博尼維瀝青混凝土在石黃高速公路中的應用

摘　要　在瀝青混凝土中摻加一定量的短纖維,纖維對瀝青混凝土具有改性、加筋和橋聯(lián)作用,可以大幅度提高瀝青混凝土的性能,延長路面的使用壽命。本文介紹了博尼維纖維在國內外的應用情況,通過博尼維瀝青混凝土在石黃高速公路中的應用實例,對博尼維纖維的作用機理、使用效果作了說明,并對它進行了效益分析。

　　關鍵詞　纖維　瀝青混凝土　路面

1　概述

　　博尼維(Bonifibers)是由美國Kapejo公司1977年研發(fā)生產的一種聚脂類纖維,它是一種從石油中提煉的聚脂化產品,博尼維的直徑很細,但它的強度很高,另外,它還有很好的高溫性能,熔點溫度高達250℃。在瀝青混凝土中摻加一定量的博尼維纖維,可以減少瀝青混凝土路面的彎沉值,提高彈性恢復能力,提高抗車轍能力,同時,抵抗、延緩裂縫的能力增強,平整度衰減的速度降低,提高瀝青混凝土路面的疲勞壽命,被稱為美國延長道路使用壽命的“秘密武器”。自從研發(fā)成功以來,美國、加拿大等國已利用博尼維修筑了大量的高速公路和其他公路;博尼維1997年開始被引進中國, 1998年首次在石黃高速公路中進行應用,隨著人們對博尼維認識的提高,博尼維已廣泛應用于新建路面、橋面鋪裝、舊水泥混凝土路面罩面、舊瀝青混凝土路面的罩面等方面,并取得良好的經濟效益和社會效益,如河北石黃高速公路、云南昆玉高速公路、新疆土烏大公路、甘肅312國道、南京第二長江大橋、南京新秦淮河大橋宜昌夷陵長江大橋等。

2　博尼維瀝青混凝土的機理分析

　　當博尼維纖維加入到瀝青混凝土中,纖維與周圍基體(瀝青及瀝青膠漿) 、纖維與纖維之間存在著復雜的相互作用,纖維對瀝青混凝土具有改性的效果,同時纖維會影響瀝青混合料的韌性和破壞過程。

2. 1　博尼維纖維的加入有助于降低瀝青的溫度敏感性

　　由于博尼維纖維的加入,使得瀝青混凝土瀝青用量增加,有資料顯示能使纖維周圍的瀝青膜增厚65%～113%。較厚的瀝青膜減緩了瀝青老化的速率,從而可長時間地維持其粘彈性,降低瀝青的溫度敏感性,改善瀝青混合料的高溫和低溫性能,延長路面的使用壽命;由于短纖維在瀝青基體內是三向隨機分布的,并且截面纖細,使得在纖維摻量不大的情況下,纖維的數(shù)目卻很大,這樣就形成了縱橫交織的空間網絡,縱橫交錯的纖維形成的纖維骨架網,增大了結構瀝青比例,減薄了自由瀝青膜,使瀝青膠漿粘性增大,軟化點上升,溫度穩(wěn)定性得到大幅度提高。

　　同時,纖維的“加勁”使瀝青料可使用稠度較低的瀝青,這樣也有助于減少低溫裂縫的出現(xiàn)。

2. 2　博尼維纖維的穩(wěn)定、增粘和提高膠漿軟化點作用

　　縱橫交錯的纖維所吸附的瀝青,增大了瀝青混凝土中結構瀝青的比例,減少了自由瀝青,使瀝青膜處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)。纖維使瀝青礦粉膠漿粘滯性增強,軟化點提高,相對于傳統(tǒng)的瀝青膠漿而言,軟化點提高20℃以上,從而使瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性得到顯著提高。纖維均勻分散在集料之間,使瀝青礦粉不能形成膠團,減少油斑出現(xiàn)的機率。同時,在夏天高溫季節(jié),纖維內部的空隙還將成為一種緩沖的余地,不致成為自由瀝青而泛油,也有利于瀝青混合料高溫穩(wěn)定性。纖維會提高瀝青礦粉膠漿的粘結力;增加瀝青與礦料的粘附性、握裹力;通過油膜之間的粘結,提高集料之間的粘結力,保證瀝青混凝土路面的整體性,不易發(fā)生松散。

2. 3　博尼維纖維對基體材料裂紋擴展的阻滯作用

　　在瀝青混凝土施工碾壓完成后, 還有6% ～12%左右的空隙率以孔穴、裂紋形式存在于瀝青混凝土中;另外,由于使用過程中車輛荷載的作用,也會使瀝青混凝土中產生微裂紋。加入纖維后,纖維均勻分布于瀝青膠漿中,跨越這些孔隙及裂紋,形成“橋架纖維”,約束了裂紋的擴展。纖維的咬合效應對瀝青基體裂紋擴展所起的阻滯作用,使瀝青膠漿大大提高了裂紋的自愈能力,大幅度推遲老化、破壞的時間、增強了彈性恢復,減緩車轍的加深速度。

2. 4　博尼維纖維對抗疲勞性能的改善

　　瀝青混凝土疲勞破壞的過程,首先是在混凝土結構的某個部位開始產生微小裂紋,裂紋起點為疲勞源。對瀝青混凝土結構來說,荷載、溫度及內部不均勻結點的存在是疲勞破壞產生的主要因素,當混合料受到荷載作用時,裂紋尖端發(fā)生應力集中,裂紋擴展,當裂紋尺寸達到臨界值時,就出現(xiàn)失穩(wěn)擴展,材料出現(xiàn)較大的裂縫直至破壞。由于三維隨機各向短纖維阻滯了裂紋的擴展,增加了彈性恢復,延長了材料失穩(wěn)擴展、斷裂出現(xiàn)的時間,因而材料抗疲勞強度得到明顯改善。

3　施工注意事項

　　(1)對于摻加博尼維的瀝青混合料,應該增加干拌時間,使博尼維纖維能夠充分和礦料混合;

　　(2)由于博尼維纖維混合料增加了干拌時間,因此拌和設備的生產能力下降20% ～30% ,進行施工進度計劃時應充分考慮這部分時間;

　　(3)瀝青混凝土加入博尼維纖維后,由于纖維對瀝青的吸附作用,瀝青用量會有所增加,要通過實驗調整混凝土的瀝青用量;

　　(4)博尼維纖維混凝土路面攤鋪和碾壓工藝與普通的瀝青混凝土相同;

　　(5)加入博尼維纖維后的瀝青混合料粘稠度比普通瀝青混凝土增大,應比普通瀝青混凝土多碾壓1～2遍,才能達到理想的壓實效果。

4　實例

　　石黃高速公路在1998 年10月份在K44 + 514～K47 + 030、K55 + 000 ～K56 + 450 路段進行了實驗段的鋪筑,通過實驗,確定了博尼維纖維的摻加量為2. 5b / t。在1998年12月和1999年12月,對摻加博尼維纖維路段和普通SAC瀝青路面分別進行了彎沉、平整度、橫向力系數(shù)的檢測,通過檢測對比,摻加了博尼維纖維的瀝青混凝土的彎沉值要優(yōu)于普通SAC瀝青混凝土,并且衰減的速率要低得多,平整度的衰減比普通SAC瀝青混凝土要慢;橫向力系數(shù)和SAC基本一樣, 2000年4月,又對車轍進行了檢測對比,對行車道的檢測統(tǒng)計結果如表1。

　　2001年9月又對車轍進行了檢測對比,博尼維段平均值為5. 28 (mm) ,而SAC路段平均值為6. 58(mm) ,從檢測結果可以看出,博尼維路段表現(xiàn)出優(yōu)良的抗車轍能力。2001年3月份和2002年5月,又分別對路面裂縫進行了比較,情況如表2。

　　由表2中數(shù)據(jù)可以看出,對于SAC段來說,博尼維段的抗裂縫能力是比較明顯的,并且具有延緩作用。

5　效益分析

　　目前的改性瀝青混凝土造價在290 元/ t,博尼維的價格為4. 2萬元/ t,按每噸混合料摻加2. 5b計算,摻加完博尼維的瀝青混凝土的費用為337. 6元/t,增加16. 4%。這樣看來,摻加博尼維的瀝青混凝土路面的前期投入是增加了,但是,摻加完博尼維,能大幅度地改善瀝青路面的使用性能,延長路面的使用壽命,能達到8y以上不用罩面,我們知道,未摻加博尼維的瀝青混凝土路面, 3～4年就會破壞,就需要進行罩面,因此,從公路的全壽命來比較,摻加博尼維的瀝青混凝土路面造價不是提高了,而是降低了。

6　結束語

　　可以看出,摻加博尼維纖維瀝青混凝土的彎沉值有所減小;彈性恢復能力增強,具備良好的抗車轍能力;抵抗、延緩裂縫的能力增強,平整度衰減減慢,能使瀝青面層保持良好的服務功能,能延長瀝青混凝土路面的壽命,具有很好的社會和經濟效益。

參考文獻

　　1　劉中林,田文,史建方,譚發(fā)茂. 高等級公路瀝青混凝土路面新技術. 北京:人民交通出版社, 2002

　　2　交通部公路科學研究所. 中華人民共和國行業(yè)標準. 公路瀝青路面施工技術規(guī)范( JTG F40 - 2004) . 北京:人民交通出版社, 2004