聚合物纤维在沥青混凝土路面的应用

摘要:沥青混凝土加筋技术是一项能较好改善沥青混凝土路面质量县经济实用的高新技术。文章从中山市小榄镇民安路改造工程实例出发,结合工程实验数据和相关理论研究结果对聚合物纤维沥青混凝土在市政道路工程中的设计应用进行了论述。在此项工程别运用了德兰尼特沥青道路专用纤维作为稳定、增强添加剂用于沥青路面,取得了很好的效果。

关键词:聚合物纤维;沥青混凝土;德兰尼特;纤维掺量;道路工程

中图分类号:U416文献标识码:A文章编号:1009-2374 (2010)13-0074-02

伴随着经济建设高速发展,现代化的交通特性对于道路沥青路面建设质量提出了越来越多的要求,传统的沥青混合料技术有时已经无法满足现代工程建设的要求,越来越多的新型材料正在逐步进入到沥青路面技术领域。其中,沥青混凝土加筋技术是一项能较好改善沥青混凝土路面质量且经济实用的高新技术。它能显著改善沥青混凝土的耐久性、高温稳定性、低温抗裂性等一系列路面性质,所以在近年来的我国公路建设、城市道路建设中得到了广泛应用。本文结合中山市小榄镇民安路改造的工程实例论述聚合物纤维-德兰尼特道路专用纤维在沥青混凝土路面的应用效果。

中山市小榄镇民安路位于小榄镇中心镇区,是小榄镇南北向的一条重要的交通干道,南端与规划中的沙水公路-民安路立交隧道相连,北部与长堤路相连,是小榄镇重要的商业干道。因此,民安路改造工程对道路路面质量有着更高、更特殊的要求。为此,我们在此工程别运用了德兰尼特沥青道路专用纤维作为稳定、增强添加剂用于沥青路面,并取得了很好的效果。

一、德兰尼特纤维的技术性能

(一)纤维的技术参数

德兰尼特纤维是一种有机合成纤维-聚丙烯晴纤维,具有强度高、不溶解、吸附性强、在溶剂中不膨胀、化学性质稳定等特点。其分子链长,截面呈花生果状,1g纤维含有170万根4mm长的纤维,用0.1%的德兰尼特纤维加入沥青混合料中,则每克混合料可含1700根纤维。德兰尼特纤维具有高模量,高强度,低质量等显著优点,主要技术参数见表1:

表1德兰尼特纤维技术参数表

名称 参数 名称 参数

纤度(dtex) 1.9 颜色 淡黄

纤维直径 13μm 密度 ≥1.18g/m3

切断长度 6mm 抗拉强度 >910MPa

纤维数/克 870000 最大拉伸率 8%~12%

(二)耐热性

为了使纤维能在沥青混合料中分布均匀,应先将纤维在拌缸中与高温集料干拌混合,因而纤维必须能够承受180℃～200℃的高温,而不发生物理和化学变化,德兰尼特纤维可耐240℃的高温,具有很好的耐高温性能。

(三)吸油性

纤维的吸油性与纤维的细度、表面结构及其与矿物油的相溶性有关,德兰尼特纤维的吸油率为6.6g/g(纤维的吸油量和纤维自重的比),相当于在160℃～170℃温度下吸持沥青的能力。

(四)与沥青的粘附性

取纤维2g,与热沥青充分拌和均匀,直筛网上率去多余的沥青,然后转移到干净的烧杯中,称重后加水煮沸30min,测定残留在纤维上沥青重量的百分率,以粘率Sn(%)表示,德兰尼特的粘附性为100%,测定的石灰石的Sn=85%,砂岩的Sn=22%。由此可以看出,纤维与沥青具有较强的粘附能力。

二、纤维在沥青混合料的作用机理

掺加了德兰尼特纤维的沥青混合料可以认为由两部分组成:一是由粗集料构成的骨架结构;二是由沥青、矿粉和纤维组成的沥青砂浆。在组成上与普通混合料相比,增加了德兰尼特纤维,构成了它在组成结构上的特点。

(一)纤维的吸附作用

德兰尼特纤维直径为13μm,有很大的比表面积,每克纤维提供的表面积可达数平方米。纤维分散在沥青中,其巨大的表面积成为浸润面。在界面层中,沥青和纤维之间产生物理和化学作用,使沥青成单分子排列在纤维表面,形成结合力牢固的结构沥青界面层。结构沥青比界面层以外的自由沥青粘结性强。与此同时,由于纤维及其周围的结构沥青一起裹覆在集料表面,使集料表面沥青膜增大,同普通混合料相比,沥青膜增厚约65%～110%。沥青表面的沥青膜,有利于减缓沥青老化的速度,延长路面使用寿命。

(二)纤维的稳定作用

纵横交错的纤维所吸附的沥青,增大了结构沥青的比例,减少了自由沥青,使沥青砂浆的粘滞性增强,软化点提高,其提高的程度比传统沥青混合料中沥青砂浆的软化点要提高20℃以上,从而使沥青混合料温度稳定性提高。

(三)纤维的加劲作用

在我国民间,常在抹墙的灰浆中掺加纸筋、切碎的稻草杆,可以起到防止灰浆开类、增加强度的作用,这就是纸筋的加劲作用。在德兰尼特纤维混合料中,纤维是三维随机分布,且由于数量众多,在混合料中广为分布,这些纤维对混合料的开裂起到阻滞作用,从而提高了沥青路面裂纹的自愈能力,减少裂缝的出现。

(四)纤维的增韧作用

德兰尼特纤维对于沥青还具有增韧作用,能够增强对集料的握裹力,保证沥青路面的整体性而不易松散,提高了沥青混合料的低温抗裂性。

三、设计与施工

(一)工程试验数据

为了更好的说明沥青加筋后的明显效果,我们对用于民安路改造工程的同一批沥青混凝土混合料在掺加纤维前后的主要技术指标进行了对比检测。根据中山市公路工程公司提供的民安路改造工程沥青混凝土配合比检测报告,民安路沥青混凝土面层加纤前后对比试验如表2:

表2沥青混凝土对比试验

检测项目 项目名称 检测结果

加纤前 加纤后

马歇尔 稳定度(kN) 11.9 13.2

流值(0.1mm) 27.0 33.5

密度(g/cm3) 2.53 2.43

车辙 动稳定度(次/mm) 4130 5950

拉强度 冻前劈裂抗拉强度(MPa) - 1.56

冻后劈裂抗拉强度(MPa) - 1.42

冻融劈裂抗拉强度比(%) 85.3 91.02

试验说明:混凝土类型SAC-13,沥青种类AH-70,沥青含量5.3%,德兰尼特纤维含量0.25%。由试验检验结果可以得出如下相关结论:

1.加入德兰尼特纤维后,沥青混合料的密度减少,这是因为加入的纤维质量虽然比较轻,但是在加入到沥青混合料中后仍需占用一定的空间,在同样的压实条件下,密度有所降低,稳定度和流值均增大。

2.沥青混凝土在加入纤维后动稳定度得到了明显的提高,上述试验中提高了约40%,同样可以得出的结论就是在广东中山这个高温多雨的地区,车辙现象能够得到明显改善,这一点在南方地区是非常重要的。

3.本次检测没有检测加纤前沥青混凝土的冻前及冻后的劈裂抗拉强度,但从加纤后的沥青混凝土该项指标可以看出冻前及冻后的劈裂抗拉强度均高于相应规范要求。加入了德兰尼特纤维后沥青混凝土冻融劈裂抗拉强度比为91.02,较原沥青混合料提高了5.7%。

加入德兰尼特纤维后的混凝土劈裂强度满足规范要求,动稳定度加大,试验结果为小榄镇民安路改造工程采用德兰尼特纤维沥青混凝土的设计思路提供了科学的依据。

(二)纤维掺量的确定

从本工程的试验结果看,纤维加入后,随着纤维剂量的增加,混合料的变形速率减少,而动稳定度增加,且出现了一个峰值,而后纤维剂量再增加,动稳定度却出现缓慢的下降趋势,这表明:

1.纤维加入后,纤维剂量不大时,其分散性较好,与沥青结合性能强,通过纤维的加筋作用和对沥青的稳定作用,使混合料高温性能提高,但因其纤维剂量小,对混合料的加筋和对沥青稳定作用也较小,对动稳定度改善幅度不是很大。

2.纤维剂量进一步增加后,其高温性能进一步增强,并有一最大值。由混合料的纤维剂量-动稳定度曲线的峰值看,纤维对混合料高温性能改善作用有一最佳剂量,此时纤维对沥青的稳定作用和对混合料的加筋作用达到最佳。

3.当纤维剂量超过最佳剂量后,动稳定度反而出现缓慢下降。这是因为纤维用量过大后,纤维分散均匀性下降。只有分散开的纤维才对沥青混合料起稳定和加筋作用,那些没有分散的纤维结团成束后,成为了混合料的“瑕点”,使较大的矿料颗粒被挤开,混合料的稳定性能出现缓慢下降现象。

所以,过量的纤维掺量并不能发挥其有效的作用,反而会带来负面影响,增加建设成本。在此工程设计中,该工程按照规范规定的动稳定度最小值进行控制,通过试验拟合动稳定度与纤维掺量的关系曲线,得到其经济掺量,此经济掺量一般为0.2%～0.25%。

一般而言,SAC-20混合料的动稳定度比SAC-13的动稳定度要大,但从改善的幅度来看,集料细的沥青混合料比集料粗的沥青混合料改善的幅度要大,效果要好。所以,应该是在本工程中的下面层SAC-20型沥青混合料中添加德兰尼特纤维对减少车辙最有效。但该工程由于是旧路改造,在局部路段仅需要加铺一层4cm左右的新沥青面层即可。所以,在设计时,我们统一在4cm厚的SAC-13沥青面层中添加德兰尼特纤维,掺入量为每吨沥青混合料掺德兰尼特纤维2.5kg。

(三)混合料的施工要点

掺加德兰纤维的沥青混凝土施工时对原材料要求与不添加纤维时完全相同,只是在混合料拌和时应先与集料干拌10s左右,然后再加入沥青进行湿拌25～30s。其它操作工艺与不添加纤维时类似。在拌和及施工时应注意以下几项:

1.德兰尼特纤维与砂石料的拌合时间一定要根据添加的纤维量大小在原拌合的基础上合理延长3～10s。

2.德兰尼特纤维与沥青的湿拌合时间为25s左右,即热混合时间应不小于25s。拌合的沥青混合料应均匀无花白、无结团或明显的粗细集料分离现象。

3.在加入0.25%的德兰尼特纤维后,沥青最佳油量应提高0.1%～0.3%。

4.德兰尼特纤维沥青混凝土摊铺温度要控制在120℃左右,选用普通沥青混凝土的松铺系数进行摊铺。摊铺完毕后,压路机应比平常多碾压2～3遍,使之更加密实。

四、结论

从本工程的工程造价看,德兰尼特纤维市场价格在50元/kg,按照民安路0.25%的添加剂量及4cm的面层厚度计算,德兰尼特纤维较普通沥青混凝土工程造价增加约12.5元/m2,投资增加不多。从工程质量来看,改造后的民安路通车已经一年多,经过我们的观察来看,与同期施工的中山市其他同等级的普通沥青混凝土路面相比路面状况有较明显的改善,特别是在主要交叉路口及公交停靠站附近,普通沥青混凝土已经有轻微的车辙征兆出现,但在民安路上根本看不到一点迹象。实践证明:民安路上的德兰尼特纤维沥青混凝土的尝试使用在目前看来取得了良好的效果,具有良好的社会效益及经济效益。同时也为新材料、新技术在道路工程界的推广使用提供了又一成功范例。

作者简介:吴向鹏 (1979-),男,湖北人,中山市规划设计院工程师,研究方向:路桥设计。