不同種類路用纖維的技術性能及適用性分析

張豐狀

(山西省潤途路橋有限公司，山西 太原 030012)

0 引言

利用纖維與瀝青間的吸附作用，纖維瀝青膠漿空間膠結網的穩定作用，纖維抗拉性能對裂縫界面的延緩作用[1]，纖維材料的摻入可以增強瀝青混凝土的各方面性能，這使得纖維瀝青路面得到較為廣泛的應用，并取得較好的使用效果[2]。

纖維的種類繁多，目前在道路工程中得到應用的主要有聚酯纖維、聚丙烯腈纖維、礦物纖維、木質纖維等，其中聚酯纖維瀝青混凝土應用較為廣泛。張爭奇、陳華鑫等人研究了纖維種類對纖維瀝青混合料路用性能的影響，結果表明聚酯纖維瀝青混合料的高溫抗車轍性能、低溫抗裂性能最佳[3]。

纖維作為一種外摻材料加入到瀝青混凝土中，其自身的技術性能必將對瀝青混凝土的性能產生一定的影響。纖維的技術性能主要包括:1)物理性能:纖維直徑、長度、密度、熔點等;2)力學性能:抗拉強度、斷裂延伸率等;3)其他性能:吸持瀝青性能、吸濕性能等。

為此，本文對不同種類路用纖維的技術性能進行研究，從纖維技術性能角度分析不同種類纖維在瀝青混凝土中的適用性。

1 纖維種類

按照組成原理，纖維可分為天然纖維和化學合成纖維，天然纖維主要是由棉、毛、麻、蠶絲等天然材料經化學和機械加工制得，化學合成纖維則是由高聚物材料經化學加工而成。而道路工程中應用的纖維一般可以分為軟、硬纖維兩種，硬纖維主要是指由拉拔等工藝制成的鋼纖維和礦物纖維，其中鋼纖維在水泥混凝土路面中得到一定的應用，軟纖維在瀝青混凝土中應用較多，主要包括聚酯纖維、聚丙烯腈纖維、木質纖維等。

圖1～圖3為不同種類纖維的宏觀形貌和放大200倍后的微觀形貌。

圖1 聚酯纖維的宏觀及微觀圖像

2 纖維技術性能

2.1 性能指標

本研究采用的聚酯纖維、聚丙烯腈纖維、礦物纖維和木質纖維常規性能指標見表1。

圖2 木質纖維的宏觀及微觀圖像

圖3 玄武巖礦物纖維的宏觀及微觀圖像

表1 纖維性能指標

從表1物理性能可以看出，四種纖維的熔點都達到200℃以上，在熱拌瀝青混合料加熱溫度范圍內滿足耐熱性要求，不會產生融化現象。

圖4 不同種類纖維高溫下的質量損失率

由于熱拌瀝青混凝土路用纖維使用過程均處于高于150℃的高溫狀態，纖維在高溫受熱后應具有良好的熱穩定性，以保證纖維在與集料干拌、加瀝青濕拌、運輸、攤鋪、碾壓等一系列過程中性能保持穩定。將10 g纖維放置于190℃烘箱中1 h，測量前后的質量變化，得到質量損失率見圖4。從圖4中不難發現，木質纖維的質量損失率最大，為20.5%，為相同條件下礦物纖維的19倍左右，木質纖維主要原料為木材，而礦物纖維是由礦石高溫冶煉而成，因此熱穩定性必然存在差異，聚合物纖維的質量損失率為9%左右，熱穩定性居中。

2.2 吸持瀝青能力

纖維吸持瀝青的能力與瀝青和纖維間的相容特性密切相關，吸持能力強的纖維，能夠減少自由瀝青的含量，在高溫條件下保持瀝青膠漿的穩定性，防止離析和泛油現象的發生。

吸持瀝青能力試驗:在10 g纖維中加入一定質量的瀝青，均勻混合后，置于160℃烘箱中烘至質量基本不再變化，稱取總質量，試驗結果見表2。從表2結果分析得出，木質纖維吸持瀝青能力最強，其次為聚酯纖維、聚丙烯腈纖維，礦物纖維吸附瀝青能力最弱，同種類型瀝青混凝土在相同纖維摻量下，木質纖維瀝青混凝土的最佳瀝青用量也就最高。

表2 纖維吸持瀝青能力試驗結果

2.3 吸濕性能

纖維的吸濕性能不僅對纖維自身的儲存和使用性能產生影響，更會影響到加入到瀝青混凝土后的綜合性能，尤其是抗水損害性能。

吸濕性能試驗:同樣稱取纖維10 g，裝入燒杯共同放入20℃相對濕度90%的保濕箱中，測定5 d后纖維的質量變化，結果如表3所示。從表3的吸濕性能也可以看出，木質纖維的吸濕率最高，最容易受潮，受潮后的木質纖維自身的性能以及拌合性能將會降低，因此使用木質纖維時尤其應注意貯存防潮。聚酯纖維和聚丙烯腈纖維的吸濕率較低，容易存儲，抗水損害能力較強。

表3 纖維吸濕性能試驗結果

3 纖維適用性分析

路用纖維的適用性主要與纖維和瀝青混凝土間的相互作用性能相關聯，可從以下幾個方面進行探討:

1)拌合性能。纖維與瀝青混凝土間的拌合性能至關重要，拌合均勻分散能夠充分體現纖維的加筋增強性能，若纖維出現結團等現象將會降低纖維瀝青路面的性能甚至造成不利影響。

拌合分散性與纖維的長徑比有關，纖維的長徑比愈大，與其相膠結的瀝青膠漿愈多，強度也會相應增大，但倘若長徑比過大，將會影響拌合的均勻分散性，容易造成結團現象。從實際應用經驗來看，聚酯纖維和聚丙烯腈纖維的拌合性能較好，木質纖維的拌合性能較差。

2)吸附瀝青能力。纖維與瀝青間的吸附作用能夠防止瀝青在高溫條件下析出，影響瀝青混凝土的性能，實際上，利用吸附瀝青作用來進行纖維的適用評價也要考慮瀝青混合料的級配類型。一般來講，SMA和OGFC路面以粗骨料為支撐，細集料較少使得瀝青不能充分膠結，這種路面常采用木質纖維來防止瀝青的析出，而對于密級配瀝青混合料考慮加筋增強效果則優先采用聚酯纖維或聚丙烯腈纖維。

3)增強瀝青混凝土性能。纖維與瀝青相結合能夠充分體現“加筋”的作用，僅從表1抗拉性能分析，礦物纖維的抗拉強度最大，理論上抗拉增強效果較好，但如果纖維的強度過高，與瀝青混凝土存在較大模量差距，則容易產生應力集中現象，影響瀝青混凝土的強度。

對以往研究成果進行總體分析表明，聚酯纖維和聚丙烯腈纖維增強瀝青混凝土的高溫穩定性、低溫抗裂性、水穩定性等路用性能較好。

綜上所述，原則上對于SMA和OGFC路面本研究中四種類型的纖維都能夠滿足要求，但采用木質纖維起到穩定瀝青的作用效果最為理想。考慮纖維的加筋增強性能，密級配瀝青混合料推薦采用聚酯纖維或聚丙烯腈纖維。

4 結語

本文對不同種類路用纖維的技術性能進行研究，通過技術指標及應用經驗分析不同種類纖維的適用性，得出如下結論:

1)4種纖維都能夠滿足瀝青混凝土拌合溫度耐熱性的要求，相比于其他3種纖維，木質纖維的熱穩定性較差。

2)木質纖維的吸濕率較高，達到25%左右，在使用過程中應特別注意防潮處理。

3)木質纖維吸持瀝青能力較強，加入到SMA和OGFC路面中能夠起到防止瀝青析出的作用。

4)聚酯纖維、聚丙烯腈纖維的拌合性能以及對于瀝青混凝土的加筋增強效果較好，對于密級配瀝青混凝土推薦采用該種纖維以顯著增強瀝青路面的性能。

[1] CHEN J S，LIN K Y.Mechanism and behavior of bitumen strength using fibers[J].Journal of Materials Science，2005，40(1):87－95.

[2] 陳華鑫，李寧利，胡長順，等.纖維瀝青混合料路用性能[J].長安大學學報(自然科學版)，2004，24(2):1－6.

[3] 張爭奇，胡長順.纖維加強瀝青混凝土幾個問題的研究和探討[J].西安公路交通大學學報，2001，21(1):29－32.

[4] 吳少鵬，薛永杰，張登峰.聚合物纖維改性瀝青混凝土的研究[J].武漢理工大學學報，2003，25(12):47－49.

[5] 黃 彭.木質纖維在瀝青混合料中的應用[J].西安建筑科技大學學報(自然科學版)，2005，37(1):104－107.

[6] 倪富健，郭詠梅，曾蘭英，等.聚丙烯腈纖維SMA路用性能[J].交通運輸工程學報，2003，3(3):7－14.