美國高新技術(shù)軟纖維——路面加強筋在中國的推廣與發(fā)展

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摘要：本文著重介紹了兩種應(yīng)用于砼路面和瀝青砼路面的軟纖維加強筋。通過對不同類型軟纖維的比較，以及纖維砼和纖維瀝青砼混凝土在中國的應(yīng)用報告和工程案例來說明軟纖維加強筋作為新型路面添加材料的重要性和未來的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：纖維網(wǎng) 博尼維 纖維加強筋 纖維混凝土 網(wǎng)狀聚丙烯纖維 聚酯纖維 S-152高性能聚合纖維

一． 前言

隨著中國公路交通的發(fā)展、交通量的增大、軸重增加、交通渠化等對高等級公路、重點橋面隧道、市政交通，收費站等主要路面都提出了更高的要求。目前加強砼及瀝青砼路面，改善砼路面的使用品質(zhì)，延長路面的使用壽命，提高投資效益是中國交通部門所面臨的重要課題。參考國外的發(fā)展動態(tài)和作法，借鑒國外先進路面技術(shù)，引進國外路面新材料，是"事半功倍"的有效捷徑。

軟纖維加強砼及瀝青砼實際上就是摻入合成纖維的砼及瀝青砼。早在30年前，英國西部海岸工程中就把剁碎的聚丙烯摻入到混凝土塊體中。用這些塊體砌成防坡堤。在中國民間，人們就把麥稈剁碎、用切斷的毛發(fā)攪拌到泥土中，建造土坯墻體等工程。其原理都是解決塊體/墻體的非結(jié)構(gòu)性開裂，并起到加強筋作用。直到20世紀70年代末，80年代初纖維混凝土技術(shù)才有進一步的發(fā)展，歐洲和美國取得了一系列有價值的成果，尤其在美國已進入了商品化階段。

美國高新技術(shù)軟纖維--砼及瀝青砼路面加強筋：

⑴纖維網(wǎng)--混凝土聚丙烯纖維次要加強筋

⑵博尼維--瀝青混凝土聚酯纖維加強筋

是二十世紀八十年代美國的專利產(chǎn)品。九十年代中期由西安博賽特公司引入中國并開始推廣應(yīng)用。

二．纖維混凝土路面

纖維加強混凝土，即：混凝土纖維加強筋，其應(yīng)用機理早已被混凝土工程界認同。本文不再贅述，而纖維的種類、纖維的材料一直是國內(nèi)外工程界人士研究的課題。按纖維的種類劃分，通常分為硬纖維和軟纖維。硬纖維是由不同工藝制作的拉、拔、扎、切鋼纖維；軟纖維是由合成纖維制成，按其材料分為玻璃纖維，尼倫纖維，聚丙烯纖維等。經(jīng)過國內(nèi)外眾多專業(yè)工程師多年來對不同種類纖維的應(yīng)用研究，并對其使用效果跟蹤、調(diào)查，歸納總結(jié)如下：

1．鋼纖維

鋼纖維雖然具有高強度、耐高溫、高彎曲彈性、高取向等路用性能。但其金屬腐蝕是影響其功能的根源，它增加了混凝土的導(dǎo)電性，因而助長了電解化學(xué)腐蝕；其次金屬與混凝土的不相融性，使其與混凝土混合后粘附性能較差，握裹力低；另外由于金屬的磨損系數(shù)小于混凝土，使得鋼纖維混凝土路面產(chǎn)生后期效應(yīng)--"凸尖現(xiàn)象"，對車輪的磨損非常不利。鑒于上述幾種原因，近幾年來鋼纖維在混凝土路面的推廣應(yīng)用嚴重受阻。

2．合成纖維

合成纖維是繼鋼纖維混凝土后發(fā)展起來的軟纖維混凝土。由于其是惰性材料，不受混凝土堿性環(huán)境影響而衰變，也不吸收濕氣，換言之，它不隨時間的增長而損失長度，同時它還具有高強度、高彎曲彈性、高延伸率、高取向性、易拌和等路用性能。尤其是在纖維混凝土路面應(yīng)用中，完全克服了鋼纖維混凝土路面出現(xiàn)的"腐蝕銹"、"凸尖"等路面現(xiàn)象。因此，合成纖維混凝土的發(fā)展非常迅速。
合成纖維混凝土對纖維的要求，主要有兩個方面：

①纖維的抗拉強度 ②如何解決纖維的均勻分布。

⑴合成纖維的抗拉強度

眾所周知，合成纖維的抗拉強度比之鋼纖維有較大的不同，因此，要達到最佳抗拉強度，必須要考慮的是纖維材料的選擇和纖維成形的工藝過程。

玻璃纖維的抗拉強度由其材料所決定，可以達到1400~1500Mpa，對混凝土不僅增韌效果好，而且增強效果也很好。但由于玻璃纖維太脆，以致在攪拌過程中，極易斷裂，為了解決攪拌過程中的纖維發(fā)生斷裂，必須采取非常嚴格的工藝操作過程，以致使玻璃纖維在混凝土中的應(yīng)用受到制約。

尼倫纖維的抗拉強度，根據(jù)其材料性質(zhì)和加工工藝，通常只能達到200~300Mpa，這樣對混凝土的增強效果就受到很大的影響。

聚丙烯纖維作為混凝土的摻合料已被世界上60多個國家接受。因為聚丙烯材料是一種居玻璃和尼倫之間的中性材料，其抗拉強度根據(jù)不同的工藝過程，通常可達到300Mpa~800Mpa。雖比之玻璃纖維低，但經(jīng)過特殊工藝成形的聚丙烯纖維，已可以與鋼纖維相媲美。換言之，其抗拉強度已達到了纖維混凝土要求的最佳強度。同時也避免了玻璃纖維極脆易斷的弊端。因此，目前在國內(nèi)外纖維混凝土的應(yīng)用中，聚丙烯纖維最為受寵。

合成纖維的工藝成形，通常都是采用的"噴絲"工藝，即溶化-噴絲-冷成形過程，纖維成單絲狀，截面為圓形，絲表面光滑。此類單絲纖維除各自的抗拉強度有不同外，都有一個共同的弱點，即：由于纖維表面光滑、截面呈圓形，因此與混凝土的親和性，握裹力都有欠缺。

二十世紀八十年初美國合成工業(yè)公司，根據(jù)美軍工師團的發(fā)明專利生產(chǎn)出了一種纖維網(wǎng)--聚丙烯纖維。其工藝成形過程與上述的合成纖維工藝過程完全不同，它是一種特殊"拉絲"工藝，它能使材料分子結(jié)構(gòu)重新排列，即：纖伸-纖化-剪切成形過程。該纖維絲結(jié)構(gòu)成片狀體，沿其縱向平行地切有若干切縫，使其片狀體成為是由若干平行排列的單絲纖維的集合體，橫向拉開，呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，用力撕拉即成為一根根單絲 [1] 。由于此單絲纖維是經(jīng)過纖伸，通常要經(jīng)過兩次纖伸過程，加上聚丙烯纖維的專用配方，因此，纖維的抗拉強度可達到560Mpa~770Mpa此種聚丙烯纖維統(tǒng)稱纖維網(wǎng)或網(wǎng)狀纖維。此纖維網(wǎng)的單絲，截面為不規(guī)則矩形，絲表面粗糙，在與混凝土摻合中，由于表面粗糙，截面呈不規(guī)則矩形，使得親和性、握裹力非常好。與絲表面光滑、圓截面的單絲纖維相比，其阻裂效果大大提高，換言之，增強了混凝土的抗拉強度。

⑵合成纖維的均勻分布

眾所周知，纖維摻合于混凝土中起加強筋作用的首要條件是纖維必須均勻的三維分布。試想結(jié)團不均勻分布的纖維在混凝土中不僅起不到加強作用，而且起負向作用。從國內(nèi)纖維砼的拌和工藝調(diào)查顯示，鋼纖維和玻璃纖維須用特殊的拌合裝置或?qū)υ械陌韬涎b置加以改造才能達到較理想的均勻程度；對于尼倫纖維拌合工藝，經(jīng)過多年的探討，總結(jié)出必須將纖維先在水中泡一定時間，再與沙、石、灰拌合的操作工藝。這對于施工單位來講，步驟繁瑣，費工費力。聚丙烯單絲纖維經(jīng)過獨特工藝處理后，基本解決了拌合工藝簡單，纖維均勻分布的問題。但由于拌合的初始和結(jié)束都是以單絲形式動作，經(jīng)驗顯示，此類單絲纖維多適合用于石、骨料直徑小于10mm的沙漿混合料中。而在大骨料的混凝土中，由于沙石的攪拌、碰撞間隙過大，使得單絲纖維不易分散。因此，單絲纖維的應(yīng)用多適合于民用建筑中，而不適合于混凝土路面。

美國合成工業(yè)公司生產(chǎn)的纖維網(wǎng)網(wǎng)狀纖維，其原始狀態(tài)呈集束狀，纖維攪拌初始，成束的片狀體，很容易被拌合，分散形成初步的均勻分布，；攪拌中期，每片纖維被骨料沖擊展開成網(wǎng)形，且每根網(wǎng)絲都裹著水泥；隨著攪拌，裹著水泥的加重網(wǎng)絲被撕開，最終完成單絲狀纖維的均勻分布。二次分布法"是砼纖維絲結(jié)構(gòu)的專利技術(shù)，它確保了纖維能在混凝土中的絕對分布均勻。這是其它纖維所達不到的高新技術(shù)。由于其具有"二次分布"的功能，因此，無論是在小骨料的沙漿混合料，還是在大骨料的路面混凝土都可以保證纖維的均勻分布。即：纖維網(wǎng)砼纖維的應(yīng)用不僅適合于混凝土路面，同樣可用于民用建筑、水利等所有混凝土工程。

3． 纖維網(wǎng)在中國的推廣應(yīng)用

西安博賽特公司自1996年成功引進纖維網(wǎng)產(chǎn)品進入中國以來，已在數(shù)百個工程中得到應(yīng)用，工程案例遍及全國每個??；在交通公路工程、市政公路工程、鐵路工程、港口碼頭、民用建筑、電力工程、機場建設(shè)、軍事工程等幾乎所有的領(lǐng)域都有采用纖維網(wǎng)的應(yīng)用工程案例。

⑴纖維網(wǎng)在混凝土路面的應(yīng)用

纖維網(wǎng)應(yīng)用于中國混凝土路面的工程已有無數(shù)個，如：廣州北環(huán)高速公路三期工程、鄭州市桐柏路、四川宜賓路面、上海崇明島公路，山東棗莊公路，湖南長常、長益高速公路、江西上饒公路……。纖維網(wǎng)應(yīng)用于混凝土路面后，不僅有效地抑制了混凝土的塑性收縮開裂，提高了混凝土的堅韌性和延展性，抗?jié)B性和抗沖擊能力，抗碎和耐磨能力，同時也防止了主鋼筋腐蝕，替代了鋼筋次要加強筋。更重要的是也產(chǎn)生了明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。如河南平頂山市平東山公路改造應(yīng)用報告做出如下經(jīng)濟效益結(jié)論：從使用性能來講，纖維混凝土與強度接近的鋼筋纖維混凝土對比，①聚丙烯纖維網(wǎng)混凝土厚24cm，表層8cm內(nèi)，摻入纖維網(wǎng)時，比鋼筋混凝土每km節(jié)約投資138-102=36萬元。②聚丙烯纖維網(wǎng)混凝土厚18cm全摻入時，節(jié)約投資138-117.6=20.4萬元。社會效益：①由于公路使用壽命增加，大大降低養(yǎng)護成本，②由于路面質(zhì)量經(jīng)久耐用，給旅客和貨物運輸創(chuàng)造了條件，車速的提高降低了運輸成本[2]。

⑵纖維網(wǎng)在混凝土橋面的應(yīng)用

纖維網(wǎng)用于橋面或橋面鋪裝層的應(yīng)用工程就更多了，如：西安未央立交橋，武漢江漢五橋，沈陽沈撫立交、黃河立交、建大立交、望花立交；重慶津發(fā)長江公路大橋，天津津唐高速公路橋面鋪裝，鄭州金水橋，山東濟青高速公路橋……。纖維網(wǎng)用于橋面或橋面鋪裝層，可有效地控制和減少收縮性和橋面震動引起的裂縫以及延緩結(jié)構(gòu)性裂縫，提高橋面的防水性能，延緩和減少鋼筋的銹蝕而延長橋結(jié)構(gòu)的使用壽命。

⑶纖維網(wǎng)用于舊混凝土路面上的加鋪

纖維網(wǎng)混凝土是舊混凝土改造的最佳方案之一，已有福建205國道，四川巴中巴樂路，遼寧102國道，漢中市108國道等一批舊砼路加鋪纖維網(wǎng)混凝土面層。 在福建205國道58公里長的舊混凝土改造方案中，選擇了在舊砼路面上加鋪纖維網(wǎng)混凝土，方案評價："在舊水泥砼路面上加鋪8cm~10cm厚的纖維網(wǎng)混凝土，雖然纖維價格較貴，但可節(jié)約大量圬工體積，相應(yīng)也節(jié)約了工程總造價。與金屬網(wǎng)、鋼纖維相比較，又具有無磁、防銹、防堿等優(yōu)點，適用于我們加鋪路面"[3]。

⑷纖維網(wǎng)混凝土在其它領(lǐng)域的應(yīng)用

纖維網(wǎng)混凝土除在公路領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用外，還在秦沈新建客運鐵路專線全線橋梁的保護層、西寧火車站站臺、安徽蕪湖鐵路大橋等鐵路工程中；在二灘水電站泄洪洞、山東濟南錦繡川水庫大壩、云南小灣水電站等水利工程中；在民用建筑；在港口碼頭；飛機場等領(lǐng)域也得到了推廣應(yīng)用。

三．纖維瀝青混凝土路面加強筋

瀝青混凝土路面比之混凝土路面有著行駛舒適、噪音小、成本低、美觀等優(yōu)點，但瀝青路面也存在著許多缺陷，如：車轍、坑槽、裂縫、壽命較短、修復(fù)次數(shù)多等。多年來是公路工程界專家學(xué)者研究的課題。早期應(yīng)用的各類木質(zhì)素纖維和粒狀纖維主要用于瑪蹄碎石瀝青混合料，開級配抗滑表層，瀝青混凝土抗滑層、開級配結(jié)構(gòu)混合料和其他高性能瀝青混合料路面中。其作用是吸附瀝青，是改性瀝青的輔料。換言之，在瀝青混凝土中并不起加強筋作用。改性瀝青混凝土路面，是近幾年從國外引進的一種新技術(shù)，它的應(yīng)用機理是采?quot;化學(xué)改性"提高瀝青材料的性能，最終解決瀝青混凝土路面存在的問題。它是一種行之有效的瀝青混凝土路面的解決之道。但是，"改性瀝青"的施工有其嚴格的要求，即：要配用一整套完全進口的非常昂貴的專用鋪路設(shè)備，使得中小型工程望而卻步。

1．鋼纖維瀝青混凝土路面加強筋

瀝青混凝土加強筋由于其高溫熱拌合工藝，要求加強筋材料必須耐高溫，鋼纖維作為瀝青混凝土加強筋，具有高強度，耐高溫、高彎曲彈性、高取向性等路用性能，它能改善瀝青砼的熱穩(wěn)定性和低溫抗裂性，對瀝青路面的裂縫、松散有抑制作用。但由于鋼纖維與瀝青混合粘附性能較差，握裹力比較低，因此，其水穩(wěn)性及抗剝落性相對有所下降。又因鋼纖維成本太高，因此很少采用鋼纖維做瀝青混凝土加強筋[4]。

2．軟纖維瀝青混凝土加強筋

軟纖維要替代鋼纖維作為瀝青混凝土加強筋，首要解決的兩個問題是：

①軟纖維的斷裂延伸率 ②軟纖維的高溫性能

由于瀝青混合料的拌合溫度高達190℃以上，目前報道可選用的軟纖維材料只有聚酯和聚丙烯晴，其熔點溫度分別為250℃和200℃。表一示出了用聚酯和聚丙烯晴制成纖維的主要參數(shù)。

表一 兩種軟纖維的主要物化性能

⑴纖維加強筋的斷裂延伸率

從表一可明顯的看出，聚丙烯晴纖維的直徑細，抗拉強度很高，但斷裂延伸率很低，這說明纖維脆而易拉斷。對于瀝青混凝土加強筋要求抗拉強度并不一味追求高，而斷裂延伸率卻是很重要的參數(shù)，因為路面種種因素，如：早晚溫差的熱脹冷縮，外力沖擊等使加強筋纖維承受很大的拉伸力。斷裂延伸率太低將會導(dǎo)致纖維過早的斷裂，失去加強筋的作用。

⑵纖維加強筋的熔點溫度

另外，從表一可以看出兩種材料制成的纖維都具有高溫性能，但聚酯纖維更高，據(jù)資料介紹聚丙烯晴材料熔點溫度為200℃而經(jīng)過特別工藝加工成的纖維在240℃溫度下纖維就會變成棕色，這說明材料分子結(jié)構(gòu)已被破壞。而瀝青混凝土的拌合溫度通常大于190℃。因此聚丙烯晴纖維作為瀝青混凝土的加強筋，在施工時，對控制拌合溫度的要求較高。兩種材料溫度比較試驗報告顯示：

①兩種材料制成的纖維路用性能比較，結(jié)論意見：聚酯纖維在高溫穩(wěn)定性方面強于聚丙烯晴纖維，水穩(wěn)性略強于聚丙烯晴纖維，二者的低溫性能相差無幾[5]。

②對加入兩種材料制成的纖維進行LH-15瀝青混凝土劈裂強度試驗結(jié)果意見：由于聚丙烯晴纖維在高溫時顏色會發(fā)黃，因此對聚丙烯晴纖維做進一步試驗，試驗表明，若石料與聚丙烯晴纖維在190℃下干拌90秒,聚丙烯晴纖維僅微微有些發(fā)黃[6]。

由上述兩個試驗報告的結(jié)論意見可知，作為瀝青混凝土纖維加強筋，聚酯纖維比聚丙烯晴纖維要好得多。

3．博尼維聚酯纖維在中國的推廣應(yīng)用

20世紀80年代初，美國著名企業(yè)杜邦公司工程師博尼先生采用聚酯材料+特殊配方試制成功一種適合于瀝青混凝土加強筋的纖維，并取得發(fā)明專利。商品化后，以博尼先生的名字命名為BoniFiber。BoniFiber結(jié)束了瀝青不可用軟纖維加強的時代，是真正的瀝青混凝土加強筋。它使用簡單，無需增添任何施工設(shè)備和變更原混合料設(shè)計，能有效地解決瀝青混凝土的種種缺陷。

西安博賽特公司自1997年成功引進博尼維產(chǎn)品進入中國以來，已在近百個路面、橋面工程中得到應(yīng)用。事實證明：博尼維是最好的瀝青混凝土纖維加強筋。西安公路交通大學(xué)&交通部西安公路檢測中心對博尼維做的試驗報告做出的結(jié)論意見[7]：

①博尼維經(jīng)攪拌均勻后，分布于瀝青混合料中，由于纖維的吸附，穩(wěn)定及多向加強筋作用使混合料的高溫穩(wěn)定性能改善。

②博尼維在低溫下仍呈柔性，且具有較高的抗折強度，混合料中縱橫交錯的纖維使混合料具有了較高的彈性，能有效地抵抗應(yīng)力，減少溫縮裂縫的產(chǎn)生。同時推斷出：各向同性的纖維可以防止反向裂縫的發(fā)展。

③由于數(shù)量巨大，且均勻分布的纖維使瀝青混合料的勁度模量增加。故而瀝青混合料疲勞耐久性改善，可以延長瀝青路面的使用壽命。

⑴博尼維在瀝青砼橋面的應(yīng)用

博尼維已成功地應(yīng)用于中國南京第二長江大橋、南京新秦淮河大橋、廣東肇慶馬房大橋、西寧昆侖橋、阜陽北京路立交橋、宜昌夷陵長江大橋……。尤其值得說明的是南京第二長江大橋，它是在1998年進行了試驗路段考證，2000年實地檢測兩年后該路段的狀況，又與其它方案比較后，最后確定全橋采用博尼維加強瀝青混凝土，從而防止橋面面層出現(xiàn)開裂、剝落等現(xiàn)象，最終提高路面的品質(zhì)和使用壽命。廣東肇慶馬房大橋是一座鐵路公路兩用鋼結(jié)構(gòu)橋，橋面由于火車震動，又是鋼板橋面，經(jīng)過多種方案的論證，最終也采用了博尼維加強筋加強橋面。

⑵博尼維在瀝青路面的應(yīng)用

博尼維應(yīng)用于中國瀝青砼路面的工程很多，如：河北石黃高速公路、云南昆玉高速公路、陜西銅黃高速公路、遼寧102國道、青海109國道、甘肅312國道、四川108國道、新疆土烏大公路……。博尼維最早應(yīng)用于公路路面的工程是河北石黃高速公路。1998年河北省交通廳在石黃路建造了高科技路段，對采用博尼維和改性瀝青進行了試驗路段比較。2000年二年后的檢測結(jié)果顯示博尼維和改性瀝青都達到了設(shè)計要求，但博尼維還好于SMA。因此在之后的20公里路段全線采用了博尼維。

⑶博尼維用于舊混凝土路面的罩面

博尼維瀝青混凝土應(yīng)用于舊混凝土路面罩面是一種非常好的舊路改造方案。2000年10月云南省昆玉高速公路為全線采用博尼維砼在舊混凝土路罩面，進行了路段試驗，試驗評價[8]：

①從試驗結(jié)果可以看出：加入纖維后，瀝青混合料的動穩(wěn)定度提高，變形帶率減小。說明瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性改善。

②加入博尼維的瀝青混凝土殘留強度比大，這說明博尼維瀝青混凝土的水穩(wěn)性能好于普通瀝青混凝土。

⑷博尼維用于舊瀝青混凝土路面的罩面

舊瀝青路面的改造采用博尼維瀝青砼路面罩面，也是非常好的舊路改造方案。在中國青海寧-湟16公里路段處，由于此處臨沙石廠，沙水重車路面環(huán)境非常惡劣，道路年年翻修。1999年5月，采用博尼維瀝青砼加強筋，加入量為2.5磅/噸，鋪設(shè)厚度2cm。經(jīng)過兩年在高原嚴寒環(huán)境下的使用，在2001年5月18日的實地考察發(fā)現(xiàn)未加入博尼維的路面已嚴重開裂，而加入博尼維的路面仍完好如初。

四．S-152高性能聚合纖維

S-152高性能聚合物是一種實用于工程的，外形輪廓分明的粗單絲纖維，成波浪形狀，它是一種非常好的阻止混凝土基質(zhì)分離的新型纖維，其效果比任何其它纖維更好，因為它有鋼纖維的外形，即具備鋼纖維的功能又具有合成軟纖維的優(yōu)點。這種纖維是美國二十世紀末才研制成功的。2000年開始進入市場。目前，西安博賽特公司正在準備引進中國。

五．結(jié)束語

高新技術(shù)軟纖維路面加強筋的應(yīng)用已在中國開花結(jié)果，也正在為中國的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)揮著作用。然而，由于進口商品，昂貴的附加成本，使得產(chǎn)品價格居高不下，目前能夠應(yīng)用的工程多是國家、省市重點工程，而普通工程望而卻步，不敢使用。尤其是纖維網(wǎng)，本應(yīng)有巨大的應(yīng)用范圍，然而由于價格因素，還不能全線使用。因此，西安博賽特公司已與美國商家磋商，準備用他們的專利技術(shù)在中國建廠，以大大縮減產(chǎn)品價格，歡迎國內(nèi)有實力的廠商加盟，為共同開拓中國軟纖維砼及瀝青砼市場合力并進。

注釋：

[1]實用新型專利-用于砼的纖維絲結(jié)構(gòu) 專利號ZL99256121.3

[2]纖維網(wǎng)混凝土路面應(yīng)用研究 平頂山市公路總段

[3]關(guān)于舊混凝土路面加鋪方案的報告 福建205國道改造課題組

[4]瀝青混凝土加強筋性能的研究新疆路橋總公司課題組

[5]Boni纖維、德蘭纖維路用性能比較 交通部公路科學(xué)研究所

[6]LH-15瀝青混凝土劈裂強度試驗結(jié)果 上海市市政工程研究所

[7]博尼維聚酯纖維加強瀝青混合料試驗報告 西安公路交通大學(xué)、交通部西安公路工程檢測中心

[8]昆玉高速公路博尼維瀝青砼試驗路試驗報告 昆玉高速公路博尼維瀝青砼試驗課題組