利用面積法計(jì)算加纖維瀝青混凝土瀝青增量淺析

史建方

(河北省青銀高速公路管理處)

1 概 述

為解決瀝青路面的使用壽命不足和路面的早期損壞問題,近年來,在瀝青混合料中加入纖維材料也逐漸成為重要的研究應(yīng)用方向。以纖維的加筋和橋聯(lián)作用來改善瀝青混合料的韌性和破壞過程,提高抗車轍能力和抗低溫裂縫能力,延緩疲勞壽命。本文就以近年來應(yīng)用較為廣泛的博尼維(BoniFibers)纖維為例對(duì)瀝青用量的影響進(jìn)行研究探討。

2 纖維的物理指標(biāo)

BoniFibers于1998年引進(jìn)中國(guó),是1970年由美國(guó)Du-Pont(杜邦)公司的化學(xué)工程師BoniMartinez研制開發(fā)的,在我國(guó)多省份高速公路、省道、國(guó)道項(xiàng)目進(jìn)行了應(yīng)用。其主要物理指標(biāo)如下。

直徑:0.02mm±0.0025mm;長(zhǎng)度:6.35mm± 1.58mm;比重:1.36±0.04。

根據(jù)道路交通量的輕重,廠家推薦的摻加量分別為2.5、 5.0、7.5磅/t瀝青混合料。

3 纖維對(duì)瀝青用量的影響

瀝青混合料加入纖維后,瀝青用量會(huì)有所增加,但究竟應(yīng)增加多少目前尚未見有人進(jìn)行過深入研究,以AC-16 (I)級(jí)配為例,從表面積理論進(jìn)行探討。

3.1 比表面積的概念

比表面積指單位質(zhì)量的物體的表面積大小。假定當(dāng)?shù)V料為立方體時(shí),則邊長(zhǎng) L的石料表面積為 6L2,體積為L(zhǎng)3,質(zhì)量M=ρL3,則比表面積為

6L2/(ρL3)=6/(ρL)

3.2 礦料的總表面積計(jì)算

(1)礦料的級(jí)配和密度

以AC-16(I)級(jí)配為例進(jìn)行計(jì)算,級(jí)配和密度指標(biāo)見表1。

試驗(yàn)實(shí)測(cè)粗集料(＞4.75mm)密度為2.697g/cm3,細(xì)集料(0.075～4.75mm)密度為2.698g/cm3,礦粉密度2.7202698g/cm3。

(2)礦料表面積計(jì)算

假定礦料為立方體,篩余為M(g),礦料平均尺寸(取篩孔中值)為L(zhǎng)(cm),密度為ρ(g/cm3),則面積S=6M/(ρL)。

如果密度 ρ相同,礦料尺寸及篩余分多級(jí),則上式可化S=(6/ρ)×(∑M/L)

因而對(duì)照表 1,單位質(zhì)量(100g為例)礦料的粗集料(＞4.75mm)表面積

Sc=6/2.697×(2.5/1.75+15.0/1.46+14.5/1.135+ 15.5/0.7125)=108.85cm2

細(xì)集料(0.075～4.75mm)表面積

Sf=6/2.698×(11.5/0.3555+11.0/0.177+8.0/0.089+ 6.0/0.045+5.0/0.0225+5.0/0.01125)=2189.14cm2

由于礦粉中小于0.004mm的顆粒極少,取0.004mm做為計(jì)算的下限。

礦粉的平均尺寸為(0.075mm+0.004mm)/2=0.0395mm,因而礦粉表面積

Sa=6/2.720×(6.0/0.00395)=3350.71cm2礦料總表面積為粗、細(xì)集料和礦粉面積之和,即

S=108.85+2189.14+3350.71=5648.7cm2

通過計(jì)算可以看出,大于＞4.75mm的粗集料只占礦料總表面積的1.93%,細(xì)集料(4.75～0.075mm)占38.76%,礦粉占59.32%。由于礦粉的用量?jī)H為 6.0%,而面積卻占到礦料總表面積的近 60%,可見礦粉用量對(duì)瀝青用量的影響之大,所以瀝青混合料設(shè)計(jì)中強(qiáng)調(diào)要求適宜的粉油比(粉膠比)是很有必要的。

3.3 纖維表面積計(jì)算

纖維摻量按推薦的 2.5磅/t瀝青混合料外摻,折合每噸瀝青混合料外摻1.135kg,瀝青用量按4.5%進(jìn)行計(jì)算,每噸瀝青混凝土礦料重量為 0.955t,則纖維與礦料的比例為1.135kg∶0.955t,折合0.119g/100g。根據(jù)前面所列纖維的基本技術(shù)參數(shù)計(jì)算

每根纖維的質(zhì)量為

M=π×(D/2)2×L×ρ=3.142×(0.02mm/2)2× 6.35mm×1.36×10-3=2.71×10-6g

0.119 g纖維共有 0.119/2.71×10-6=4.39×104根

每根纖維的表面積

S=π×D×L=3.142×0.02mm×6.35mm×10-2= 3.99×10-3cm2

纖維的總表面

據(jù)前計(jì)算的單位質(zhì)量的礦料面積,則纖維面積與礦料總面積之比為175.16/5648.7=3.1%。

3.4 瀝青用量增量范圍的確定

如果未摻加纖維的瀝青混合料瀝青用量為 4%～5%之間,摻加2.5P/T纖維后,表面積增加3.1%,按瀝青平均分?jǐn)傆谶@些表面積上,則纖維摻量為 2.5P/T的瀝青混合料的瀝青增加量為0.12%～0.16%,按7.5P/T的纖維摻量計(jì)算時(shí),瀝青增加量為0.36%～0.48%。

考慮到纖維與石料對(duì)瀝青吸持能力的差異,以及理論計(jì)算的誤差等因素,同時(shí),由于普通瀝青混合料在確定瀝青用量時(shí),對(duì)于寒區(qū)、熱區(qū)及渠化交通的道路有一定范圍的上下調(diào)整,所以加纖維瀝青混凝土的瀝青增加量的范圍應(yīng)在0～0.6%范圍內(nèi)確定。

4 結(jié) 語

石(家莊)—黃(驊)高速公路鋪筑了4km的博尼維(BoniFibers)試驗(yàn)段,通過馬歇爾試驗(yàn)確定的最佳瀝青用量與通過表面積計(jì)算分析得出的瀝青用量密切吻合,通車以來,局部出現(xiàn)任何泛油、松散等由于瀝青用量問題引發(fā)的病害,明顯優(yōu)于普通瀝青混凝土路面,表現(xiàn)出良好的抗高溫車轍和抗低溫開裂能力,表面服務(wù)功能良好,表明通過表面積計(jì)算預(yù)估確定加纖維瀝青混凝土瀝青用量的方法是合理、可行的。

[1] 劉中林.大粒徑瀝青混合料LSAM組成設(shè)計(jì)和路用性能研究[D].長(zhǎng)安大學(xué)博士論文,2002.

[2] 沈金安.瀝青及瀝青混合料路用性能[M].人民交通出版社, 2001.