纤维在沥青混合料中的应用

石硕 王大明

摘 要：随着中国经济的飞速发展，交通量及重载车辆数量的快速上升，对路面造成的破坏日益严重，这种情况下对沥青路面材料的要求也越来越高。本文介绍了不同纤维对沥青混合料各种性能的改善，其中重点介绍了玄武岩纤维的作用机理及路用性能。

关键词：沥青混合料; 纤维; 玄武岩纤维

中图分类号：U414         文献标识码：A         文章编号：1006-3315（2021）11-227-002

1.前言

沥青混凝土路面在使用过程中受到温度，湿度，汽车荷载等影响，其强度、刚度、稳定性会逐渐下降，从而出现车辙、坑槽、疲劳开裂等病害。为了提高沥青混凝土路面的性能，各种纤维被添加到了沥青混合料中。不同纤维分散在沥青混合料之中，增强了混合料的强度和刚度，使其具有更高的模量、粘度、水稳定性及高温稳定性和低温抗裂性、耐久性，使沥青混合料作为路面材料的使用寿命得以延长。玄武岩纤维作为具有代表性的纤维，对沥青混合料性能的改善效果较为全面，在提高沥青混凝土路面路用性能方面发挥了重要的作用。

2.纤维类型简介

2.1纤维素纤维

纤维素纤维一般是由植物的种子颗粒、果实、根茎、枝叶等部位经过加工处理得到的纤维。多数情况下，纤维素纤维的比表面积比聚酯纤维和矿物纤维高出10倍以上，表面吸附沥青的能力比较强。木质纤维对于高温稳定性能的改善不明显，但对于低温抗裂性能的提高较大。椰子纤维虽然会使沥青混合料的疲劳强度下降，但对于冻融劈裂强度以及间接抗拉强度还是有所提高。竹纤维表面粗糙并且与沥青的浸润性好，通过试验研究竹纤维对于沥青混合料的性能提升超过聚酯纤维以及木质纤维^[1]。玉米秆饱水以后剪切得到的纤维，表面粗糙，容易分散，在加入到沥青混合料中时，可以明显提高混凝土高温稳定度，低温弯拉强度以及水稳定性。

2.2矿物纤维

矿物纤维是由纤维状结构的岩石中经过处理得到的纤维。石棉曾经也被添加到沥青混合料中用于提高性能，但是由于石棉所具有的致癌性，现在已经逐渐停止使用。玄武岩纤维在与木质纤维以及聚酯纤维的对比中，在高温稳定性，低温抗裂性以及水稳定性方面体现出明显的优势^[2]。水镁石纤维不仅对沥青混合料的水稳定性，高温稳定性，低温抗裂性有优良的改善作用，在改善耐久性方面还优于木质纤维，由于其表面更粗糙，对沥青的吸收和稳定作用也优于玄武岩纤维以及聚酯纤维^[3]。

2.3合成纤维

合成纤维的材料组成是人工合成的高分子化合物。聚酯纤维目前已经在多处工程项目中得到了实际的应用，并且取得了良好的效果。聚酯纤维可以增加沥青混合料的塑性变形以及抗疲劳的能力。聚丙烯纤维以及芳纶纤维可以明显提高间接抗拉强度，并提高抗疲劳开裂的能力。浆粕状芳纶纤维对抵抗低温开裂以及提高承载能力方面有改善作用。

2.4玻璃纤维

玻璃纤维属于无机非金属材料，性能优异，目前生产的产品种类繁多，其展现出来的优点是绝缘性好、耐热性强、抗腐蚀性好、机械强度高，但是易磨损，脆性是玻璃纤维的缺点。在SMA沥青混合料中加入玻璃纤维对刚度、抗疲劳性能以及抗车辙性能都有提高。但是对于沥青混合料在低温下的性能提高不明显^[4]。

2.5钢纤维

钢纤维是指通过切断细钢丝法、冷轧带钢剪切、钢锭铣削或钢水快速冷凝法制成长径比为40～80的纤维。钢纤维使沥青混合料在高温下的性能，水稳定性及弯拉强度有所提高，劲度模量下降，通过电加热还可以使沥青混合料具有愈合能力^[5]。

2.6环保型纤维

环保型纤维可以通过循环利用以减少自然资源的消耗，达到保护环境的目的。用废旧轮胎制成的纤维不仅可以使沥青混合料的抗疲劳性能得到提高，还可以使沥青混合料的使用寿命得到延长^[6]。再生玻璃纖维片作为一种增强沥青混合料性能的新材料，可以改善混合料抵抗低温开裂的性能、水稳定性、刚度、抵抗车辙的能力以及蠕变恢复性能。

2.7混杂纤维

由于各种纤维的性能以及添加方式的不同，不同纤维对于沥青混合料某一性能的增强高于其他纤维。在一些情况下，仅采用某一种纤维作为外加剂难以有效提升沥青混合料的多种性能。因此，纤维复掺技术作为一种提高沥青混合料综合性能的方法，被应用到提高混合料性能的过程中。木质纤维和玻璃纤维搭配在一起不仅可以提高低温性能，还可以提高高温性能。玄武岩纤维与木质素纤维^[7]，硅藻土与玄武岩纤维^[8]，硅藻土与玻璃纤维组合使用过程中都超过单一纤维的增强能力。

2.8碳纤维

碳纤维一般是指合成纤维和纤维素纤维在高温下通过氧化碳化而形成的含碳量在90%以上的纤维。碳纤维加入到沥青混合料中时，混合料变硬，在高温时抵抗永久变形的能力增加，抗拉强度得到提高。

3.玄武岩纤维在沥青混合料中的应用

3.1玄武岩纤维

玄武岩纤维是以天然玄武岩在1450℃～1500℃温度下经过特殊工艺拉制成纤维状的材料。玄武岩纤维作为加筋材料的优势在于它的断裂强度较高，达到了聚酯纤维的6.7倍。玄武岩纤维还能够减少水分对沥青混合料的侵入，它的吸湿性只有聚酯纤维的1/5。在高温下玄武岩纤维对于沥青混合料的提高作用也比较明显，它的受热损失质量不到聚酯纤维的1/2。木质素纤维的吸油性能非常强，玄武岩纤维对于沥青的吸附性也很强，玄武岩纤维与木质素纤维仅有微小的差距，可以有效提高路面强度。

3.2玄武岩纤维在沥青混合料中应用效果

3.2.1玄武岩纤维的增粘作用

当玄武岩纤维与沥青胶浆混合时，玄武岩纤维与沥青胶浆中的其他物质形成了三维乱布的状态。其中矿粉及其他添加剂对沥青流动形成的阻力较小，增粘作用比较小，玄武岩纤维是形成流动阻力及产生粘性的的主要力量，因此纤维的长度也影响着增粘的效果。根据爱因斯坦粘度理论，纤维体积分数（玄武岩的掺加比例）越大，增粘效果也会越好。所以当温度上升沥青粘度下降，此时掺入沥青混合料内的玄武岩纤维就会发挥作用增加粘度，提高沥青混合料高温下抵抗车辙的能力^[9]。

3.2.2玄武岩纤维的阻裂作用

沥青胶浆的断裂是由于外力或者内力在胶浆内部形成微小断裂，并逐渐扩大形成的整体断裂。玄武岩纤维在沥青胶浆内部的三维空间呈现乱向分布。沥青在低温下显示出脆性，玄武岩纤维与沥青胶浆中的沥青相互交联在一起，只有在玄武岩纤维断裂时，沥青胶浆才会开始断裂。因此，玄武岩纤维使沥青胶浆在受力时的阻裂能力得到了很大的提高，从而提升了沥青胶浆在低温环境下抵抗断裂的能力。

3.2.3玄武岩纤维增大模量

玄武岩纤维在沥青胶浆内部的三维空间呈现乱向分布。在作用力方向与玄武岩纤维纵向方向相同时，玄武岩对沥青胶浆强度的增强效果最好，当作用力方向与玄武岩纤维横向方向一致时，几乎没有增强的效果。作用力方向与玄武岩纤维纵向方向的角度决定着增强作用的大小，但玄武岩纤维在沥青胶浆内部是三维乱向分布的，所以平均增强强度几乎一致。玄武岩纤维在沥青胶浆中的增强效果更多由玄武岩纤维有效体积率决定^[10]。

3.3玄武岩纤维沥青混合料的路用性能

3.3.1玄武岩纤维沥青混合料的高温稳定性

玄武岩纤维使沥青混合料的承载力增加，从而使高温稳定性也有明显改善。一方面，玄武岩纤维像钢筋植入水泥混凝土一样，乱向分布在集料间的沥青胶浆中，增加了其整体性和结构强度。另一方面，玄武岩纤维的比表面积较大且数量多，可以吸收沥青混合料中更多的油分，在沥青含量相同的情况下，使沥青更多地聚集到各种集料的周围，从而增强了混合料整体的韧性以及粘结力。由此，当沥青混合料在高温环境下时，玄武岩纤维提高了其稳定性，减少了沥青路面出现车辙、拥包、坑槽等病害^[11]。

3.3.2玄武岩纤维沥青混合料的低温抗裂性

当沥青混合料掺加了玄武岩纤维时，沥青混合料中的玄武岩纤维增大了集料间的摩阻力。由于沥青的粘结力，当沥青混合料受到外部或内部作用力时，产生的弯拉应力首先传导给玄武岩纤维，其他部分则继续发挥其抗压性能，这样就大大提高了承载力，减少了混合料在低温下由于脆性增加而导致的破坏。另一方面，在低温条件下，荷载循环作用时，玄武岩纤维发挥其拉伸作用，在沥青混合料出现裂缝时，裂缝在玄武岩纤维的拉力作用下尽可能地缩小，减缓了雨雪及温度变化对其内部的破坏^[12]。这样在低温情況下，玄武岩纤维提高了沥青混合料的抗裂性和耐久性，减少了沥青路面出现因疲劳、脆化、缩裂等原因引起开裂的现象。

3.3.3玄武岩纤维沥青混合料的水稳定性能

由于玄武岩纤维的比表面积比较大，在玄武岩纤维沥青混合料作为面层以后，玄武岩纤维和沥青覆盖在上面层。这样使集料上面的沥青膜变厚，沥青混凝土表面的孔隙率降低，孔隙孔径减小，水渗透进去的几率和数量都变小，减少了水对内部的破坏，使矿料与沥青不会因水的作用剥离，造成沥青混合料粘结力的丧失，进而成为松散的离散体。由此，当沥青混合料在水和荷载的作用下时，玄武岩纤维可以提高其水稳定性，减少了路面出现沉陷、网裂、坑槽、松散等病害。

3.3.4玄武岩纤维提高疲劳耐久性

沥青混凝土路面修筑完毕，开放交通后，各种车辆的荷载以及环境因素不停地作用在路面上，路面材料会形成疲劳损伤。路面材料的强度与疲劳寿命呈正相关，沥青的强度会随着温度的升高而降低，在高温工作时，路面材料更易受到车辆荷载的损伤，所以提高沥青胶浆的强度以及在高温时的稳定性，对沥青混合料的抗疲劳性和耐久性十分重要。玄武岩纤维在沥青胶浆中发挥的作用可以使沥青胶浆的疲劳耐久性得到提高。

4.玄武岩纤维沥青混凝土路面经济性分析

道路的全寿命周期成本包含了施工初期的成本和道路投入运营后的各项成本。玄武岩纤维沥青混凝土路面，由于掺加了玄武岩纤维，初期的建设成本会有所提高，但是在其他方面玄武岩纤维沥青混凝土更具有经济优势。首先，因为玄武岩纤维对沥青混凝土抗拉强度，弯拉应力，劲度模量的提高，所以在设计时可以考虑减少路面结构层的厚度。其次，玄武岩纤维沥青混凝土可以减少路面的早期病害，从而减少维修养护的费用，并且提高了路面的使用寿命。综上，从全寿命周期的总投资角度来看，玄武岩纤维沥青路面的经济性要更高。

5.总结

综上所述，多种纤维依靠着自身的特性使沥青混合料的性能得到了明显的改善。玄武岩纤维对沥青混合料的性能增强较为全面，它的特性决定了它在高温稳定性，低温抗裂性，水稳定性方面具有不错的提升效果。从经济性看，玄武岩纤维沥青混凝土虽然早期投入较高，但从全寿命周期角度看，依然具有很高的经济性。

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