路面维修养护工程中玄武岩纤维沥青混凝土的应用

林育山

（海南省公路管理局高速公路养护管理中心,海南 海口 570100）

0 引言

当前，玄武岩纤维材料已经逐步在道路施工领域、沥青混合料路用性能增强方面得到应用，但是其在高等级公路沥青路面养护中的应用仍受到一些因素限制。该文依托高速公路路面维修工程，对玄武岩纤维沥青混合料设计及施工质量控制展开研究，为该新型环保矿物纤维材料在高等级公路中的推广应用提供参考。

1 玄武岩纤维沥青混合料

1.1 原材料及级配

玄武岩纤维沥青混合料以玄武岩纤维、70#基质沥青、集料、矿粉等为主要原材料。玄武岩纤维以玄武岩矿石为原料，制成的混合料纤维强度及弹性模量均较高，充分分散后能与沥青较好黏结，化学性能较为稳定。玄武岩纤维为银灰色，密度为2.465 g/cm³，直径12 μm，短切处理后长18 mm，拉伸强度在1 500 MPa以上，断裂伸长率为2%～8%，熔点为650 ℃，含水率0.5%，吸油率70%，具备较好的自分散性。通过对扫描电镜所拍摄的微观图像的分析看出，玄武岩纤维外表光滑，截面为圆形，主要是因为在该纤维成型过程中，在将熔融玄武岩牵伸、冷却呈固态纤维前，因受到表面张力收缩后形成表面积最小的圆形[1]。此外，玄武岩纤维端部存在“触角”状突起，便于搭接及加筋作用的发挥，以促使路面荷载及时分散至沥青砂浆和矿质骨料中，提升沥青混合料高温稳定性及水稳性。

间断级配沥青混合料SMC具有较好的抗高温和低温稳定性以及良好的水稳性，表面抗滑性、平整度均较好，在该混合料中掺加玄武岩纤维后路用性能将更加优异。以《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2019）规定的级配范围中值为目标级配，则掺玄武岩纤维的SMA-13合成矿料级配见图1。

图1 SMA-13目标配合比矿料级配曲线

1.2 最佳沥青用量

通过马歇尔试验法进行不掺加纤维以及纤维掺量依次为0.2%、0.3%、0.4%时沥青混合料最佳沥青用量的确定。根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）展开试验。为保证玄武岩纤维均匀分散，先将纤维和矿料干拌30 s，再加入基质沥青后正常拌和120 s。试验结果显示，不掺加纤维以及依次按照0.2%、0.3%、0.4%的比例掺加纤维的沥青混合料最佳沥青用量分别为4.4%、4.7%、4.8%和4.9%。其余结果见表1。根据表1中结果得出，玄武岩纤维掺量不同的混合料在不同油石比下马歇尔指标均较好；随着纤维掺量的增加，最佳油石比随之增大，混合料稳定度明显提升。以上均表明，由于玄武岩纤维强度高、分散性好，沥青胶浆强度及沥青混合料马歇尔稳定度均显著提升。

表1 马歇尔试验结果

1.3 最佳纤维掺量

该文将高温稳定性作为玄武岩纤维沥青混合料的控制性指标，通过车辙试验对动稳定度指标进行比较后确定最佳纤维掺量。试验结果见表2。根据试验结果，按照0.2%的比例掺加玄武岩纤维后，沥青混合料动稳定度比不掺加纤维时提升了17.3%，此后随着纤维掺量的增大，动稳定度提升幅度快速降低，故应将玄武岩纤维掺量控制在0.2%。

表2 车辙试验结果

此外，根据单轴抗压试验结果，掺加玄武岩纤维后沥青混凝土抗压强度和应变均有所提升，但纤维掺量并非越多越好，随着纤维体积率的增大，混凝土试件抗压强度先增后降，且当纤维掺量取0.1%时，混凝土试件抗压强度达到最大；随着纤维体积率的增大，试件应变也表现为同样的变动趋势，并在纤维掺量0.2%时达到最大。见图2。

图2 抗压试验结果

综合以上分析，应将玄武岩纤维掺量控制在0.2%，以便在控制施工成本的基础上，取得最佳的沥青混合料路用性能改善效果。

2 工程应用

2.1 工程概况

某高速公路K41+000～K50+410段自2010年初建成运行以来，至今已逾12年，路面并未实施过任何系统性维修，仅限于日常养护以及2014年对局部路段实施的微表处预防性养护。该公路路面横断面宽35 m，采用双向六车道整体式路基；中面层自上而下为5 cm厚SMA-16、6 cm 厚 AC-25C、7 cm 厚 AC-30C，以下为 54 cm 厚二灰土稳定碎石基层。

该高速公路段在长期持续运行过程中，部分路段沥青路面先后出现裂缝、表面磨损、骨料外露及材料严重退化等病害迹象。公路管理部门在全面调查公路段路用性能衰减程度及病害严重程度的基础上，对病害路段实施先挖补、再整体罩面的养护维修处治方案[2]。具体而言，先将5 cm厚的沥青路面铣刨，再加铺5 cm厚的AC-20C（改性沥青）和4 cm厚的SMA-13玄武岩纤维沥青混凝土上面层。玄武岩纤维的添加使上面层沥青混合料韧性得到强化，高温环境下的抗裂、抗氯盐腐蚀性、抗车辙性能提升。病害路面养护处治方案设计见图3。

图3 病害路面养护处治结构设计

2.2 施工要点

SMA-13玄武岩纤维沥青混凝土抗滑表层施工工艺与其余类型沥青混合料路面基本一致，具体包括以下环节：

2.2.1 混合料拌和及温度控制

玄武岩纤维沥青混合料拌和工艺有干拌和湿拌两种，该公路工程采用湿拌工艺，即先将沥青和矿料持续拌和30 s，再掺入玄武岩纤维继续拌和90 s，最后加入矿粉，拌和30 s，以达到较好的拌和效果。玄武岩纤维沥青混合料施工必须在温度较高环境下进行，纤维的掺加使沥青胶浆黏滞性增大，故其施工温度必须比普通沥青混合料施工高出8～12 ℃。结合笔者对该公路段施工环境以及相同地区类似公路施工实践的调查，推荐的施工温度控制标准见表3。

表3 施工温度控制 /℃

玄武岩纤维沥青混合料出厂并装入运料车后必须用篷布覆盖保温，并以最短时间运抵摊铺施工现场。为防止摊铺机停机等料，保证摊铺施工连续进行，摊铺机前待卸料的运料车至少2辆。

2.2.2 混合料摊铺

在摊铺前必须按照设计要求及相关规范洒布黏层油。在施工环境温度较高的情况下应提升夯锤振捣频率，提升玄武岩纤维沥青混合料路面的平整度。采用2台常用类型摊铺机以梯队形式单幅四车道整体摊铺。按照确定好的松铺系数调整摊铺机前进及下料速度，为提升熨平板初压效果，避免出现因熨平板温度过低而黏料，必须在正式施工30 min前预热熨平板。前后2台摊铺机错开15～30 m的距离梯队前进，摊铺宽度应重叠10 cm，混合料摊铺温度应至少达到165℃及以上。

2.2.3 混合料碾压

该病害路面SMA-13玄武岩纤维沥青混凝土碾压施工必须紧跟摊铺进行。从沥青混合料性能出发，通过摊铺碾压试验确定出压路机型号、数量、碾压遍数、施工速度等参数。碾压施工仍分为初压、复压和终压三个阶段进行，初压的目的在于沥青混合料的平整和稳定；复压的目的在于沥青混合料的密实稳定及成型；终压则主要为了消除轮痕，提升压实路面的平整度。该公路玄武岩纤维沥青混合料碾压施工参数取值要求见表4。

表4 碾压施工参数取值要求

3 路用性能检测

3.1 高温稳定性

在该病害路段完工后进行了玄武岩纤维沥青混合料路用性能的检测，以评价施工质量及应用效果。车辙是该公路所在地区沥青路面最常见的病害形式，也是最具危害的形式之一，故通过车辙试验对玄武岩纤维沥青混合料高温稳定性进行检测，并以60 min车辙深度和动稳定度评价混合料高温稳定性。根据试验结果，掺加0.2%玄武岩纤维后的沥青混合料车辙深度为2.228 cm，比不掺加玄武岩纤维的车辙深度低1.197 cm。再结合该文1.3节对玄武岩纤维沥青混合料动稳定度的检测结果可以看出，不掺加玄武岩纤维时车辙较深，并伴随严重的隆起，而掺加玄武岩纤维后车辙深度明显减小。

结合纤维阻裂理论，掺加纤维后会阻碍和约束矿料间的相对滑移，并使矿料相对稳定性增强；同时，纤维材料的纵横交错还会使界面层沥青比例增大，自由沥青数量减少；沥青将较轻的油分吸附后使沥青材料软化点提升，黏聚力及黏稠度相应增大[3]。沥青混合料竖向变形及剪切变形均得到明显抑制，高温稳定性提升。

3.2 水稳性

通过浸水马歇尔试验进行玄武岩纤维沥青混合料水稳性检测和评价。对不掺加玄武岩纤维和按0.2%比例掺加玄武岩纤维的两种混合料，分别制备4个马歇尔试验，并分成两组。将其中1组试件置于60 ℃恒温水体内持续浸泡45 min，并展开稳定度检测；另一组试件则置于60 ℃恒温水体内持续浸泡48 h，展开试验，最终得到两组残留稳定度试验数据，具体见表5。根据结果，无论玄武岩纤维掺加与否，SMA-13沥青混合料残留动稳定度均满足规范中不小于80%的规定；但掺加0.2%玄武岩纤维后SMA-13马歇尔稳定度和浸水稳定度显著提升，提升幅度分别达到14.8%和36.7%。

表5 浸水马歇尔试验结果

所掺加的玄武岩纤维随机分散于集料间的纤维胶浆网络中，并将集料黏结成稳固整体，使沥青和矿料的黏附性以及沥青胶浆对集料的握裹力增强[4]。与此同时，纤维掺加后还提升了最佳沥青用量，矿料外部油膜厚度增大，有效阻隔了水侵入沥青和集料界面的进程，玄武岩纤维沥青混合料水稳性大大提升。

4 结论

该病害沥青路面维修过程中，SMA-13沥青混合料中玄武岩纤维掺量为0.2%，油石比为4.7%，通过配合比设计，对各方面路用性能展开试验和验证。玄武岩纤维沥青混合料施工工艺与普通沥青混凝土基本一致，但是所要求的施工温度应高出8～12 ℃；摊铺及碾压施工过程中在严格遵守规范及设计要求，并分阶段加强混合料温度检测和控制后，施工质量和路用性能得以保证。工后检测结果还表明，玄武岩纤维沥青混合料使用寿命可比不掺加纤维的SMA-13路面延长30%～40%，且优异的路用性能还使日常养护费用大大降低；整个施工过程中无废气、废渣等产生，经济效益、社会效益和环境效益均较好。