不同种类路用纤维的技术性能及适用性分析

张丰状

(山西省润途路桥有限公司，山西 太原 030012)

0 引言

利用纤维与沥青间的吸附作用，纤维沥青胶浆空间胶结网的稳定作用，纤维抗拉性能对裂缝界面的延缓作用[1]，纤维材料的掺入可以增强沥青混凝土的各方面性能，这使得纤维沥青路面得到较为广泛的应用，并取得较好的使用效果[2]。

纤维的种类繁多，目前在道路工程中得到应用的主要有聚酯纤维、聚丙烯腈纤维、矿物纤维、木质纤维等，其中聚酯纤维沥青混凝土应用较为广泛。张争奇、陈华鑫等人研究了纤维种类对纤维沥青混合料路用性能的影响，结果表明聚酯纤维沥青混合料的高温抗车辙性能、低温抗裂性能最佳[3]。

纤维作为一种外掺材料加入到沥青混凝土中，其自身的技术性能必将对沥青混凝土的性能产生一定的影响。纤维的技术性能主要包括:1)物理性能:纤维直径、长度、密度、熔点等;2)力学性能:抗拉强度、断裂延伸率等;3)其他性能:吸持沥青性能、吸湿性能等。

为此，本文对不同种类路用纤维的技术性能进行研究，从纤维技术性能角度分析不同种类纤维在沥青混凝土中的适用性。

1 纤维种类

按照组成原理，纤维可分为天然纤维和化学合成纤维，天然纤维主要是由棉、毛、麻、蚕丝等天然材料经化学和机械加工制得，化学合成纤维则是由高聚物材料经化学加工而成。而道路工程中应用的纤维一般可以分为软、硬纤维两种，硬纤维主要是指由拉拔等工艺制成的钢纤维和矿物纤维，其中钢纤维在水泥混凝土路面中得到一定的应用，软纤维在沥青混凝土中应用较多，主要包括聚酯纤维、聚丙烯腈纤维、木质纤维等。

图1～图3为不同种类纤维的宏观形貌和放大200倍后的微观形貌。

图1 聚酯纤维的宏观及微观图像

2 纤维技术性能

2.1 性能指标

本研究采用的聚酯纤维、聚丙烯腈纤维、矿物纤维和木质纤维常规性能指标见表1。

图2 木质纤维的宏观及微观图像

图3 玄武岩矿物纤维的宏观及微观图像

表1 纤维性能指标

从表1物理性能可以看出，四种纤维的熔点都达到200℃以上，在热拌沥青混合料加热温度范围内满足耐热性要求，不会产生融化现象。

图4 不同种类纤维高温下的质量损失率

由于热拌沥青混凝土路用纤维使用过程均处于高于150℃的高温状态，纤维在高温受热后应具有良好的热稳定性，以保证纤维在与集料干拌、加沥青湿拌、运输、摊铺、碾压等一系列过程中性能保持稳定。将10 g纤维放置于190℃烘箱中1 h，测量前后的质量变化，得到质量损失率见图4。从图4中不难发现，木质纤维的质量损失率最大，为20.5%，为相同条件下矿物纤维的19倍左右，木质纤维主要原料为木材，而矿物纤维是由矿石高温冶炼而成，因此热稳定性必然存在差异，聚合物纤维的质量损失率为9%左右，热稳定性居中。

2.2 吸持沥青能力

纤维吸持沥青的能力与沥青和纤维间的相容特性密切相关，吸持能力强的纤维，能够减少自由沥青的含量，在高温条件下保持沥青胶浆的稳定性，防止离析和泛油现象的发生。

吸持沥青能力试验:在10 g纤维中加入一定质量的沥青，均匀混合后，置于160℃烘箱中烘至质量基本不再变化，称取总质量，试验结果见表2。从表2结果分析得出，木质纤维吸持沥青能力最强，其次为聚酯纤维、聚丙烯腈纤维，矿物纤维吸附沥青能力最弱，同种类型沥青混凝土在相同纤维掺量下，木质纤维沥青混凝土的最佳沥青用量也就最高。

表2 纤维吸持沥青能力试验结果

2.3 吸湿性能

纤维的吸湿性能不仅对纤维自身的储存和使用性能产生影响，更会影响到加入到沥青混凝土后的综合性能，尤其是抗水损害性能。

吸湿性能试验:同样称取纤维10 g，装入烧杯共同放入20℃相对湿度90%的保湿箱中，测定5 d后纤维的质量变化，结果如表3所示。从表3的吸湿性能也可以看出，木质纤维的吸湿率最高，最容易受潮，受潮后的木质纤维自身的性能以及拌合性能将会降低，因此使用木质纤维时尤其应注意贮存防潮。聚酯纤维和聚丙烯腈纤维的吸湿率较低，容易存储，抗水损害能力较强。

表3 纤维吸湿性能试验结果

3 纤维适用性分析

路用纤维的适用性主要与纤维和沥青混凝土间的相互作用性能相关联，可从以下几个方面进行探讨:

1)拌合性能。纤维与沥青混凝土间的拌合性能至关重要，拌合均匀分散能够充分体现纤维的加筋增强性能，若纤维出现结团等现象将会降低纤维沥青路面的性能甚至造成不利影响。

拌合分散性与纤维的长径比有关，纤维的长径比愈大，与其相胶结的沥青胶浆愈多，强度也会相应增大，但倘若长径比过大，将会影响拌合的均匀分散性，容易造成结团现象。从实际应用经验来看，聚酯纤维和聚丙烯腈纤维的拌合性能较好，木质纤维的拌合性能较差。

2)吸附沥青能力。纤维与沥青间的吸附作用能够防止沥青在高温条件下析出，影响沥青混凝土的性能，实际上，利用吸附沥青作用来进行纤维的适用评价也要考虑沥青混合料的级配类型。一般来讲，SMA和OGFC路面以粗骨料为支撑，细集料较少使得沥青不能充分胶结，这种路面常采用木质纤维来防止沥青的析出，而对于密级配沥青混合料考虑加筋增强效果则优先采用聚酯纤维或聚丙烯腈纤维。

3)增强沥青混凝土性能。纤维与沥青相结合能够充分体现“加筋”的作用，仅从表1抗拉性能分析，矿物纤维的抗拉强度最大，理论上抗拉增强效果较好，但如果纤维的强度过高，与沥青混凝土存在较大模量差距，则容易产生应力集中现象，影响沥青混凝土的强度。

对以往研究成果进行总体分析表明，聚酯纤维和聚丙烯腈纤维增强沥青混凝土的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性等路用性能较好。

综上所述，原则上对于SMA和OGFC路面本研究中四种类型的纤维都能够满足要求，但采用木质纤维起到稳定沥青的作用效果最为理想。考虑纤维的加筋增强性能，密级配沥青混合料推荐采用聚酯纤维或聚丙烯腈纤维。

4 结语

本文对不同种类路用纤维的技术性能进行研究，通过技术指标及应用经验分析不同种类纤维的适用性，得出如下结论:

1)4种纤维都能够满足沥青混凝土拌合温度耐热性的要求，相比于其他3种纤维，木质纤维的热稳定性较差。

2)木质纤维的吸湿率较高，达到25%左右，在使用过程中应特别注意防潮处理。

3)木质纤维吸持沥青能力较强，加入到SMA和OGFC路面中能够起到防止沥青析出的作用。

4)聚酯纤维、聚丙烯腈纤维的拌合性能以及对于沥青混凝土的加筋增强效果较好，对于密级配沥青混凝土推荐采用该种纤维以显著增强沥青路面的性能。

[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] 陈华鑫，李宁利，胡长顺，等.纤维沥青混合料路用性能[J].长安大学学报(自然科学版)，2004，24(2):1－6.

[3] 张争奇，胡长顺.纤维加强沥青混凝土几个问题的研究和探讨[J].西安公路交通大学学报，2001，21(1):29－32.

[4] 吴少鹏，薛永杰，张登峰.聚合物纤维改性沥青混凝土的研究[J].武汉理工大学学报，2003，25(12):47－49.

[5] 黄 彭.木质纤维在沥青混合料中的应用[J].西安建筑科技大学学报(自然科学版)，2005，37(1):104－107.

[6] 倪富健，郭咏梅，曾兰英，等.聚丙烯腈纤维SMA路用性能[J].交通运输工程学报，2003，3(3):7－14.