纖維在瀝青混合料中的應用

石碩 王大明

摘 要：隨著中國經濟的飛速發展，交通量及重載車輛數量的快速上升，對路面造成的破壞日益嚴重，這種情況下對瀝青路面材料的要求也越來越高。本文介紹了不同纖維對瀝青混合料各種性能的改善，其中重點介紹了玄武巖纖維的作用機理及路用性能。

關鍵詞：瀝青混合料; 纖維; 玄武巖纖維

中圖分類號：U414? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ?文章編號：1006-3315（2021）11-227-002

1.前言

瀝青混凝土路面在使用過程中受到溫度，濕度，汽車荷載等影響，其強度、剛度、穩定性會逐漸下降，從而出現車轍、坑槽、疲勞開裂等病害。為了提高瀝青混凝土路面的性能，各種纖維被添加到了瀝青混合料中。不同纖維分散在瀝青混合料之中，增強了混合料的強度和剛度，使其具有更高的模量、粘度、水穩定性及高溫穩定性和低溫抗裂性、耐久性，使瀝青混合料作為路面材料的使用壽命得以延長。玄武巖纖維作為具有代表性的纖維，對瀝青混合料性能的改善效果較為全面，在提高瀝青混凝土路面路用性能方面發揮了重要的作用。

2.纖維類型簡介

2.1纖維素纖維

纖維素纖維一般是由植物的種子顆粒、果實、根莖、枝葉等部位經過加工處理得到的纖維。多數情況下，纖維素纖維的比表面積比聚酯纖維和礦物纖維高出10倍以上，表面吸附瀝青的能力比較強。木質纖維對于高溫穩定性能的改善不明顯，但對于低溫抗裂性能的提高較大。椰子纖維雖然會使瀝青混合料的疲勞強度下降，但對于凍融劈裂強度以及間接抗拉強度還是有所提高。竹纖維表面粗糙并且與瀝青的浸潤性好，通過試驗研究竹纖維對于瀝青混合料的性能提升超過聚酯纖維以及木質纖維^[1]。玉米稈飽水以后剪切得到的纖維，表面粗糙，容易分散，在加入到瀝青混合料中時，可以明顯提高混凝土高溫穩定度，低溫彎拉強度以及水穩定性。

2.2礦物纖維

礦物纖維是由纖維狀結構的巖石中經過處理得到的纖維。石棉曾經也被添加到瀝青混合料中用于提高性能，但是由于石棉所具有的致癌性，現在已經逐漸停止使用。玄武巖纖維在與木質纖維以及聚酯纖維的對比中，在高溫穩定性，低溫抗裂性以及水穩定性方面體現出明顯的優勢^[2]。水鎂石纖維不僅對瀝青混合料的水穩定性，高溫穩定性，低溫抗裂性有優良的改善作用，在改善耐久性方面還優于木質纖維，由于其表面更粗糙，對瀝青的吸收和穩定作用也優于玄武巖纖維以及聚酯纖維^[3]。

2.3合成纖維

合成纖維的材料組成是人工合成的高分子化合物。聚酯纖維目前已經在多處工程項目中得到了實際的應用，并且取得了良好的效果。聚酯纖維可以增加瀝青混合料的塑性變形以及抗疲勞的能力。聚丙烯纖維以及芳綸纖維可以明顯提高間接抗拉強度，并提高抗疲勞開裂的能力。漿粕狀芳綸纖維對抵抗低溫開裂以及提高承載能力方面有改善作用。

2.4玻璃纖維

玻璃纖維屬于無機非金屬材料，性能優異，目前生產的產品種類繁多，其展現出來的優點是絕緣性好、耐熱性強、抗腐蝕性好、機械強度高，但是易磨損，脆性是玻璃纖維的缺點。在SMA瀝青混合料中加入玻璃纖維對剛度、抗疲勞性能以及抗車轍性能都有提高。但是對于瀝青混合料在低溫下的性能提高不明顯^[4]。

2.5鋼纖維

鋼纖維是指通過切斷細鋼絲法、冷軋帶鋼剪切、鋼錠銑削或鋼水快速冷凝法制成長徑比為40～80的纖維。鋼纖維使瀝青混合料在高溫下的性能，水穩定性及彎拉強度有所提高，勁度模量下降，通過電加熱還可以使瀝青混合料具有愈合能力^[5]。

2.6環保型纖維

環保型纖維可以通過循環利用以減少自然資源的消耗，達到保護環境的目的。用廢舊輪胎制成的纖維不僅可以使瀝青混合料的抗疲勞性能得到提高，還可以使瀝青混合料的使用壽命得到延長^[6]。再生玻璃纖維片作為一種增強瀝青混合料性能的新材料，可以改善混合料抵抗低溫開裂的性能、水穩定性、剛度、抵抗車轍的能力以及蠕變恢復性能。

2.7混雜纖維

由于各種纖維的性能以及添加方式的不同，不同纖維對于瀝青混合料某一性能的增強高于其他纖維。在一些情況下，僅采用某一種纖維作為外加劑難以有效提升瀝青混合料的多種性能。因此，纖維復摻技術作為一種提高瀝青混合料綜合性能的方法，被應用到提高混合料性能的過程中。木質纖維和玻璃纖維搭配在一起不僅可以提高低溫性能，還可以提高高溫性能。玄武巖纖維與木質素纖維^[7]，硅藻土與玄武巖纖維^[8]，硅藻土與玻璃纖維組合使用過程中都超過單一纖維的增強能力。

2.8碳纖維

碳纖維一般是指合成纖維和纖維素纖維在高溫下通過氧化碳化而形成的含碳量在90%以上的纖維。碳纖維加入到瀝青混合料中時，混合料變硬，在高溫時抵抗永久變形的能力增加，抗拉強度得到提高。

3.玄武巖纖維在瀝青混合料中的應用

3.1玄武巖纖維

玄武巖纖維是以天然玄武巖在1450℃～1500℃溫度下經過特殊工藝拉制成纖維狀的材料。玄武巖纖維作為加筋材料的優勢在于它的斷裂強度較高，達到了聚酯纖維的6.7倍。玄武巖纖維還能夠減少水分對瀝青混合料的侵入，它的吸濕性只有聚酯纖維的1/5。在高溫下玄武巖纖維對于瀝青混合料的提高作用也比較明顯，它的受熱損失質量不到聚酯纖維的1/2。木質素纖維的吸油性能非常強，玄武巖纖維對于瀝青的吸附性也很強，玄武巖纖維與木質素纖維僅有微小的差距，可以有效提高路面強度。

3.2玄武巖纖維在瀝青混合料中應用效果

3.2.1玄武巖纖維的增粘作用

當玄武巖纖維與瀝青膠漿混合時，玄武巖纖維與瀝青膠漿中的其他物質形成了三維亂布的狀態。其中礦粉及其他添加劑對瀝青流動形成的阻力較小，增粘作用比較小，玄武巖纖維是形成流動阻力及產生粘性的的主要力量，因此纖維的長度也影響著增粘的效果。根據愛因斯坦粘度理論，纖維體積分數（玄武巖的摻加比例）越大，增粘效果也會越好。所以當溫度上升瀝青粘度下降，此時摻入瀝青混合料內的玄武巖纖維就會發揮作用增加粘度，提高瀝青混合料高溫下抵抗車轍的能力^[9]。

3.2.2玄武巖纖維的阻裂作用

瀝青膠漿的斷裂是由于外力或者內力在膠漿內部形成微小斷裂，并逐漸擴大形成的整體斷裂。玄武巖纖維在瀝青膠漿內部的三維空間呈現亂向分布。瀝青在低溫下顯示出脆性，玄武巖纖維與瀝青膠漿中的瀝青相互交聯在一起，只有在玄武巖纖維斷裂時，瀝青膠漿才會開始斷裂。因此，玄武巖纖維使瀝青膠漿在受力時的阻裂能力得到了很大的提高，從而提升了瀝青膠漿在低溫環境下抵抗斷裂的能力。

3.2.3玄武巖纖維增大模量

玄武巖纖維在瀝青膠漿內部的三維空間呈現亂向分布。在作用力方向與玄武巖纖維縱向方向相同時，玄武巖對瀝青膠漿強度的增強效果最好，當作用力方向與玄武巖纖維橫向方向一致時，幾乎沒有增強的效果。作用力方向與玄武巖纖維縱向方向的角度決定著增強作用的大小，但玄武巖纖維在瀝青膠漿內部是三維亂向分布的，所以平均增強強度幾乎一致。玄武巖纖維在瀝青膠漿中的增強效果更多由玄武巖纖維有效體積率決定^[10]。

3.3玄武巖纖維瀝青混合料的路用性能

3.3.1玄武巖纖維瀝青混合料的高溫穩定性

玄武巖纖維使瀝青混合料的承載力增加，從而使高溫穩定性也有明顯改善。一方面，玄武巖纖維像鋼筋植入水泥混凝土一樣，亂向分布在集料間的瀝青膠漿中，增加了其整體性和結構強度。另一方面，玄武巖纖維的比表面積較大且數量多，可以吸收瀝青混合料中更多的油分，在瀝青含量相同的情況下，使瀝青更多地聚集到各種集料的周圍，從而增強了混合料整體的韌性以及粘結力。由此，當瀝青混合料在高溫環境下時，玄武巖纖維提高了其穩定性，減少了瀝青路面出現車轍、擁包、坑槽等病害^[11]。

3.3.2玄武巖纖維瀝青混合料的低溫抗裂性

當瀝青混合料摻加了玄武巖纖維時，瀝青混合料中的玄武巖纖維增大了集料間的摩阻力。由于瀝青的粘結力，當瀝青混合料受到外部或內部作用力時，產生的彎拉應力首先傳導給玄武巖纖維，其他部分則繼續發揮其抗壓性能，這樣就大大提高了承載力，減少了混合料在低溫下由于脆性增加而導致的破壞。另一方面，在低溫條件下，荷載循環作用時，玄武巖纖維發揮其拉伸作用，在瀝青混合料出現裂縫時，裂縫在玄武巖纖維的拉力作用下盡可能地縮小，減緩了雨雪及溫度變化對其內部的破壞^[12]。這樣在低溫情況下，玄武巖纖維提高了瀝青混合料的抗裂性和耐久性，減少了瀝青路面出現因疲勞、脆化、縮裂等原因引起開裂的現象。

3.3.3玄武巖纖維瀝青混合料的水穩定性能

由于玄武巖纖維的比表面積比較大，在玄武巖纖維瀝青混合料作為面層以后，玄武巖纖維和瀝青覆蓋在上面層。這樣使集料上面的瀝青膜變厚，瀝青混凝土表面的孔隙率降低，孔隙孔徑減小，水滲透進去的幾率和數量都變小，減少了水對內部的破壞，使礦料與瀝青不會因水的作用剝離，造成瀝青混合料粘結力的喪失，進而成為松散的離散體。由此，當瀝青混合料在水和荷載的作用下時，玄武巖纖維可以提高其水穩定性，減少了路面出現沉陷、網裂、坑槽、松散等病害。

3.3.4玄武巖纖維提高疲勞耐久性

瀝青混凝土路面修筑完畢，開放交通后，各種車輛的荷載以及環境因素不停地作用在路面上，路面材料會形成疲勞損傷。路面材料的強度與疲勞壽命呈正相關，瀝青的強度會隨著溫度的升高而降低，在高溫工作時，路面材料更易受到車輛荷載的損傷，所以提高瀝青膠漿的強度以及在高溫時的穩定性，對瀝青混合料的抗疲勞性和耐久性十分重要。玄武巖纖維在瀝青膠漿中發揮的作用可以使瀝青膠漿的疲勞耐久性得到提高。

4.玄武巖纖維瀝青混凝土路面經濟性分析

道路的全壽命周期成本包含了施工初期的成本和道路投入運營后的各項成本。玄武巖纖維瀝青混凝土路面，由于摻加了玄武巖纖維，初期的建設成本會有所提高，但是在其他方面玄武巖纖維瀝青混凝土更具有經濟優勢。首先，因為玄武巖纖維對瀝青混凝土抗拉強度，彎拉應力，勁度模量的提高，所以在設計時可以考慮減少路面結構層的厚度。其次，玄武巖纖維瀝青混凝土可以減少路面的早期病害，從而減少維修養護的費用，并且提高了路面的使用壽命。綜上，從全壽命周期的總投資角度來看，玄武巖纖維瀝青路面的經濟性要更高。

5.總結

綜上所述，多種纖維依靠著自身的特性使瀝青混合料的性能得到了明顯的改善。玄武巖纖維對瀝青混合料的性能增強較為全面，它的特性決定了它在高溫穩定性，低溫抗裂性，水穩定性方面具有不錯的提升效果。從經濟性看，玄武巖纖維瀝青混凝土雖然早期投入較高，但從全壽命周期角度看，依然具有很高的經濟性。

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