玄武岩短切纤维在市政道路建设中的应用

方良萍

(上海市政交通设计研究院有限公司，上海市 200030)

玄武岩短切纤维在市政道路建设中的应用

方良萍

(上海市政交通设计研究院有限公司，上海市 200030)

简要介绍了玄武岩短切纤维的性能及经济性分析，通过AC沥青混合料和SMA改性沥青玛蹄酯沥青碎石混合料掺加木质纤维和玄武岩短切纤维的试验数据，验证掺加玄武岩短切纤维比掺加木质纤维对沥青性能的改善，包括抗车辙能力、抗渗性及水稳定性。并通过经济性分析对比，论证玄武岩矿物短切纤维可以在更大范围内进行推广。

玄武岩短切纤维;抗车辙能力;水稳定性;经济性

1 背景资料

玄武岩纤维是一种高科技无机纤维材料，被业界誉为“石头变丝”的21 世纪新材料，它性能接近碳纤维，价格却比碳纤维低几倍甚至几十倍。玄武岩纤维以天然火山喷出岩为原料，经1500℃高温熔融后快速拉制而成的连续纤维，其外观为金褐色，具有卓越的耐高温、超低温、防水、低吸温性等特性。玄武岩纤维及其复合材料可以较好地满足国防建设、交通运输、建筑、石油化工、环保、电子、航空、航天等领域结构材料的需求，对国防建设、重大工程和产业结构升级具有重要的推动作用。无任何添加剂，是目前惟一无污染、不致癌的健康玻璃质纤维产品，在讲究绿色、环保、节约的今天，玄武岩纤维是一种理想的材料，具有广阔的应用前景和发展前景。

玄武岩短切纤维[1]是由相应的玄武岩纤维基材为原料短切而成，与沥青结合性好，能均匀分散在沥青混凝土中的无机矿物纤维。在《公路沥青路面施工技术规范》中明确提出“在沥青混合料中掺加的纤维稳定剂宜选用木质素纤维、矿物纤维等”“矿物纤维宜采用玄武岩等矿石制造”[2]。

大同属于煤都，重载交通较多，路面破损状况非常严重。为改善大同路面质量，通过在沥青混合料中掺加不同百分比的纤维(试验只掺加玄武岩纤维或木质纤维)，得出相关试验数据后进行结果比对，论证其对沥青混合料的改善作用。

试验以AC-16和SMA-13为对象，在沥青混合料中分别掺加一定比例的木质纤维和玄武岩纤维，通过试验得出参数，并对混合料的性能指标和经济指标进行分析比较，最终得出玄武岩矿物纤维具有超高性价比的结论。

大同市区最近5 a新建或改建的几条重载交通量大的主干路上面层采用的就是玛蹄脂沥青碎石混合料中掺加0.4%玄武岩矿物纤维，经过几年的运行，目前路面状况良好。

2 AC-16沥青混合料

通过表1试验数据可以看出，普通沥青和SBS改性沥青中掺加0.3%玄武岩纤维，沥青性能具有明显提升，普通AC基质沥青掺入少量玄武岩纤维可以使抗车辙能力提高近一倍，化学稳定性及水稳定性也有所提高，与掺加同量抗车辙剂相比性价比优势明。

表1 AC-16中玄武岩纤维掺加前后性能对照表

3 SMA-13沥青玛蹄酯碎石混合料

沥青玛蹄脂碎石混合料[3](SMA)公路沥青路面施工技术规范是近年作为路面材料在国内大中城市大量使用，由沥青、纤维稳定剂、矿粉及少量的细集料组成的沥青马蹄脂填充间断级配的粗集料骨架间隙而成。纤维作为SMA的重要组成部分，不但具有吸附沥青的作用，而且能起到加筋及稳定作用，在一定程序上提高了混合料的高温稳定性。研究结果也表明，纤维对SMA混合料的性能尤其是抗车辙性能有重要的作用，纤维的种类和掺量对SMA性能的影响将在接下来的章节中进行论述。

3.1 SMA-13中掺加0.3%木质纤维

马歇尔配合比试验结果见表2。

表2 马歇尔配合比试验

根据试验结果，确定最佳油石比为5.9%。

根据5.9%油石比制作混合料，进行谢伦堡沥青析漏试验、洛杉矶磨耗仪做的肯塔堡飞散试验、通过25℃下全自动马歇尔试验仪做的冻融劈裂试验结果见表3。

表3 析漏试验、肯塔堡飞散及冻融劈裂试验

根据5.9%油石比制作混合料，进行TR332浸水轮迹试验仪，按照轮碾成型的方法，成型温度控制在160℃～165℃，试验温度控制在60℃，轮压0.7 MPa，混合料车辙试验结果详见表4。

表4 车辙试验

根据5.9%油石比制作混合料，试件标准尺寸300 mm×300 mm×50 mm，根据HDSS-ZZ渗水仪和秒表计时的方法，试验结果详见表5。

表5 渗水试验

3.2 SMA-13中掺加0.4%玄武岩矿物纤维

马歇尔配合比试验结果见表6。

表6 马歇尔配合比试验

根据试验结果，确定最佳油石比为5.6%。

根据5.6%油石比制作混合料，进行谢伦堡沥青析漏试验、洛杉矶磨耗仪做的肯塔堡飞散试验、通过25℃下全自动马歇尔试验仪做的冻融劈裂试验结果见表7。

表7 析漏试验、肯塔堡飞散及冻融劈裂试验

根据5.6%油石比制作混合料，进行TR332浸水轮迹试验仪，按照轮碾成型的方法，成型温度控制在160℃～165℃，试验温度控制在60℃，轮压0.7 MPa，混合料车辙试验结果详见表8。

表8 车辙试验

根据5.6%油石比制作混合料，试件标准尺寸300mm×300mm×50mm，根据HDSS-ZZ渗水仪和秒表计时的方法，试验结果见表9。

表9 渗水试验

3.3 SMA-13中掺加玄武岩纤维、木质纤维各0.2%

马歇尔配合比试验结果见表10。

表10 马歇尔配合比试验

根据试验结果，确定最佳油石比为5.8%。

根据5.8%油石比制作混合料，进行谢伦堡沥青析漏试验、洛杉矶磨耗仪做的肯塔堡飞散试验、通过25℃下全自动马歇尔试验仪做的冻融劈裂试验结果见表11。

表11 析漏试验、肯塔堡飞散及冻融劈裂试验

根据5.8%油石比制作混合料，进行TR332浸水轮迹试验仪，按照轮碾成型的方法，成型温度控制在160℃～165℃，试验温度控制在60℃，轮压0.7MPa，混合料车辙试验结果见表12。

表12 车辙试验

根据5.8%油石比制作混合料，试件标准尺寸300 mm×300 mm×50 mm，根据HDSS-ZZ渗水仪和秒表计时的方法，试验结果详见表13。

表13 渗水试验

4 玄武岩纤维增强路用性能机理

纤维作为一种高强、耐久、轻质的增强材料，加入沥青混合料后，处于高温时，可对沥青起到加筋和吸附作用，减少路面的剪切变形，提高了混合料高温性能。

处于低温时，纤维可以分散荷载作用力和温度应力，由于纤维对沥青的粘附性，沥青的用量会随之增加，同时混合料的柔性也会得到提升，提高了混合料的低温性能。

常温下，纤维所具有的桥接作用可以使混合料的耐疲劳性能得到改善。

5 经济性分析

玄武岩矿物纤维目前的市场价格约20 000元/t，而国产木质纤维约8 000元/t，粗看起来，贵了不少。SMA-13掺加矿物纤维和玄武岩纤维的试验数据表明，玄武岩纤维比矿物纤维少用0.3%的改性沥青，目前改性沥青的市场价格大约7 000元左右。

以0.3%的木质素纤维用量和0.4%的矿物纤维用量来计算，每吨矿物纤维沥青混合料仅比木质素纤维混合料高20 000×0.4%-8 000×0.3%-7 000×0.3%=35元，每平方米沥青路面(4 cm厚，沥青混凝土2.5 t/m3)仅高35×1×0.04×2.5=3.5元。

每平方3.5元的初始成本增加，以上述路用性能的提高带来的运营期间养护费用降低，路面使用寿命的增加与交通通畅，加之其低碳环保的再生利用优势，其经济与社会效益是不言而喻的。

6 应用实例

大同市从2010年开始，开源街、云中路、恒安街、同泉路、平城街、文瀛东三路等几条主要城市主干道的沥青上面层采用的都是SMA-13掺加0.4%玄武岩矿物纤维，经过几年的重载交通检验，路面状况依然保持良好，取得了非常显著的效果，这说明玄武岩矿物纤维在大同取得了较大的成功，见图1、图2。

图1 同泉路照片

图2 云中路照片

7 结论

通过以上一系列的试验数据、经济分析，并结合工程案例，可以得出有关玄武岩矿物纤维的研究结论如下:

(1)性能优越

由于矿物质纤维可有效增大沥青的粘度与模量，因此可以显著提高沥青混合料抗车辙变形。

表4、表8、表12抗车辙试验结果说明，掺加玄武岩矿物纤维SMA动稳定度比掺加木质纤维SMA动稳定度大，并且随着玄武岩矿物纤维用量增加而增大。

(2)不影响混合料配合比

在不改变沥青混合料粗、细集料的级配，仅需根据现场试验数据对油石比进行小幅度调整。

(3)水稳定性好

玄武岩矿物纤维可有效吸附沥青，施工中防析漏和防泛油效果显著，同时增加了集料表面的结构沥青油膜厚度，防止了水对沥青与矿料界面的作用，增加了混合料的水稳定性，还有利于减缓沥青老化，延长路面的寿命。

(4)施工工艺简单

直接加入或采用送风设备掺加到拌合缸中，只需适当延长5～10 s的拌合时间和适当提高10℃～15℃的施工温度，拌合、摊铺、碾压按正常施工方法进行即可。

(5)可再生

玄武岩短切纤维是纯天然纤维，不会对环境造成污染，不会危害人体健康，其拌合而成的玄武岩短切矿物纤维沥青混凝土可再生使用。

(6)不增加沥青用量

玄武岩矿物纤维吸收沥青能力较弱，在改善沥青混合料性能的同时，反而减少了沥青用量。

(7)降低寿命期养护成本

每平方米3.5元的成本增加，带来以上诸多路用性能的提高，同时可以降低运营期间养护费用，增加路面使用寿命，加之其低碳环保的再生利用优势，其经济和社会效益不言而喻。

[1] JT/T776.1-2010，公路工程玄武岩纤维及其制品[S].

[2] JTG F40-2004，公路沥青路面施工技术规范[S].

[3] SHC F40-01-2002，公路沥青玛蹄脂碎石路面技术指南[S].

U414

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1009-7716(2015)11-0195-04

2015-07-08

方良萍(1985-)，男，江西抚州人，工程师，从事道路设计工作。