玄武岩纤维复合材料

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浅谈玄武岩纤维在高速公路沥青路面养护中的应用

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浅谈玄武岩纤维在高速公路沥青路面养护中的应用

发布日期:2010-06-02 作者: 点击:

丁优松

(浙江顺畅高等级公路养护有限公司,杭州,310051)

摘要:在高温及重荷载的共同作用下,车辙已成为浙江高速公路的典型病害之一,而玄武岩纤维是一种纯天然、抗车辙能力和抗老化性强的新型环保材料,通过加玄武岩纤维沥青混合料首次在杭金衢高速公路上罩面养护应用,提高了试验段沥青路面的抗车辙能力的实例,为今后高速公路车辙路面养护提供了一种新的工艺和方法。

关键词:车辙  玄武岩纤维  罩面  养护 

前言

杭金衢高速公路金华段99.242公里,是国家规划中的国道主干线“五纵七横”之一横——上海至云南瑞丽高速公路浙江省段的重要组成部分,为双向四车道路面,于2002年底正式开通运营,至2009年,此路段的日平均流量高达20360车次,在整个交通量中,小车约占60%,大型车辆(含货车)约占20%,超载车辆约占20%,重载交通极其明显。还有,浙江金华地区属夏炎热冬温湿润区,近年来,该地区夏季高温持续时间长,气温高达38℃以上的罕见天气增加,路表温度常处于55~65℃之间,沥青砼路面在高温下,弹性降低,粘性、塑性增强,并且沥青混合料是典型的简单热流变材料,其力学特性对温度和加荷方式与荷载大小具有高度的敏感性。故此路段的沥青路面结构层在高温条件下承受着各种车辆荷载的直接作用,特别是在行车车速慢、流量大、重荷载多的路段,沥青路面处于复杂应力应变状态,在水平力、竖向力共同反复作用下,沥青路面在高温状态下就很容易产生流动变形,产生永久变形和塑性流动,从而引起了面层结构层凹凸变形,尤其是在渠化交通和大超负荷的轴载频繁作用下,其对沥青混凝土路面的永久变形起到推波助澜的作用,加快了沥青混凝土路面车辙的形成。因此,在上述因素的共同作用下,车辙已成为杭金衢高速公路的典型病害之一,目前,杭金衢高速公路车辙路段多处于前期阶段,沥青混合料尚未产生结构性破坏,车辙多属结构型车辙和失稳型车辙。在杭金衢高速公路金华段,车辙基本发生在主车道纵向轮迹带上,尤其是上坡、互通区及收费亭进出口处等车速较慢部位。

沥青路面车辙病害是我国高速公路沥青路面的主要病害之一,也是养护行业中难以有效解决的一大难题。车辙的出现不仅降低了路面的平整度,而且危及到行车的稳定性,当车辙达到一定深度时,由于车辙槽内积水,极易造成汽车漂滑而导致交通事故发生。车辙病害的引发,加剧了路面的早期破坏,车辙不仅导致行车舒适性、安全性下降对行车安全构成极大的威胁,甚至造成重大经济损失和广泛的不良社会影响。目前,已成为杭金衢高速公路金华段路面主要病害之一的车辙病害,在多年的车辙病害处理探索中一直得不到有效解决的方法。经分析,此路段出现的车辙主要与行车荷载、环境、路面材料等有很密切的关系。在我省,汽车轴重限制一直达不到有效的控制,2000年交通部虽然颁布了轴载限制办法,但实施过程中尚存在诸多困难,当务之急只能从沥青混凝土路面的设计上入手,而改善路面在重载交通条件下高温抗变形性能,减小路面的永久变形显得尤为重要。因此,在采用水泥稳定碎石作为半刚性基层的杭金衢高速公路金华段,提高沥青混合料的高温抗车辙能力是重载交通沥青混凝土路面防治车辙最有效的途径。为探寻科学有效的提高路面抗车辙能力的方法,确保高速公路安全畅通,并力求处治车辙病害简易方便、施工工期短、养护费用低,杭金衢高速公路K143+512~K144+141衢向段于09年7月16日采用了加玄武岩纤维AC-13改性沥青混凝土进行罩面养护试验。

试验段概况

实地路况调查,杭金衢高速公路K143+512~K144+141衢向段位于金丽温枢纽衢向进口处,并且此试验段为上坡路段,纵坡达3%。其中此路段中的衢向K143+512~K143+930段曾于07年9月进行了车辙病害处理,当时车辙处理前,路面病害主要表现为单一的车辙病害,基本无坑槽、裂缝等病害,其车辙平均深度达2.3cm,最深处达4.5cm,根据对取芯芯样分析,各结构层稳定、密实,变形明显,且层间粘结良好,但各沥青砼结构层厚度发生了明显的、不同程度的形变。在杭金衢高速公路建设期,上面层沥青混合料的配合比设计不合理,沥青含量偏高(超过4.8%),减小了矿料之间的内摩阻力;还有从车辙处取的芯样看,石屑及矿粉用量过多,矿料级配未能形成良好的嵌锁结构。而07年在此路段采用的处理方案为铣刨上面层AK-13A一层,铣刨宽度为3.5m、厚度为4.5cm,回填料采用AC-13C改性沥青砼。但衢向K143+512~K143+930路段通车至09年5月,此路段出现了二次车辙病害的现象,车辙普遍在1.4~1.7cm间,局部点高达2.0cm以上。

3 玄武岩纤维的技术特性和路用性能

玄武岩纤维是我国有自主知识产权的、创新开发的一种新型路用矿物纤维,属于非金属的无机纤维,它是以纯天然玄武岩矿石为唯一原料,在1450~1500℃熔融连续拉制而成。玄武岩纤维与碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)等高技术纤维相比,除了具有高技术纤维高强度、高模量的特点外,玄武岩纤维还具有耐高温性佳、抗氧化、抗辐射、绝热隔音、过滤性好、抗压缩强度和剪切强度高、适应于各种环境下使用等优异性能,且性价比好,是一种纯天然、环保的无机非金属材料,也是一种可以满足国民经济基础产业发展需求的新的基础材料和高技术纤维。将其掺入于水泥混凝土和沥青混合料中均具有较强的阻裂抗裂、增强增韧作用,在沥青路面中,短切玄武岩纤维既有良好的吸附和吸收沥青的作用、分散作用、增粘作用、稳定作用及对路面起到明显的加筋和桥接作用,极大地提高了路面的柔韧性,从而很好地提高的沥青路面的高温抗车辙能力,有提高低温抗裂性、抗疲劳性能以及抗水害性能等路用性能。

加入沥青混凝土的玄武岩纤维根据纤维表面是否膨化处理,分为两大类:一类是膨化短切纤维,该纤维的外观标志为表面明显有“毛绒”状,由于纤维的比表面大,有较强的吸附沥青的能力;另一类是常规的短切纤维,是由玄武岩纤维无捻粗纱直接短切而成,表面未膨化处理,该纤维表面比较光洁,手感没有明显的“毛绒”状。玄武岩纤维适用于各种等级的沥青路面,特别适用于高温地区、重交通路段及长大纵坡路段。加玄武岩纤维沥青混凝土与加聚酯纤维、木质素纤维沥青混凝土相比,具有如下明显的特点: 

3.1由于纤维的耐高温、耐低温性(使用范围为-269~650℃),与沥青高温拌合时,材料性能不会热退化,更不会与沥青发生化学或溶解反应,可有效改变沥青低温硬化、高温软化的状况;

3.2防水浸蚀性能优异、不吸水,吸湿率<0.1%

3.3弹性模量和拉伸强度高,其弹性模量达85~110GPa、拉伸强度达2800~3800MPa

3.4吸音系数高,其吸音系数在0.9~0.99间

3.5耐磨损且耐化学腐蚀;

3.6纤维与沥青混凝土有很好的表面亲和力;

3.7具有优良的抗老化性能

3.8纯天然环保,掺入纤维沥青混合料或水泥混合料后可重复再生。

3.9短切玄武岩纤维矿物的化学成分是纯天然的,具有极好的力学性能和化学稳定性能,经表面膨化处理的短切玄武岩纤维既具有木质素纤维较高的吸油率,又具有木质素纤维和其它矿物纤维所具备的“加筋”增强作用和增韧作用,使用于沥青混合料中具有更强的抗车辙能力。

3.10纤维吸附能力大小与纤维表面的粗糙程度、比表面积的大小、纤维的组成结构等因素有关。纤维的增强或增韧效果主要取决于纤维的长纤比、强度与韧性、密度以及纤维在材料中分散的取向性和其它物理力学特性。一般,纤维长度与截面尺寸比例越大,纤维的增强效果越为明显。玄武岩主要技术性能与聚酯纤维和木质素纤维比较如下表:

项目

玄武岩纤维

聚酯纤维

木质素纤维

纤维直径(μm)

15

20

45

切断长度(mm)

6/9

3/6/12

1.2

比重(g/cm3

2.46

1.38

0.91

熔点(℃)

1450~1500

<256

170

抗拉强度(MPa)

3000

500

<300

弹性模量(GPa)

90

30

3.5

断裂延伸率(%)

3.2

15~30

15~25

试验方案及施工要点

本项试验目的是通过加玄武岩纤维改善沥青混合料性能,使其应用于高速公路路面养护工作中,能提高沥青路面的高温稳定性,能较大幅度地提高路面抗车辙、抗老化等能力,延长道路的使用寿命,降低高速公路全寿命周期养护成本。

4.1罩面方案的确定

如何提高沥青混合料的高温稳定性是解决沥青路面车辙的关键,沥青混合料在高温条件下的强度由两部分组成,即矿料之间的嵌挤力与内摩阻力、沥青与矿料之间的粘聚力。根据库仑的内摩擦理论(τ≤C+σtgφ),在交通荷载正应力一定的情况下,要提高沥青混合料的剪应力,主要通过提高混合料的粘聚力和内摩擦角,改进和提高沥青混合料中沥青结合料的性质和集料的级配可以满足以上要求。鉴于玄武岩纤维良好的特性和路用性能,为增强沥青混合料的粘聚力,在09年杭金衢高速公路罩面工程中,主要是以SBS改性沥青AC-13C混合料进行罩面,故在本试验段是采用SBS改性沥青AC-13C混合料中掺入一定量的玄武岩纤维以增强混合料的高温稳定性。

4.2配合比的设计

4.2.1加玄武岩纤维AC-13C改性沥青混合料配合比设计按马歇尔试验方法进行,其技术指标要求同规范,本次试验采用的短切玄武岩纤维经膨化处理,其长度为6mm。设计级配结果为:10~15mm碎石∶5~10mm碎石∶0~5mm石屑∶矿粉=25∶33∶40∶2,其掺配结果如下表。

掺配结果统计表

级配类型ARC-13

通过下列筛孔(mm)的质量百分率(%)

16

13.2

9.5

4.75

2.36

1.18

0.6

0.3

0.15

0.075

掺配结果

100

92.9

74.2

42.7

31.5

23.8

16.9

10.7

8.0

5.7

设计级配范围

100

90-100

68-85

38-68

24-40

15-38

10-28

7-20

5-15

4-8

4.2.2添加玄武岩纤维不影响混合料的配合比设计,在任何掺量下均不改变沥青混合料的级配,仅需根据实际需要对油石比进行微调,其沥青用量比不加纤维时增加0.2%。本次试验本配合比中最佳油石比为4.8%,其用油量为4.6%。最佳油石比马歇尔试验结果如下表:

最佳油石比(%)

技术性质

稳定度Ms(kN)

流值FL(0.1mm)

空隙率VV(%)

矿料间隙率VMA(%)

有效沥青的饱和度VFA(%)

4.4

16.74

36.1

4.4

13.7

67.7

技术要求

≥8

20~50

4.0~5.5

≥13.5

65~75

4.2.3玄武岩纤维的掺量,可根据所期望的抗车辙性能程度不同,添加不同掺量的纤维,在适当掺量的前提下,随纤维的用量增加抗车辙等性能逐渐增高,沥青混合料的各项性能与纤维用量成线性的正比关系。本次试验中纤维用量为0.25%。

4.3施工注意事项

4.3.1短切玄武岩纤维应保证干燥,有利用保证其在混合料中的分散性。

4.3.2混合料生产中要严格控制纤维用量,纤维对沥青有较强的吸附力,过多或过少加入纤维均会影响混合料的最佳沥青油石比。

4.3.3玄武岩纤维改性沥青AC-13C的正常施工温度范围参照规范。

4.3.4混合料拌和时,玄武岩纤维加入方式宜采用纤维投料机投入,利用纤维投料机自动计量并随拌合机的热集料一起投入拌锅,其干拌时间应适当延长5~15S。

4.3.5混合料摊铺速度、摊铺系数及其碾压方法均可参照规范要求。

效果评价

5.1路用性能评价

对加玄武岩纤维改性沥青AC-13C混合料进行高温稳定性能进行评价,比较分析纤维对沥青混合料高温性能的改进作用。从下表中可看出,加玄武岩纤维AC-13C改性沥青砼的动稳定度比AC-13C改性沥青砼有明显提高,提高了21%。

车辙试验结果对比汇总表(AC-13C改性沥青混合料)

纤维类型

不加纤维

加聚酯纤维

玄武岩纤维

规范要求(%)

动稳定度(次/mm)

4230

4825

5105

≥3000

从本次试验结果看,保证玄武岩纤维在混合料中均匀分散是确保其增强增韧沥青混合料的最主要环节。从外观上看,本试验路段整体良好,表面无泛油、无松散现象;从取芯的情况看,路面整体结构层良好,罩面层与老路面粘结紧密;从现场实体试验看,压实度达99%,渗水系数分别为194ml/min、143ml/min、154ml/min,摆式仪检测结果抗滑值分别为71BPN、68BPN、77BPN,工铺砂法检测结果路面构造深度为0.62mm、0.78mm、0.67mm,上述数据均表明其路面性能良好,均能很好满足规范要求。

5.2经济评价

从处理效果上看,加玄武岩纤维改性沥青砼AC-13良好的动稳定度极大提高了其路面的高温稳定性,加上其为无机化合物,有良好的耐久性,减少了路面发生二次车辙的现象,故采用加玄武岩纤维改性沥青砼AC-13处理车辙能提高路面养护质量,提高了路面使用寿命,从而降低了日后路面的养护费用,体现了良好的经济效益。

5.3社会效益评价

随着国内交通事业的迅速发展,沥青路面里程也随之迅速增长,从而导致沥青路面病害处理产生的黑色污染将越发严重。玄武岩纤维延长了路面使用寿命,减少了车辙病害铣刨处理所产生的废料,减轻了环境污染的压力,并且所需的资源、能源也明显减少,并且此材料为天然环保型材料,不影响此沥青混合料的回收利用,充分体现了资源节约、环境友好及高速公路安全畅通等良好的社会效益,对我国经济的可持续发展,缓解环境和橡胶资源匮乏带来的压力起到积极的作用,并可作为国内高速公路提高抗车辙能力提供一种新的材料和保障。

结束语

从提高沥青混合料高温稳定性方面出发,通过采用加玄武岩纤维方法在杭金衢高速公路具有典型车辙病害的上坡和互通枢纽路段中的罩面养护成功应用,为日后道路养护维修提供了一种新技术,尤其是在车流量繁重的沥青路面,其不仅在经济效益方面,还是在社会效益方面都取得了双赢的局面。并且此技术可推广至新建沥青路面中应用,具有一定的推广价值和应用前景。

 

 

主要参考文献:

1、赵志泉等,高速公路车辙病害浅层铣刨薄层加铺快速修复技术研究,浙江交通厅科技计划项目鉴定资料(2007H13),2008-11;

2、胡显奇,GBF®纤维及其复合材料在交通基础设施中的创新机遇,玄武岩纤维应用于公路工程技术讲座,2009-6;

3、JTJ052-2000,《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》,人民交通出版社,2000-8;

4、JTJ F40-2004,《公路沥青路面施工技术规范》,人民交通出版社,2004-11。


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