加纤维沥青混凝土沥青用量的确定
河北省青(岛)银（川）高速公路筹建管理处（石家庄市 050021）
【内容摘要】：加纤维沥青混凝土是近年来沥青路面研究的一个新方向，加入纤维后，使得沥青混凝土的高、低温和水稳定性得到明显提高和改善。
同时，由于纤维的加入，原沥青混凝土的沥青用量会有所增加，本文从比表面积的角度进行分析，定量的计算出矿料和纤维的总表面积，从而计算出纤维面积对矿料总表面积的影响，为确定加纤维沥青混凝土的沥青用量提供依据。
关键词：沥青混凝土纤维比表面积沥青用量
1.0概述
现代交通对高等级公路沥青路面提出了更高的要求，经过国外几十年和国内十几年的高等级公路建设实践，沥青路面普遍存在突出的工程问题是路面的使用寿命不足和路面的早期损坏。
目前，在改善和提高沥青混合料的路用性能方面主要有两个大的研究方向和技术应用：一方面是改善矿质混合料的级配来提高沥青混合料的高温抗变形能力，如沥青玛蹄脂碎石（SMA）结构、多碎石（SAC）结构、大粒径沥青混凝土（LSAM）等；另一方面是通过改善沥青性能品质来提高沥青混合料的粘聚力，增强抵抗变形能力，如SBS 改性沥青、SBR改性沥青、PE改性沥青等。
近年来，在沥青混合料中加入纤维加筋材料以改善其整体的物理力学性能，也逐渐成为重要的研究应用方向。
本文就近年来应用较为广泛的博尼维（BoniFibers）纤维对沥青用量的影响进行研究探讨。
2.0博尼维（BoniFibers）纤维的物理化学性能
博尼维是1970年由美国DuPont(杜邦)公司的化学工程师Boni Martinez研制开发的，这种纤维就以他的名字命名并由KAPEJO公司拥有该项专利。
BoniFibers于1998年引进中国，首次在新疆高速公路、河北省石黄高速公路应用，辽宁、吉林、黑龙江、山东等省份的省道、国道项目也进行了应用。
其主要物理化学性能指标如下：
直径：0.02mm±0.0025mm
长度：6.35mm±1.58mm
比重：1.36±0.04
颜色：自然色（白色）
熔点温度：大于249℃
燃点温度：大于556℃
抗拉强度：517MPa±26Mpa
断裂延伸度：33%±9%
根据道路交通量的轻重，厂家推荐的掺加量分别为2.5、5.0、7.5磅/吨沥青混合料。
3.0博尼维纤维的作用
当纤维加入到沥青混凝土中，纤维与周围基体（沥青以及沥青胶浆）、纤维与纤维之间存在着复杂的相互作用，根据各种理论分析的结果，纤维不但对沥青具有改性的效果，同时还会显著的影响沥青混合料的韧性和破坏过程，即具有改性、加筋和桥联作用，显著的提高沥青混凝土的抗车辙能力和抗低温裂缝能力，延缓疲劳寿命。
4.0博尼维纤维对沥青用量的影响
沥青混合料加入纤维后，沥青用量会有所增加，但究竟应增加多少目前尚未见有人进行过深入研究，本文以AC-16 (I)级配为例，从表面积理论进行探讨。
4.1比表面积的概念
比表面积指单位质量的物体的表面积大小。
当矿料为立方体时，则边长L的石料表面积为6L2，体积为L3，质量M=ρL3，则比表面积为：
6L2/（ρL3）=6/（ρL）
假定矿料为球体时，比表面积为6/（ρD），D为球体直径，ρ为矿料的粒径。
4.2矿料的总表面积计算
4.2.1矿料的级配和密度
以AC-16 (I)级配为例进行计算。
级配和密度指标见表4.1和表4.2。
沥青混合料级配组成表表4.1
粗、细集料、矿粉密度表（g/ cm3）表4.2
4.2.2矿料表面积计算
假定矿料为立方体，矿料总质量为100g，筛余为M（g），平均尺寸为L（cm），密度为ρ（g/cm 3），则面积S=6M/（ρL）。
如果密度ρ相同，矿料尺寸及筛余分多级，则上式可化S=（6/ρ）*（ΣM/L）
因而粗集料（>4.75 mm）表面积
Sc=6/2.697*（2.5/1.75＋15.0/1.46＋１４.5/1.135＋15.5/0.7125）=108.85 cm2。
细集料（0.075～4.75 mm）表面积
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)=2189.14 cm2。
由于矿粉中小于0.004 mm的颗粒极少,取0.004 mm做为计算的下限。
矿粉的平均尺寸为（0.075mm+0.004mm）/2=0.0395mm，因而矿粉表面积
Sa=6/2.720*(6.0/0.00395)=3350.71 cm2
矿料总表面积为粗、细集料和矿粉面积之和，即
S=108.85+2189.14+3350.71=5648.7 cm2。
通过计算可以看出，大于>4.75 mm的粗集料只占矿料总表面积的1.93%，细集料（4.75-0.075 mm）占38.76%，矿粉占59.32%。
由于矿粉的用量仅为6.0%，而面积却占到矿料总表面积的近60%，可见矿粉用量对沥青用量的影响之大，所以沥青混合料设计中强调要求适宜的粉油比（粉胶比）是很有必要的。
4.3纤维表面积计算
纤维掺量按推荐的2.5磅/吨沥青混合料外掺，折合1.135kg/吨沥青混合料，沥青用量按4.5%进行计算，则纤维与矿料的比例为0.119g/100g。
纤维的基本技术参数如下：
直径D=0.02mm±0.0025mm
长度L=6.35mm±1.58mm
密度ρ=1.36±0.04（g/ cm3）。
每根纤维的质量为M=π*（D/2）2*L*ρ
=3.142*（0.02mm/2）2*6.35mm*1.36*10-3
=2.71*10-6g
0.119g纤维共有:0.119/2.71*10-6 = 4.39*104 根
每根纤维的表面积S=π*D*L
=3.142*0.02mm*6.35mm*10-2
=3.99*10-3 cm2
=4.39*104 *3.99*10-3 cm2
纤维的总表面S
总
=175.16 cm2
纤维面积与矿料总面积之比为:175.16/5648.7=3.1%。
4.4沥青用量范围的确定
如果未掺加纤维的沥青混合料沥青用量为4%-5%，掺加2.5P/T纤维后，表面积增加3.1%，按沥青平均分摊于这些表面积上，则纤维掺量为2.5P/T的沥青混合料的沥青增加量为0.12%-0.16%，即增加3.1%。
按7.5P/T的纤维掺量计算时，沥青增加量为
0.36%-0.48%。
考虑到纤维与石料对沥青吸持能力的差异，以及理论计算的误差等因素，同时，由于普通沥青混合料在确定沥青用量时，对于寒区、热区及渠化交通的道路有一定范围的上下调整，所以加纤维沥青混凝土的沥青增加量的范围应在0.0 %-0.6%范围内确定。
基于以上分析，建议采用以下方法确定加纤维沥青混凝土的沥青用量：
(1)按照马歇尔试验法进行组成设计，确定不掺加纤维的最佳用油量OAC；
(2)根据比表面积理论计算结果，取OAC，OAC+0.15%，OAC+0.3%，OAC+0.45%，OAC+0.6%五组作为加纤维沥青混合料的用油量范围制备马歇尔试件；
(3)测定物理力学指标；
(4)进行马歇尔试验结果分析，确定加纤维沥青混凝土的最佳用油量OAC
；
F
(5)进行水稳定性检验；
(6)进行抗车辙能力检验。
如果符合第(5)条和第(6)条的检验，则取OAC
作为确定的最佳沥青用量。
值得指出
F
的是，由于加纤维沥青混凝土是近年来的新生事物，尚没有制订明确的物理、力学对应指标，各项试验应按照规范中的马歇尔试验技术指标进行。
5.0结语
石（家庄）--黄（骅）高速公路石家庄至辛集段1998年竣工通车，该段铺筑了4KM 的博尼维（BoniFibers）试验段，通车三年半以来，未出现任何泛油、松散等由于沥青用量问题引发的病害，表现出良好的抗高温车辙和抗低温开裂能力，表面服务功能良好，表明确定加纤维沥青混凝土沥青用量的方法是可行的。
参考文献
【1】刘中林著《大粒径沥青混合料LSAM组成设计和路用性能研究》,长安大学博士论文,2002.3,西安.
【2】沈金安主编《沥青及沥青混合料路用性能》人民交通出版社,2001年第一版,北京.。