路面維修養(yǎng)護工程中玄武巖纖維瀝青混凝土的應(yīng)用

林育山

（海南省公路管理局高速公路養(yǎng)護管理中心,海南 海口 570100）

0 引言

當(dāng)前，玄武巖纖維材料已經(jīng)逐步在道路施工領(lǐng)域、瀝青混合料路用性能增強方面得到應(yīng)用，但是其在高等級公路瀝青路面養(yǎng)護中的應(yīng)用仍受到一些因素限制。該文依托高速公路路面維修工程，對玄武巖纖維瀝青混合料設(shè)計及施工質(zhì)量控制展開研究，為該新型環(huán)保礦物纖維材料在高等級公路中的推廣應(yīng)用提供參考。

1 玄武巖纖維瀝青混合料

1.1 原材料及級配

玄武巖纖維瀝青混合料以玄武巖纖維、70#基質(zhì)瀝青、集料、礦粉等為主要原材料。玄武巖纖維以玄武巖礦石為原料，制成的混合料纖維強度及彈性模量均較高，充分分散后能與瀝青較好黏結(jié)，化學(xué)性能較為穩(wěn)定。玄武巖纖維為銀灰色，密度為2.465 g/cm3，直徑12 μm，短切處理后長18 mm，拉伸強度在1 500 MPa以上，斷裂伸長率為2%～8%，熔點為650 ℃，含水率0.5%，吸油率70%，具備較好的自分散性。通過對掃描電鏡所拍攝的微觀圖像的分析看出，玄武巖纖維外表光滑，截面為圓形，主要是因為在該纖維成型過程中，在將熔融玄武巖牽伸、冷卻呈固態(tài)纖維前，因受到表面張力收縮后形成表面積最小的圓形[1]。此外，玄武巖纖維端部存在“觸角”狀突起，便于搭接及加筋作用的發(fā)揮，以促使路面荷載及時分散至瀝青砂漿和礦質(zhì)骨料中，提升瀝青混合料高溫穩(wěn)定性及水穩(wěn)性。

間斷級配瀝青混合料SMC具有較好的抗高溫和低溫穩(wěn)定性以及良好的水穩(wěn)性，表面抗滑性、平整度均較好，在該混合料中摻加玄武巖纖維后路用性能將更加優(yōu)異。以《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2019）規(guī)定的級配范圍中值為目標(biāo)級配，則摻玄武巖纖維的SMA-13合成礦料級配見圖1。

圖1 SMA-13目標(biāo)配合比礦料級配曲線

1.2 最佳瀝青用量

通過馬歇爾試驗法進(jìn)行不摻加纖維以及纖維摻量依次為0.2%、0.3%、0.4%時瀝青混合料最佳瀝青用量的確定。根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20—2011）展開試驗。為保證玄武巖纖維均勻分散，先將纖維和礦料干拌30 s，再加入基質(zhì)瀝青后正常拌和120 s。試驗結(jié)果顯示，不摻加纖維以及依次按照0.2%、0.3%、0.4%的比例摻加纖維的瀝青混合料最佳瀝青用量分別為4.4%、4.7%、4.8%和4.9%。其余結(jié)果見表1。根據(jù)表1中結(jié)果得出，玄武巖纖維摻量不同的混合料在不同油石比下馬歇爾指標(biāo)均較好；隨著纖維摻量的增加，最佳油石比隨之增大，混合料穩(wěn)定度明顯提升。以上均表明，由于玄武巖纖維強度高、分散性好，瀝青膠漿強度及瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度均顯著提升。

表1 馬歇爾試驗結(jié)果

1.3 最佳纖維摻量

該文將高溫穩(wěn)定性作為玄武巖纖維瀝青混合料的控制性指標(biāo)，通過車轍試驗對動穩(wěn)定度指標(biāo)進(jìn)行比較后確定最佳纖維摻量。試驗結(jié)果見表2。根據(jù)試驗結(jié)果，按照0.2%的比例摻加玄武巖纖維后，瀝青混合料動穩(wěn)定度比不摻加纖維時提升了17.3%，此后隨著纖維摻量的增大，動穩(wěn)定度提升幅度快速降低，故應(yīng)將玄武巖纖維摻量控制在0.2%。

表2 車轍試驗結(jié)果

此外，根據(jù)單軸抗壓試驗結(jié)果，摻加玄武巖纖維后瀝青混凝土抗壓強度和應(yīng)變均有所提升，但纖維摻量并非越多越好，隨著纖維體積率的增大，混凝土試件抗壓強度先增后降，且當(dāng)纖維摻量取0.1%時，混凝土試件抗壓強度達(dá)到最大；隨著纖維體積率的增大，試件應(yīng)變也表現(xiàn)為同樣的變動趨勢，并在纖維摻量0.2%時達(dá)到最大。見圖2。

圖2 抗壓試驗結(jié)果

綜合以上分析，應(yīng)將玄武巖纖維摻量控制在0.2%，以便在控制施工成本的基礎(chǔ)上，取得最佳的瀝青混合料路用性能改善效果。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

某高速公路K41+000～K50+410段自2010年初建成運行以來，至今已逾12年，路面并未實施過任何系統(tǒng)性維修，僅限于日常養(yǎng)護以及2014年對局部路段實施的微表處預(yù)防性養(yǎng)護。該公路路面橫斷面寬35 m，采用雙向六車道整體式路基；中面層自上而下為5 cm厚SMA-16、6 cm 厚 AC-25C、7 cm 厚 AC-30C，以下為 54 cm 厚二灰土穩(wěn)定碎石基層。

該高速公路段在長期持續(xù)運行過程中，部分路段瀝青路面先后出現(xiàn)裂縫、表面磨損、骨料外露及材料嚴(yán)重退化等病害跡象。公路管理部門在全面調(diào)查公路段路用性能衰減程度及病害嚴(yán)重程度的基礎(chǔ)上，對病害路段實施先挖補、再整體罩面的養(yǎng)護維修處治方案[2]。具體而言，先將5 cm厚的瀝青路面銑刨，再加鋪5 cm厚的AC-20C（改性瀝青）和4 cm厚的SMA-13玄武巖纖維瀝青混凝土上面層。玄武巖纖維的添加使上面層瀝青混合料韌性得到強化，高溫環(huán)境下的抗裂、抗氯鹽腐蝕性、抗車轍性能提升。病害路面養(yǎng)護處治方案設(shè)計見圖3。

圖3 病害路面養(yǎng)護處治結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.2 施工要點

SMA-13玄武巖纖維瀝青混凝土抗滑表層施工工藝與其余類型瀝青混合料路面基本一致，具體包括以下環(huán)節(jié)：

2.2.1 混合料拌和及溫度控制

玄武巖纖維瀝青混合料拌和工藝有干拌和濕拌兩種，該公路工程采用濕拌工藝，即先將瀝青和礦料持續(xù)拌和30 s，再摻入玄武巖纖維繼續(xù)拌和90 s，最后加入礦粉，拌和30 s，以達(dá)到較好的拌和效果。玄武巖纖維瀝青混合料施工必須在溫度較高環(huán)境下進(jìn)行，纖維的摻加使瀝青膠漿黏滯性增大，故其施工溫度必須比普通瀝青混合料施工高出8～12 ℃。結(jié)合筆者對該公路段施工環(huán)境以及相同地區(qū)類似公路施工實踐的調(diào)查，推薦的施工溫度控制標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 施工溫度控制 /℃

玄武巖纖維瀝青混合料出廠并裝入運料車后必須用篷布覆蓋保溫，并以最短時間運抵?jǐn)備伿┕がF(xiàn)場。為防止攤鋪機停機等料，保證攤鋪施工連續(xù)進(jìn)行，攤鋪機前待卸料的運料車至少2輛。

2.2.2 混合料攤鋪

在攤鋪前必須按照設(shè)計要求及相關(guān)規(guī)范灑布黏層油。在施工環(huán)境溫度較高的情況下應(yīng)提升夯錘振搗頻率，提升玄武巖纖維瀝青混合料路面的平整度。采用2臺常用類型攤鋪機以梯隊形式單幅四車道整體攤鋪。按照確定好的松鋪系數(shù)調(diào)整攤鋪機前進(jìn)及下料速度，為提升熨平板初壓效果，避免出現(xiàn)因熨平板溫度過低而黏料，必須在正式施工30 min前預(yù)熱熨平板。前后2臺攤鋪機錯開15～30 m的距離梯隊前進(jìn)，攤鋪寬度應(yīng)重疊10 cm，混合料攤鋪溫度應(yīng)至少達(dá)到165℃及以上。

2.2.3 混合料碾壓

該病害路面SMA-13玄武巖纖維瀝青混凝土碾壓施工必須緊跟攤鋪進(jìn)行。從瀝青混合料性能出發(fā)，通過攤鋪碾壓試驗確定出壓路機型號、數(shù)量、碾壓遍數(shù)、施工速度等參數(shù)。碾壓施工仍分為初壓、復(fù)壓和終壓三個階段進(jìn)行，初壓的目的在于瀝青混合料的平整和穩(wěn)定；復(fù)壓的目的在于瀝青混合料的密實穩(wěn)定及成型；終壓則主要為了消除輪痕，提升壓實路面的平整度。該公路玄武巖纖維瀝青混合料碾壓施工參數(shù)取值要求見表4。

表4 碾壓施工參數(shù)取值要求

3 路用性能檢測

3.1 高溫穩(wěn)定性

在該病害路段完工后進(jìn)行了玄武巖纖維瀝青混合料路用性能的檢測，以評價施工質(zhì)量及應(yīng)用效果。車轍是該公路所在地區(qū)瀝青路面最常見的病害形式，也是最具危害的形式之一，故通過車轍試驗對玄武巖纖維瀝青混合料高溫穩(wěn)定性進(jìn)行檢測，并以60 min車轍深度和動穩(wěn)定度評價混合料高溫穩(wěn)定性。根據(jù)試驗結(jié)果，摻加0.2%玄武巖纖維后的瀝青混合料車轍深度為2.228 cm，比不摻加玄武巖纖維的車轍深度低1.197 cm。再結(jié)合該文1.3節(jié)對玄武巖纖維瀝青混合料動穩(wěn)定度的檢測結(jié)果可以看出，不摻加玄武巖纖維時車轍較深，并伴隨嚴(yán)重的隆起，而摻加玄武巖纖維后車轍深度明顯減小。

結(jié)合纖維阻裂理論，摻加纖維后會阻礙和約束礦料間的相對滑移，并使礦料相對穩(wěn)定性增強；同時，纖維材料的縱橫交錯還會使界面層瀝青比例增大，自由瀝青數(shù)量減少；瀝青將較輕的油分吸附后使瀝青材料軟化點提升，黏聚力及黏稠度相應(yīng)增大[3]。瀝青混合料豎向變形及剪切變形均得到明顯抑制，高溫穩(wěn)定性提升。

3.2 水穩(wěn)性

通過浸水馬歇爾試驗進(jìn)行玄武巖纖維瀝青混合料水穩(wěn)性檢測和評價。對不摻加玄武巖纖維和按0.2%比例摻加玄武巖纖維的兩種混合料，分別制備4個馬歇爾試驗，并分成兩組。將其中1組試件置于60 ℃恒溫水體內(nèi)持續(xù)浸泡45 min，并展開穩(wěn)定度檢測；另一組試件則置于60 ℃恒溫水體內(nèi)持續(xù)浸泡48 h，展開試驗，最終得到兩組殘留穩(wěn)定度試驗數(shù)據(jù)，具體見表5。根據(jù)結(jié)果，無論玄武巖纖維摻加與否，SMA-13瀝青混合料殘留動穩(wěn)定度均滿足規(guī)范中不小于80%的規(guī)定；但摻加0.2%玄武巖纖維后SMA-13馬歇爾穩(wěn)定度和浸水穩(wěn)定度顯著提升，提升幅度分別達(dá)到14.8%和36.7%。

表5 浸水馬歇爾試驗結(jié)果

所摻加的玄武巖纖維隨機分散于集料間的纖維膠漿網(wǎng)絡(luò)中，并將集料黏結(jié)成穩(wěn)固整體，使瀝青和礦料的黏附性以及瀝青膠漿對集料的握裹力增強[4]。與此同時，纖維摻加后還提升了最佳瀝青用量，礦料外部油膜厚度增大，有效阻隔了水侵入瀝青和集料界面的進(jìn)程，玄武巖纖維瀝青混合料水穩(wěn)性大大提升。

4 結(jié)論

該病害瀝青路面維修過程中，SMA-13瀝青混合料中玄武巖纖維摻量為0.2%，油石比為4.7%，通過配合比設(shè)計，對各方面路用性能展開試驗和驗證。玄武巖纖維瀝青混合料施工工藝與普通瀝青混凝土基本一致，但是所要求的施工溫度應(yīng)高出8～12 ℃；攤鋪及碾壓施工過程中在嚴(yán)格遵守規(guī)范及設(shè)計要求，并分階段加強混合料溫度檢測和控制后，施工質(zhì)量和路用性能得以保證。工后檢測結(jié)果還表明，玄武巖纖維瀝青混合料使用壽命可比不摻加纖維的SMA-13路面延長30%～40%，且優(yōu)異的路用性能還使日常養(yǎng)護費用大大降低；整個施工過程中無廢氣、廢渣等產(chǎn)生，經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益均較好。