礦物纖維改性瀝青混合料研究現狀與發展趨勢

摘要 瀝青路面由于其良好的使用性能、平整度及耐磨性被廣泛應用于高速公路、國道及省道的建設中；礦物纖維因為自身具有良好的分散性、熱穩定性和抗拉強度，被廣泛應用于瀝青混合料的改性研究中。鑒于此，文章首先介紹了不同種類礦物纖維的特點，其后系統分析礦物纖維對瀝青混合料路用性能的增強機理，研究發現：礦物纖維在加入瀝青混合料中后可以產生較大的浸潤界面，增加瀝青與集料間的黏性，并且在瀝青中形成空間結構，兩者結合大幅增加了瀝青混合料的抗壓抗裂能力，同時部分纖維具有的化學性能也可以增加瀝青混合料水穩定性。

關鍵詞 瀝青混合料；礦物纖維改性；作用機理；路用性能

中圖分類號 U416" " " " 文獻標識碼 A" " " " 文章編號 2096-8949（2024）15-0129-03

0 引言

近年來，礦物纖維改性瀝青混合料在我國高等級公路建設中已大量應用，相較于傳統瀝青混合料在惡劣環境下易產生劈裂、車轍、沉陷等病害，礦物纖維改性瀝青混合料對現有病害有明顯改良。提高礦物纖維改性瀝青混合料的綜合路用性能一直是工程界和學術界的研究熱點。該文在明確不同種類的礦物纖維在瀝青混合料中的作用機理的基礎上，對無機礦物纖維在瀝青混合料中的研究現狀進行綜述，以期為礦物纖維改性瀝青混合料的研究與應用提供參考。

1 礦物纖維主要分類及特性

纖維是良好的無機改性劑，一般分為礦物纖維、植物纖維和合成纖維。其中礦物纖維主要由非有機物質組成，具有強度高、熱穩定性好、耐腐蝕性強等優點，可以顯著提高瀝青混合料的抗疲勞性、穩定度和抗拉強度。目前，最具代表性的三種礦物纖維分別為水鎂石纖維、玄武巖纖維和陶瓷纖維。

1.1 水鎂石纖維

水鎂石纖維是一種中等強度的纖維，如圖1所示。其主要成分為Mg（OH）2，具有良好的吸水性、耐堿性和機械性能，纖維表面的氫氧根（OH-）可以與瀝青混合料中的極性基團結合成鍵，從而增強道路性能。

Cao X等[1]通過紅外和熱分析探究出水鎂石纖維的表面改性可以通過偶性劑與氫氧化鎂形成化學鍵實現。通過對比試驗表明水鎂石纖維的熱穩定性和耐潮性比木質素纖維更優，相較于玄武巖纖維和聚酯纖維，具有更好的瀝青吸收和穩定效果。但水鎂石纖維也存在強度不高、耐酸性差等缺點，需要與其他高強度耐酸性纖維進行混摻以提高瀝青混合料的路用性能。

1.2 玄武巖纖維

玄武巖纖維是玄武巖石料經過1 450～1 500 ℃熔斷后，由鉑銠合金拉絲漏板高速拉制而成的連續纖維，屬于高強度纖維，如圖2所示。

研究人員也嘗試將玄武巖纖維與其他材料進行復摻，對瀝青混合料進行復合改性，進行探究新型瀝青混合料的路面性能。朱春鳳[2]通過響應曲面法探究出了硅藻土—玄武巖纖維復合改性瀝青混合料的最佳纖維摻量和油石比，并且進行對比試驗，證明了硅藻土與玄武巖纖維的復摻大大提高了瀝青混合料整體的穩定性。

1.3 陶瓷纖維

陶瓷纖維是一種纖維狀輕質耐火材料，其主要成分為SiO2、Al2O3等，具有重量輕、耐高溫、熱穩定性好等優點。根據制作工藝的不同，陶瓷纖維主要分成兩種，即噴吹型陶瓷纖維（如圖3所示）和甩絲型陶瓷纖維（如圖4所示）。

邊佳若[3]通過SEM掃描電鏡對陶瓷纖維進行微觀研究，發現甩絲型陶瓷纖維相較于噴吹型陶瓷纖維更粗、更長，且韌性更好，而噴吹型陶瓷纖維脆性更大、半徑更小、黏聚性較低。添加陶瓷纖維可以明顯改善瀝青混合料的間接抗拉強度。王修山等[4]則通過掃描電鏡發現陶瓷纖維可以在瀝青混合料中形成三維網狀結構，并從微觀角度解釋了陶瓷纖維對瀝青混合料的改性機理。

2 礦物纖維改性瀝青混合料的增強機理

2.1 吸附增黏

纖維擁有較大的比表面積，能將大量的瀝青吸附在自身或者礦粉表面而產生較大的浸潤界面，同時瀝青弱酸性的特點也使得吸附在纖維上的瀝青排列成分子而形成瀝青結構薄膜，有效地提高了瀝青混合料的吸油率。礦物纖維改性瀝青和未摻纖維的瀝青相比，擁有較少的自由瀝青占比以及較大的內摩阻角，并且瀝青與分散纖維的相互作用也使瀝青混合料內部具有更好的機械性能，增強了瀝青混合料的黏結力，進一步提升了瀝青路面強度，減少松散剝落的病害。

2.2 加筋增韌

瀝青是一種棕黑色的有機膠凝狀物質，在不同的溫度下呈現液態、半固態等形態。在高強度負荷下容易產生車轍、推移等病害，大大減少了瀝青路面的使用壽命。瀝青混合料中添加一定量的纖維后，可以在瀝青混合料內部形成立體的空間結構，提高瀝青混合料的結構強度和勁度模量。在面對大重量負荷時，纖維可以充當瀝青混合料中的骨架[6]，起到支撐壓力的作用，增強瀝青混合料的韌性與強度。

2.3 錨固抗裂

裂縫是瀝青混合料的重要病害，當瀝青路面受到較大的豎向荷載或者溫度變化時，產生的拉應力會超過此時的抗拉強度，從而產生裂縫。吸附至礦物纖維表面會產生較大的浸潤面，而此時纖維也會受到更多集料的錨固力，瀝青錨固力可以增強纖維與瀝青之間抗拉強度[5]。當路面受到外界壓力裂縫持續增大時，纖維與瀝青之間的錨固力可以阻止裂縫的進一步發展。

2.4 化學增穩

礦物纖維除了對瀝青混合料產生物理作用，部分礦物纖維如水鎂石纖維也會通過與瀝青混合料發生化學反應來增強瀝青混合料的穩定性。水鎂石纖維是一種天然的堿性礦物纖維材料，主要成分為Mg（OH）2，能與瀝青纖維中的酸性組分產生良好的結合作用。高群[7]發現水鎂石纖維能與水化產物C-H、C-S-H相結合，以此形成穩定的三維網絡結構，使得瀝青混合料更加致密，從而提高了穩定性。

3 礦物纖維改性瀝青混合料的性能研究

3.1 高溫穩定性

瀝青混合料在高溫條件下經受行車荷載的不斷作用，容易產生車轍、擁包、推移等永久變形，對瀝青路面造成不可估量的損害。因此高溫穩定性是評價瀝青混合料的一項重要指標。不同種類瀝青混合料動穩定度的試驗結果如表1所示[5][9]。

由表1可以得出：不同摻量的礦物纖維對瀝青混合料的高溫穩定性有不同的影響。玄武巖纖維加海泡石纖維對瀝青混合料的復合改性效果最為明顯，其次是CF-A陶瓷纖維改性劑。從提升效果來說，玄武巖纖維的提升效果相比于原瀝青最大，CF-A和CF-B陶瓷纖維的提升效果則分別為56%和39%，邊佳若[3]通過掃描電鏡發現CF-A甩絲纖維具有更粗更長的特性，相較于CF-B陶瓷纖維對瀝青混合料的力學效果提升更加明顯。綜上：由于礦物纖維具有加筋增韌的作用，能在瀝青混合料中形成一定的空間結構，從而提高了其穩定性。

3.2 低溫抗裂性

低溫劈裂是縮短瀝青路面使用壽命的主要原因之一。當瀝青路面處在低溫環境中，部分混合料表面會產生溫度應力，當累積的溫度應力超過瀝青面層某一薄弱點的抗拉強度時，路面便會產生開裂。邊佳若[3]采用低溫小梁與低溫劈裂試驗評價了陶瓷纖維的低溫性能，結果表明：在-10 ℃劈裂試驗中，CF-A纖維擁有更好的低溫抗拉強度，CF-B大幅提升了材料的劈裂破壞應變，CF-C提升了間接抗拉效果，三者均有不同方向的提高，綜合性能為CF-A甩絲型纖維效果最好。

朱春鳳[2]在-10 ℃下對硅藻土—玄武巖纖維復合改性瀝青混合料進行了低溫劈裂試驗，結果表明：低溫性能最好的是玄武巖纖維改性瀝青混合料，其次是硅藻土—玄武巖纖維復合改性瀝青混合料，硅藻土改性瀝青混合料的低溫性能較基質瀝青混合料并無明顯提升。同時，單位截面劈裂吸收能的試驗結果再一次驗證了硅藻土與玄武巖纖維的復摻能顯著改善瀝青混合料的低溫性能。

Zhao等[6]分別采用水鎂石纖維、木質素纖維、玄武巖纖維對瀝青混合料進行改性，路用性能試驗結果表明：水鎂石纖維對瀝青混合料抗低溫性能的改善效果要優于木質素纖維，與玄武巖纖維比較接近，但玄武巖纖維價格更高。胡志博等[8]通過對玄武巖—水鎂石纖維改性瀝青混合料進行路用性能檢驗，發現玄武巖纖維摻量為60%、水鎂石纖維摻量為40%時，瀝青混合料的低溫抗裂性能最好。

綜上：由于礦物纖維與瀝青混合料之間存在錨固力，當面對低溫劈裂時，纖維與瀝青混合料緊緊咬合，增加瀝青的抗裂性能。同時由于纖維本身具有一定的強度，可以在瀝青混合料中形成空間三維結構，大幅增強了瀝青混合料的阻裂能力，進一步提高瀝青混合料的抗低溫性能。

3.3 水穩定性

瀝青混合料水穩定性的好壞直接關系到瀝青與集料之間的黏結力，測試瀝青水穩定性方法主要有兩種，分別是凍融劈裂試驗和浸水馬歇爾試驗。礦物纖維對瀝青混合料水穩定性的影響如表2所示[3-5]。

由表2可知：玄武巖纖維、陶瓷纖維、水鎂石纖維對于瀝青的水穩定性均有不同程度的提升，主要原因為瀝青混合料經過礦物纖維改性后產生結構薄膜，浸潤界面大大增加，進而提高了瀝青與集料之間的吸附性，減弱了改性瀝青混合料受水作用產生的剝離程度。水鎂石纖維因為其主要成分為Mg（OH）2，所以吸水性較好，具有更強的水穩定性。玄武巖纖維對瀝青混合料水穩定性的改善效果不明顯，但加入硅藻土后可以彌補這一缺點。

4 展望

目前對纖維改性瀝青混合料的研究多數是單摻，復合纖維改性瀝青混合料的研究仍然不夠深入。后續可以使用多種纖維對瀝青混合料進行改性，發揮每種纖維各自的優勢。對于礦物纖維改性瀝青混合料的研究往往集中于常規路用性能等方面，缺少微觀研究。后續可通過化學分析儀器對礦物纖維改性瀝青混合料的微觀機理展開深入研究。玄武巖纖維因為具有良好的路面性能而被廣泛研究，但是價格相對較高，后續的研究方向可集中于降低玄武巖纖維的使用成本。

5 結論

天然礦物纖維具有綠色環保、穩定性好、強度高等優點，因此被廣泛應用于各個領域中。該文綜述了國內外學者對礦物纖維改性瀝青混合料的研究成果，發現礦物纖維在道路工程領域中具有廣泛的應用前景。根據對已有研究的分析，主要得出以下結論：

（1）玄武巖纖維自身具有抗拉強度高、耐溫性好等優勢，被廣泛應用于瀝青混合料的改性研究中。使用玄武巖纖維改性的瀝青混合料具有更好的高溫穩定性、低溫抗裂性及水穩定性，但是也存在分散性較差、成本較高等缺點。

（2）陶瓷纖維是一種新興的礦物纖維，使用陶瓷纖維進行改性的瀝青混合料具有良好的抗低溫性能以及抗裂性能。但相比于玄武巖纖維，陶瓷纖維與瀝青之間的黏結力相對較弱。不同的制作工藝對陶瓷纖維的特性也會產生影響，甩絲型纖維的韌性更大，噴吹型纖維脆性更大。

（3）水鎂石纖維改性瀝青混合料具有良好的抗水損壞能力及路用性能，但其強度較玄武巖纖維改性瀝青混合料和陶瓷纖維改性瀝青混合料更低。經過試驗研究，水鎂石纖維的氫氧根（OH-）可以與某些道路的弱酸性土壤發生反應，以此改善道路環境。

參考文獻

[1]Cao X， Chuan X， Structural characteristics， dispersion， and modification of fibrous brucite[J]. International Journal of Minerals， Metallurgy， and Materials， 2014（1）：82-88.

[2]朱春鳳.硅藻土—玄武巖纖維復合改性瀝青混合料路用性能及力學特性研究[D].吉林：吉林大學，2018.

[3]邊佳若.陶瓷纖維瀝青混合料路用性能的試驗研究[D].大連：大連理工大學，2020.

[4]王修山，周恒宇，張小元，等.陶瓷纖維瀝青混合料路用性能及改性機理分析[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2022（3）：100-106.

[5]韓建博，朱福，陳文怡.石墨烯對瀝青混合料改性機理研究綜述[J].長沙理工大學學報（自然科學版），2023（1）：40-47.

[6]Zhao H， Guan B， Xiong R， et al. Investigation of the Performance of Basalt Fiber Reinforced Asphalt Mixture[J]. Applied Sciences， 2020（5）：1561.

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[8]胡志博，胡春華，陳金龍.玄武巖/水鎂石纖維改性瀝青混合料試驗研究[J].湖北工業大學學報，2021（1）：110-113.

[9]郭振華，尚德庫，鄔翠蓮等.海泡石/玄武巖纖維復合瀝青混合料性能研究[J].河北工業大學學報，2005（1）：5-10.

收稿日期：2024-04-22

作者簡介：李晨銘（2000—），男，碩士在讀，研究方向：道路工程材料。

通信作者：榮華（1981—），女，碩士，副教授，研究方向：復合材料。

基金項目：吉林省科技發展計劃重點研發項目“寒區竹-陶瓷復合纖維瀝青混合料應用關鍵技術研究”（20240304141SF）。