博尼維瀝青混凝土在石黃高速公路中的應(yīng)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(nèi)外的應(yīng)用情況,通過博尼維瀝青混凝土在石黃高速公路中的應(yīng)用實(shí)例,對博尼維纖維的作用機(jī)理、使用效果作了說明,并對它進(jìn)行了效益分析。

　　關(guān)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(chǎn)的一種聚脂類纖維,它是一種從石油中提煉的聚脂化產(chǎn)品,博尼維的直徑很細(xì),但它的強(qiáng)度很高,另外,它還有很好的高溫性能,熔點(diǎn)溫度高達(dá)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(fù)能力,提高抗車轍能力,同時(shí),抵抗、延緩裂縫的能力增強(qiáng),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(jìn)中國, 1998年首次在石黃高速公路中進(jìn)行應(yīng)用,隨著人們對博尼維認(rèn)識的提高,博尼維已廣泛應(yīng)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(jīng)濟(jì)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(jī)理分析

　　當(dāng)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(fù)雜的相互作用,纖維對瀝青混凝土具有改性的效果,同時(shí)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(shí)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(nèi)是三向隨機(jī)分布的,并且截面纖細(xì),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(wǎng)絡(luò),縱橫交錯(cuò)的纖維形成的纖維骨架網(wǎng),增大了結(jié)構(gòu)瀝青比例,減薄了自由瀝青膜,使瀝青膠漿粘性增大,軟化點(diǎn)上升,溫度穩(wěn)定性得到大幅度提高。

　　同時(shí),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(diǎn)作用

　　縱橫交錯(cuò)的纖維所吸附的瀝青,增大了瀝青混凝土中結(jié)構(gòu)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(qiáng),軟化點(diǎn)提高,相對于傳統(tǒng)的瀝青膠漿而言,軟化點(diǎn)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(tuán),減少油斑出現(xiàn)的機(jī)率。同時(shí),在夏天高溫季節(jié),纖維內(nèi)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(jié)力;增加瀝青與礦料的粘附性、握裹力;通過油膜之間的粘結(jié),提高集料之間的粘結(jié)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(kuò)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(chǎn)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(kuò)展。纖維的咬合效應(yīng)對瀝青基體裂紋擴(kuò)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(shí)間、增強(qiáng)了彈性恢復(fù),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(jié)構(gòu)的某個(gè)部位開始產(chǎn)生微小裂紋,裂紋起點(diǎn)為疲勞源。對瀝青混凝土結(jié)構(gòu)來說,荷載、溫度及內(nèi)部不均勻結(jié)點(diǎn)的存在是疲勞破壞產(chǎn)生的主要因素,當(dāng)混合料受到荷載作用時(shí),裂紋尖端發(fā)生應(yīng)力集中,裂紋擴(kuò)展,當(dāng)裂紋尺寸達(dá)到臨界值時(shí),就出現(xiàn)失穩(wěn)擴(kuò)展,材料出現(xiàn)較大的裂縫直至破壞。由于三維隨機(jī)各向短纖維阻滯了裂紋的擴(kuò)展,增加了彈性恢復(fù),延長了材料失穩(wěn)擴(kuò)展、斷裂出現(xiàn)的時(shí)間,因而材料抗疲勞強(qiáng)度得到明顯改善。

3　施工注意事項(xiàng)

　　(1)對于摻加博尼維的瀝青混合料,應(yīng)該增加干拌時(shí)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(shí)間,因此拌和設(shè)備的生產(chǎn)能力下降20% ～30% ,進(jìn)行施工進(jìn)度計(jì)劃時(shí)應(yīng)充分考慮這部分時(shí)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(shí)驗(yàn)調(diào)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(yīng)比普通瀝青混凝土多碾壓1～2遍,才能達(dá)到理想的壓實(shí)效果。

4　實(shí)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(jìn)行了實(shí)驗(yàn)段的鋪筑,通過實(shí)驗(yàn),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(jìn)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(jìn)行了檢測對比,對行車道的檢測統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1。

　　2001年9月又對車轍進(jìn)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(jié)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(jìn)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(jià)在290 元/ t,博尼維的價(jià)格為4. 2萬元/ t,按每噸混合料摻加2. 5b計(jì)算,摻加完博尼維的瀝青混凝土的費(fèi)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(dá)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(jìn)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(jià)不是提高了,而是降低了。

6　結(jié)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(fù)能力增強(qiáng),具備良好的抗車轍能力;抵抗、延緩裂縫的能力增強(qiáng),平整度衰減減慢,能使瀝青面層保持良好的服務(wù)功能,能延長瀝青混凝土路面的壽命,具有很好的社會和經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

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