玄武岩纤维在高速公路沥青路面中的应用

2012-11-24廖为东孙跃中宋战英汪仁青

浙江交通职业技术学院学报 2012年1期

廖为东,孙跃中,宋战英,汪仁青

(1.浙江省交通科学研究所,杭州 310036;2.湖州市公路管理处,浙江湖州 313000;3.浙江龙丽丽龙高速公路有限公司,杭州 310006)

0 引言

根据浙江省高速公路沥青路面调查与研究,山区高速公路长上坡路段沥青路面的车辙已经成为当前营运高速公路沥青路面的一种普遍性病害。结合近几年来我省高速公路沥青路面勘察设计经验,黄衢高速公路长上坡路段路面从原材料选择、沥青混合料配合比、路面结构组合等方面进行专项设计,以减轻高温、超载和长大纵坡等因素的影响,提高沥青混合料抗车辙能力和沥青路面使用寿命。

近几年来,纤维在沥青路面中被广泛应用,其中有聚酯纤维、木质素纤维、玄武岩矿物纤维等。为探讨玄武岩矿物纤维在长上坡路段增强沥青混合料路用性能方面的适用性,以黄衢高速公路长上坡路段工程为依托,通过马歇尔试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验和高温车辙试验等,重点研究玄武岩纤维的技术性质、玄武岩纤维增强沥青混合料的机理及其路用性能。

1 玄武岩纤维技术特点

玄武岩纤维是以玄武岩为原料,经特定的预处理,经过1450℃～1500℃的高温熔融后,提炼抽丝、并经特殊的表面处理而成的无机非金属的新型高技术纤维,是目前唯一无污染、无有害物质的绿色健康矿物质产品 (见图1)。

图1 玄武岩矿物纤维

玄武岩纤维代表性产品:进口的主要为BMF·(北美孚)玄武岩矿物纤维、美国Fiberand(福倍安)道路专用矿物纤维等,国内的主要为浙江石金玄武岩纤维有限公司生产的GBF·玄武岩矿物纤维。

玄武岩纤维可应用于AC、SMA和OGFC沥青混合料中。

1.1 优秀的力学性能

矿物纤维的强度及弹性模量很高,其拉伸强度不小于1 500～2 500MPa,其弹性模量不小于8 000 MPa,远远高于其他纤维,可大幅度提高沥青混合料的抗拉强度及韧性,从而大幅提高沥青路面的低温抗裂及疲劳耐久性,同时也有效提高沥青混合料高温抗车辙变形能力。

1.2 与沥青亲和力强、吸油效果好

玄武岩矿物纤维材质为玄武岩,其表面的碱性特质相当于在沥青中加入了抗剥落剂材料,与沥青的粘附性能好。且玄武岩矿物纤维其巨大的表面积形成浸润表面,与沥青充分接触、融合,使沥青呈单分子排布在纤维表面,使得结构沥青量大大提高,使集料的沥青膜厚度增加,同普通密集料沥青混合料相比,沥青膜厚度增加了65%～110%,有效地稳定了沥青,从而改善沥青路面的抗氧化和老化能力。

1.3 耐高温、抗老化性能好

玄武岩纤维是经1500℃左右高温冶炼而成,其熔点高、耐高温性好、抗氧化老化能力强,沥青混合料拌和过程中的高温作用不会对其产生任何影响。同时玄武岩矿物纤维的比表面积很大,形成的沥青膜厚度比一般纤维的要大,更厚的沥青膜增加了结构沥青的数量,减慢了沥青的老化速率,降低沥青的温度敏感性,进而改善混合料的高温和低温性能,提高混合料的抗老化能力。

1.4 防水浸蚀且不吸水

玄武岩矿物纤维增加了沥青和集料之间的粘聚力,阻止水分进入混合料和沥青与集料的界面,避免了沥青和集料的脱落。同时玄武岩矿物纤维的吸湿率小于0.1%,其本身的吸水率很小几乎不吸水,从而有效地避免纤维成为水分进入到沥青与集料界面的微通道。

1.5 再生利用

由于有机类纤维的耐高温性能太差及在沥青中的熔解而污染沥青,添加有机类纤维的沥青和混合料将无法再生利用,而玄武岩纤维与集料品种一样,能再生使用。

2 玄武岩纤维技术标准

到目前为止除中华人民共和国交通行业标准《沥青路面用木质素纤维》(JT/T 533-2004)、《沥青路面用聚合物纤维》(JT/T 534-2004)和《公路工程玄武岩纤维及其制品第1部分:玄武岩短切纤维》(JT/T 776.1-2010)外,还没有完整的玄武岩纤维技术规范。

BMF·北美孚玄武岩矿物纤维产品主要技术指标如下表1。

表1 北美孚玄武岩纤维技术标准

浙江石金玄武岩纤维有限公司生产的GBF玄武岩矿物纤维是以纯天然的玄武岩矿石为唯一原料通过高温熔融拉丝连续拉制而成,是无机非金属的新型高技术纤维,其主要技术指标如表2。

表2 浙江石金GBF·玄武岩纤维质量标准

3 玄武岩纤维沥青混合料性能研究

3.1 实施方案

以黄衢高速公路 (浙江段)为依托,采用室内试验、现场施工、路用性能跟踪观测,再加上理论分析等手段进行研究。研究目的是解决玄武岩纤维在沥青混合料中的最佳剂量、玄武岩纤维沥青混合料配合比设计方法和玄武岩纤维沥青混合料施工控制方法三个关键问题。

结合黄衢高速公路沥青路面上面层原设计采用4 cmAC-13C型SBS改性沥青细粒式沥青砼,研究技术路线主要为:选定国内外具有代表性的东阳石金、北美孚和福倍安3种玄武岩纤维,剂量分别在0%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%,通过试验分析玄武岩纤维物理力学特性,分析玄武岩纤维沥青胶浆路用性能和作用机理,进行体积特性、高温、低温、水稳、疲劳等性能比较研究,综合确定适合AC-13型最佳纤维剂量,并通过现场试验路的铺筑,考查玄武岩纤维沥青混合料现场施工特点,优化和完善玄武岩沥青混合料设计方法和现场施工控制工艺。

3.2 矿料级配及沥青用量的确定

试验采用的沥青混合料结构类型为AC-13C,集料规格10～15 mm、5～10 mm、3～5 mm和0～3 mm,比例分别为29%、26%、9%和36%,混合料级配组成设计见表3。

在沥青混合料中的分散程度、有效比表面积和效果等方面不同纤维不同掺量各不相同,根据实验方案,分别采用 0%,0.2%,0.3%,0.4%和0.5%(此剂量为纤维占纤维沥青混合料的质量百分比)成型试件,按马歇尔法确定不同纤维用量下的最佳沥青用量和最佳油石比,试验结果见表4。

表3 AC-13C型级配范围

表4 不同纤维掺量下最佳沥青用量和油石比

3.3 沥青混合料性能检验

(1)沥青混合料高温稳定性

从车辙试验结果可以看出,掺加纤维的沥青混合料高温稳定性能均比不掺加纤维的沥青混合料有较大的提高,纤维在沥青混合料中起到 “加筋”和“桥接”作用,对提高沥青混合料高温动稳定度,改善其抵抗车辙能力具有明显效果。沥青混合料的动稳定度随纤维剂量的增加而增加,但其增加到一定幅度后有降低的趋势。

针对浙江省高温、多雨、交通量大和长上坡路段荷载作用时间长的特点,对长上坡路段沥青混合料的选择和应用时,增加温度为65℃、荷载条件为0.8 MPa的补充验证试验,以保证沥青混合料具有实际意义的抗车辙能力。试验表明沥青混合料在高温和重载条件下其动稳定度指标迅速下降,掺纤维的沥青混合料其抗车辙能力提高幅度更为明显,说明纤维对沥青混合料高温性能有很大的改进作用,见图2。

(2)沥青混合料低温性能

由试验结果可以看出:最佳油石比下,加入纤维后,沥青混合料的低温抗裂性能都得到了改善;随着纤维剂量的增加,沥青混合料的抗弯拉应变也随之增大 (见图3);当纤维剂量增加到一定值时,沥青混合料的抗低温性能则随纤维剂量的增加而减小,其表明过量的纤维可能会使沥青混合料的低温抗裂性能降低。

图2 沥青混合料动稳定度(65℃、0.8MPa)

图3 沥青混合料低温性能

(3)纤维沥青混合料的水稳定性

图4 沥青混合料残留稳定度

图5 沥青混合料冻融劈裂强度比

从图4和图5可以看出:掺入纤维的沥青混合料与不掺纤维的沥青混合料相比,其水稳性均有所提高,即沥青混合料的抗水损害和抗冻性能明显改善,主要是因为掺入沥青混合料中的纤维纵横交错,吸附部分沥青,增加了结构沥青的比例,使混合料的沥青用量要提高0.1%～0.3%,减少了自由沥青,使得沥青膜的厚度变大,并处于比较稳定的状态,同时也使得沥青矿粉胶浆粘滞性增强,软化点提高,从而使沥青混合料稳定性提高。但是随着纤维剂量的增加,纤维的分散性受到限制,最佳沥青用量不再增加或者增加不大,反而使混合料的空隙率得到了增大;由于加入过多的纤维后,有可能使一部分纤维分散到结合料和集料的界面上,这样使得矿料和矿料之间不是由沥青来粘结,从而使矿料的粘结面积减小,进而导致纤维对沥青混合料的水稳定性改善作用减小。