論玄武巖纖維在瀝青路面中研究現狀與發展趨勢

左惠宇

摘要：文章介紹了玄武巖纖維的性質與其在公路領域的發展情況，雖然我國對玄武巖纖維的應用較晚，但現已進行了大量的試驗研究和使用。玄武巖纖維對于瀝青混合料的高低溫性能，水穩定性和抗疲勞性能均有所提高，同時將玄武巖纖維作為改性劑制備玄武巖纖維改性瀝青砂漿的性能也有所提高。通過已有的試驗研究和應用情況，文章對玄武巖纖維在瀝青路面中的發展趨勢進行了展望。

Abstract： This article introduces the properties of basalt fiber and its development in the field of highway. Although the application of basalt fiber in our country is late， lots of experimental research and application have been carried out. The high and low temperature performance， water stability and fatigue resistance of basalt fiber for asphalt mixture are improved. At the same time， the performance of basalt fiber modified asphalt mortar with basalt fiber is also improved comparing with the base asphalt. Through the existing experimental research and application， this paper prospects the development trend of basalt fiber in asphalt pavement.

關鍵詞：公路工程;玄武巖纖維;瀝青及瀝青混合料;路用性能

Key words： highway construction;basalt fiber;asphalt and asphalt mixture;road performance

中圖分類號：TU528.42 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）24-0161-02

0 ?引言

隨著我國經濟的飛速發展，車輛荷載顯著增加，僅僅使用基質瀝青建設的路面往往在建成初期發生開裂和車轍等病害，大大降低了服務水平，造成了經濟的損失。隨著科技水平的不斷進步，瀝青改性技術也越發成熟，各式各樣的改性劑也登上舞臺，改善著瀝青的各項性能。進入21世紀以來，各種纖維逐漸進入了建筑領域，木質素纖維，合成纖維，礦物纖維等在道路建設中發揮著各樣的作用;玄武巖纖維作為一種新型的筑路材料，在2008年第七屆全國混凝土耐久性學術交流會上由陳興芬[1]介紹其在工程中應用;由于其比木質素纖維和合成纖維比有更高的強度和剛度，比之前使用的石棉纖維更加對人無害和環保，進而開啟了研究玄武巖纖維在道路工程中研究的大門，對玄武巖纖維的深入研究也隨之展開。

1 ?玄武巖纖維的性質

玄武巖纖維是以天然玄武巖為原料，在1450～1500℃熔融后，通過鉑銠合金拉絲，在漏板中高速拉制而成的連續纖維。純天然的玄武巖纖維顏色一般為褐色，有一定的金屬光澤。玄武巖纖維是一種新型的綠色環保，高性能纖維材料。由二氧化硅、氧化鋁、氧化鈣、氧化鐵、氧化鎂和二氧化鈦等氧化物構成。

玄武巖連續纖維具有強度高，耐腐蝕、耐高溫，而且還具有電絕緣等多種優異性能。此外，由于生產工藝的原因，玄武巖纖維的生產產生的廢棄物較少，對環境污染小，與此同時，纖維產品廢棄后可直接在環境中降解，沒有任何危害，是一種名副其實的綠色環保材料。目前，我國已把玄武巖纖維列為重點發展的四大纖維之一，并且實現了工業化生產。

玄武巖纖維作為一種堿性集料，其拉絲形成的纖維也具有相同的堿性，與瀝青有著良好的相容性，所以其在瀝青和瀝青混合料中的使用可以充分發揮作用。

2 ?玄武巖纖維在瀝青路面中的研究現狀

2008年起，玄武巖纖維的研究開始發展起來，高丹盈[2]等人，在瀝青混合料中摻入不同摻量的木質素纖維和玄武巖纖維，通過析漏，飛散損失，高溫穩定性和水穩定性試驗，發現SMA路用性能的提升隨著纖維的摻量增加而提高，木質素纖維對瀝青的增粘效果優于玄武巖纖維，而玄武巖纖維的耐高溫和耐水損害的效果要優于木質素纖維。

2010年，劉福軍[3]基于基質瀝青和SBS改性瀝青這兩個平臺，對玄武巖纖維改性瀝青的性能進行了試驗，并對其制備的瀝青混合料進行了研究;發現摻入玄武巖纖維會大幅升高其軟化點，瀝青針入度和延度大幅下降;通過流變學試驗發現，纖維瀝青的抗車轍因子和蠕變勁度增加幅度最大，這表明其可以改善瀝青的高低溫性能;在瀝青混合料的試驗中發現玄武巖纖維有著更好的緩解高溫車轍，抵抗低溫開裂，并且提高抗水損害的能力。

2012年，韋佑坡[4]等人，研究了玄武巖纖維在瀝青混合料中作用的機理，發現玄武巖纖維的加入一定地增加了瀝青與集料的相和面，產生了一定的界面增強作用，使其成為多相復合體;通過DSR試驗，發現纖維瀝青的抗車轍因子顯著提高，表明縱橫交錯的纖維吸附了輕質組分使瀝青質含量相對增加，進而增加了瀝青的粘度;同時纖維在瀝青中分布形成了界面結構層，進而起到明顯的“加筋”效果，改善瀝青的高溫性能。

2013年，玄武巖纖維瀝青路面的建設在國內開始應用，馮帆[5]介紹了其在湖南郴寧高速上的使用，郴寧高速是我國第一條連續超百公里使用玄武巖纖維的路面，專家們在方案必選時，表明玄武巖纖維是最適合在瀝青路面中使用的纖維穩定材料，會大幅提高路面的性能并利于環保;但其對施工的工況要求很高，既要對纖維材料進行防水保存，又要對現場施工的拌和、攤鋪、碾壓的溫度控制足夠精確甚至苛刻。

由于已經有了鋪筑玄武巖纖維瀝青路面的工程，在工程中也出現了難點需要攻關，2015年起對玄武巖纖維的各種施工，攤鋪技術進行了研究。

郭同海于2015年對SMA玄武巖纖維瀝青路面的施工技術進行了總結;在拌和時，噴入瀝青1s鐘后，應一次性完成纖維的添加，同時要注意控制好加料的順序和纖維拌和的時間;在攤鋪過程中最好選用一臺初始壓實度較高、抗離析作用強的攤鋪機施工。在鋪筑SMA混合料時，施工人員要實時對混合料進行觀察，若觀察到瀝青和纖維出現析漏的狀況，施工人員要及時采取措施，比如增加纖維數量、降低施工溫度等措施。

李良在玄武巖改性瀝青路面鋪筑技術中發現，在施工時要對壓路機操作工人進行專門培訓，做到“緊跟，慢壓，高頻，低幅”，同時壓路機要進行折返碾壓，保持碾壓均衡，避免過壓欠壓。

通過以上的研究表明，玄武巖纖維在瀝青及瀝青混合料中通過界面增強和加筋作用，提升了瀝青混合料的抗低溫和抗水損害的性能，對高溫性能也有一定的改善，并且耐疲勞和老化性能也有大幅提高。作為一種新型環保的建筑材料，其推廣使用也日漸展開，通過修筑實體工程的過程中也發現了諸多施工的難點，要嚴格控制瀝青混合料在拌和、運輸、攤鋪、碾壓的各個階段，保證混合料的工程質量;同時由于纖維的吸油性，混合料中的結構瀝青含量較多，提高了路面的路用性能，延長路面的使用壽命，是一種行之有效的提高路面壽命的方法。

3 ?玄武巖纖維在瀝青路面中的發展趨勢

近年來，復合改性瀝青研究的興起也使得玄武巖纖維作為一種改性劑與其它改性材料復合，進而共同提升瀝青的綜合性能。

2017年，程永春將玄武巖纖維與抗車轍劑一同使用，制備復合改性瀝青，發現與單獨摻入相比，更加提高了瀝青的高溫抗車轍性能，這是由于抗車轍劑的添加在自身提高瀝青混合料高溫性能的同時，更好地發揮了玄武巖纖維的加筋作用，增大了集料間的摩擦力，進而提高了混合料的抗剪強度;由于抗車轍劑是以干拌法加入到集料中制備瀝青混合料的，可以起到了填充空隙的作用;而纖維具有較大的比表面積可以更好地穩定瀝青，形成一定厚度的結構瀝青層，所以兩者同時使用能更好地阻止水分透過瀝青層進入集料表面，改善了水穩性能，應用于路面可有效阻斷水分進入路基;復合改性瀝青也提高了混合料的耐疲勞性能，這是由于纖維在混合料中形成的三維網狀結構在疲勞荷載作用下發生一定的形變和剪切變形，當撤去荷載時，由于纖維的收縮作用，帶動混合料也恢復一定的剪切變形，增強了混合料的自愈合能力，進而提高了瀝青混合料的抗疲勞性能。

2019年孫曉通過制備硅藻土/玄武巖纖維復合改性瀝青研究發現，硅藻土和玄武巖纖維對瀝青混合料增粘和加筋具有協同改性作用，其混合料強度和抗變形能力已經接近5%SBS改性瀝青混合料;硅藻土的加入可以有效提高瀝青的硬度，并隨著摻量的增加而增大，摻加硅藻土與玄武巖纖維能顯著提高瀝青的高溫抗變形能力;同時硅藻土的加入并沒有降低玄武巖纖維對瀝青低溫性能和水穩定性的改善，硅藻土/玄武巖纖維復合改性瀝青混合料的低溫抗裂性能和水穩定性優于5%SBS瀝青混合料。

2019年沈力研究了玄武巖纖維瀝青混合料在復雜路用環境條件下的自愈合性能，表明對于瀝青混合料疲勞性能的影響程度的外界環境因素的大小依次為：長期老化，凍融循環，紫外影響，融雪劑和短期老化，同時研究在這些環境因素影響下，對于玄武巖纖維瀝青混合料，纖維在瀝青混合料內部被瀝青膠漿完全包裹，SEM下顯示呈空間網狀，部分纖維受力后并未完全拉斷，以此提升了瀝青混合料的抗疲勞性能;由于影響瀝青混合料自愈合的內部因素主要為材料性能和內部結構，正是由于纖維絲在混合料中形成的空間網狀結構對瀝青混合料的自愈合性能有著顯著的提升，這說明了在瀝青自愈合研究中，玄武巖纖維也可占據一席之地。

通過玄武巖纖維近期的發展趨勢，將玄武巖纖維作為一種改性劑與其它改性劑一同對基質瀝青進行復合改性是一種研究趨勢，已有研究表明復合改性瀝青由于不同改性劑各自作用，相互提高，通常都是將改善瀝青高溫性能的改性劑與玄武巖纖維復合使用，進而可以綜合地改善瀝青的綜合性能;但由于只適用于試驗室研究階段，在工程實際的應用中還需要考慮制備的復合改性瀝青存放條件，是否發生離析和實際施工操作的問題等，未來研究和應用還有很大的空間;同時隨著綠色環保的發展理念，瀝青自愈合性能的研究已成熱點，作為一種新型的綠色環保建材，將其應用到瀝青自愈合領域已經起步，通過路況模擬和建模仿真等手段，未來應用玄武巖纖維對瀝青自愈合的使用也具備著光明的前景。

4 ?結語

在全力推行綠色環保發展的今天，玄武巖纖維作為一種新型環保建材，已經在我國瀝青路面的研究和應用中蓬勃發展，由于其自身具有優越的性能，可以改善瀝青混合料的高溫穩定性，明顯提高低溫抗裂性和水穩定性，對瀝青路面的耐久性顯著加強，在瀝青自愈合領域也前景廣闊。同時，隨著復合改性瀝青技術的成熟，玄武巖纖維也能和其他改性劑配合使用，進而綜合提高瀝青混合料的性能。

但不可否認的是，大多數對玄武巖纖維瀝青混合料的研究仍停留在試驗室或部分試驗路階段，對于實際工程來說，我國修筑的玄武巖纖維瀝青路面還較少，在施工建設過程中對拌和工藝，攤鋪與碾壓技術的研究還有待提高。如何將玄武巖纖維更好地應用于瀝青路面的實際建設中，還有待各位專家學者們的研究與探索。

參考文獻：

[1]陳興芬.提高混凝土耐久性的新材料—玄武巖纖維[C].第七屆全國混凝土耐久性學術交流會論文集.2008：711-718.

[2]高丹盈，湯寄予，李花歌.纖維對瀝青瑪蹄脂碎石混合料（SMA）路用性能的影響[J].建筑材料學報，2008，11（06）：741-745.

[3]劉福軍.玄武巖纖維瀝青混合料路用性能研究[D].哈爾濱工業大學，2010.

[4]韋佑坡，張爭奇，司偉，李洪波.玄武巖纖維在瀝青混合料中的作用機理[J].長安大學學報（自然科學版），2012，32（02）：39-44.

[5]馮帆.編織耐久的“地衣”——國內高速公路首次大規模應用特種玄武巖礦物纖維[J].中國公路，2013（12）：110-113.