博尼维沥青混凝土在石黄高速公路中的应用

摘　要　在沥青混凝土中掺加一定量的短纤维,纤维对沥青混凝土具有改性、加筋和桥联作用,可以大幅度提高沥青混凝土的性能,延长路面的使用寿命。本文介绍了博尼维纤维在国内外的应用情况,通过博尼维沥青混凝土在石黄高速公路中的应用实例,对博尼维纤维的作用机理、使用效果作了说明,并对它进行了效益分析。

　　关键词　纤维　沥青混凝土　路面

1　概述

　　博尼维(Bonifibers)是由美国Kapejo公司1977年研发生产的一种聚脂类纤维,它是一种从石油中提炼的聚脂化产品,博尼维的直径很细,但它的强度很高,另外,它还有很好的高温性能,熔点温度高达250℃。在沥青混凝土中掺加一定量的博尼维纤维,可以减少沥青混凝土路面的弯沉值,提高弹性恢复能力,提高抗车辙能力,同时,抵抗、延缓裂缝的能力增强,平整度衰减的速度降低,提高沥青混凝土路面的疲劳寿命,被称为美国延长道路使用寿命的“秘密武器”。自从研发成功以来,美国、加拿大等国已利用博尼维修筑了大量的高速公路和其他公路;博尼维1997年开始被引进中国, 1998年首次在石黄高速公路中进行应用,随着人们对博尼维认识的提高,博尼维已广泛应用于新建路面、桥面铺装、旧水泥混凝土路面罩面、旧沥青混凝土路面的罩面等方面,并取得良好的经济效益和社会效益,如河北石黄高速公路、云南昆玉高速公路、新疆土乌大公路、甘肃312国道、南京第二长江大桥、南京新秦淮河大桥宜昌夷陵长江大桥等。

2　博尼维沥青混凝土的机理分析

　　当博尼维纤维加入到沥青混凝土中,纤维与周围基体(沥青及沥青胶浆) 、纤维与纤维之间存在着复杂的相互作用,纤维对沥青混凝土具有改性的效果,同时纤维会影响沥青混合料的韧性和破坏过程。

2. 1　博尼维纤维的加入有助于降低沥青的温度敏感性

　　由于博尼维纤维的加入,使得沥青混凝土沥青用量增加,有资料显示能使纤维周围的沥青膜增厚65%～113%。较厚的沥青膜减缓了沥青老化的速率,从而可长时间地维持其粘弹性,降低沥青的温度敏感性,改善沥青混合料的高温和低温性能,延长路面的使用寿命;由于短纤维在沥青基体内是三向随机分布的,并且截面纤细,使得在纤维掺量不大的情况下,纤维的数目却很大,这样就形成了纵横交织的空间网络,纵横交错的纤维形成的纤维骨架网,增大了结构沥青比例,减薄了自由沥青膜,使沥青胶浆粘性增大,软化点上升,温度稳定性得到大幅度提高。

　　同时,纤维的“加劲”使沥青料可使用稠度较低的沥青,这样也有助于减少低温裂缝的出现。

2. 2　博尼维纤维的稳定、增粘和提高胶浆软化点作用

　　纵横交错的纤维所吸附的沥青,增大了沥青混凝土中结构沥青的比例,减少了自由沥青,使沥青膜处于比较稳定的状态。纤维使沥青矿粉胶浆粘滞性增强,软化点提高,相对于传统的沥青胶浆而言,软化点提高20℃以上,从而使沥青混合料的高温稳定性得到显著提高。纤维均匀分散在集料之间,使沥青矿粉不能形成胶团,减少油斑出现的机率。同时,在夏天高温季节,纤维内部的空隙还将成为一种缓冲的余地,不致成为自由沥青而泛油,也有利于沥青混合料高温稳定性。纤维会提高沥青矿粉胶浆的粘结力;增加沥青与矿料的粘附性、握裹力;通过油膜之间的粘结,提高集料之间的粘结力,保证沥青混凝土路面的整体性,不易发生松散。

2. 3　博尼维纤维对基体材料裂纹扩展的阻滞作用

　　在沥青混凝土施工碾压完成后, 还有6% ～12%左右的空隙率以孔穴、裂纹形式存在于沥青混凝土中;另外,由于使用过程中车辆荷载的作用,也会使沥青混凝土中产生微裂纹。加入纤维后,纤维均匀分布于沥青胶浆中,跨越这些孔隙及裂纹,形成“桥架纤维”,约束了裂纹的扩展。纤维的咬合效应对沥青基体裂纹扩展所起的阻滞作用,使沥青胶浆大大提高了裂纹的自愈能力,大幅度推迟老化、破坏的时间、增强了弹性恢复,减缓车辙的加深速度。

2. 4　博尼维纤维对抗疲劳性能的改善

　　沥青混凝土疲劳破坏的过程,首先是在混凝土结构的某个部位开始产生微小裂纹,裂纹起点为疲劳源。对沥青混凝土结构来说,荷载、温度及内部不均匀结点的存在是疲劳破坏产生的主要因素,当混合料受到荷载作用时,裂纹尖端发生应力集中,裂纹扩展,当裂纹尺寸达到临界值时,就出现失稳扩展,材料出现较大的裂缝直至破坏。由于三维随机各向短纤维阻滞了裂纹的扩展,增加了弹性恢复,延长了材料失稳扩展、断裂出现的时间,因而材料抗疲劳强度得到明显改善。

3　施工注意事项

　　(1)对于掺加博尼维的沥青混合料,应该增加干拌时间,使博尼维纤维能够充分和矿料混合;

　　(2)由于博尼维纤维混合料增加了干拌时间,因此拌和设备的生产能力下降20% ～30% ,进行施工进度计划时应充分考虑这部分时间;

　　(3)沥青混凝土加入博尼维纤维后,由于纤维对沥青的吸附作用,沥青用量会有所增加,要通过实验调整混凝土的沥青用量;

　　(4)博尼维纤维混凝土路面摊铺和碾压工艺与普通的沥青混凝土相同;

　　(5)加入博尼维纤维后的沥青混合料粘稠度比普通沥青混凝土增大,应比普通沥青混凝土多碾压1～2遍,才能达到理想的压实效果。

4　实例

　　石黄高速公路在1998 年10月份在K44 + 514～K47 + 030、K55 + 000 ～K56 + 450 路段进行了实验段的铺筑,通过实验,确定了博尼维纤维的掺加量为2. 5b / t。在1998年12月和1999年12月,对掺加博尼维纤维路段和普通SAC沥青路面分别进行了弯沉、平整度、横向力系数的检测,通过检测对比,掺加了博尼维纤维的沥青混凝土的弯沉值要优于普通SAC沥青混凝土,并且衰减的速率要低得多,平整度的衰减比普通SAC沥青混凝土要慢;横向力系数和SAC基本一样, 2000年4月,又对车辙进行了检测对比,对行车道的检测统计结果如表1。

　　2001年9月又对车辙进行了检测对比,博尼维段平均值为5. 28 (mm) ,而SAC路段平均值为6. 58(mm) ,从检测结果可以看出,博尼维路段表现出优良的抗车辙能力。2001年3月份和2002年5月,又分别对路面裂缝进行了比较,情况如表2。

　　由表2中数据可以看出,对于SAC段来说,博尼维段的抗裂缝能力是比较明显的,并且具有延缓作用。

5　效益分析

　　目前的改性沥青混凝土造价在290 元/ t,博尼维的价格为4. 2万元/ t,按每吨混合料掺加2. 5b计算,掺加完博尼维的沥青混凝土的费用为337. 6元/t,增加16. 4%。这样看来,掺加博尼维的沥青混凝土路面的前期投入是增加了,但是,掺加完博尼维,能大幅度地改善沥青路面的使用性能,延长路面的使用寿命,能达到8y以上不用罩面,我们知道,未掺加博尼维的沥青混凝土路面, 3～4年就会破坏,就需要进行罩面,因此,从公路的全寿命来比较,掺加博尼维的沥青混凝土路面造价不是提高了,而是降低了。

6　结束语

　　可以看出,掺加博尼维纤维沥青混凝土的弯沉值有所减小;弹性恢复能力增强,具备良好的抗车辙能力;抵抗、延缓裂缝的能力增强,平整度衰减减慢,能使沥青面层保持良好的服务功能,能延长沥青混凝土路面的寿命,具有很好的社会和经济效益。

参考文献

　　1　刘中林,田文,史建方,谭发茂. 高等级公路沥青混凝土路面新技术. 北京:人民交通出版社, 2002

　　2　交通部公路科学研究所. 中华人民共和国行业标准. 公路沥青路面施工技术规范( JTG F40 - 2004) . 北京:人民交通出版社, 2004