利用面积法计算加纤维沥青混凝土沥青增量浅析

史建方

(河北省青银高速公路管理处)

1 概 述

为解决沥青路面的使用寿命不足和路面的早期损坏问题,近年来,在沥青混合料中加入纤维材料也逐渐成为重要的研究应用方向。以纤维的加筋和桥联作用来改善沥青混合料的韧性和破坏过程,提高抗车辙能力和抗低温裂缝能力,延缓疲劳寿命。本文就以近年来应用较为广泛的博尼维(BoniFibers)纤维为例对沥青用量的影响进行研究探讨。

2 纤维的物理指标

BoniFibers于1998年引进中国,是1970年由美国Du-Pont(杜邦)公司的化学工程师BoniMartinez研制开发的,在我国多省份高速公路、省道、国道项目进行了应用。其主要物理指标如下。

直径:0.02mm±0.0025mm;长度:6.35mm± 1.58mm;比重:1.36±0.04。

根据道路交通量的轻重,厂家推荐的掺加量分别为2.5、 5.0、7.5磅/t沥青混合料。

3 纤维对沥青用量的影响

沥青混合料加入纤维后,沥青用量会有所增加,但究竟应增加多少目前尚未见有人进行过深入研究,以AC-16 (I)级配为例,从表面积理论进行探讨。

3.1 比表面积的概念

比表面积指单位质量的物体的表面积大小。假定当矿料为立方体时,则边长 L的石料表面积为 6L2,体积为L3,质量M=ρL3,则比表面积为

6L2/(ρL3)=6/(ρL)

3.2 矿料的总表面积计算

(1)矿料的级配和密度

以AC-16(I)级配为例进行计算,级配和密度指标见表1。

试验实测粗集料(＞4.75mm)密度为2.697g/cm3,细集料(0.075～4.75mm)密度为2.698g/cm3,矿粉密度2.7202698g/cm3。

(2)矿料表面积计算

假定矿料为立方体,筛余为M(g),矿料平均尺寸(取筛孔中值)为L(cm),密度为ρ(g/cm3),则面积S=6M/(ρL)。

如果密度 ρ相同,矿料尺寸及筛余分多级,则上式可化S=(6/ρ)×(∑M/L)

因而对照表 1,单位质量(100g为例)矿料的粗集料(＞4.75mm)表面积

Sc=6/2.697×(2.5/1.75+15.0/1.46+14.5/1.135+ 15.5/0.7125)=108.85cm2

细集料(0.075～4.75mm)表面积

Sf=6/2.698×(11.5/0.3555+11.0/0.177+8.0/0.089+ 6.0/0.045+5.0/0.0225+5.0/0.01125)=2189.14cm2

由于矿粉中小于0.004mm的颗粒极少,取0.004mm做为计算的下限。

矿粉的平均尺寸为(0.075mm+0.004mm)/2=0.0395mm,因而矿粉表面积

Sa=6/2.720×(6.0/0.00395)=3350.71cm2矿料总表面积为粗、细集料和矿粉面积之和,即

S=108.85+2189.14+3350.71=5648.7cm2

通过计算可以看出,大于＞4.75mm的粗集料只占矿料总表面积的1.93%,细集料(4.75～0.075mm)占38.76%,矿粉占59.32%。由于矿粉的用量仅为 6.0%,而面积却占到矿料总表面积的近 60%,可见矿粉用量对沥青用量的影响之大,所以沥青混合料设计中强调要求适宜的粉油比(粉胶比)是很有必要的。

3.3 纤维表面积计算

纤维掺量按推荐的 2.5磅/t沥青混合料外掺,折合每吨沥青混合料外掺1.135kg,沥青用量按4.5%进行计算,每吨沥青混凝土矿料重量为 0.955t,则纤维与矿料的比例为1.135kg∶0.955t,折合0.119g/100g。根据前面所列纤维的基本技术参数计算

每根纤维的质量为

M=π×(D/2)2×L×ρ=3.142×(0.02mm/2)2× 6.35mm×1.36×10-3=2.71×10-6g

0.119 g纤维共有 0.119/2.71×10-6=4.39×104根

每根纤维的表面积

S=π×D×L=3.142×0.02mm×6.35mm×10-2= 3.99×10-3cm2

纤维的总表面

据前计算的单位质量的矿料面积,则纤维面积与矿料总面积之比为175.16/5648.7=3.1%。

3.4 沥青用量增量范围的确定

如果未掺加纤维的沥青混合料沥青用量为 4%～5%之间,掺加2.5P/T纤维后,表面积增加3.1%,按沥青平均分摊于这些表面积上,则纤维掺量为 2.5P/T的沥青混合料的沥青增加量为0.12%～0.16%,按7.5P/T的纤维掺量计算时,沥青增加量为0.36%～0.48%。

考虑到纤维与石料对沥青吸持能力的差异,以及理论计算的误差等因素,同时,由于普通沥青混合料在确定沥青用量时,对于寒区、热区及渠化交通的道路有一定范围的上下调整,所以加纤维沥青混凝土的沥青增加量的范围应在0～0.6%范围内确定。

4 结 语

石(家庄)—黄(骅)高速公路铺筑了4km的博尼维(BoniFibers)试验段,通过马歇尔试验确定的最佳沥青用量与通过表面积计算分析得出的沥青用量密切吻合,通车以来,局部出现任何泛油、松散等由于沥青用量问题引发的病害,明显优于普通沥青混凝土路面,表现出良好的抗高温车辙和抗低温开裂能力,表面服务功能良好,表明通过表面积计算预估确定加纤维沥青混凝土沥青用量的方法是合理、可行的。

[1] 刘中林.大粒径沥青混合料LSAM组成设计和路用性能研究[D].长安大学博士论文,2002.

[2] 沈金安.沥青及沥青混合料路用性能[M].人民交通出版社, 2001.