玄武巖纖維瀝青路面在公路建設中的應用

收稿日期：2023-11-13

作者簡介：張少欣（1991—），男，本科，工程師，從事路橋設計工作。

摘要 為了保證公路瀝青路面設計質量，文章以某重載交通的高速公路為研究對象，闡述了玄武巖纖維對瀝青混合料性能的增強機理和配合比設計方法，基于車轍試驗、小梁彎曲試驗、有限元軟件研究了玄武巖纖維瀝青路面在不同摻量下的路用性能。同時，以路面破損狀況指數PCI為評價指標，探討了玄武巖纖維的應用效果，研究成果可供類似項目借鑒。

關鍵詞 玄武巖纖維；瀝青路面；增強機理；配合比；路用性能

中圖分類號 U416.217文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）01-0119-03

0 引言

瀝青混凝土路面施工方便、行車噪音低、養護簡單，在高速公路項目中取得了廣泛應用。但是，瀝青路面在車輛荷載反復作用下，尤其是重載和超載車輛占比高的地方，容易出現裂縫、車轍、坑槽等病害，影響行車安全。同時，玄武巖纖維的力學性能及隔熱、耐腐蝕效果好，能在極端溫度環境下工作，將其加入瀝青混合料中，能起到吸附、防止裂縫擴展、加筋等作用，以降低瀝青混凝土路面破損程度[1]。因此，進一步研究玄武巖纖維在瀝青路面建設中的應用十分必要。

1 工程概況

1.1 設計標準

研究對象為某平原區高速公路，其路線長度為45.5 km，起點樁號為K32+000，終點樁號為K77+500，設計速度為100 km/h，路基標準橫斷面寬27 m，沿線以填方路堤為主，邊坡坡率是1∶1.5，路面為瀝青混凝土路面，厚度69 cm，上面層為厚4 cm的細粒式瀝青混凝土AC-13。

1.2 建設條件

由交通量調查數據可知，該高速公路沿線的交通量大，且重載和超載車輛占比高，屬于重交通等級。同時，項目所在區域的夏季年降雨量較大，高溫持續時間長，冬季雨水徑流或溫度變化會使瀝青路面性能持續衰減。為了盡量減少瀝青路面的裂縫、坑槽、車轍等病害，擬采用玄武巖纖維加入上面層AC-13中，以提高路用性能和應用效果。

2 玄武巖纖維增強機理和配合比設計

2.1 玄武巖纖維增強機理

玄武巖纖維需要把玄武巖礦石加入粉碎機處理，隨后高溫加熱，并在專門的設備上連續拉拔制作而成，其對瀝青混凝土路面性能的增強機理闡述如下：

2.1.1 吸附作用

玄武巖纖維是由成千上萬條極細的單絲組成，當加入瀝青混凝土后，單絲會在混凝土中分散開來。此時，玄武巖纖維能夠吸附游離狀瀝青，形成纖維—瀝青界面層。瀝青混凝土中的部分極性分子和界面層之間存在“引力”，將玄武巖纖維和瀝青連接成整體。

2.1.2 阻裂作用

玄武巖纖維分布在瀝青混凝土中，會產生三維空間網狀結構。在瀝青路面受車輛荷載產生細小裂縫后，玄武巖纖維能憑借其良好的抗拉性能，約束瀝青路面變形，阻止細小裂縫的進一步擴展。玄武巖纖維的阻裂機理可用，可以由其應力強度因子來定量表達，具體函數見式（1）[2]：

（1）

式中，P——裂紋頂端集中力（kN）；b——纖維至裂縫頂端距離（m）；a——裂縫寬度（m）。

2.1.3 加筋作用

在車輛荷載作用下，瀝青路面的受力主體是瀝青和集料骨架，受力也是從表面向內部不斷擴散的。而玄武巖纖維表面粗糙，呈凹凸不平的狀態，能與周邊基質瀝青、集料、礦粉等更好地結合。玄武巖纖維、瀝青、集料的抗變形能力不同，在外力作用下，三者之間會發生相互錯動，使玄武巖纖維發揮“受力筋”的作用。

2.2 配合比設計

2.2.1 原材料選擇

結合高速公路所在區域的氣候特點，瀝青采用90號A級，粗集料和細集料分別選擇堅硬、無雜質的石灰巖和機制砂，相關技術指標均符合現行規范要求。同時，選用的玄武巖纖維化學分子以氧化硅、氧化鐵等為主，技術指標如下：切斷長度為6 mm、密度為2.65 g/cm3、斷裂伸長率為2.5%～3%、使用溫度?260～650 ℃，軟化溫度1 050 ℃、彈性模量為100 GPa、抗拉強度為3 500 MPa。

2.2.2 礦料級配

結合《規范》，得到了該公路瀝青混凝土路面上面層的礦料級配，見表1。

2.2.3 最佳油石比

確定瀝青混凝土路面最佳油石比時可以取4.8%為中值，間隔0.5%向下或向上制作試驗試件，不考慮玄武巖纖維摻量。隨后，按照相關試驗規程來測定不同油石比下的試件性能參數，實現結果見表2[3]。

結合《規范》要求，假設試件毛體積相對密度最大值、穩定度最大值、空隙率中值、瀝青飽和度中值所對應的油石比分別是A1、A2、A3、A4，則OAC1=（A1+A2+A3+A4）/4=4.55%。同時，由表2可知OAC2為4.3%，則該公路瀝青路面的最佳油石比OAC=0.5×（OAC1+OAC2）=4.42%。

3 玄武巖纖維瀝青混凝土的路用性能

3.1 路用性能試驗方案

3.1.1 高溫穩定性

在夏季高溫天氣下，玄武巖纖維瀝青混凝土路面會出現較大的塑性變形，可用車轍試驗來評價其高溫穩定性。車轍試驗使用的試件是板狀，其長度、寬度、厚度分別是30 cm、30 cm、5 cm。試驗溫度取60 ℃，輪壓取0.7 MPa±0.5 MPa，車輪往返碾壓速度為42次/min，且碾壓方向與車輪行走方向相同。

由于玄武巖纖維瀝青路面產生車轍需要時間持續累積，總車轍變形量無法很好地反映材料的高溫性能，宜用動穩定度DS來表示，具體可按式（2）計算[4]：

（2）

式中，t1、t2——車轍時間，可分別取45 min、60 min；

d1、d2——t1、t2所對應的變形量（mm）；N——車輪往返碾壓速度（次/min）；C1、C2——分別為試驗機類型系數、試件系數。

3.1.2 低溫抗裂性

在連續低溫天氣下，尤其是晝夜溫差大的區域，瀝青混凝土內會因晝夜溫差變化而受到溫縮應力，出現裂縫病害。而裂縫又為雨水滲入提供了良好通道，從而引起路面產生嚴重的水損問題。在實際項目中，多選擇小梁彎曲試驗來評價玄武巖纖維瀝青混凝土的低溫抗裂性，其試件是長度、寬度、厚度分別為250 mm、30 mm、35 mm的立方體，采用跨中加載的方式，加載速率為20 mm/min，試驗溫度取?10 ℃。試驗結束后，可計算出試件的彎拉應變ε，見式（3）[5]：

（3）

式中，L——試件跨徑（m）；h——試件高度（m）；b——試件寬度（m）。

3.2 路用性能試驗結果

基于上述方案，該文研究了瀝青混凝土在不同玄武巖摻量下的高溫穩定性（動穩定度）和低溫抗裂性（彎拉應變），為確定最佳玄武巖摻量提供理論依據，具體試驗結果見圖1。

由圖1試驗結果可知：相對于普通瀝青路面，玄武巖纖維瀝青路面的動穩定度與彎拉應變有明顯的提升。隨著玄武巖纖維的提高，瀝青混凝土的動穩定度呈“先增加后減小”趨勢，在摻量為0.4%時達到最大值4 058次/mm，滿足規范要求；混合料的彎拉應變隨纖維摻量的變化趨勢同上，但在摻量為0.3%時應變最大，為3 250×10?6，滿足規范要求。

上述現象表明：當玄武巖纖維摻量小于最佳摻量時，能充分分散在瀝青混合料中，相互搭接成筋，形成三維空間結構。當玄武巖纖維摻量過大時，容易出現“黏結成團”現象，使得混合料的性能下降[6]。綜上，建議該高速公路瀝青路面的玄武巖纖維最佳摻量取0.4%。

3.3 玄武巖纖維瀝青路面模擬

利用有限元軟件建立玄武巖纖維瀝青路面的計算模型，路面有限元模型尺寸為1 m×1 m×1 m的立方體，用實體單元模擬，用正六面體單元劃分網格。路面結構層的網格加密，尺寸取0.2 m，其他網格尺寸為0.5 m，最終劃分了328個單元，399個節點。同時，模型底部設置為固定約束，模型側面約束X方向變形，模型頂部為自由邊界。

施加車輛荷載后，得到了玄武巖纖維瀝青路面的位移云圖，如圖2所示。

圖2計算結果表明：玄武巖纖維瀝青路的變形主要集中在上面層和中面層，最大值僅1.55 cm，行車安全性和舒適性好。相對于普通瀝青路面，其最大變形量減小了68.5%，說明玄武巖纖維在車輛荷載作用下的抗變形能力較好。

4 玄武巖纖維瀝青路面應用效果評價

為了探討玄武巖纖維瀝青混凝土在實際項目中的適用性，修筑了試驗段（A路段），并與普通瀝青路面（B路段）進行對比，對比了兩者的破損情況。

經現場調查發現，A路段和B路段均有裂縫，且以橫向裂縫為主。同時，人工記錄了裂縫的破損程度，結合《公路技術狀況評定標準》（JTG 5210—2018）計算了不同路段的PCI值（路面破損狀況指數），詳細計算結果見表3。

由表3可知：玄武巖纖維瀝青路面和普通瀝青路面的PCI指數平均值分別為94.9、89.08，評價等級為優的路段占比分別為80%、40%。

5 結語

該文以某高速公路為研究對象，分析了玄武巖纖維瀝青路面的增強機理、配合比設計方法、路用性能及應用效果，研究成果表明：

（1）在瀝青混凝土中加入玄武巖纖維后，能起到吸附、阻裂、加筋等作用，改善路面使用性能。

（2）隨著玄武巖纖維摻量提升，瀝青路面的高溫穩定性和低溫抗裂性有明顯改善。綜合考慮經濟性和可行性，建議纖維最佳摻量取0.4%。

（3）在車輛荷載循環影響下，玄武巖纖維瀝青路面的變形集中在上、中面層，且明顯小于普通路段。

（4）經試驗段對比發現玄武巖纖維瀝青路面的破損程度較小，這說明瀝青混合料中加入玄武巖纖維后，其應用效果更好，值得推廣應用。

參考文獻

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