论玄武岩纤维在沥青路面中研究现状与发展趋势

左惠宇

摘要：文章介绍了玄武岩纤维的性质与其在公路领域的发展情况，虽然我国对玄武岩纤维的应用较晚，但现已进行了大量的试验研究和使用。玄武岩纤维对于沥青混合料的高低温性能，水稳定性和抗疲劳性能均有所提高，同时将玄武岩纤维作为改性剂制备玄武岩纤维改性沥青砂浆的性能也有所提高。通过已有的试验研究和应用情况，文章对玄武岩纤维在沥青路面中的发展趋势进行了展望。

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.

关键词：公路工程;玄武岩纤维;沥青及沥青混合料;路用性能

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

中图分类号：TU528.42                                   文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）24-0161-02

0  引言

随着我国经济的飞速发展，车辆荷载显著增加，仅仅使用基质沥青建设的路面往往在建成初期发生开裂和车辙等病害，大大降低了服务水平，造成了经济的损失。随着科技水平的不断进步，沥青改性技术也越发成熟，各式各样的改性剂也登上舞台，改善着沥青的各项性能。进入21世纪以来，各种纤维逐渐进入了建筑领域，木质素纤维，合成纤维，矿物纤维等在道路建设中发挥着各样的作用;玄武岩纤维作为一种新型的筑路材料，在2008年第七届全国混凝土耐久性学术交流会上由陳兴芬[1]介绍其在工程中应用;由于其比木质素纤维和合成纤维比有更高的强度和刚度，比之前使用的石棉纤维更加对人无害和环保，进而开启了研究玄武岩纤维在道路工程中研究的大门，对玄武岩纤维的深入研究也随之展开。

1  玄武岩纤维的性质

玄武岩纤维是以天然玄武岩为原料，在1450～1500℃熔融后，通过铂铑合金拉丝，在漏板中高速拉制而成的连续纤维。纯天然的玄武岩纤维颜色一般为褐色，有一定的金属光泽。玄武岩纤维是一种新型的绿色环保，高性能纤维材料。由二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化铁、氧化镁和二氧化钛等氧化物构成。

玄武岩连续纤维具有强度高，耐腐蚀、耐高温，而且还具有电绝缘等多种优异性能。此外，由于生产工艺的原因，玄武岩纤维的生产产生的废弃物较少，对环境污染小，与此同时，纤维产品废弃后可直接在环境中降解，没有任何危害，是一种名副其实的绿色环保材料。目前，我国已把玄武岩纤维列为重点发展的四大纤维之一，并且实现了工业化生产。

玄武岩纤维作为一种碱性集料，其拉丝形成的纤维也具有相同的碱性，与沥青有着良好的相容性，所以其在沥青和沥青混合料中的使用可以充分发挥作用。

2  玄武岩纤维在沥青路面中的研究现状

2008年起，玄武岩纤维的研究开始发展起来，高丹盈[2]等人，在沥青混合料中掺入不同掺量的木质素纤维和玄武岩纤维，通过析漏，飞散损失，高温稳定性和水稳定性试验，发现SMA路用性能的提升随着纤维的掺量增加而提高，木质素纤维对沥青的增粘效果优于玄武岩纤维，而玄武岩纤维的耐高温和耐水损害的效果要优于木质素纤维。

2010年，刘福军[3]基于基质沥青和SBS改性沥青这两个平台，对玄武岩纤维改性沥青的性能进行了试验，并对其制备的沥青混合料进行了研究;发现掺入玄武岩纤维会大幅升高其软化点，沥青针入度和延度大幅下降;通过流变学试验发现，纤维沥青的抗车辙因子和蠕变劲度增加幅度最大，这表明其可以改善沥青的高低温性能;在沥青混合料的试验中发现玄武岩纤维有着更好的缓解高温车辙，抵抗低温开裂，并且提高抗水损害的能力。

2012年，韦佑坡[4]等人，研究了玄武岩纤维在沥青混合料中作用的机理，发现玄武岩纤维的加入一定地增加了沥青与集料的相和面，产生了一定的界面增强作用，使其成为多相复合体;通过DSR试验，发现纤维沥青的抗车辙因子显著提高，表明纵横交错的纤维吸附了轻质组分使沥青质含量相对增加，进而增加了沥青的粘度;同时纤维在沥青中分布形成了界面结构层，进而起到明显的“加筋”效果，改善沥青的高温性能。

2013年，玄武岩纤维沥青路面的建设在国内开始应用，冯帆[5]介绍了其在湖南郴宁高速上的使用，郴宁高速是我国第一条连续超百公里使用玄武岩纤维的路面，专家们在方案必选时，表明玄武岩纤维是最适合在沥青路面中使用的纤维稳定材料，会大幅提高路面的性能并利于环保;但其对施工的工况要求很高，既要对纤维材料进行防水保存，又要对现场施工的拌和、摊铺、碾压的温度控制足够精确甚至苛刻。

由于已经有了铺筑玄武岩纤维沥青路面的工程，在工程中也出现了难点需要攻关，2015年起对玄武岩纤维的各种施工，摊铺技术进行了研究。

郭同海于2015年对SMA玄武岩纤维沥青路面的施工技术进行了总结;在拌和时，喷入沥青1s钟后，应一次性完成纤维的添加，同时要注意控制好加料的顺序和纤维拌和的时间;在摊铺过程中最好选用一台初始压实度较高、抗离析作用强的摊铺机施工。在铺筑SMA混合料时，施工人员要实时对混合料进行观察，若观察到沥青和纤维出现析漏的状况，施工人员要及时采取措施，比如增加纤维数量、降低施工温度等措施。

李良在玄武岩改性沥青路面铺筑技术中发现，在施工时要对压路机操作工人进行专门培训，做到“紧跟，慢压，高频，低幅”，同时压路机要进行折返碾压，保持碾压均衡，避免过压欠压。

通过以上的研究表明，玄武岩纤维在沥青及沥青混合料中通过界面增强和加筋作用，提升了沥青混合料的抗低温和抗水损害的性能，对高温性能也有一定的改善，并且耐疲劳和老化性能也有大幅提高。作为一种新型环保的建筑材料，其推广使用也日渐展开，通过修筑实体工程的过程中也发现了诸多施工的难点，要严格控制沥青混合料在拌和、运输、摊铺、碾压的各个阶段，保证混合料的工程质量;同时由于纤维的吸油性，混合料中的结构沥青含量较多，提高了路面的路用性能，延长路面的使用寿命，是一种行之有效的提高路面寿命的方法。

3  玄武岩纤维在沥青路面中的发展趋势

近年来，复合改性沥青研究的兴起也使得玄武岩纤维作为一种改性剂与其它改性材料复合，进而共同提升沥青的综合性能。

2017年，程永春将玄武岩纤维与抗车辙剂一同使用，制备复合改性沥青，发现与单独掺入相比，更加提高了沥青的高温抗车辙性能，这是由于抗车辙剂的添加在自身提高沥青混合料高温性能的同时，更好地发挥了玄武岩纤维的加筋作用，增大了集料间的摩擦力，进而提高了混合料的抗剪强度;由于抗车辙剂是以干拌法加入到集料中制备沥青混合料的，可以起到了填充空隙的作用;而纤维具有较大的比表面积可以更好地稳定沥青，形成一定厚度的结构沥青层，所以两者同时使用能更好地阻止水分透过沥青层进入集料表面，改善了水稳性能，应用于路面可有效阻断水分进入路基;复合改性沥青也提高了混合料的耐疲劳性能，这是由于纤维在混合料中形成的三维网状结构在疲劳荷载作用下发生一定的形变和剪切变形，当撤去荷载时，由于纤维的收缩作用，带动混合料也恢复一定的剪切变形，增强了混合料的自愈合能力，进而提高了沥青混合料的抗疲劳性能。

2019年孙晓通过制备硅藻土/玄武岩纤维复合改性沥青研究发现，硅藻土和玄武岩纤维对沥青混合料增粘和加筋具有协同改性作用，其混合料强度和抗变形能力已经接近5%SBS改性沥青混合料;硅藻土的加入可以有效提高沥青的硬度，并随着掺量的增加而增大，掺加硅藻土与玄武岩纤维能显著提高沥青的高温抗变形能力;同时硅藻土的加入并没有降低玄武岩纤维对沥青低温性能和水稳定性的改善，硅藻土/玄武岩纤维复合改性沥青混合料的低温抗裂性能和水稳定性优于5%SBS沥青混合料。

2019年沈力研究了玄武岩纤维沥青混合料在复杂路用环境条件下的自愈合性能，表明对于沥青混合料疲劳性能的影响程度的外界环境因素的大小依次为：长期老化，冻融循环，紫外影响，融雪剂和短期老化，同时研究在这些环境因素影响下，对于玄武巖纤维沥青混合料，纤维在沥青混合料内部被沥青胶浆完全包裹，SEM下显示呈空间网状，部分纤维受力后并未完全拉断，以此提升了沥青混合料的抗疲劳性能;由于影响沥青混合料自愈合的内部因素主要为材料性能和内部结构，正是由于纤维丝在混合料中形成的空间网状结构对沥青混合料的自愈合性能有着显著的提升，这说明了在沥青自愈合研究中，玄武岩纤维也可占据一席之地。

通过玄武岩纤维近期的发展趋势，将玄武岩纤维作为一种改性剂与其它改性剂一同对基质沥青进行复合改性是一种研究趋势，已有研究表明复合改性沥青由于不同改性剂各自作用，相互提高，通常都是将改善沥青高温性能的改性剂与玄武岩纤维复合使用，进而可以综合地改善沥青的综合性能;但由于只适用于试验室研究阶段，在工程实际的应用中还需要考虑制备的复合改性沥青存放条件，是否发生离析和实际施工操作的问题等，未来研究和应用还有很大的空间;同时随着绿色环保的发展理念，沥青自愈合性能的研究已成热点，作为一种新型的绿色环保建材，将其应用到沥青自愈合领域已经起步，通过路况模拟和建模仿真等手段，未来应用玄武岩纤维对沥青自愈合的使用也具备着光明的前景。

4  结语

在全力推行绿色环保发展的今天，玄武岩纤维作为一种新型环保建材，已经在我国沥青路面的研究和应用中蓬勃发展，由于其自身具有优越的性能，可以改善沥青混合料的高温稳定性，明显提高低温抗裂性和水稳定性，对沥青路面的耐久性显著加强，在沥青自愈合领域也前景广阔。同时，随着复合改性沥青技术的成熟，玄武岩纤维也能和其他改性剂配合使用，进而综合提高沥青混合料的性能。

但不可否认的是，大多数对玄武岩纤维沥青混合料的研究仍停留在试验室或部分试验路阶段，对于实际工程来说，我国修筑的玄武岩纤维沥青路面还较少，在施工建设过程中对拌和工艺，摊铺与碾压技术的研究还有待提高。如何将玄武岩纤维更好地应用于沥青路面的实际建设中，还有待各位专家学者们的研究与探索。

参考文献：

[1]陈兴芬.提高混凝土耐久性的新材料—玄武岩纤维[C].第七届全国混凝土耐久性学术交流会论文集.2008：711-718.

[2]高丹盈，汤寄予，李花歌.纤维对沥青玛蹄脂碎石混合料（SMA）路用性能的影响[J].建筑材料学报，2008，11（06）：741-745.

[3]刘福军.玄武岩纤维沥青混合料路用性能研究[D].哈尔滨工业大学，2010.

[4]韦佑坡，张争奇，司伟，李洪波.玄武岩纤维在沥青混合料中的作用机理[J].长安大学学报（自然科学版），2012，32（02）：39-44.

[5]冯帆.编织耐久的“地衣”——国内高速公路首次大规模应用特种玄武岩矿物纤维[J].中国公路，2013（12）：110-113.