穆 巖，張寒梅，楊田田

(1.長安大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710064； 2.內(nèi)蒙古高等級(jí)公路建設(shè)開發(fā)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010060； 3.長安大學(xué) 公路學(xué)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(yīng)用于道路施工中，成為混凝土的增強(qiáng)材料。玄武巖纖維的力學(xué)性能優(yōu)異，平均拉伸強(qiáng)度是有機(jī)類纖維的6～10倍，彈性模量是有機(jī)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(huì)發(fā)生明顯的熱老化等反應(yīng)；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(fù)剪切和四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，研究了玄武巖纖維對(duì)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(yàn)、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(duì)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(duì)玄武巖纖維及其瀝青混合料的性能進(jìn)行了試驗(yàn)分析，但對(duì)玄武巖纖維在大型公路維修工程中的應(yīng)用較少提及。本文通過設(shè)計(jì)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(yīng)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(yīng)用提供經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和施工指導(dǎo)。

1 玄武巖纖維在路面維修中的應(yīng)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(yùn)營至今已有12年(接近路面設(shè)計(jì)使用年限)，路面未進(jìn)行過系統(tǒng)維修，以日常養(yǎng)護(hù)為主，僅在2011年對(duì)局部路段實(shí)施過預(yù)防性養(yǎng)護(hù)(出京方向K18+195～K21+030及進(jìn)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(yán)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(shè)計(jì)

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(bǔ)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(fù)合改性作用，強(qiáng)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(qiáng)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(yán)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(yīng)力，大大改善瀝青混合料的低溫抗開裂性[5-8]。路面設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

圖2 路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.3 配合比設(shè)計(jì)

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

圖3 SMA-13目標(biāo)配合比礦料級(jí)配曲線

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

由3個(gè)不同礦料級(jí)配的試驗(yàn)結(jié)果可知，級(jí)配S的粗集料骨架間隙率大于搗實(shí)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(huì)導(dǎo)致動(dòng)穩(wěn)定度值相對(duì)偏低。級(jí)配Z和級(jí)配X粗集料骨架間隙率小于搗實(shí)粗集料骨架間隙率，但相比之下，級(jí)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(dǎo)致動(dòng)穩(wěn)定度降低。級(jí)配Z各項(xiàng)指標(biāo)最滿足設(shè)計(jì)要求，采用真空實(shí)測(cè)法按照現(xiàn)行規(guī)范計(jì)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(jì)算的那樣大。

表1 馬歇爾試件體積指標(biāo)結(jié)果

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

表2 不同油石比馬歇爾試件體積指標(biāo)結(jié)果

由此確定最終SMA-13混合料的目標(biāo)礦料級(jí)配為級(jí)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(duì)瀝青混合料SMA-13的目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果見表3。

表3 SMA-13配合比檢驗(yàn)結(jié)果

由表3中的結(jié)果可見，以上設(shè)計(jì)的配合比符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)中的技術(shù)要求，可在工程中應(yīng)用。

1.4 玄武巖纖維SMA-13的工程實(shí)施

SMA主要用作高速公路和一級(jí)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(xiàng)目采用新濕法，即先將礦料與瀝青拌合一定時(shí)間(圖5(a))，然后加入玄武巖纖維再拌合一定時(shí)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(jìn)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(shí)踐和工程實(shí)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(yùn)輸。瀝青混合料的運(yùn)輸車必須加蓋保溫材料(如篷布等)，以最短的時(shí)間運(yùn)至攤鋪機(jī)前卸料，防止混合料變冷硬化(圖5(d))。攤鋪機(jī)前要保證至少2輛車等待卸料，不能發(fā)生攤鋪機(jī)等車的情況，確保施工作業(yè)連續(xù)以及平整度符合技術(shù)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(yīng)適當(dāng)提高夯錘振搗頻率，確保路面的最終平整度。攤鋪機(jī)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(tái)攤鋪機(jī)呈梯隊(duì)攤鋪單幅四車道路面，采用機(jī)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?zhàn)鳂I(yè)

根據(jù)確定的松鋪系數(shù)調(diào)整好攤鋪機(jī)的下料速度和前進(jìn)速度，為了保證燙平板的初壓效果，應(yīng)提前半個(gè)小時(shí)開始間歇預(yù)熱燙平板。相鄰2臺(tái)攤鋪機(jī)前后錯(cuò)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(jī)一邊攤鋪，運(yùn)輸車一邊給攤鋪機(jī)卸料，運(yùn)輸車卸完料后隨即離去，另一輛車?yán)^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(shí)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(jìn)行壓實(shí)。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(jī)型號(hào)、碾壓頻率與振幅。壓實(shí)要經(jīng)歷初壓、復(fù)壓和終壓3個(gè)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(fù)壓的目的是使玄武巖纖維瀝青混合料密實(shí)、穩(wěn)定、成型，該道工序決定了混合料的密實(shí)度；終壓的目的是消除壓路機(jī)輪跡，形成平整的壓實(shí)路面。初壓采用振動(dòng)壓路機(jī)(關(guān)閉振動(dòng)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(shí)要予以修補(bǔ)。如在碾壓時(shí)出現(xiàn)推移，說明混合料溫度過高，要等溫度降低后再壓。復(fù)壓時(shí)，首先采用膠輪壓路機(jī)壓2遍，然后采用振動(dòng)壓路機(jī)壓2遍。復(fù)壓結(jié)束后,要用3 m直尺檢查路面平整度，并做好相應(yīng)標(biāo)記。終壓前，壓路機(jī)根據(jù)標(biāo)記采取適合的處理方法：如橫向平整度有問題，則橫向強(qiáng)振2～3遍;如縱向平整度有問題，則沿縱向強(qiáng)振2～3遍。終壓時(shí)，膠輪壓路機(jī)進(jìn)行2遍碾壓，以消除壓路機(jī)輪跡。終壓溫度控制在80 ℃～90 ℃，壓實(shí)速度控制在2.5～3.5 km·h-1。

2 綜合效益分析與評(píng)價(jià)

根據(jù)本文依托工程的設(shè)計(jì)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(hù)費(fèi)用，為整條路面的維修及養(yǎng)護(hù)節(jié)省大筆資金，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。玄武巖纖維是一種礦物纖維，生產(chǎn)時(shí)只需要把玄武巖礦料熔融后進(jìn)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(qiáng)的惰性，不與氧氣、光、電、熱等發(fā)生反應(yīng)，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(hù)費(fèi)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(shè)計(jì)，驗(yàn)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(yīng)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(yán)格遵循施工原則，按時(shí)檢查混合料溫度，不得低于165 ℃。復(fù)壓結(jié)束后，要及時(shí)檢查路面平整度，不平整時(shí)要做相應(yīng)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(píng)價(jià)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(yīng)用前景，應(yīng)進(jìn)一步推進(jìn)玄武巖纖維改性瀝青的研究，為其推廣應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

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