编织经久耐用的公路美衣
——国内高速公路首次大规模应用特种玄武岩矿物纤维
图/文 冯帆
玄武岩，第一次认识这个名词还是在中学的地理课本里。依稀记得，玄武岩与大理岩石灰岩并称三大岩石，如何区分三者的特性经常会被当作考题出现在试卷上。和很多人一样，那时，记者对玄武岩的印象是坚硬、耐高温。多年后再次了解这种矿物材料，竟然是在湖南郴（州）宁（远）高速公路的路面上。在这段百余公里的高速公路上，建设者们开全国之先河，全线使用特种玄武岩矿物纤维作为S M A－13的纤维稳定剂，以实现沥青路面耐老化、抗疲劳损伤、抗车辙变形、抗冻融及早期水损害等性能。有专家表示，这项应用将大幅提高路面的承载能力及使用寿命。
那么，掺有特种玄武岩矿物纤维的S M A－13沥青路面，真的结实耐用吗？新材料的应用推广是否一帆风顺？施工建设中遇到了哪些难点？郴宁高速公路通车半年后，带着上述疑问，本刊记者前往湖南省高速公路管理局和湖南省交通科学研究院一探究竟。
郴宁高速公路
郴州至宁远高速公路于2012年12月23日建成通车,起于湖南省郴州市苏仙区坳上镇水龙村，止于永州市蓝山县祠堂圩镇，主线全长104.22公里，地形、地质复杂，工程量和施工难度都很大。汝郴、郴宁、宁道三条高速公路首尾相接，共同描绘出厦蓉国家高速公路（G76）湖南段的全貌。郴宁高速项目的建成通车，将贵通湖南与福建、台湾的高速通道，为沿线的经济社会发展提供更广阔的舞台。
■ 郴宁高速作为郴州市内唯一一条横贯东西的高速公路，承担着光荣的历史使命。建设一条既好看又耐磨的高速公路，是所有参建单位的共同追求。（图为郴宁高速雷堡坳大桥）
更新换代： 玄武岩矿物纤维将刷新历史
早在2008年项目开工伊始，郴宁高速的路面级配模式就锁定为S M A结构。“S M A是一种间断级配的粗集料骨架嵌挤密实结构。”曾任郴宁高速公路建设业主方负责人的杨献章向记者介绍，正是因为S M A使用了较多的矿粉和沥青结合料，纤维几乎成了S M A的必须成份。
我国对纤维沥青混凝土的研究起步较晚，大概始于上世纪90年代。目前有三种纤维可以加到S M A沥青混合料里，即木质素纤维、矿物纤维和聚脂纤维。然而，在2005年以后，聚脂纤维开始渐渐淡出纤维稳定剂的历史舞台。交通部当年实施的行业标准，《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40－2004）（以下简称“《规范》”）中明确指出，因为聚脂纤维在“国外很少使用，效果如何还不清楚”、“价格过于昂贵，性能价格比严重不合理”，“故规范暂时未作规定，各地在选择时要慎重。”
撇开性价比低的聚脂纤维不提，“同样是天然纤维，木质素纤维和矿物纤维的性能和特点却有很大差别。”杨献章分析道，与混合料中的沥青、碎石、矿物粉之类的矿物材料不同，木质素纤维实质上是一种葡萄糖酸高分子链结构，“熔点只有两百多度，比熔点较高的矿物材料更容易氧化、老化。”国外有实验发现，对掺加了木质素纤维的SM A路面进行铣刨、再生时，混合料里面不仅木质素纤维会降解消失，其他材料的性能也下降了很多。
这一点在交通部颁布的行业标准中得到了证实，《规范》中明文提出：“近年来，美国有一种观点认为，木质素纤维拌制的沥青混合料不能再生使用，矿物纤维（大部分是玄武岩纤维）与集料品种一样，能再生使用，所以矿物纤维用量大为增加。一些州甚至规定不能再使用木质素纤维，这是一个值得重视的新动向。”
掺有特种玄武岩矿物纤维的沥青混合料，如果在若干年后需要铣刨、再生，是可循环、可再生利用的。这对节约资源、环境保护而言，将是一项造福子孙后代的有益之举。（图为郴宁高速公路祠堂圩互通）
.jpg)
解读《规范》的言外之意，不难发现，玄武岩矿物纤维目前已成为上述三种纤维中最适合沥青路面的纤维稳定剂材料。
的确，与木质素纤维相比，玄武岩矿物纤维的优点不胜枚举。不论是高温性能还是低温性能，掺有玄武岩矿物纤维的沥青路面都更胜一筹。美国有研究表明，掺有玄武岩矿物纤维的沥青混凝土路面，高温稳定性要比掺有木质素纤维的路面高出20%〜40%，杨献章进一步解释，“动稳定度的提高，将大幅提升路面的抗车辙能力”。至于路面的低温性能，玄武岩矿物纤维的优势也很明显，据哈尔滨工业大学研究数据显示，掺有玄武岩矿物纤维的路面，其低温性能比掺木质素纤维的至少高出20%，“对路面抗裂性能将有显著提高”。此外，它在沥青混合料高温拌和及长期工作期间，具有不会变质、不老化、不污染沥青的优点，作为外掺纤维稳定改性剂更益于沥青混合料的循环再生利用，后期维护成本将大幅降低。
三战三败不言弃：特种玄武岩纤维在郴宁高速全面应用
从2006年开始，湖北、重庆、浙江等多地曾试水玄武岩矿物纤维，但大多用于老路改建项目，而且单个项目的规模小，里程总量还不到100公里。
“我一直犹豫，既然玄武岩矿物纤维这么好，为什么别人只敢做十几公里？郴宁全线铺开，有没有基础？”路面项目开工前，杨献章也曾在心里打鼓。为此，他除了查阅各种纤维稳定剂的文献资料外，还多次咨询业内知名的路面专家吴善周。
吴善周所在的湖南省交通运输厅高速公路路面优化设计研究组，是湖南省交通科学研究院的拳头团队，更是全省路面领域的顶级智囊团队。“那时候，湖南省交通运输厅、高速公路管理局的领导问我，玄武岩矿物纤维能否全线应用？我说，如果1公里可以做好，100公里当然也可以做好。”吴善周肯定的回答，直接促成了玄武岩纤维在郴宁高速公路上的使用。确定使用BMF特种玄武岩纤维之时，已经是2012年7月底，距全线通车之日已不足4个月。
郴宁高速沿线将在11月左右进入秋冬季节。受铺装S M A时对环境温度的限制，实际施工时间已经不足3个月。时间紧迫，又没有现成的资料可供参考。“重庆倒是出过一个施工指南。”
杨献章说的是重庆市高发司、江苏交科院、重庆市交委质监站于2009年6月联合发布的《重庆高速公路沥青路面玄武岩矿物纤维S M A-13施工技术指南》，“但是对郴宁高速而言，这项指南基本没有参照价值。”
“别人的经验都是十几公里的经验，我们要全线应用，必须做大量的试验。”吴善周解释说。在做完室内的各项试验之后，为期一周的试验路工程开始了。郴宁高速的路面施工分为四个标段，“最早参与试验路建设的两个单位分别是中铁十局和河北路桥，都是技术水平非常高的施工团队。可就在那一周时间内，试验路连做三次，失败三次。”杨献章回忆，每次只铺两三百米的试验路，频繁的失败几乎挫伤了所有人对新材料的热情。
从投料开始，特种玄武岩纤维的特殊性就显露无遗：化学性能稳定，纤维极细，比表面积大，与沥青的粘附性能好。吴善周表示，掺有玄武岩纤维的混合料的油石比，至少比掺有木质素纤维的少0.5。但另一方面，它不吸水的特性也对施工现场提出了更高的要求。“有一次失败，就是因为一部分纤维被‘毛毛雨’打湿，导致拌和出来的混合料跟‘稀饭’一样。”
“我从事公路建设这么多年，对新材料、新技术有着特殊的感情。但第三次失败时，我差点就放弃了。”杨献章坦言，那个酷热的下午，如果没有革故鼎新的信念在支撑他，特种玄武岩纤维在郴宁的推广应用几近“流产”。3个小时之后，试验路终于成功了。杨献章总结，“要抓住‘温度控制’这个关键词，三次失败帮我们掌握了拌和、运输、摊铺、碾压的施工工艺特点。为我们全面铺装探索了经验，有了一个指导性的施工方案。”
吴善周的同事、同为路面专家组的总工程师钟梦武感叹地说：“前些年，我们开始做掺木质素纤维S M A时感到很难，现在掌握了技术，大家就习惯了。目前做玄武岩矿物纤维S M A又觉得难，甚至比以往更难，这就需要我们去研究、突破，走出一条创新之路。郴宁高速就是一次实践。”在实际施工过程中，“碾压温度必须控制在150℃以上，否则就无法成型了。”这一要求给后续的运输、摊铺、碾压提出了新的考验。为了避免温度损失，混合料出厂后，不仅要缩短混合料在运输、卸料等过程中的时间，专家组还别出心裁地给运料车穿上了厚厚的“棉衣”。
再看摊铺和碾压。《规范》中要求“采用两台摊铺机成梯队摊铺”，但是上面层的厚度只有4厘米左右，温度很容易下降。为在固定时间里“跑赢”温度下降的速度，郴宁高速全线创新：采用了单台大宽度摊铺机，一次摊铺完成；使用德国维特根公司的悍马振荡压路机紧跟碾压。“当时振荡压路机在中国市场只有180台，郴宁高速项目就调用了十几台。”杨献章还说，使用这种振荡压路机减少了碾压遍数，与掺木质素纤维的S M A相比，总的建造综合单价比可以持平，甚至偏低。
真可谓“三战三败不言弃”。事实上，在全线的施工过程中还有许多具体问题和细节需要及时的解决、督促、实施，“年过七旬的吴老，3个多月里几乎天天扎在工地上。连我们材料供应商都过节放假了，他还在奔忙。”此次特种玄武岩纤维的材料供应商——长沙北美孚新材料科技有限公司董事长肖菁这样评价，言语之中满是敬佩。
如今回想起来，特种玄武岩纤维在郴宁高速的全线应用，对项目业主的管理水平、专家团队的创新智慧、施工单位的能力技术都是一次考验。杨献章不免感慨：“好在省厅、省高管局的各级领导都非常支持新技术、新材料的推广应用，郴宁高速的建设者们才有放开手脚搞创新的空间。当我们把种种难题都解决之后再回顾，觉得也没有什么难的，这就是工作的一个过程。”
矢志不渝的信念和坚持不懈的努力没有白费。“郴宁路是中国第一条连续超百公里使用玄武岩矿物纤维的路面项目，这是你们湖南人的一项优秀业绩，具有重大的经济效益和社会效益。”浙江省交通厅路面专家组专程到工地考察时这样评价。
.jpg)
关于木质素纤维的吸油率
这里有必要澄清一个困扰人们很久的、关于木质素纤维吸油率的问题。首先，SMA掺加纤维的原始目的，是为了通过纤维稳定沥青，以增大沥青油膜厚度，所以把纤维称为“纤维稳定剂”。但增大沥青油膜厚度并不完全等同于增大沥青用量。
其次，过去没有弄清楚纤维防止沥青流失、增加沥青粘度的原理，因此误认为是靠木质素纤维内部的中空管吸附沥青而使其保持稳定的。第三，没有研究木质素纤维内部中空管吸附的沥青到底有没有意义。
上述三个原因，让人们走入了误区，把纤维如何“多吸油”这一似是而非的因素，当成了评价纤维好坏的标准，而纤维的重要复合材料作用则未被认识。
事实上，木质素纤维内部中空管吸收的沥青，除了浪费资源外，丝毫无助于SMA“增大沥青膜厚度”，也无助于SMA沥青混合料的任何其他性能改善，与多孔性集料内部多吸收的沥青毫无作用是一个道理。试验证明，玄武岩矿物纤维丝毫没有中空管，却能有效地起到稳定沥青的目的。
值得期待：路面可以既好看又耐磨
郴州素有湖南“南大门”之称。作为湖南最早实行开放的区域之一，这里既是湖南改革开放走向世界的门户，更是湖南对接粤港澳的前沿阵地。郴宁高速作为郴州市内唯一一条横贯东西的高速公路，承担着光荣的历史使命。建设一条既好看又耐磨的高速公路，是所有参建单位的共同追求。
公路真的可以既好看又耐磨吗？
“看上去又黑又亮的路面，抗车辙、抗老化性能肯定要强。”杨献章和吴善周观点高度一致。
“不管是S M A沥青路面还是其他级配的沥青混凝土路面，当我们看到路面又黑又亮时，说明沥青粘合在碎石碎料上时形成的油膜厚度很厚。”吴善周解释道，油膜的厚度能改善路面的抗老化能力、抗氧化能力，而“三维网络状的纤维复合沥青”极大地提高了沥青的粘度、延度及弹性模量和沥青膜的厚度，因此路面的使用寿命会长、水稳定性会好。
在吴善周的办公室里，堆满了大大小小的检验样块。他随手拿起了两块，一个是掺木质素纤维的S M A样块，一个是郴宁高速上掺玄武岩纤维的SMA样块，前者的油石比为100：6.1，后者则只有100：5.4。但就记者的视觉感受而言，后者油膜更厚，显得更为乌黑发亮。
至于路用性能怎样，实验室的数据堪称完美。湖南省交通建设质量监督试验检测中心出具的检测数据如下：浸水马歇尔试验结果显示，残留稳定度为92.7%（技术要求为≥80%）；冻融劈
裂强度试验结果显示，冻融劈裂强度比为96%（技术要求为≥80%）；车辙试验结果为D S＝12800，S＝207.0.8， C V＝2.6%（技术要求为D S≥5000，CV≤20%）。
上述数据都是S M A－13在最佳油石比为100：5.3时进行的检测试验结果。“正是因为油石比至少低了0.5（与普通掺木质素纤维相比），郴宁高速的未来，也在我心中留下了期望和等待。”作为技术专家，吴善周的研究态度非常严谨。
我们无法预测郴宁的未来，但是美国的经验应该可以给技术人员们吃颗“定心丸”。1996年亚特兰大奥运会举行时，有1200万人从全球各地涌向这座城市。往来亚特兰大的车辆川流不息，很多路面进行了翻修改造。其中有一条330英里（约531公里）的车道，是专为应对高交通流量及防止车辙变形而设计改造的新型沥青混凝土路面，这条车道正是掺有玄武岩纤维的 S M A路面。由于亚特兰大市的大型车比例连年攀升，公路每5年至6年就要重新翻修，但这条1996年改造的车道不仅经受住了奥运会的考验，还连续13年获得美国公路动脉奖。
郴宁高速的未来究竟如何，也许只能交给时间检验，我们期待它也能像亚特兰大那条公路一样，成为中国公路的“路面之星”。
转自《中国公路》
