纤维稳定剂在排水沥青路面中的应用简介

赵德慧

(杭州市交通规划设计研究院　杭州　310006)

纤维稳定剂在排水沥青路面中的应用简介

赵德慧

(杭州市交通规划设计研究院杭州310006)

摘要针对排水路面的优缺点，通过分析纤维沥青混合料的作用机理，提出加入纤维一定程度上能弥补排水路面部分缺点。介绍了不同类型纤维在沥青混合料中的应用情况，特别提出矿物纤维是一种有较广阔发展前景的纤维稳定剂。

关键词排水性沥青混合料纤维稳定剂矿物纤维

1排水沥青路面简介

排水沥青路面，又称透水沥青路面、开级配磨耗层( OGFC)等，指压实后空隙率在20%左右，能够在混合料内部形成排水通道的新型沥青混凝土面层，其实质为单一粒径碎石按照嵌挤机理形成骨架-空隙结构的开级配沥青混合料[1]。

排水性沥青混合料即基于骨架空隙结构理论发展而来[2]。该种结构粗集料含量较多，细集料含量较少，粗集料相互接触形成骨架，混合料中剩余空隙率大，易渗水。因此，该种结构特有的大孔隙具有以下使用品质：①抗滑性很好，雨天能迅速排除路面积水，消除表面水膜，提高行车安全性；②降低行车噪声；③改善雨天或夜间行驶的视觉特性 。

但是，由于大孔隙结构的开敞性，排水沥青路面在抗磨耗性、水稳定性、疲劳耐久性[3]方面存在明显缺陷。同时，排水性沥青混合料中细集料较少，容易产生沥青析漏问题，沥青析漏会给路面带来病害隐患。

2纤维材料的引入

针对排水沥青路面的缺陷，提出在排水沥青混合料中添加纤维稳定剂，纤维在沥青混合料中的作用[4]主要有几点：①加筋作用。在混合料中掺加纤维，纤维在混合料中以一种三维的分散相存在，起到加筋作用；②分散作用。纤维可使用量颇大的沥青矿粉胶团适当分散在集料间，减少铺筑路面时的“油斑”现象；③吸附及吸收沥青作用。充分吸附(表面)及吸收(内部)沥青，从而使沥青用量增加，沥青油膜变厚，提高混合料的耐久性；④稳定作用。纤维使沥青膜处于比较稳定的状态，尤其是在夏天高温季节，沥青受热膨胀，纤维内部的空隙还将成为一种缓冲的余地，不致成为自由沥青而泛油；⑤增粘作用，提高粘结力。纤维将增加沥青与矿料的粘附性，通过油膜的粘结，提高集料之间的粘结力，减少析漏5]。

纤维稳定剂的以上种种作用对于解决排水路面存在的水稳性，耐久性，特别是对沥青析漏问题有很强的针对作用，在排水性沥青混合料中使用纤维稳定剂在国外已经有诸多尝试。比利时SCREG的报道表明，使用0.3%木质素纤维能够很好地改善排水性沥青混合料对沥青用量的敏感性，增加沥青膜厚，减少、消除沥青离析。日本的《排水性铺装技术指南(案)》也指出，纤维质地的补强材料以确保沥青薄膜厚度和防止析漏为主，并提议在日本用植物纤维。NCAT试验规程规定，如果要保留混合料的完整性，最大的容许析漏率是0.3%，未使用纤维稳定剂的OGFC混合料很难达到这个要求。

法国曾经针对排水性沥青混合料做了室内环道试验。试验时，同一环道4均分，分别采用普通沥青、SBS改性沥青、SBR改性沥青、普通沥青+纤维稳定剂4种结构，在110万标准轴次作用后，前3种的空隙率均有大幅下降，最大的一种下降幅度达到30%，而使用了纤维稳定剂的1/4环道则几乎没有任何空隙率下降的表现。对试验后渗透系数的测试也表明了这一点，使用纤维稳定剂的结构比前3种大50%左右。而对车辙深度的测试第4种结构比前3种结构小大约60%。该试验充分表明，跟其他组合路面结构相比，使用了纤维稳定剂的排水沥青路面在保持其使用性能方面具有相当的优越性。

3纤维在沥青路面中的应用情况

纤维是一种细长而柔韧性好的增强材料，从来源上可以分为2大类：天然纤维和合成纤维。

天然纤维是用天然高聚物经过化学处理和机械加工制得的。这些天然高聚物可能是棉、麻、木材、矿物等，随着高聚物的不同，纤维的处理方法和加工工艺也大相径庭，纤维的形态和性质也表现出一定的差异。木质素纤维和矿物纤维是常用的天然纤维品种。

合成纤维是以指以天然或合成的高分子物质作原料，经过化学处理与机械加工制造而成的纤维。现在的合成纤维有聚酯纤维、聚酰胺纤维、聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维等。

目前，在沥青路面工程中应用较多的是木质素纤维、聚合物化学纤维和矿物纤维。木质素纤维和矿物纤维属于天然纤维，聚合物化学纤维属于合成纤维。

3.1　木质素纤维

木质素纤维是天然木材经过化学处理得到的有机纤维，其物质结构是由葡萄糖分子组成的长分子链结构。主要有2种：经过技术处理的絮状的木质素纤维；颗粒状的木质素纤维。后者是由木质素纤维与沥青按照2∶1或者4∶1重量比拌制而成的颗粒，据介绍，颗粒状纤维最大的好处是不怕受潮，机械化添加容易实现。显然，这是针对絮状木质素纤维容易吸潮、容易结团、不宜长时间堆放并且拌和时分散困难的缺点而言。

但是，从后来的发展看，絮状木质素纤维逐渐占据了市场。这一方面是絮状木质素纤维的国产化得以开拓，从而使材料价格得以降低。另一方面，添加絮状纤维的设备也应运而生，进口、国产的都已经做得比较成熟。相比之下，颗粒状纤维因为其生产工艺相对复杂，而且加入的沥青也按照纤维材料来销售，使得用户在选择时有些犹疑。

木质素纤维最突出的性能是吸油率高，这对容易发生沥青(也包括少量的填料和细集料)析漏的SMA和排水性沥青混合料是一个“对症下药”的切入点。

近年来国内对SMA路面经历了一个从认识到发展到日趋成熟的历程，而SMA在我国的修筑基本上都用纤维。这使得路用纤维市场也从无到有，从小到大，从单一到多样化迅速成长起来。由于添加木质素纤维的SMA路用性能倍受推崇，木质素纤维又具有相对明显的价格优势，在诸多工程中得到了广泛应用。因此在普通沥青混凝土路面中占有不少市场份额。

3.2　聚合物化学纤维

聚合物化学纤维为合成纤维，它们的研制和应用来源于纺织纤维，是以合成高聚物为原料经化学处理得到的。

在聚合物化学纤维中，沥青路面中常用的是聚酯纤维(涤纶)和丙稀酸纤维(腈纶)。起初，这2种纤维都依靠一些进口的品种。虽然价格昂贵，但是通过中间商的市场开拓，有几种在公路建设中得到了一定规模的应用。近年来，国产聚合物化学纤维也开始步入市场，其价格比进口的大幅降低。

聚合物化学纤维的抗拉强度较高，具有较高的断裂延伸率，因此，其在沥青混合料中应该更能发挥加筋、增韧的作用，提高沥青混合料的低温抗裂性能和疲劳耐久性。同时，其吸油性能虽然逊于木质素纤维，但是用以防止沥青混合料的析漏效果还是很好的。现在影响聚合物化学纤维进一步推广的主要还是价格问题。此外，聚合物化学纤维的高温性能受到怀疑，有的品种在高温拌和时有融化卷曲的现象，如此，其优于木质素纤维的加筋作用恐怕难以体现出来。

聚合物化学纤维在国外的应用也是比较少的。国内主要是木质素纤维占据着主要市场，在国外则是木质素和矿物纤维并重、矿物纤维后来居上的形势。但是，在某些特殊工程如桥面铺装、混凝土加铺等项目中，聚合物化学纤维仍然具有相当的性能优势。

3.3　矿物纤维

矿物纤维是利用天然矿物经化学处理和机械加工制得的。目前，在沥青路面中应用的矿物纤维主要是石棉纤维和玄武岩矿物纤维。

最早使用的矿物纤维品种是石棉纤维。由于石棉纤维可能引起硅肺、支气管癌和间皮癌等非常严重的人身危害，现在，一些工业发达国家已经禁止使用石棉纤维，我国也正在逐步淘汰。

现在比较看好的方向是玄武岩矿物纤维。它是选用合适的玄武岩矿物原料，经过高温熔融提炼、编纺抽丝及表面处理等多道工序加工而成。由于矿物纤维来自矿物，同木质素纤维以及合成的聚合物化学纤维在化学构成上有着本质的区别，其应用在沥青混合料中的效果也因此有着自己“与生俱来”的特点。

首先，矿物纤维的强度及弹性模量很高，从复合材料科学“加筋加强”的原理看，其对混合料的强度提高应该相当明显。其次，矿物纤维同沥青之间有很好的表面亲和力，这种亲和力可以从玄武岩集料与沥青的粘附性上得到启示；同时，其优势也在于同矿料之间的联合作用容易实现。此外，矿物纤维的工作温度可以达到700 ℃，在混合料拌和温度范围内根本不用担心失效问题。相比之下，木质素纤维、聚合物化学纤维在沥青的拌和温度附近就已经有或多或少的性状改变，虽然现在还无法验证这种性状改变带来的负面效应，但是已经有不少质疑的声音。

矿物纤维在沥青混合料中的应用在国外已经形成规模。美国在1991年开始使用玄武岩矿物纤维，并在美国第一条SMA沥青路面——乔治亚州的州际公路上使用了Fiberand公司的道路专用矿物纤维，获得了很好的评价。随后，矿物纤维在其他州也得到推广，并且因为其有利于沥青混合料的再生利用而逐渐有主导市场的倾向。

虽然我国早就已经具备相当的矿物纤维生产能力，但是道路专用矿物纤维仍然依靠进口，其售价介于木质素纤维同进口聚合物化学纤维之间。只是，同木质素纤维和聚合物化学纤维相比，矿物纤维的应用还很少，没有形成市场规模及相应的技术积累。最近，国内有一些科研院所会同材料公司开始合作开发道路专用矿物纤维，并已经有产品面世。

4结语

纤维在其他沥青混合料上的应用在国内已经做了不少系统性工作。特别是近年来SMA路面的推广，由于规定必须使用稳定剂，且一般都使用纤维，经过实践，国内对纤维的作用机理和应用技术已经积累了很多经验。在这种形势下，将纤维稳定剂引入到排水性沥青混合料中来，如果确定有可观的改善效果并积累相应的生产经验，则有利于排水沥青路面使用材料体系的形成，对排水沥青路面的推广意义重大。

参考文献

[1]沙庆林.高等级公路半刚性基层沥青路面[M].北京：人民交通出版社，1998.

[2]黄晓明.沥青与沥青混合料[M].南京：东南大学出版社，1998.

[3]SMITH R W, RICE J M,SPELMAN S R.Design of open-graded asphalt friction course[R].FHWA Report No.FHWA-RD-74-2, Washington, D.C. January，1974.

[4]丁智勇，刘绍宁，彭波.路用纤维沥青性能的研究[J].武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2007(5)：827-830.

[5]沈金安.改性沥青与SMA路面[M].北京：人民交通出版社，1999.

收稿日期：2014-12-09

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.03.050