玄武巖短切纖維在市政道路建設(shè)中的應(yīng)用

方良萍

(上海市政交通設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海市 200030)

玄武巖短切纖維在市政道路建設(shè)中的應(yīng)用

方良萍

(上海市政交通設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海市 200030)

簡要介紹了玄武巖短切纖維的性能及經(jīng)濟(jì)性分析，通過AC瀝青混合料和SMA改性瀝青瑪蹄酯瀝青碎石混合料摻加木質(zhì)纖維和玄武巖短切纖維的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證摻加玄武巖短切纖維比摻加木質(zhì)纖維對(duì)瀝青性能的改善，包括抗車轍能力、抗?jié)B性及水穩(wěn)定性。并通過經(jīng)濟(jì)性分析對(duì)比，論證玄武巖礦物短切纖維可以在更大范圍內(nèi)進(jìn)行推廣。

玄武巖短切纖維;抗車轍能力;水穩(wěn)定性;經(jīng)濟(jì)性

1 背景資料

玄武巖纖維是一種高科技無機(jī)纖維材料，被業(yè)界譽(yù)為“石頭變絲”的21 世紀(jì)新材料，它性能接近碳纖維，價(jià)格卻比碳纖維低幾倍甚至幾十倍。玄武巖纖維以天然火山噴出巖為原料，經(jīng)1500℃高溫熔融后快速拉制而成的連續(xù)纖維，其外觀為金褐色，具有卓越的耐高溫、超低溫、防水、低吸溫性等特性。玄武巖纖維及其復(fù)合材料可以較好地滿足國防建設(shè)、交通運(yùn)輸、建筑、石油化工、環(huán)保、電子、航空、航天等領(lǐng)域結(jié)構(gòu)材料的需求，對(duì)國防建設(shè)、重大工程和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)具有重要的推動(dòng)作用。無任何添加劑，是目前惟一無污染、不致癌的健康玻璃質(zhì)纖維產(chǎn)品，在講究綠色、環(huán)保、節(jié)約的今天，玄武巖纖維是一種理想的材料，具有廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展前景。

玄武巖短切纖維[1]是由相應(yīng)的玄武巖纖維基材為原料短切而成，與瀝青結(jié)合性好，能均勻分散在瀝青混凝土中的無機(jī)礦物纖維。在《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中明確提出“在瀝青混合料中摻加的纖維穩(wěn)定劑宜選用木質(zhì)素纖維、礦物纖維等”“礦物纖維宜采用玄武巖等礦石制造”[2]。

大同屬于煤都，重載交通較多，路面破損狀況非常嚴(yán)重。為改善大同路面質(zhì)量，通過在瀝青混合料中摻加不同百分比的纖維(試驗(yàn)只摻加玄武巖纖維或木質(zhì)纖維)，得出相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)后進(jìn)行結(jié)果比對(duì)，論證其對(duì)瀝青混合料的改善作用。

試驗(yàn)以AC-16和SMA-13為對(duì)象，在瀝青混合料中分別摻加一定比例的木質(zhì)纖維和玄武巖纖維，通過試驗(yàn)得出參數(shù)，并對(duì)混合料的性能指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行分析比較，最終得出玄武巖礦物纖維具有超高性價(jià)比的結(jié)論。

大同市區(qū)最近5 a新建或改建的幾條重載交通量大的主干路上面層采用的就是瑪蹄脂瀝青碎石混合料中摻加0.4%玄武巖礦物纖維，經(jīng)過幾年的運(yùn)行，目前路面狀況良好。

2 AC-16瀝青混合料

通過表1試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，普通瀝青和SBS改性瀝青中摻加0.3%玄武巖纖維，瀝青性能具有明顯提升，普通AC基質(zhì)瀝青摻入少量玄武巖纖維可以使抗車轍能力提高近一倍，化學(xué)穩(wěn)定性及水穩(wěn)定性也有所提高，與摻加同量抗車轍劑相比性價(jià)比優(yōu)勢(shì)明。

表1 AC-16中玄武巖纖維摻加前后性能對(duì)照表

3 SMA-13瀝青瑪蹄酯碎石混合料

瀝青瑪蹄脂碎石混合料[3](SMA)公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范是近年作為路面材料在國內(nèi)大中城市大量使用，由瀝青、纖維穩(wěn)定劑、礦粉及少量的細(xì)集料組成的瀝青馬蹄脂填充間斷級(jí)配的粗集料骨架間隙而成。纖維作為SMA的重要組成部分，不但具有吸附瀝青的作用，而且能起到加筋及穩(wěn)定作用，在一定程序上提高了混合料的高溫穩(wěn)定性。研究結(jié)果也表明，纖維對(duì)SMA混合料的性能尤其是抗車轍性能有重要的作用，纖維的種類和摻量對(duì)SMA性能的影響將在接下來的章節(jié)中進(jìn)行論述。

3.1 SMA-13中摻加0.3%木質(zhì)纖維

馬歇爾配合比試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 馬歇爾配合比試驗(yàn)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，確定最佳油石比為5.9%。

根據(jù)5.9%油石比制作混合料，進(jìn)行謝倫堡瀝青析漏試驗(yàn)、洛杉磯磨耗儀做的肯塔堡飛散試驗(yàn)、通過25℃下全自動(dòng)馬歇爾試驗(yàn)儀做的凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 析漏試驗(yàn)、肯塔堡飛散及凍融劈裂試驗(yàn)

根據(jù)5.9%油石比制作混合料，進(jìn)行TR332浸水輪跡試驗(yàn)儀，按照輪碾成型的方法，成型溫度控制在160℃～165℃，試驗(yàn)溫度控制在60℃，輪壓0.7 MPa，混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果詳見表4。

表4 車轍試驗(yàn)

根據(jù)5.9%油石比制作混合料，試件標(biāo)準(zhǔn)尺寸300 mm×300 mm×50 mm，根據(jù)HDSS-ZZ滲水儀和秒表計(jì)時(shí)的方法，試驗(yàn)結(jié)果詳見表5。

表5 滲水試驗(yàn)

3.2 SMA-13中摻加0.4%玄武巖礦物纖維

馬歇爾配合比試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 馬歇爾配合比試驗(yàn)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，確定最佳油石比為5.6%。

根據(jù)5.6%油石比制作混合料，進(jìn)行謝倫堡瀝青析漏試驗(yàn)、洛杉磯磨耗儀做的肯塔堡飛散試驗(yàn)、通過25℃下全自動(dòng)馬歇爾試驗(yàn)儀做的凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 析漏試驗(yàn)、肯塔堡飛散及凍融劈裂試驗(yàn)

根據(jù)5.6%油石比制作混合料，進(jìn)行TR332浸水輪跡試驗(yàn)儀，按照輪碾成型的方法，成型溫度控制在160℃～165℃，試驗(yàn)溫度控制在60℃，輪壓0.7 MPa，混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果詳見表8。

表8 車轍試驗(yàn)

根據(jù)5.6%油石比制作混合料，試件標(biāo)準(zhǔn)尺寸300mm×300mm×50mm，根據(jù)HDSS-ZZ滲水儀和秒表計(jì)時(shí)的方法，試驗(yàn)結(jié)果見表9。

表9 滲水試驗(yàn)

3.3 SMA-13中摻加玄武巖纖維、木質(zhì)纖維各0.2%

馬歇爾配合比試驗(yàn)結(jié)果見表10。

表10 馬歇爾配合比試驗(yàn)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，確定最佳油石比為5.8%。

根據(jù)5.8%油石比制作混合料，進(jìn)行謝倫堡瀝青析漏試驗(yàn)、洛杉磯磨耗儀做的肯塔堡飛散試驗(yàn)、通過25℃下全自動(dòng)馬歇爾試驗(yàn)儀做的凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果見表11。

表11 析漏試驗(yàn)、肯塔堡飛散及凍融劈裂試驗(yàn)

根據(jù)5.8%油石比制作混合料，進(jìn)行TR332浸水輪跡試驗(yàn)儀，按照輪碾成型的方法，成型溫度控制在160℃～165℃，試驗(yàn)溫度控制在60℃，輪壓0.7MPa，混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果見表12。

表12 車轍試驗(yàn)

根據(jù)5.8%油石比制作混合料，試件標(biāo)準(zhǔn)尺寸300 mm×300 mm×50 mm，根據(jù)HDSS-ZZ滲水儀和秒表計(jì)時(shí)的方法，試驗(yàn)結(jié)果詳見表13。

表13 滲水試驗(yàn)

4 玄武巖纖維增強(qiáng)路用性能機(jī)理

纖維作為一種高強(qiáng)、耐久、輕質(zhì)的增強(qiáng)材料，加入瀝青混合料后，處于高溫時(shí)，可對(duì)瀝青起到加筋和吸附作用，減少路面的剪切變形，提高了混合料高溫性能。

處于低溫時(shí)，纖維可以分散荷載作用力和溫度應(yīng)力，由于纖維對(duì)瀝青的粘附性，瀝青的用量會(huì)隨之增加，同時(shí)混合料的柔性也會(huì)得到提升，提高了混合料的低溫性能。

常溫下，纖維所具有的橋接作用可以使混合料的耐疲勞性能得到改善。

5 經(jīng)濟(jì)性分析

玄武巖礦物纖維目前的市場(chǎng)價(jià)格約20 000元/t，而國產(chǎn)木質(zhì)纖維約8 000元/t，粗看起來，貴了不少。SMA-13摻加礦物纖維和玄武巖纖維的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，玄武巖纖維比礦物纖維少用0.3%的改性瀝青，目前改性瀝青的市場(chǎng)價(jià)格大約7 000元左右。

以0.3%的木質(zhì)素纖維用量和0.4%的礦物纖維用量來計(jì)算，每噸礦物纖維瀝青混合料僅比木質(zhì)素纖維混合料高20 000×0.4%-8 000×0.3%-7 000×0.3%=35元，每平方米瀝青路面(4 cm厚，瀝青混凝土2.5 t/m3)僅高35×1×0.04×2.5=3.5元。

每平方3.5元的初始成本增加，以上述路用性能的提高帶來的運(yùn)營期間養(yǎng)護(hù)費(fèi)用降低，路面使用壽命的增加與交通通暢，加之其低碳環(huán)保的再生利用優(yōu)勢(shì)，其經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益是不言而喻的。

6 應(yīng)用實(shí)例

大同市從2010年開始，開源街、云中路、恒安街、同泉路、平城街、文瀛東三路等幾條主要城市主干道的瀝青上面層采用的都是SMA-13摻加0.4%玄武巖礦物纖維，經(jīng)過幾年的重載交通檢驗(yàn)，路面狀況依然保持良好，取得了非常顯著的效果，這說明玄武巖礦物纖維在大同取得了較大的成功，見圖1、圖2。

圖1 同泉路照片

圖2 云中路照片

7 結(jié)論

通過以上一系列的試驗(yàn)數(shù)據(jù)、經(jīng)濟(jì)分析，并結(jié)合工程案例，可以得出有關(guān)玄武巖礦物纖維的研究結(jié)論如下:

(1)性能優(yōu)越

由于礦物質(zhì)纖維可有效增大瀝青的粘度與模量，因此可以顯著提高瀝青混合料抗車轍變形。

表4、表8、表12抗車轍試驗(yàn)結(jié)果說明，摻加玄武巖礦物纖維SMA動(dòng)穩(wěn)定度比摻加木質(zhì)纖維SMA動(dòng)穩(wěn)定度大，并且隨著玄武巖礦物纖維用量增加而增大。

(2)不影響混合料配合比

在不改變?yōu)r青混合料粗、細(xì)集料的級(jí)配，僅需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)油石比進(jìn)行小幅度調(diào)整。

(3)水穩(wěn)定性好

玄武巖礦物纖維可有效吸附瀝青，施工中防析漏和防泛油效果顯著，同時(shí)增加了集料表面的結(jié)構(gòu)瀝青油膜厚度，防止了水對(duì)瀝青與礦料界面的作用，增加了混合料的水穩(wěn)定性，還有利于減緩瀝青老化，延長路面的壽命。

(4)施工工藝簡單

直接加入或采用送風(fēng)設(shè)備摻加到拌合缸中，只需適當(dāng)延長5～10 s的拌合時(shí)間和適當(dāng)提高10℃～15℃的施工溫度，拌合、攤鋪、碾壓按正常施工方法進(jìn)行即可。

(5)可再生

玄武巖短切纖維是純天然纖維，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，不會(huì)危害人體健康，其拌合而成的玄武巖短切礦物纖維瀝青混凝土可再生使用。

(6)不增加瀝青用量

玄武巖礦物纖維吸收瀝青能力較弱，在改善瀝青混合料性能的同時(shí)，反而減少了瀝青用量。

(7)降低壽命期養(yǎng)護(hù)成本

每平方米3.5元的成本增加，帶來以上諸多路用性能的提高，同時(shí)可以降低運(yùn)營期間養(yǎng)護(hù)費(fèi)用，增加路面使用壽命，加之其低碳環(huán)保的再生利用優(yōu)勢(shì)，其經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益不言而喻。

[1] JT/T776.1-2010，公路工程玄武巖纖維及其制品[S].

[2] JTG F40-2004，公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范[S].

[3] SHC F40-01-2002，公路瀝青瑪蹄脂碎石路面技術(shù)指南[S].

U414

B

1009-7716(2015)11-0195-04

2015-07-08

方良萍(1985-)，男，江西撫州人，工程師，從事道路設(shè)計(jì)工作。