丁優(yōu)松

（浙江順暢高等級(jí)公路養(yǎng)護(hù)有限公司，杭州，310051）

摘要：在高溫及重荷載的共同作用下，車轍已成為浙江高速公路的典型病害之一，而玄武巖纖維是一種純天然、抗車轍能力和抗老化性強(qiáng)的新型環(huán)保材料，通過(guò)加玄武巖纖維瀝青混合料首次在杭金衢高速公路上罩面養(yǎng)護(hù)應(yīng)用，提高了試驗(yàn)段瀝青路面的抗車轍能力的實(shí)例，為今后高速公路車轍路面養(yǎng)護(hù)提供了一種新的工藝和方法。

關(guān)鍵詞：車轍  玄武巖纖維  罩面  養(yǎng)護(hù) 

1 前言

杭金衢高速公路金華段99.242公里，是國(guó)家規(guī)劃中的國(guó)道主干線“五縱七橫”之一橫——上海至云南瑞麗高速公路浙江省段的重要組成部分，為雙向四車道路面，于2002年底正式開(kāi)通運(yùn)營(yíng)，至2009年，此路段的日平均流量高達(dá)20360車次，在整個(gè)交通量中，小車約占60%，大型車輛（含貨車）約占20%，超載車輛約占20%，重載交通極其明顯。還有，浙江金華地區(qū)屬夏炎熱冬溫濕潤(rùn)區(qū)，近年來(lái)，該地區(qū)夏季高溫持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，氣溫高達(dá)38℃以上的罕見(jiàn)天氣增加，路表溫度常處于55~65℃之間，瀝青砼路面在高溫下，彈性降低，粘性、塑性增強(qiáng)，并且瀝青混合料是典型的簡(jiǎn)單熱流變材料，其力學(xué)特性對(duì)溫度和加荷方式與荷載大小具有高度的敏感性。故此路段的瀝青路面結(jié)構(gòu)層在高溫條件下承受著各種車輛荷載的直接作用，特別是在行車車速慢、流量大、重荷載多的路段，瀝青路面處于復(fù)雜應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，在水平力、豎向力共同反復(fù)作用下，瀝青路面在高溫狀態(tài)下就很容易產(chǎn)生流動(dòng)變形，產(chǎn)生永久變形和塑性流動(dòng)，從而引起了面層結(jié)構(gòu)層凹凸變形，尤其是在渠化交通和大超負(fù)荷的軸載頻繁作用下，其對(duì)瀝青混凝土路面的永久變形起到推波助瀾的作用，加快了瀝青混凝土路面車轍的形成。因此，在上述因素的共同作用下，車轍已成為杭金衢高速公路的典型病害之一，目前，杭金衢高速公路車轍路段多處于前期階段，瀝青混合料尚未產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性破壞，車轍多屬結(jié)構(gòu)型車轍和失穩(wěn)型車轍。在杭金衢高速公路金華段，車轍基本發(fā)生在主車道縱向輪跡帶上，尤其是上坡、互通區(qū)及收費(fèi)亭進(jìn)出口處等車速較慢部位。

瀝青路面車轍病害是我國(guó)高速公路瀝青路面的主要病害之一，也是養(yǎng)護(hù)行業(yè)中難以有效解決的一大難題。車轍的出現(xiàn)不僅降低了路面的平整度，而且危及到行車的穩(wěn)定性，當(dāng)車轍達(dá)到一定深度時(shí)，由于車轍槽內(nèi)積水，極易造成汽車漂滑而導(dǎo)致交通事故發(fā)生。車轍病害的引發(fā)，加劇了路面的早期破壞，車轍不僅導(dǎo)致行車舒適性、安全性下降，對(duì)行車安全構(gòu)成極大的威脅，甚至造成重大經(jīng)濟(jì)損失和廣泛的不良社會(huì)影響。目前，已成為杭金衢高速公路金華段路面主要病害之一的車轍病害，在多年的車轍病害處理探索中一直得不到有效解決的方法。經(jīng)分析，此路段出現(xiàn)的車轍主要與行車荷載、環(huán)境、路面材料等有很密切的關(guān)系。在我省，汽車軸重限制一直達(dá)不到有效的控制，2000年交通部雖然頒布了軸載限制辦法，但實(shí)施過(guò)程中尚存在諸多困難，當(dāng)務(wù)之急只能從瀝青混凝土路面的設(shè)計(jì)上入手，而改善路面在重載交通條件下高溫抗變形性能，減小路面的永久變形顯得尤為重要。因此，在采用水泥穩(wěn)定碎石作為半剛性基層的杭金衢高速公路金華段，提高瀝青混合料的高溫抗車轍能力是重載交通瀝青混凝土路面防治車轍最有效的途徑。為探尋科學(xué)有效的提高路面抗車轍能力的方法，確保高速公路安全暢通，并力求處治車轍病害簡(jiǎn)易方便、施工工期短、養(yǎng)護(hù)費(fèi)用低，杭金衢高速公路K143+512~K144+141衢向段于09年7月16日采用了加玄武巖纖維AC-13改性瀝青混凝土進(jìn)行罩面養(yǎng)護(hù)試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)段概況

經(jīng)實(shí)地路況調(diào)查，杭金衢高速公路K143+512~K144+141衢向段位于金麗溫樞紐衢向進(jìn)口處，并且此試驗(yàn)段為上坡路段，縱坡達(dá)3%。其中此路段中的衢向K143+512~K143+930段曾于07年9月進(jìn)行了車轍病害處理，當(dāng)時(shí)車轍處理前，路面病害主要表現(xiàn)為單一的車轍病害，基本無(wú)坑槽、裂縫等病害，其車轍平均深度達(dá)2.3cm，最深處達(dá)4.5cm，根據(jù)對(duì)取芯芯樣分析，各結(jié)構(gòu)層穩(wěn)定、密實(shí)，變形明顯，且層間粘結(jié)良好，但各瀝青砼結(jié)構(gòu)層厚度發(fā)生了明顯的、不同程度的形變。在杭金衢高速公路建設(shè)期，上面層瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)不合理，瀝青含量偏高（超過(guò)4.8%），減小了礦料之間的內(nèi)摩阻力；還有從車轍處取的芯樣看，石屑及礦粉用量過(guò)多，礦料級(jí)配未能形成良好的嵌鎖結(jié)構(gòu)。而07年在此路段采用的處理方案為銑刨上面層AK-13A一層，銑刨寬度為3.5m、厚度為4.5cm，回填料采用AC-13C改性瀝青砼。但衢向K143+512~K143+930路段通車至09年5月，此路段出現(xiàn)了二次車轍病害的現(xiàn)象，車轍普遍在1.4~1.7cm間，局部點(diǎn)高達(dá)2.0cm以上。

3 玄武巖纖維的技術(shù)特性和路用性能

玄武巖纖維是我國(guó)有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、創(chuàng)新開(kāi)發(fā)的一種新型路用礦物纖維，屬于非金屬的無(wú)機(jī)纖維，它是以純天然玄武巖礦石為唯一原料，在1450~1500℃熔融連續(xù)拉制而成。玄武巖纖維與碳纖維、芳綸、超高分子量聚乙烯纖維(UHMWPE)等高技術(shù)纖維相比，除了具有高技術(shù)纖維高強(qiáng)度、高模量的特點(diǎn)外，玄武巖纖維還具有耐高溫性佳、抗氧化、抗輻射、絕熱隔音、過(guò)濾性好、抗壓縮強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度高、適應(yīng)于各種環(huán)境下使用等優(yōu)異性能，且性價(jià)比好，是一種純天然、環(huán)保的無(wú)機(jī)非金屬材料，也是一種可以滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求的新的基礎(chǔ)材料和高技術(shù)纖維。將其摻入于水泥混凝土和瀝青混合料中均具有較強(qiáng)的阻裂抗裂、增強(qiáng)增韌作用，在瀝青路面中，短切玄武巖纖維既有良好的吸附和吸收瀝青的作用、分散作用、增粘作用、穩(wěn)定作用及對(duì)路面起到明顯的加筋和橋接作用，極大地提高了路面的柔韌性，從而很好地提高的瀝青路面的高溫抗車轍能力，有提高低溫抗裂性、抗疲勞性能以及抗水害性能等路用性能。

加入瀝青混凝土的玄武巖纖維根據(jù)纖維表面是否膨化處理，分為兩大類：一類是膨化短切纖維，該纖維的外觀標(biāo)志為表面明顯有“毛絨”狀，由于纖維的比表面大，有較強(qiáng)的吸附瀝青的能力；另一類是常規(guī)的短切纖維，是由玄武巖纖維無(wú)捻粗紗直接短切而成，表面未膨化處理，該纖維表面比較光潔，手感沒(méi)有明顯的“毛絨”狀。玄武巖纖維適用于各種等級(jí)的瀝青路面，特別適用于高溫地區(qū)、重交通路段及長(zhǎng)大縱坡路段。加玄武巖纖維瀝青混凝土與加聚酯纖維、木質(zhì)素纖維瀝青混凝土相比，具有如下明顯的特點(diǎn)： 

3.1由于纖維的耐高溫、耐低溫性（使用范圍為-269~650℃），與瀝青高溫拌合時(shí)，材料性能不會(huì)熱退化，更不會(huì)與瀝青發(fā)生化學(xué)或溶解反應(yīng)，可有效改變?yōu)r青低溫硬化、高溫軟化的狀況；

3.2防水浸蝕性能優(yōu)異、不吸水，吸濕率＜0.1%；

3.3彈性模量和拉伸強(qiáng)度高，其彈性模量達(dá)85~110GPa、拉伸強(qiáng)度達(dá)2800~3800MPa；

3.4吸音系數(shù)高，其吸音系數(shù)在0.9~0.99間；

3.5耐磨損且耐化學(xué)腐蝕；

3.6纖維與瀝青混凝土有很好的表面親和力；

3.7具有優(yōu)良的抗老化性能

3.8純天然環(huán)保，摻入纖維瀝青混合料或水泥混合料后可重復(fù)再生。

3.9短切玄武巖纖維礦物的化學(xué)成分是純天然的，具有極好的力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性能，經(jīng)表面膨化處理的短切玄武巖纖維既具有木質(zhì)素纖維較高的吸油率，又具有木質(zhì)素纖維和其它礦物纖維所具備的“加筋”增強(qiáng)作用和增韌作用，使用于瀝青混合料中具有更強(qiáng)的抗車轍能力。

3.10纖維吸附能力大小與纖維表面的粗糙程度、比表面積的大小、纖維的組成結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。纖維的增強(qiáng)或增韌效果主要取決于纖維的長(zhǎng)纖比、強(qiáng)度與韌性、密度以及纖維在材料中分散的取向性和其它物理力學(xué)特性。一般，纖維長(zhǎng)度與截面尺寸比例越大，纖維的增強(qiáng)效果越為明顯。玄武巖主要技術(shù)性能與聚酯纖維和木質(zhì)素纖維比較如下表：

4 試驗(yàn)方案及施工要點(diǎn)

本項(xiàng)試驗(yàn)?zāi)康氖峭ㄟ^(guò)加玄武巖纖維改善瀝青混合料性能，使其應(yīng)用于高速公路路面養(yǎng)護(hù)工作中，能提高瀝青路面的高溫穩(wěn)定性，能較大幅度地提高路面抗車轍、抗老化等能力，延長(zhǎng)道路的使用壽命，降低高速公路全壽命周期養(yǎng)護(hù)成本。

4.1罩面方案的確定

如何提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性是解決瀝青路面車轍的關(guān)鍵，瀝青混合料在高溫條件下的強(qiáng)度由兩部分組成，即礦料之間的嵌擠力與內(nèi)摩阻力、瀝青與礦料之間的粘聚力。根據(jù)庫(kù)侖的內(nèi)摩擦理論（τ≤C+σtgφ），在交通荷載正應(yīng)力一定的情況下，要提高瀝青混合料的剪應(yīng)力，主要通過(guò)提高混合料的粘聚力和內(nèi)摩擦角，改進(jìn)和提高瀝青混合料中瀝青結(jié)合料的性質(zhì)和集料的級(jí)配可以滿足以上要求。鑒于玄武巖纖維良好的特性和路用性能，為增強(qiáng)瀝青混合料的粘聚力，在09年杭金衢高速公路罩面工程中，主要是以SBS改性瀝青AC-13C混合料進(jìn)行罩面，故在本試驗(yàn)段是采用SBS改性瀝青AC-13C混合料中摻入一定量的玄武巖纖維以增強(qiáng)混合料的高溫穩(wěn)定性。

4.2配合比的設(shè)計(jì)

4.2.1加玄武巖纖維AC-13C改性瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)按馬歇爾試驗(yàn)方法進(jìn)行，其技術(shù)指標(biāo)要求同規(guī)范，本次試驗(yàn)采用的短切玄武巖纖維經(jīng)膨化處理，其長(zhǎng)度為6mm。設(shè)計(jì)級(jí)配結(jié)果為：10~15mm碎石∶5~10mm碎石∶0~5mm石屑∶礦粉=25∶33∶40∶2，其摻配結(jié)果如下表。

摻配結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

4.2.2添加玄武巖纖維不影響混合料的配合比設(shè)計(jì)，在任何摻量下均不改變?yōu)r青混合料的級(jí)配，僅需根據(jù)實(shí)際需要對(duì)油石比進(jìn)行微調(diào)，其瀝青用量比不加纖維時(shí)增加0.2%。本次試驗(yàn)本配合比中最佳油石比為4.8%，其用油量為4.6%。最佳油石比馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果如下表：

4.2.3玄武巖纖維的摻量，可根據(jù)所期望的抗車轍性能程度不同，添加不同摻量的纖維，在適當(dāng)摻量的前提下，隨纖維的用量增加抗車轍等性能逐漸增高，瀝青混合料的各項(xiàng)性能與纖維用量成線性的正比關(guān)系。本次試驗(yàn)中纖維用量為0.25%。

4.3施工注意事項(xiàng)

4.3.1短切玄武巖纖維應(yīng)保證干燥，有利用保證其在混合料中的分散性。

4.3.2混合料生產(chǎn)中要嚴(yán)格控制纖維用量，纖維對(duì)瀝青有較強(qiáng)的吸附力，過(guò)多或過(guò)少加入纖維均會(huì)影響混合料的最佳瀝青油石比。

4.3.3加玄武巖纖維改性瀝青AC-13C的正常施工溫度范圍參照規(guī)范。

4.3.4混合料拌和時(shí)，玄武巖纖維加入方式宜采用纖維投料機(jī)投入，利用纖維投料機(jī)自動(dòng)計(jì)量并隨拌合機(jī)的熱集料一起投入拌鍋，其干拌時(shí)間應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)5~15S。

4.3.5混合料攤鋪速度、攤鋪系數(shù)及其碾壓方法均可參照規(guī)范要求。

5 效果評(píng)價(jià)

5.1路用性能評(píng)價(jià)

對(duì)加玄武巖纖維改性瀝青AC-13C混合料進(jìn)行高溫穩(wěn)定性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，比較分析纖維對(duì)瀝青混合料高溫性能的改進(jìn)作用。從下表中可看出，加玄武巖纖維AC-13C改性瀝青砼的動(dòng)穩(wěn)定度比AC-13C改性瀝青砼有明顯提高，提高了21%。

車轍試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比匯總表(AC-13C改性瀝青混合料)

從本次試驗(yàn)結(jié)果看，保證玄武巖纖維在混合料中均勻分散是確保其增強(qiáng)增韌瀝青混合料的最主要環(huán)節(jié)。從外觀上看，本試驗(yàn)路段整體良好，表面無(wú)泛油、無(wú)松散現(xiàn)象；從取芯的情況看，路面整體結(jié)構(gòu)層良好，罩面層與老路面粘結(jié)緊密；從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)體試驗(yàn)看，壓實(shí)度達(dá)99%，滲水系數(shù)分別為194ml/min、143ml/min、154ml/min，擺式儀檢測(cè)結(jié)果抗滑值分別為71BPN、68BPN、77BPN，工鋪砂法檢測(cè)結(jié)果路面構(gòu)造深度為0.62mm、0.78mm、0.67mm，上述數(shù)據(jù)均表明其路面性能良好，均能很好滿足規(guī)范要求。

5.2經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)

從處理效果上看，加玄武巖纖維改性瀝青砼AC-13良好的動(dòng)穩(wěn)定度極大提高了其路面的高溫穩(wěn)定性，加上其為無(wú)機(jī)化合物，有良好的耐久性，減少了路面發(fā)生二次車轍的現(xiàn)象，故采用加玄武巖纖維改性瀝青砼AC-13處理車轍能提高路面養(yǎng)護(hù)質(zhì)量，提高了路面使用壽命，從而降低了日后路面的養(yǎng)護(hù)費(fèi)用，體現(xiàn)了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

5.3社會(huì)效益評(píng)價(jià)

隨著國(guó)內(nèi)交通事業(yè)的迅速發(fā)展，瀝青路面里程也隨之迅速增長(zhǎng)，從而導(dǎo)致瀝青路面病害處理產(chǎn)生的黑色污染將越發(fā)嚴(yán)重。玄武巖纖維延長(zhǎng)了路面使用壽命，減少了車轍病害銑刨處理所產(chǎn)生的廢料，減輕了環(huán)境污染的壓力，并且所需的資源、能源也明顯減少，并且此材料為天然環(huán)保型材料，不影響此瀝青混合料的回收利用，充分體現(xiàn)了資源節(jié)約、環(huán)境友好及高速公路安全暢通等良好的社會(huì)效益，對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，緩解環(huán)境和橡膠資源匱乏帶來(lái)的壓力起到積極的作用，并可作為國(guó)內(nèi)高速公路提高抗車轍能力提供一種新的材料和保障。

6 結(jié)束語(yǔ)

從提高瀝青混合料高溫穩(wěn)定性方面出發(fā)，通過(guò)采用加玄武巖纖維方法在杭金衢高速公路具有典型車轍病害的上坡和互通樞紐路段中的罩面養(yǎng)護(hù)成功應(yīng)用，為日后道路養(yǎng)護(hù)維修提供了一種新技術(shù)，尤其是在車流量繁重的瀝青路面，其不僅在經(jīng)濟(jì)效益方面，還是在社會(huì)效益方面都取得了雙贏的局面。并且此技術(shù)可推廣至新建瀝青路面中應(yīng)用，具有一定的推廣價(jià)值和應(yīng)用前景。

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