，其最大读数误差为1.6%。一次配置轻制沥青的数量愈多，其误差愈小，配制愈准确。配油时先加沥青后加煤油或汽油，加完煤油后靠洒布车自带的油泵打循环进行搅拌。

5 黏层油之间的转化计算公式

5.1 由低黏度到高黏度快凝型轻制沥青（黏层油）的转化计算公式

快凝型轻制沥青低黏度中汽油含量为m1（现值），需将其转化为高黏度，其汽油含量为m2（目标值）。由低黏度向高黏度转换需保持轻制沥青中汽油的含量不变而增加黏稠沥青的用量，有m值的定义为：

由（21）和（22）式可推导出需要加入的额外黏稠沥青量

将低黏度快凝型轻制沥青RC70由低黏度到高黏度（RC250）转化计算实例列于表12。

表12 将低黏度快凝型轻制沥青由低黏度到高黏度转化计算实列

表12中保持汽油掺量Wp不变，在原轻制沥青的基础上额外增加黏稠沥青量Wbx，其他内容则按比重与重量和体积的关系计算得到。按汽油含量进行校核，与目标值m2相同，则说明计算正确。

5.2 由高黏度到低黏度快凝型轻制沥青的转化计算公式

快凝型轻制沥青高黏度中汽油含量为m1（现值），需将其转化为低黏度，其汽油含量为m2（目标值）。由高黏度向低黏度转换需保持轻制沥青中黏稠沥青的含量不变而增加汽油的用量Xp，有m值的定义有：

由（24）和（25）式可推导出需要加入的额外汽油量为

将高黏度快凝型轻制沥青RC250转化低黏度RC70的计算实例列于表13。表中保持黏稠沥青掺量，额外增加汽油量Xp，其他内容则按比重与重量和体积的关系计算得到。可按汽油含量进行校核，与目标值m2相同，则说明转换计算正确。

表13 将高黏度快凝型轻制沥青转换为低黏度轻制沥青的计算实例

5.3 黏层油黏度过大或过小时掺配比例的调配

当黏层油的黏度过大时，可参照5.2节进行调整，当黏层油的黏度过小时，可参照5.1节进行调整。通过以上调整，可确保轻制沥青的产品满足规范要求。该方法可用于生产厂产品的控制，也可用于现场的施工质量控制。

因汽油挥发性比较大，产品放久了或在运输过程中容器有空洞，受气候的影响，会导致产品变化，按本案提供的方法，可确保工程中所应用的产品一定是满足规范要求的产品。

6 透层油之间的转化计算

6.1 由低黏度到高黏度中凝型轻制沥青的转化

计算公式与式（21）到（23）相同，将掺量m值改为n值即可。

由低黏度向高黏度转化时，需保持煤油掺量不变，增加沥青用量即可。

保持煤油掺量Wp不变，额外增加黏稠沥青量Wbx，其他内容则按比重与重量和体积的关系计算得到。按煤油含量进行校核，与目标值n2相同，则说明计算正确。将低黏度中凝型轻制沥青转换为高黏度轻制沥青的转化计算实例列于表14。

表14 将低黏度中凝型轻制沥青转换为高黏度轻制沥青的转化计算

6.2 由高黏度到低黏度中凝型轻制沥青的转化

中凝型轻制沥青高黏度中煤油含量为n1（现值），需将其转化为低黏度，其煤油含量为n2（目标值）。由高黏度向低黏度转换需保持轻制沥青中黏稠沥青的含量不变而增加煤油的用量，与公式（24）～（26）相同，将其中的m值改为n值即可。将高黏度中凝型轻制沥青转换为低黏度中凝型轻制沥青的计算列于表15。

表15 将高黏度中凝型轻制沥青转换为低黏度中凝型轻制沥青的计算

6.3 透层油黏度过大或过小时掺配比例的调配

当透层油的黏度过大或过小时，可参照前面介绍的方法进行调整。通过调整可确保所使用的产品完全满足规范要求，可接受任何严格的检查和检测，确保工程施工质量。

7 结 语

（1）采用轻制沥青的配制系数，可快速完成中凝性和快凝性轻制沥青的配制。

（2）采用混合密度的计算公司可快速计算出不同轻制沥青的密度。

（3）采用本文的方法可快速完成不同黏度轻制沥青之间的转换。

（4）采购轻制沥青存在工厂配制、装桶、海运、路运、海运和路运的装卸、保管、堆放等工序，其成本会大于承包商自己配制轻制沥青而且时间不可控。自行配制黏层油和透层油的经济效益比较可观，最关键的自行配轻制沥青不受供应货源的限制，随需随配，十分方便。采用一台沥青撒布车即可完成透层油和黏层油的配制工作和撒布工作，充分提高施工设备的使用效率，降低工程成本，提供国际承包商在海外市场的竞争能力。

（5）本文介绍的方法满足AASHTO标准中快凝型和中凝型轻制沥青的配制，可对低黏度到高黏度或从高黏度到低黏度轻制沥青自由转换。可在施工现场自行配制轻制沥青，可对黏度过大或过小的轻制沥青自行调配。