玄武巖纖維瀝青混合料在路面維修工程中的應用研究

賈珊珊

（山西省公路工程監(jiān)理技術咨詢公司，山西 太原 030006）

0 引言

近年來，隨著我國交通運輸業(yè)的大規(guī)模發(fā)展，交通流量和重載車輛逐年增多，導致許多公路長期處于超荷載條件下[1]。隨著運營年限增加，路面開始出現(xiàn)一系列早期病害，不僅嚴重影響了車輛通行質(zhì)量，更加大了道路管理部門的養(yǎng)護壓力和投資。因此，如何提升瀝青混合料路用性能，延長瀝青路面的使用壽命成為當下學者亟需研究的重要課題[2]。

目前，國內(nèi)外學者通過采用在瀝青混合料中摻入少量纖維的方法提升其路用性能，并取得了一定的研究成果[3-4]。如倪秋萍等認為適當?shù)男鋷r纖維摻量可充分發(fā)揮纖維在混合料中的作用。張鐵志等[5]認為混摻纖維瀝青混合料的路用性能明顯提升，以及玄武巖纖維和聚丙烯腈纖維按纖維瀝青混合料總重的0.3%加入，摻量體積比為2∶3時性價比最高。穆巖等[6]提出了SMA-13瀝青混合料中摻玄武巖礦物纖維的配合比設計和施工方法，為玄武巖纖維瀝青路面的推廣應用提供經(jīng)驗數(shù)據(jù)及參考。吳金榮等[7]認為玄武巖纖維和聚酯纖維瀝青混合料的水穩(wěn)定性較好，木質(zhì)素纖維效果較差；考慮到經(jīng)濟性和綜合性能，聚酯纖維是一種更好的選擇。根據(jù)以往研究經(jīng)驗，玄武巖纖維作為一種較優(yōu)的添加劑，已經(jīng)在瀝青路面工程中得到了廣泛應用，許多學者針對其路用性能進行了大量研究，但針對纖維摻量問題且結合實際工程分析的研究還相對較少。基于此，本文針對玄武巖摻量問題進行了路用性能室內(nèi)試驗對比分析，并結合實際工程進一步驗證了玄武巖瀝青混凝土在瀝青路面修復工程中的可行性及優(yōu)良效果。

1 原材料

a）瀝青 采用SBS改性瀝青，根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG/E20—2011）要求測得其相關技術指標如表1所示。

表1 SBS改性瀝青技術指標

b）集料及礦粉 粗集料采用骨料粒徑為5～15 mm的玄武巖碎石料，其相關性能指標如表2所示。細集料采用石灰?guī)r機制砂，其表觀密度為2.81 g/cm3，砂當量為91%。礦粉采用潔凈、干燥，且無團粒結塊的石灰?guī)r礦粉，其表觀相對密度為2.73 g/cm3。

表2 玄武巖碎石料性能指標

c）纖維 采用外觀色澤均勻、表面無污染的玄武巖纖維，其技術指標如表3所示。

表3 玄武巖碎石料性能指標

2 配合比設計

根據(jù)《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》（JTG/F40—2004）要求，級配設計選用SMA-13型混合料展開研究，其關鍵篩孔為4.75 mm，集料通過關鍵篩孔的百分率為28.2%。SMA-13混合料級配范圍和目標級配如表4所示。

表4 SMA-13混合料級配設計

根據(jù)已有纖維瀝青混合料研究可知，在采用纖維增強瀝青混合料性能時，其摻量一般不超過0.5%。為研究玄武巖纖維的最佳摻量，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTJ/E20—2011）規(guī)范要求，針對未摻玄武巖纖維和分別摻0.1%、0.2%、0.3%、0.4%及0.5%玄武巖纖維的瀝青混合料進行馬歇爾試驗，最佳石油比及馬歇爾試驗結果如表5所示。

表5 最佳石油比及馬歇爾試驗結果

3 路用性能分析

為研究玄武巖纖維改善SBS改性瀝青混合料路用性能的最佳摻量，根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG/E20—2011）規(guī)范要求，對不同玄武巖纖維摻量的瀝青混合料分別進行車轍試驗、低溫彎曲試驗、凍融劈裂試驗以及浸水馬歇爾試驗，具體分析過程如下。

3.1 高溫穩(wěn)定性能

高溫穩(wěn)定性指的是高溫條件下瀝青路面在承受車輛荷載不發(fā)生變形的性能，針對不同玄武巖纖維摻量瀝青混合料動穩(wěn)定度的變化規(guī)律進行分析，結果如表6所示。

表6 瀝青混合料車轍試驗結果

根據(jù)表6可知，在瀝青混合料中摻入0.1%～0.5%的玄武巖纖維其高溫性能均能滿足規(guī)范要求，且不同摻量玄武巖纖維的瀝青混合料動穩(wěn)定度均要大于未摻纖維的瀝青混合料，說明玄武巖纖維的摻入可以有效提升瀝青混合料的高溫性能。隨著玄武巖纖維摻量由0.1%增至0.5%時，瀝青混合料的動穩(wěn)定度呈先增后減趨勢變化，5種瀝青混合料的動穩(wěn)定度相對于未摻纖維瀝青混合料分別增長了約4.3%、13.8%、44%、31.2%和25.1%，其中在纖維摻量為0.1%和0.2%時，瀝青混合料動穩(wěn)定度增幅較小，摻量為0.3%時達到動穩(wěn)定度增幅較大，而當纖維摻量為0.4%和0.5%時，瀝青混合料動穩(wěn)定度有所下降。由此可知，玄武巖纖維摻量較小時對瀝青混合料高溫性能的改善效果不大，摻量過大在一定程度上會降低其高溫性能，因此針對高溫性能而言玄武巖纖維摻量選擇0.3%相對較優(yōu)。

3.2 低溫性能

低溫性能是評價瀝青混合料能否適應低溫地區(qū)以及溫差較大地區(qū)的重要指標。為研究玄武巖摻量對瀝青混合料低溫性能的影響，對比分析了未摻纖維和不同摻量玄武巖纖維瀝青混合料的彎拉應變變化規(guī)律，結果如表7所示。

表7 瀝青混合料低溫彎曲試驗結果

根據(jù)表7可知，不同玄武巖纖維瀝青混合料低溫性能均能滿足規(guī)范要求，且不同摻量玄武巖纖維的瀝青混合料彎拉應變值均要大于未摻纖維的瀝青混合料，說明玄武巖纖維的摻入可以有效提升瀝青混合料的低溫性能。隨著玄武巖纖維摻量由0.1%增至0.5%時，瀝青混合料的彎拉應變值呈先增后減趨勢變化，5種瀝青混合料的彎拉應變相對于未摻纖維瀝青混合料分別增長了約3%、4.9%、17.1%、13.5%和12.1%，其中玄武巖纖維摻量為0.3%的瀝青混合料彎拉應變增幅最大，說明摻入0.3%的玄武巖纖維對提升瀝青混合料低溫性能效果最佳。

3.3 水穩(wěn)定性能

水穩(wěn)定性主要通過對比浸水前后瀝青混合料的凍融劈裂強度以及殘留穩(wěn)定度進行評價，針對不同玄武巖纖維摻量瀝青混合料的凍融劈裂強度比和殘留穩(wěn)定度進行對比分析，結果如表8所示。

表8 瀝青混合料凍融劈裂及浸水馬歇爾試驗結果

根據(jù)表8可知，不同玄武巖纖維瀝青混合料的凍融劈裂強度比和殘留穩(wěn)定度均能滿足規(guī)范要求，且不同摻量玄武巖纖維的瀝青混合料水穩(wěn)定性能均要優(yōu)于未摻纖維的瀝青混合料，說明玄武巖纖維的摻入可以有效提升瀝青混合料的水穩(wěn)定性能。隨著玄武巖纖維摻量由0.1%增至0.5%時，瀝青混合料的凍融劈裂強度比和殘留穩(wěn)定度均呈逐漸增大趨勢，其中玄武巖纖維摻量由0.1%增至0.3%時，瀝青混合料的凍融劈裂強度比和殘留穩(wěn)定度增幅較大，當纖維摻量超過0.3%后增長趨勢有所減小，說明摻入0.3%的玄武巖纖維對提升瀝青混合料水穩(wěn)定性能效果最為顯著。

綜上所述，結合不同玄武巖纖維摻量對瀝青混合料高溫性能、低溫性能以及水穩(wěn)定性能的影響規(guī)律來看，玄武巖纖維摻量控制在0.3%較合適。

4 實例驗證

為進一步驗證玄武巖纖維摻量為0.3%的瀝青混合料在實際工程中的可行性及優(yōu)良效果，將該最優(yōu)玄武巖纖維摻量配合比設計的瀝青混合料運用于某瀝青路面維修工程中，并針對其實際路用性能和修復效果進行分析。

4.1 工程簡介

以某中等級瀝青公路為例，該路線全長32.5 km，路面寬度為25 m，雙向四車道，設計車速為80 km/h。自2009年投入運營至今已有10年，運營期間除日常維護外未對路面進行過全面綜合治理。近年來，隨著交通流量的逐漸增加，該公路部分路段瀝青路面均出現(xiàn)了不同程度病害，對車輛通行效率造成了嚴重影響，路面病害主要表現(xiàn)為表面磨損、露骨、局部淺層開裂等，如圖1所示。

圖1 路面主要病害示意圖

4.2 修復方案

根據(jù)該路段的實況調(diào)查以及路面病害評定結果，針對部分出現(xiàn)病害的路面提出挖補+整體罩面方式的修復措施，具體方案為：先銑刨出病害路面瀝青混凝土5 cm，在原有路面結構上加鋪5 cm厚SMA-13玄武巖纖維瀝青混凝土（玄武巖纖維摻量為0.3%），其原材料的選擇以及配合比設計均參照文中數(shù)據(jù)，以驗證玄武巖摻量為0.3%的SMA-13瀝青混凝土的實際工程應用效果。

4.3 應用效果

按照規(guī)范要求，對路段維修過程中配制的含0.3%玄武巖纖維的SMA-13瀝青混合料分別進行車轍試驗、低溫彎曲試驗、凍融劈裂試驗以及浸水馬歇爾試驗，現(xiàn)場測試結果如表9所示。

表9 玄武巖瀝青混合料檢驗結果

根據(jù)表9可知，采用玄武巖纖維摻量為0.3%的SMA-13瀝青混合料路用性能均滿足《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》（JTG/F40—2004）技術要求，在瀝青路面維修工程中具有可行性。

該路段綜合治理完成后，通過1年運營期的觀察發(fā)現(xiàn)該道路路用性能表現(xiàn)良好，路面病害得到了控制，行車舒適性、通行質(zhì)量以及城市美觀性都有了較大提升，同時還減少了道路后期養(yǎng)護費用，進一步驗證了SMA-13玄武巖瀝青混凝土的優(yōu)良效果。道路修復后實景如圖2所示。

圖2 道路修復后實景圖

5 結論

本文通過室內(nèi)試驗，對比分析了不同玄武巖纖維摻量SMA-13瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能、低溫性能及水穩(wěn)定性能，得到以下主要結論：玄武巖纖維的摻入可以有效提升SMA-13瀝青混合料各項路用性能；隨著玄武巖纖維摻量的增大，混合料的高溫穩(wěn)定性能和低溫性能呈先提升后下降趨勢，在纖維摻量為0.3%時性能相對較優(yōu)；水穩(wěn)定性能隨著纖維摻量的增加而不斷增大。綜合來看，玄武巖纖維摻量選擇0.3%時，SMA-13瀝青混合料的路用性能相對較優(yōu)，并通過結合實際工程，進一步驗證了SMA-13玄武巖瀝青混凝土應用于瀝青路面修復工程中的可行性及優(yōu)良效果。