穆 巖，張寒梅，楊田田

(1.長安大學材料科學與工程學院，陜西 西安 710064； 2.內(nèi)蒙古高等級公路建設開發(fā)有限責任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010060； 3.長安大學 公路學院，陜西 西安 710064)

0 引 言

玄武巖纖維作為一種新型環(huán)保的礦物纖維，已逐步應用于道路施工中，成為混凝土的增強材料。玄武巖纖維的力學性能優(yōu)異，平均拉伸強度是有機類纖維的6～10倍，彈性模量是有機類纖維的3倍以上；在-269 ℃～650 ℃的溫度范圍內(nèi)，玄武巖纖維不會發(fā)生明顯的熱老化等反應；玄武巖纖維的比表面積大，平均直徑為5～10 μm[1]。謝晶[2]利用恒定高度的重復剪切和四點彎曲疲勞試驗，研究了玄武巖纖維對瀝青混合料疲勞性能和髙溫性能的影響，結(jié)果表明礦物纖維可明顯提高瀝青的疲勞性能和高溫抗車轍性能。高丹盈等[3]研究了玄武巖纖維和木質(zhì)素纖維在最佳瀝青用量下其混合料的飛散損失、析漏試驗、水穩(wěn)定性和抗車轍性能，結(jié)果表明玄武巖纖維的水穩(wěn)定性隨著纖維摻量的增加而提高，而木質(zhì)素纖維對瀝青有較好的穩(wěn)定和增黏作用，優(yōu)于玄武巖纖維。王寧[4]研究發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維可以增加瀝青材料的黏性并提供永久變形所消耗的能量，明顯提高瀝青材料的黏結(jié)性能并降低其溫度敏感性。

以上研究對玄武巖纖維及其瀝青混合料的性能進行了試驗分析，但對玄武巖纖維在大型公路維修工程中的應用較少提及。本文通過設計京承高速公路路面維修方案，將玄武巖纖維和木質(zhì)素纖維混合，應用在高速公路路面維修中，為玄武巖纖維在瀝青路面中的推廣應用提供經(jīng)驗數(shù)據(jù)和施工指導。

1 玄武巖纖維在路面維修中的應用

1.1 路面調(diào)研

京承高速公路是大廣高速(大慶—廣州)的重要組成路段，自建成投入運營至今已有12年(接近路面設計使用年限)，路面未進行過系統(tǒng)維修，以日常養(yǎng)護為主，僅在2011年對局部路段實施過預防性養(yǎng)護(出京方向K18+195～K21+030及進京方向K21+030～K18+955微表處)。

京承高速公路K14+000～K21+000段，路面橫斷面形式為雙向六車道整體式路基，橫斷面寬度為35.0 m；路面結(jié)構(gòu)中面層為5 cm瀝青瑪蹄脂碎石混合料SMA-16、6 cm中粒式瀝青混凝土AC-25C、7 cm粗粒式瀝青混凝土AC-30C，基層為54 cm石灰粉煤灰穩(wěn)定碎石，總厚度為72 cm。

隨著交通量的逐年增加，該高速公路瀝青路面出現(xiàn)了較嚴重的退化病害，主要表現(xiàn)為局部淺層開裂(裂縫深度不大于1.5 cm)、表面磨損(磨損厚度不大于1.5 cm)、露骨和材料退化等，如圖1所示。

1.2 路面維修方案設計

為解決該瀝青混凝土路面的耐久性問題，本維修工程采用挖補再整體罩面的方式，首先銑刨瀝青混凝土5 cm，然后再加鋪5 cm AC-20C(改性瀝青)和4 cmSMA-13玄武巖纖維瀝青混凝土(摻入0.25%玄武巖纖維和0.15%木質(zhì)素纖維)。其中上面層SMA-13改性瀝青混合料中添加玄武巖纖維改性材料，產(chǎn)生復合改性作用，強化SMA-13上面層瀝青混合料的韌性，使其在晝夜溫差大的環(huán)境下具有抗裂、抗氯鹽腐蝕和高彈韌等特性。玄武巖纖維作為一種優(yōu)質(zhì)的天然加強材料，可以提高瀝青混合料的高溫抗車轍能力，有效抵御瀝青路面結(jié)構(gòu)層在夏季高溫和重載交通作用下的豎向變形與剪切變形；另外，在嚴寒氣候下，纖維的加入提高了混合料的柔性，可分散荷載作用力和溫度應力，大大改善瀝青混合料的低溫抗開裂性[5-8]。路面設計方案如圖2所示。

圖2 路面結(jié)構(gòu)設計

1.3 配合比設計

本次京承高速公路一期路面維修工程目標配合比設計的原材料來自北京城建瀝青混凝土有限公司，礦料級配范圍按照《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》(JTG F40—2004)的規(guī)定選取。目標配合比礦料級配曲線如圖3所示。

圖3 SMA-13目標配合比礦料級配曲線

根據(jù)經(jīng)驗，初始油石比選定為6.0%，進行馬歇爾試驗，馬歇爾試件雙面各擊實50次。試驗結(jié)果如表1所示。

由3個不同礦料級配的試驗結(jié)果可知，級配S的粗集料骨架間隙率大于搗實粗集料骨架間隙率，不能滿足骨架嵌擠結(jié)構(gòu)要求，如將瑪蹄脂用量提高，會導致動穩(wěn)定度值相對偏低。級配Z和級配X粗集料骨架間隙率小于搗實粗集料骨架間隙率，但相比之下，級配X空隙率過大，如果采用增加瀝青用量來降低空隙率，則富余的瀝青將導致動穩(wěn)定度降低。級配Z各項指標最滿足設計要求，采用真空實測法按照現(xiàn)行規(guī)范計算出的理論密度偏大，原因是玄武巖吸水率雖然偏大，但吸油率并不像公式計算的那樣大。

表1 馬歇爾試件體積指標結(jié)果

另外，分別采用油石比5.8%和6.2%，按照選定的級配Z再進行混合料馬歇爾試驗，結(jié)果見表2。

表2 不同油石比馬歇爾試件體積指標結(jié)果

由此確定最終SMA-13混合料的目標礦料級配為級配Z，最佳油石比為6.0%，纖維用量為2.5%玄武巖纖維和1.5%的木質(zhì)素纖維。根據(jù)規(guī)范要求對瀝青混合料SMA-13的目標配合比設計進行驗證，結(jié)果見表3。

表3 SMA-13配合比檢驗結(jié)果

由表3中的結(jié)果可見，以上設計的配合比符合《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》(JTG F40—2004)中的技術要求，可在工程中應用。

1.4 玄武巖纖維SMA-13的工程實施

SMA主要用作高速公路和一級公路的抗滑表層材料，其路面施工工藝與其他類型的瀝青混合料路面基本相同。玄武巖纖維SMA-13的工程施工流程見圖4。

圖4 玄武巖纖維瀝青路面施工工藝流程

(1)玄武巖纖維瀝青混合料的拌合。纖維瀝青混合料的拌合可分為干法和濕法2種，本項目采用新濕法，即先將礦料與瀝青拌合一定時間(圖5(a))，然后加入玄武巖纖維再拌合一定時間，最后加入礦粉，這樣可以得到很好的拌合效果，如圖5(b)所示。

(2)玄武巖纖維瀝青混合料的溫度控制?；旌狭铣鰪S溫度的控制如圖5(c)所示。玄武巖纖維瀝青混凝土施工宜在氣溫較高的條件下進行，摻加玄武巖纖維增加了瀝青膠漿的黏滯性，因此玄武巖纖維瀝青混凝土的施工溫度要比普通瀝青混凝土高5 ℃～10 ℃。依據(jù)施工實踐和工程實體調(diào)查結(jié)果推薦的使用溫度如表4所示。

圖5 玄武巖纖維瀝青混凝土施工

℃

(3)混合料的運輸。瀝青混合料的運輸車必須加蓋保溫材料(如篷布等)，以最短的時間運至攤鋪機前卸料，防止混合料變冷硬化(圖5(d))。攤鋪機前要保證至少2輛車等待卸料，不能發(fā)生攤鋪機等車的情況，確保施工作業(yè)連續(xù)以及平整度符合技術規(guī)范要求。

(4)混合料的攤鋪。攤鋪前要確保黏層油的灑布合格。玄武巖纖維瀝青混合料在高溫狀態(tài)下應適當提高夯錘振搗頻率，確保路面的最終平整度。攤鋪機采用高速公路常用類型即可，整體攤鋪單幅雙車道路面，采用2臺攤鋪機呈梯隊攤鋪單幅四車道路面，采用機械攤鋪加寬段，如圖6所示。

圖6 玄武巖纖維瀝青混合料的攤鋪作業(yè)

根據(jù)確定的松鋪系數(shù)調(diào)整好攤鋪機的下料速度和前進速度，為了保證燙平板的初壓效果，應提前半個小時開始間歇預熱燙平板。相鄰2臺攤鋪機前后錯開10～30 m成梯形作業(yè)，攤鋪寬度同樣重疊10 cm。在攤鋪過程中，攤鋪機一邊攤鋪，運輸車一邊給攤鋪機卸料，運輸車卸完料后隨即離去，另一輛車繼續(xù)卸料，控制混合料攤鋪溫度不低于165 ℃。

(5)混合料的碾壓。瀝青混合料的壓實是保證瀝青面層質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，SMA-13玄武巖纖維瀝青混合料攤鋪后要在比較高的溫度下進行壓實。從玄武巖纖維瀝青混合料的特性出發(fā)，選擇合適的壓路機型號、碾壓頻率與振幅。壓實要經(jīng)歷初壓、復壓和終壓3個過程：初壓的目的是整平和穩(wěn)定玄武巖纖維瀝青混合料，要特別注意平整度；復壓的目的是使玄武巖纖維瀝青混合料密實、穩(wěn)定、成型，該道工序決定了混合料的密實度；終壓的目的是消除壓路機輪跡，形成平整的壓實路面。初壓采用振動壓路機(關閉振動裝置)，速度控制在1.5～2.0 km·h-1，溫度控制在110 ℃～130 ℃。初壓后，要檢查平整度、路拱，路面不平整時要予以修補。如在碾壓時出現(xiàn)推移，說明混合料溫度過高，要等溫度降低后再壓。復壓時，首先采用膠輪壓路機壓2遍，然后采用振動壓路機壓2遍。復壓結(jié)束后,要用3 m直尺檢查路面平整度，并做好相應標記。終壓前，壓路機根據(jù)標記采取適合的處理方法：如橫向平整度有問題，則橫向強振2～3遍;如縱向平整度有問題，則沿縱向強振2～3遍。終壓時，膠輪壓路機進行2遍碾壓，以消除壓路機輪跡。終壓溫度控制在80 ℃～90 ℃，壓實速度控制在2.5～3.5 km·h-1。

2 綜合效益分析與評價

根據(jù)本文依托工程的設計方案，采用玄武巖纖維瀝青混合料初期增加投資約66 元·t-1，但使用壽命較不摻加纖維的路面增加30%～40%[10]，玄武巖纖維瀝青混合料路面優(yōu)異的路用性能也降低了路面日常養(yǎng)護費用，為整條路面的維修及養(yǎng)護節(jié)省大筆資金，具有良好的經(jīng)濟效益。玄武巖纖維是一種礦物纖維，生產(chǎn)時只需要把玄武巖礦料熔融后進行拉絲等處理，不產(chǎn)生工業(yè)廢水、廢氣和廢渣，且生產(chǎn)和施工過程中不危害操作人員的身體健康，具有良好的環(huán)保效益。

玄武巖纖維材料有很強的惰性，不與氧氣、光、電、熱等發(fā)生反應，無論是在混合料的拌合過程中，還是在路面攤鋪碾壓中，都能夠保證再生混合料完全利用。

玄武巖纖維摻加到瀝青混合料中還能夠有效改善瀝青路面品質(zhì)，特別是抗裂性能和抗疲勞性能，道路使用品質(zhì)的提高延長了瀝青路面的使用壽命，減少了養(yǎng)護費用[9-14]。

3 結(jié) 語

(1)在京承路面維修工程中，混合料油石比為6%，玄武巖纖維摻量為2.5%，木質(zhì)素纖維摻量為1.%，通過配合比設計，驗證其各方面性能滿足規(guī)范要求，可為今后玄武巖纖維瀝青的應用提供參考。

(2)摻加玄武巖纖維的瀝青混合料施工工藝和普通瀝青混凝土基本相同。 玄武巖纖維瀝青混合料要比普通瀝青混合的施工溫度高5 ℃～10 ℃。在攤鋪、碾壓工序中要嚴格遵循施工原則，按時檢查混合料溫度，不得低于165 ℃。復壓結(jié)束后，要及時檢查路面平整度，不平整時要做相應的處理。

(3)玄武巖纖維可以改善瀝青材料的疲勞性能、高溫抗車轍性能和耐老化性能。玄武巖纖維的摻量一般為2%～6%，可根據(jù)具體的基質(zhì)瀝青、氣候環(huán)境、路面性能要求選擇合適的摻量。通過綜合效益評價分析，證明玄武巖纖維的可持續(xù)發(fā)展性，在道路材料中有較廣闊的應用前景，應進一步推進玄武巖纖維改性瀝青的研究，為其推廣應用奠定堅實的理論基礎。

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