矿物纤维在沥青混凝土路面处理中的应用

2013-11-06高广炎

山西建筑 2013年3期

高广炎

(山西协力公路工程监理有限公司，山西晋中 030600)

随着我国经济的快速发展，重载交通需求日益增加，特别是超重载重车辆的增加，很多沥青路面不堪重负出现龟裂等毁损现象。沥青混凝土路面行车具有舒适性及安全性能良好，后期维护成本低，噪声小等优势，是我国公路路面建设最主要的结构形式。沥青混凝土路面在重型载重车辆的反复碾压作用下，如何有效的解决路面毁损，提高沥青混凝土的抗疲劳性，耐氧化等性能，是需要我国公路建设者解决的一个问题。

20世纪90年代，在美国乔治亚州，首次在沥青混凝土中加入矿物纤维，取得了良好的路面使用性能。矿物纤维混凝土于2005年进入我国，首次应用于粤赣高速的建设，很好的提高了路面的车载能力和改善高低温性能，并逐步应用于其他高速高能公路建设，如山东滨大高速公路，河北张石高速等。实践表明，矿物纤维混凝土可大大地加强沥青混合料抗压强度，有助于提高沥青混合料的弹性恢复，延长路面使用寿命。使用矿物纤维混凝土可很好地解决重载交通下的路面毁损问题。

1 矿物纤维混凝土的性能特征

矿质纤维主要是以特选的矿石(主要是玄武岩)为原料，经过特定的预处理后，在1 600℃高温熔融提炼抽丝，并经过特殊表面处理制成。纤维外表平滑完整，使用安全性能高，不易对人体造成伤害(见图1，图2)。与其他纤维素相比，具有良好的工程应用性能，主要有:

1)具有极大的比表面积:纤维极细，平均直径5μm，平均长度6 mm，呈三维状分布，具有极强的吸附、稳定和加筋作用，也有利于增大沥青膜厚度。2)表面浸润性好:在沥青中的分散性好，作为沥青的载体增大沥青用量，与沥青很好的粘合，防止沥青流失，有利于延长路面使用寿命30%～50%。3)力学性能优异:矿物纤维的抗拉强度(2 500 MPa～3 500 MPa)大约是钢纤维(800MPa～1 000 MPa)的3倍，是有机类纤维(300 MPa～600 MPa)的6倍～10倍，弹性模量是有机类纤维的3倍以上，可有效增强、增韧沥青混合料，有助于提高沥青混合料的弹性恢复。可以大大改善沥青路面疲劳耐久性，有效提高抗拉、抗剪、抗压及抗冲击强度。4)工作温度范围大:熔点1 600℃，纤维性能不受沥青混合料高温拌合影响，适应路面的各种高低温工作环境，有利于提高路面的高温抗车辙变形能力和低温抗裂能力。5)化学稳定性好:拌合时不与沥青产生任何化学反应，适应沥青路面的各种酸碱工作环境，保证施工质量的稳定。6)抗老化性能好:不老化、不变质退化，可实现混合料100%的再生利用，有利于环境保护，实现社会效益和经济效益的统一。7)水稳定性好:不吸水、不怕潮，有助于抵制沥青氧化老化，有利于提高路面的抗水损害能力。8)其他性能:绝热性好，有助于沥青油膜的高温稳定性;电绝缘性好，可防止沥青膜的电化学腐蚀。

图1 矿物纤维（棉絮状）

图2 矿物纤维（颗粒状）

矿物纤维混凝土是一种有代表性的高性能混凝土，具有优良的抗裂，抗冲击性，抗冻及抗渗性能，有利于混凝土耐久性的提高和延长混凝土工程的使用寿命，对于解决重载作用下的路面毁损具有重要意义。

2 矿物纤维混凝土在国内外的应用现状

美国是矿物纤维混凝土应用最早的国家。1991年，美国乔治亚州率先采用矿物纤维修建州际I-85 SMA沥青路面。由于矿物纤维的优异性能，美国第一条SMA沥青路面取得了巨大成功。乔治亚州曾于1994年规定，州界内的所有州际公路及高速公路采用SMA面层并搭配OGFC摩擦层，且一律使用矿物纤维。乔治亚州已连续8年被美国联邦公路总署(FHWA)评为建有全美最佳州际公路的州，在21 133英里的州际公路中只有42英里即0．2%的路况不好。据统计，在美国，40多个州已广泛采用矿物纤维修建高速公路与市政道路;99%的OGFC及55%以上的SMA路面均采用了矿物纤维。

矿物纤维混凝土于2005年进入我国，在粤赣高速的建设中得到了首次应用。由于其出色的工程性能，在国内得到了快速应用，随后应用于山东滨大高速公路、河北张石高速、京珠高速湖北段修补等工程中，近期在沪蓉西高速、山东省道仲临路临朐段建设中得到了普遍应用。

实践表明，矿物纤维混凝土可大大改善沥青路面的粘结性、高温稳定性、疲劳耐久性、高温抗车辙变形能力，并且具有低温防裂和防止反射裂缝的性能，有效提高抗拉、抗剪、抗压及抗冲击强度。虽然前期投入大，但间接地降低了公路的养护成本，提高了公路的使用寿命，从长远来看，是有利的。将矿物纤维应用于沥青混凝土路面中，是解决沥青路面早期破坏及提高路面寿命的一种方法，是解决重载作用下路面毁损的一种可行手段。

3 矿物纤维在路面处理中的应用

矿物纤维改善沥青混凝土力学性能的机理:在沥青混凝土中加入矿物纤维后，混合料的最佳沥青用量提高，在相同的沥青用量纤维混合料的密度减小，空隙率和矿料间隙率增大，饱和度与稳定度有一定程度的降低，流值增加;高温时变形小，动稳定度增大，从而大大显著提高路面的抗车辙能力，改善路面的使用质量。

将矿物纤维应用于混凝土路面的处理，关键在于矿物纤维能否均匀的分布于沥青混凝土混合料中。

1)矿物纤维添加量:通常，视沥青混合料结构及性能要求而定。对于SMA(沥青玛脂碎石，英文:Stone Mastic Asphalt，简称SMA)沥青混合料，添加量不小于0．4%～0．5%;对于 OGFC(开级配抗滑磨耗层，英文:Open Graded Friction Course，简称OGFC)沥青混合料，添加量不小于0．5%;对于AC(沥青混凝土，英文:Asphalt Concrete，简称AC)沥青混合料，添加量不小于0．4%。

2)推荐混拌工具:矿物纤维具有良好的分散性，适合用各类混料机混拌。推荐混拌工具:梨耙式混料机:6 min～10 min;立轴式高速混料机(配有高速铰刀):4 min～6 min。

3)拌合:在大规模施工中，使用自动投入纤维的设备保证投入的量及均匀程度。纤维首先被机械自动打散，再利用风力将打散的矿物纤维送入拌合机的拌合锅中，纤维的加入时间与集料投入同步进行，在拌合锅中使其与集料一起干拌合，然后喷入沥青进行湿拌合。对于修补作业等小规模施工，一般采用手工拌合方式。由工人直接将纤维投入拌合锅(或者集料提升斗)中。每拌合一锅(或者提升斗)，投入相应数量的纤维。纤维的投入时间与粗集料放料同时进行。

4)铺摊:矿物纤维混合料铺摊要求温度相对于普通沥青要高。因此，在进行铺摊作业时，混合料铺摊及碾压温度要比普通沥青提高5℃～10℃左右。其他的施工工艺及流程和普通沥青混凝土相同。

5)在施工中应注意的其他问题。首先，施工人员必须做好防护工作。矿物纤维易进入人体呼吸系统，导致局部炎症，诱导肺部的病变，引起身体不适。再者，做好矿物纤维的鉴定工作。目前，路用矿物纤维市场上存在种类繁多、真假难辩的情况，分别使用目识法、嗅闻法、手感法、化学反应法、力学标定法、体积特征法、化学组分法、微观观察法等鉴别方法。在扫描电镜下，根据矿物纤维外形和成分方面微细和明显的差别，可以区分不同种类的纤维。矿物纤维外表愈粗糙，其路用性能愈好，在沥青混合料中的加筋作用愈明显。