玄武岩纤维在京承高速路面维修工程中的应用

穆 岩，张寒梅，杨田田

(1.长安大学材料科学与工程学院，陕西 西安 710064； 2.内蒙古高等级公路建设开发有限责任公司，内蒙古 呼和浩特 010060； 3.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064)

0 引 言

玄武岩纤维作为一种新型环保的矿物纤维，已逐步应用于道路施工中，成为混凝土的增强材料。玄武岩纤维的力学性能优异，平均拉伸强度是有机类纤维的6～10倍，弹性模量是有机类纤维的3倍以上；在-269 ℃～650 ℃的温度范围内，玄武岩纤维不会发生明显的热老化等反应；玄武岩纤维的比表面积大，平均直径为5～10 μm[1]。谢晶[2]利用恒定高度的重复剪切和四点弯曲疲劳试验，研究了玄武岩纤维对沥青混合料疲劳性能和髙温性能的影响，结果表明矿物纤维可明显提高沥青的疲劳性能和高温抗车辙性能。高丹盈等[3]研究了玄武岩纤维和木质素纤维在最佳沥青用量下其混合料的飞散损失、析漏试验、水稳定性和抗车辙性能，结果表明玄武岩纤维的水稳定性随着纤维掺量的增加而提高，而木质素纤维对沥青有较好的稳定和增黏作用，优于玄武岩纤维。王宁[4]研究发现玄武岩纤维可以增加沥青材料的黏性并提供永久变形所消耗的能量，明显提高沥青材料的黏结性能并降低其温度敏感性。

以上研究对玄武岩纤维及其沥青混合料的性能进行了试验分析，但对玄武岩纤维在大型公路维修工程中的应用较少提及。本文通过设计京承高速公路路面维修方案，将玄武岩纤维和木质素纤维混合，应用在高速公路路面维修中，为玄武岩纤维在沥青路面中的推广应用提供经验数据和施工指导。

1 玄武岩纤维在路面维修中的应用

1.1 路面调研

京承高速公路是大广高速(大庆—广州)的重要组成路段，自建成投入运营至今已有12年(接近路面设计使用年限)，路面未进行过系统维修，以日常养护为主，仅在2011年对局部路段实施过预防性养护(出京方向K18+195～K21+030及进京方向K21+030～K18+955微表处)。

京承高速公路K14+000～K21+000段，路面横断面形式为双向六车道整体式路基，横断面宽度为35.0 m；路面结构中面层为5 cm沥青玛蹄脂碎石混合料SMA-16、6 cm中粒式沥青混凝土AC-25C、7 cm粗粒式沥青混凝土AC-30C，基层为54 cm石灰粉煤灰稳定碎石，总厚度为72 cm。

随着交通量的逐年增加，该高速公路沥青路面出现了较严重的退化病害，主要表现为局部浅层开裂(裂缝深度不大于1.5 cm)、表面磨损(磨损厚度不大于1.5 cm)、露骨和材料退化等，如图1所示。

1.2 路面维修方案设计

为解决该沥青混凝土路面的耐久性问题，本维修工程采用挖补再整体罩面的方式，首先铣刨沥青混凝土5 cm，然后再加铺5 cm AC-20C(改性沥青)和4 cmSMA-13玄武岩纤维沥青混凝土(掺入0.25%玄武岩纤维和0.15%木质素纤维)。其中上面层SMA-13改性沥青混合料中添加玄武岩纤维改性材料，产生复合改性作用，强化SMA-13上面层沥青混合料的韧性，使其在昼夜温差大的环境下具有抗裂、抗氯盐腐蚀和高弹韧等特性。玄武岩纤维作为一种优质的天然加强材料，可以提高沥青混合料的高温抗车辙能力，有效抵御沥青路面结构层在夏季高温和重载交通作用下的竖向变形与剪切变形；另外，在严寒气候下，纤维的加入提高了混合料的柔性，可分散荷载作用力和温度应力，大大改善沥青混合料的低温抗开裂性[5-8]。路面设计方案如图2所示。

图2 路面结构设计

1.3 配合比设计

本次京承高速公路一期路面维修工程目标配合比设计的原材料来自北京城建沥青混凝土有限公司，矿料级配范围按照《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)的规定选取。目标配合比矿料级配曲线如图3所示。

图3 SMA-13目标配合比矿料级配曲线

根据经验，初始油石比选定为6.0%，进行马歇尔试验，马歇尔试件双面各击实50次。试验结果如表1所示。

由3个不同矿料级配的试验结果可知，级配S的粗集料骨架间隙率大于捣实粗集料骨架间隙率，不能满足骨架嵌挤结构要求，如将玛蹄脂用量提高，会导致动稳定度值相对偏低。级配Z和级配X粗集料骨架间隙率小于捣实粗集料骨架间隙率，但相比之下，级配X空隙率过大，如果采用增加沥青用量来降低空隙率，则富余的沥青将导致动稳定度降低。级配Z各项指标最满足设计要求，采用真空实测法按照现行规范计算出的理论密度偏大，原因是玄武岩吸水率虽然偏大，但吸油率并不像公式计算的那样大。

表1 马歇尔试件体积指标结果

另外，分别采用油石比5.8%和6.2%，按照选定的级配Z再进行混合料马歇尔试验，结果见表2。

表2 不同油石比马歇尔试件体积指标结果

由此确定最终SMA-13混合料的目标矿料级配为级配Z，最佳油石比为6.0%，纤维用量为2.5%玄武岩纤维和1.5%的木质素纤维。根据规范要求对沥青混合料SMA-13的目标配合比设计进行验证，结果见表3。

表3 SMA-13配合比检验结果

由表3中的结果可见，以上设计的配合比符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)中的技术要求，可在工程中应用。

1.4 玄武岩纤维SMA-13的工程实施

SMA主要用作高速公路和一级公路的抗滑表层材料，其路面施工工艺与其他类型的沥青混合料路面基本相同。玄武岩纤维SMA-13的工程施工流程见图4。

图4 玄武岩纤维沥青路面施工工艺流程

(1)玄武岩纤维沥青混合料的拌合。纤维沥青混合料的拌合可分为干法和湿法2种，本项目采用新湿法，即先将矿料与沥青拌合一定时间(图5(a))，然后加入玄武岩纤维再拌合一定时间，最后加入矿粉，这样可以得到很好的拌合效果，如图5(b)所示。

(2)玄武岩纤维沥青混合料的温度控制。混合料出厂温度的控制如图5(c)所示。玄武岩纤维沥青混凝土施工宜在气温较高的条件下进行，掺加玄武岩纤维增加了沥青胶浆的黏滞性，因此玄武岩纤维沥青混凝土的施工温度要比普通沥青混凝土高5 ℃～10 ℃。依据施工实践和工程实体调查结果推荐的使用温度如表4所示。

图5 玄武岩纤维沥青混凝土施工

℃

(3)混合料的运输。沥青混合料的运输车必须加盖保温材料(如篷布等)，以最短的时间运至摊铺机前卸料，防止混合料变冷硬化(图5(d))。摊铺机前要保证至少2辆车等待卸料，不能发生摊铺机等车的情况，确保施工作业连续以及平整度符合技术规范要求。

(4)混合料的摊铺。摊铺前要确保黏层油的洒布合格。玄武岩纤维沥青混合料在高温状态下应适当提高夯锤振捣频率，确保路面的最终平整度。摊铺机采用高速公路常用类型即可，整体摊铺单幅双车道路面，采用2台摊铺机呈梯队摊铺单幅四车道路面，采用机械摊铺加宽段，如图6所示。

图6 玄武岩纤维沥青混合料的摊铺作业

根据确定的松铺系数调整好摊铺机的下料速度和前进速度，为了保证烫平板的初压效果，应提前半个小时开始间歇预热烫平板。相邻2台摊铺机前后错开10～30 m成梯形作业，摊铺宽度同样重叠10 cm。在摊铺过程中，摊铺机一边摊铺，运输车一边给摊铺机卸料，运输车卸完料后随即离去，另一辆车继续卸料，控制混合料摊铺温度不低于165 ℃。

(5)混合料的碾压。沥青混合料的压实是保证沥青面层质量的重要环节，SMA-13玄武岩纤维沥青混合料摊铺后要在比较高的温度下进行压实。从玄武岩纤维沥青混合料的特性出发，选择合适的压路机型号、碾压频率与振幅。压实要经历初压、复压和终压3个过程：初压的目的是整平和稳定玄武岩纤维沥青混合料，要特别注意平整度；复压的目的是使玄武岩纤维沥青混合料密实、稳定、成型，该道工序决定了混合料的密实度；终压的目的是消除压路机轮迹，形成平整的压实路面。初压采用振动压路机(关闭振动装置)，速度控制在1.5～2.0 km·h-1，温度控制在110 ℃～130 ℃。初压后，要检查平整度、路拱，路面不平整时要予以修补。如在碾压时出现推移，说明混合料温度过高，要等温度降低后再压。复压时，首先采用胶轮压路机压2遍，然后采用振动压路机压2遍。复压结束后,要用3 m直尺检查路面平整度，并做好相应标记。终压前，压路机根据标记采取适合的处理方法：如横向平整度有问题，则横向强振2～3遍;如纵向平整度有问题，则沿纵向强振2～3遍。终压时，胶轮压路机进行2遍碾压，以消除压路机轮迹。终压温度控制在80 ℃～90 ℃，压实速度控制在2.5～3.5 km·h-1。

2 综合效益分析与评价

根据本文依托工程的设计方案，采用玄武岩纤维沥青混合料初期增加投资约66 元·t-1，但使用寿命较不掺加纤维的路面增加30%～40%[10]，玄武岩纤维沥青混合料路面优异的路用性能也降低了路面日常养护费用，为整条路面的维修及养护节省大笔资金，具有良好的经济效益。玄武岩纤维是一种矿物纤维，生产时只需要把玄武岩矿料熔融后进行拉丝等处理，不产生工业废水、废气和废渣，且生产和施工过程中不危害操作人员的身体健康，具有良好的环保效益。

玄武岩纤维材料有很强的惰性，不与氧气、光、电、热等发生反应，无论是在混合料的拌合过程中，还是在路面摊铺碾压中，都能够保证再生混合料完全利用。

玄武岩纤维掺加到沥青混合料中还能够有效改善沥青路面品质，特别是抗裂性能和抗疲劳性能，道路使用品质的提高延长了沥青路面的使用寿命，减少了养护费用[9-14]。

3 结 语

(1)在京承路面维修工程中，混合料油石比为6%，玄武岩纤维掺量为2.5%，木质素纤维掺量为1.%，通过配合比设计，验证其各方面性能满足规范要求，可为今后玄武岩纤维沥青的应用提供参考。

(2)掺加玄武岩纤维的沥青混合料施工工艺和普通沥青混凝土基本相同。 玄武岩纤维沥青混合料要比普通沥青混合的施工温度高5 ℃～10 ℃。在摊铺、碾压工序中要严格遵循施工原则，按时检查混合料温度，不得低于165 ℃。复压结束后，要及时检查路面平整度，不平整时要做相应的处理。

(3)玄武岩纤维可以改善沥青材料的疲劳性能、高温抗车辙性能和耐老化性能。玄武岩纤维的掺量一般为2%～6%，可根据具体的基质沥青、气候环境、路面性能要求选择合适的掺量。通过综合效益评价分析，证明玄武岩纤维的可持续发展性，在道路材料中有较广阔的应用前景，应进一步推进玄武岩纤维改性沥青的研究，为其推广应用奠定坚实的理论基础。

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