纖維改性瀝青混合料研究進展

劉　哲

（山西省交通科學研究院新型道路材料國家地方聯合工程實驗室，山西太原　030006）

纖維改性瀝青混合料研究進展

劉哲

（山西省交通科學研究院新型道路材料國家地方聯合工程實驗室，山西太原030006）

通過對纖維改性瀝青混合料研究歷史及現狀的調研，總結了纖維改性瀝青混合料的主要影響因素以及纖維改性瀝青混合料的作用機理；闡述了纖維種類、長度、添加量以及界面粘結對瀝青混合料性能的影響情況，不同因素的變化會影響瀝青混合料的不同性能；總結了纖維在瀝青混合料中的吸附、穩定、橋接以及加筋作用。

纖維改性瀝青混合料作用機理

1　概述

纖維作為一種新型的增強材料，被廣泛的用作復合材料增強體，應用于航空航天、電子機械等尖端領域［1-3］，由于纖維具有高模量、高強度、高長徑比以及較強的吸附能力，在道路瀝青及瀝青混合料中也多有應用。多年來，國內外對纖維改善瀝青及其混合料性能進行了大量研究，并根據實際需求，開發出了一系列適用于道路瀝青改性的路用纖維，主要包括木質素纖維、礦物纖維、聚合物纖維以及新興的玄武巖纖維等。本文主要針對道路纖維在瀝青混合料中的應用進行調研，分析了纖維對混合料性能影響的主要作用機理及影響因素，對其未來發展進行了展望。

2　纖維改性瀝青混合料的主要影響因素

2.1纖維種類及性能

按處理方式劃分，纖維可分為天然纖維和化學合成纖維，不同種類的纖維具有不同的性能，包括強度、模量、吸持瀝青量、長徑比以及表面形貌等等，而這些因素都會對瀝青混合料性能產生影響。李智慧［4］等考察了聚丙烯腈纖維、聚酯纖維以及木質素纖維等三類不同的增強體對瀝青混合料性能的影響，同時分析了三類纖維的常規技術性能，建立了纖維性能與外摻纖維瀝青混合料路用性能之間的關系。結果表明，摻加聚丙烯腈纖維和聚酯纖維的瀝青混合料性能相當，而木質素纖維混合料性能稍差；纖維的種類還影響著其對瀝青混合料的主要作用機理。對外摻纖維瀝青混合料路用性能影響程度最大的纖維性質因素是抗拉強度與極限拉伸應變，其次是熔融溫度，吸持瀝青量也有一定程度影響，纖維直徑影響最小，在纖維形狀特征因素中纖維長度的影響程度大于纖維直徑與長徑比。T. Serkan［5］采用聚酯纖維對石油瀝青進行改性處理，石油瀝青混合料的馬歇爾穩定度增加而流值降低，同時抗車轍及抗疲勞性能增加，表明聚酯纖維有效提高了石油瀝青混合料的路用性能；F.M.Nejad等［6］使用碳纖維增強瀝青混凝土，結果顯示，碳纖維的加入有效提升了瀝青混凝土的強度和抗老化性能。此外，有不少學者采用不同種類的纖維對瀝青混合料進行混雜改性，取得了良好的效果［7-8］。

2.2纖維長度及添加量

當使用同一種纖維對瀝青混合料進行性能改善時，纖維的長度及添加量成為重要的影響因素。李玉龍［9］等研究了劍麻纖維的長度以及添加量對瀝青混合料性能的影響，通過對纖維瀝青混合料初始強度、水穩定性以及高低溫性能的綜合研究評價，發現劍麻纖維長度為4mm、添加量為0.3%時，瀝青混合料性能提升最大。張效杰［10］等采用德國的Dolanit AS纖維，加入AC-16Ⅰ型瀝青混合料中，考察了不同纖維摻量的瀝青混合料路用性能。研究發現，混合料的最佳瀝青用量隨著纖維用量增加而增大，但達到0.4%時，增加并不明顯；而瀝青混合料的穩定度隨纖維用量先增加后減小，在0.3%時達到最佳；此外，瀝青混合料的流值、高溫穩定性、水穩定性以及低溫抗裂性能等在加入纖維后，均有不同程度的提升，AC-16Ⅰ型瀝青混合料中，纖維最佳摻量為0.3wt%。N.Morova［11］考察了玄武巖纖維對瀝青混合料使用性能的影響，馬歇爾穩定度試驗表明，當纖維用量為混合料含量0.5wt %時，具有更好的穩定性。

2.3纖維的分散及界面粘結性能

纖維的分散性對瀝青混合料力學性能影響很大。分散不均勻，對混合料性能有很不利的影響，分散均勻性是保證改性效果的前提。有研究表明［4，12］，聚酯纖維和聚丙烯腈纖維等有機纖維在拌和中均易均勻分散；石棉纖維受潮后，易結團，影響分散性；松散的木質素纖維干拌時的分散性較前幾種纖維要差，若吸水受潮后分散性將更差；玻璃纖維較粗時在混合料中易折斷，太細時雖柔韌性有所改善，但拌和時易受靜電影響而結團，溫度越高越易結團，分散性很差。當然，對于不同的體系，所需要纖維的種類性質都不同，對于分散性差的纖維要采用適當的手段提升分散性能，提高改性效果。

復合材料的界面是影響其性能的重要因素，界面粘結性能的提升，有利于材料性能進一步的提高以及體系穩定性的增加。纖維加入瀝青及其混合料中，形成了復合材料體系，而二者之間的界面，通過物理以及化學作用形成了與二者性能截然不同的新區域。界面承擔著纖維與瀝青及其混合料之間性能的傳遞，因此，良好的界面對復合材料綜合性能的發揮顯得十分重要。

陸宏新等［13］人研究了劍麻纖維與瀝青的界面性能，結果表明好的界面粘結使瀝青的強度、韌性及抗裂性能有不同程度提升，改善了混合料的路用性能。

增強纖維復合材料界面性能的常見方法有酸堿處理、界面改性劑處理等，這有利于增加纖維表面化學反應活性，提高表面粗糙程度，增加纖維與瀝青界面粘結性能，更好的提高纖維瀝青混合料性能。

3　纖維對瀝青混合料的主要作用機理

纖維作為一種被廣泛應用和研究的增強材料具有其他材料無可比擬的優點，比如高模量、抗拉伸性能好、比表面積大以及長徑比可調等，不少學者研究了纖維改性瀝青混合料的作用機理，從改善性能的角度，解釋了纖維增強瀝青混合料的原理［14-18］。從改性原理上來講，主要包括以下幾點：

（1）纖維的吸附及穩定作用。纖維具有大的比表面積，這有利于煤瀝青在其表面進行浸潤、物理吸附以及部分的化學鍵合作用，二者之間形成一層界面層，使部分自由瀝青變為結構瀝青，防止或減少瀝青在運輸及使用過程的遷移，這提高了瀝青的穩定性及溫度敏感性。

（2）纖維的橋接作用。纖維直徑很小，只有幾個微米，這使得加入瀝青中可在三維方向自由分布，在瀝青中形成交聯網絡結構，這就阻滯了瀝青及其混合料中裂紋或裂縫的進一步發展，延長了材料裂縫擴展的時間，使纖維瀝青混合料的抗疲勞性能得到顯著改善；另外，與其他增強材料不同，纖維具有一定的長度，在裂紋或裂縫遇到纖維時，進一步擴展需要將纖維拔出，也需要消耗額外的能量，這對提高瀝青混合料的低溫抗裂性能有至關重要的作用。

（3）纖維的加筋作用。纖維具有高強度、高模量且對環境的抗老化性能很強，在瀝青混合料受到外力作用時，應力會通過二者的界面傳遞到纖維，而此時，纖維的高模高強使其能承受更大的應力，使瀝青混合料的性能不易隨著時間或環境的變化而變化，提高抗老化性能以及使用性能。此外，纖維的特點還可使瀝青混合料的耐磨損性能、自修復能力有大幅的提高。

4　結語

纖維的綜合作用效果可顯著提升瀝青混合料的使用性能，且其工藝簡單，無需增加新的設備，具有良好的經濟效益和應用前景。而科技的進步和發展，也帶來了先進的研究手段。利用新興的技術，從微觀的角度對纖維增強瀝青混合料的作用過程及機理進行深入的研究，并建立微觀性能與宏觀性能之間的關系，利用現有的理論或方法對其進行解釋，為纖維在瀝青混合料中更好的應用提供理論依據和指導，這些問題值得在未來得到更多的重視和深入研究。

［1］Z.Liu， P. Chen， X. L. Zhang， etc. Degradation of plasmatreated poly（p-phenylene benzobisoxazole） fiber and its adhesion with bismaleimide resin. RSC advances，2014，4：3893-3899.

［2］Z.Liu， C. Tang， P. Chen， etc. Modification of carbon fibers by air plasma and its adhesion with BMI resin. RSC advances， 2014，4（51）： 26881-26887.

［3］H.Sugihara， F. R. Jones. Promoting the adhesion of highperformance polymer fibers using functional plasma polymer coatings［J］. Polymer Composites， 2009，30：318-327.

［4］李智慧，張曉燕.纖維性質對纖維瀝青混合料性能的影響分析研究［J］.北方交通，2014，（1）：70-74.

［5］T. Serkan. The effect of polypropylene fibers on asphalt performance ［J］.Building and environment， 2008，43：1065-1071.

［6］F. M. Nejad， M. Vadood and S. Baeetabar. Investigating the mechanical properties of carbon fibre-reinforced asphalt concrete ［J］. Road Materials and Pavement Design，2013，15（2）：465-475.

［7］陳明星，張俊，郝培文，等.復合纖維瀝青膠漿性能與混合料高溫性能研究［J］.2014，39（3）：103-106.

［8］岳紅波.混雜纖維改性瀝青混合料性能研究［D］.武漢理工大學，2008.

［9］李玉龍，鐘燕敏，何曉鳴.劍麻纖維乳化瀝青混凝土路用性能研究［J］.武漢工業學院學報，2013，23（2）：106-108.

［10］張效杰，包龍生，董海天，等.不同纖維摻量的瀝青混合料路用性能分析［J］.2008，28：2-3.

［11］N.Morova.Investigation of usability of basalt fibers in hot mix asphalt concrete ［J］.Construction and Building Materials，2013，47：175-180.

［12］陳明星，張俊，蘭建麗，等.復合纖維對瀝青膠漿的增黏作用分析［J］.山西交通科技，2014，3：5-7.

［13］陸宏新，樊新，譚波.劍麻纖維/瀝青復合材料界面性能［J］.桂林理工大學學報， 2014，34（2）：283-286.

［14］陳華鑫，張爭奇，胡長順.纖維瀝青路用性能機理［J］.長安大學學報（自然科學版），2002，22（6）：5-7.

［15］封基良.瀝青混合料增強機理及其性能研究 ［D］.東南大學，2006.

［16］王力艷.瀝青混合料路用性能分析［D］.大連理工大學，2006.

［17］王道宏.纖維瀝青混合料路用性能研究［D］.長安大學，2005.

［18］陳明星，張俊，郝培文，等.復合纖維瀝青膠漿性能與混合料高溫性能研究［J］.公路工程，2014，39（3）：103-106.

劉哲（1986—），男，山西大同人，工程師，工學博士，2014年畢業于大連理工大學高分子材料專業，現從事新型路面材料研究開發工作。