路用纤维在沥青混合料中的应用

摘要：路用纤维作为一种高强、耐久、质轻的增强材料，能显著改善沥青路面的力学性能，从而延长路面结构的耐疲劳寿命。本文分析了路用纤维的特点及作用机理，并结合工程实例着重阐述了木质素纤维和矿物纤维的应用，提出几点看法和体会，供同行探讨参考。

关键词：路用纤维作用机理配合比设计 SMA沥青混合料

中图分类号： U416 文献标识码： A

沥青路面的严重早期破坏与长期重载交通、地理气候、施工质量等外部因素有关，即使采用了改性沥青，仍然出现了较为严重的车辙等早期损坏现象，影响车辆正常安全行驶。而作为内部因素，早期破坏更与沥青混合料本身的材料性能密切相关。因此在目前严峻的重载交通和气候环境下，如何优化沥青混合料结构、提高沥青混合料性能是解决沥青路面问题的核心和关键。

纤维通常分为硬纤维和软纤维两大类，硬纤维是指经过拉、拔、轧、切工艺制作的钢纤维；软纤维是由合成纤维制成，又分为聚合物化学纤维（如聚酯纤维、聚丙烯腈等）和矿物纤维（石棉纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维等）以及木质素纤维。目前最常用的路用纤维主要有聚合物纤维、矿物纤维、木质素纤维。

一、不同纤维的特点及作用机理

1、聚合物纤维

聚合物纤维根据原材料的不同，有淡黄、白色及其它颜色之分，且不得有污迹和杂质。本文主要介绍聚丙烯腈纤维和聚酯纤维。

聚丙烯腈纤维（腈纶）是由85%以上的丙烯腈与其它第2、第3单体共聚物，经湿法纺丝制得的合成纤维，是一种专用于沥青混凝土“加强、加筋”的纤维。

聚酯纤维（涤纶）是采用石油中提炼出的原材料，加入特种添加剂，采用“旋转-熔化”法生产的纤维。主要用作沥青混凝土纤维添加剂，与其它纤维添加剂相比，聚酯纤维具有很好的抗风化特性，对酸和其它大多数化学物质具有极强的抵抗力。

聚合物纤维作用机理：聚合物纤维在沥青混合料中纤维主要起吸附、稳定和加筋的作用。纤维直径一般小于20μm，有相当大的比表面积，纤维分散在沥青中，其巨大的表面积成为浸润界面。在界面中，沥青和纤维之间会产生物理和化学作用，如吸附、扩散、化学键结合等，在这种作用下，沥青成单分子排列在纤维表面，形成结合力牢固的沥青界面。界面层沥青比界面以外的自由沥青粘结性强，稳定性好。纵横交错的纤维所吸附的沥青，增加了界面层沥青的比例，减少了自由沥青，从而提高沥青混合料的粘度和软化点，使混合料的高温稳定性得到提高。

聚合物纤维的特点：

a.与沥青亲和力强。

b.吸油性好，同普通沥青混合料相比，可以增加沥青膜的厚度，有效稳定沥青，防止路面“泛油”。

c.提高混合料高温稳定性能。纵横交错的纤维所吸附的沥青，增加了界面层沥青的比例，减少了自由沥青，从而提高沥青混合料的粘度和软化点，使混合料的高温稳定性得到提高。长安大学曾对掺加聚酯纤维的沥青混合料与未掺加聚酯纤维的沥青混合料进行试验，试验结果表明，掺聚酯纤维的沥青混合料马歇尔稳定度提高了近36%，其动稳定度提高了近65%。

d.提高混合料低温抗裂性。纤维加强沥青混合料的低温性能与纤维的物化性能有一定的关系。长安大学进行的聚酯纤维沥青混合料的试验证明，聚酯纤维在零下40℃仍能保持柔性和较高的抗拉强度，其低温抗开裂性能优良。

e.提高混合料的抗水损害性能。

f.提高混合料的抗疲劳开裂性能，增强混合料的耐久性。聚合物纤维加入到沥青混合料中，增加了混合料的弹性恢复性能和劲度模量，能有效阻止路面裂缝的扩展，延长了材料失稳扩展和断裂出现的时间，因此材料的抗疲劳强度得到了很大的改善，耐久性得到提高。

聚合物纤维的应用：聚合物纤维沥青混凝土配合比设计与密级配沥青混凝土相同，聚合物纤维适用于密级配沥青混凝土混合料，对沥青混合料中的原材料要求与不掺加纤维时相同。沥青混合料配合比按照马歇尔方法确定出最佳沥青用量，实际用量在确定量的基础上增加0.2%～0.5%（具体用量可通过试验确定），并不需要特殊的配合比设计。聚合物纤维的掺加量可根据道路交通量、工程要求（新建、修建、改造）确定。一般新建路面加强纤维掺加量为每吨沥青混凝土混合料掺1.5～3.5kg。

2、矿物纤维

矿物纤维主要是玄武岩做的，与集料属同一种材料，耐老化，特别有利于沥青混合料的再生利用。作为一种新型材料，具有如下几个主要特点：

a.比表面积大：平均直径约5μm，平均长度约6mm，利于防止沥青流失。

b.抗拉强度和熔点高：矿物纤维的抗拉强度大约是钢纤维的3倍，是有机类纤维（如聚合物、植物纤维）的6～10倍。熔点可达1500℃。

c.表面浸润性好：与沥青能很好地粘合，在沥青中的分散性好。

d.抗老化、化学稳定性好：拌合时不与沥青产生任何化学反应，适应沥青路面的各种酸碱工作环境。不老化、不变质退化，不受沥青高温拌合影响。

e.可再生：可100%再生利用。

f.水稳定性好：不吸水、不怕潮。易于运输储存，也有助抑制沥青氧化老化。

3、木质素纤维

木质素纤维是天然木材经过化学处理后，捣磨拉丝精制而成的有机纤维，由于处理温度达260℃以上，在通常条件下是化学性能稳定的材料。木质素纤维呈多微孔长纤维状、无毒无味、比表面积大、吸水性好。

木质素纤维的颜色和其原材料有关，一般为灰色絮状物。为了便于纤维的添加，在絮状木质素纤维中掺加一定量的沥青后形成颗粒状，称颗粒状木质素纤维。

木质素纤维的作用机理：

a.加筋作用：呈絮状的木质素纤维，在混合料中以三维分散作用存在，起到了加强筋的作用，增加了沥青与矿料的粘附性，提高了集料直接的粘结力。

b.分散作用：SMA中矿粉用量较多，易与沥青形成胶团，使胶结料分布不均匀，路面易出现油斑。木质素纤维能使胶团分散，沥青混合料均匀。

c.吸附沥青作用：木质素纤维能保持和吸收SMA等改性沥青路面中多余的沥青，使裹缚于骨料周围的沥青膜变厚，抗老化能力增强，混合料耐久性提高。

d.增粘作用：木质素纤维增加了沥青膜厚度，提高了沥青与沥青之间的粘结力。

e.稳定作用：木质素纤维使沥青膜处于比较稳定的状态。在冬季低温下，由于木质素纤维较高的沥青吸附性和加筋作用，路面不易出现裂缝。在夏季高温下，由于木质素纤维较高的吸油性，能承受沥青热胀余量，路面不致产生泛油现象。

二、结合工程实例探讨木质素纤维和矿物纤维的应用

美国于1991年在乔治亚州Ⅰ-85公路使用矿物纤维改性沥青，取得了良好的路用效果，其物理、化学性质稳定，力学性能良好，并在美国得到了大力的推广使用。有的州从再生角度出发，已经开始限制木质素纤维的使用。根据国内外相关研究和应用情况表明，矿物纤维复合沥青在提高沥青弹性、强度及韧性方面有很多优势。

近年，国内对矿物纤维的研究和应用逐渐增多，国内的京珠高速公路（河北段）、粤赣高速公路（长大坡段）、长沙的三汉矶大桥桥面等工程中就应用了玄武岩矿物纤维。为了探寻具有较好抗车辙效果的路面结构，探寻采用矿物纤维代替木质素纤维进行SMA路面铺筑的可能性，掌握矿物纤维的SMA沥青混合料设计。本文对汕昆高速公路板坝至江底段矿物纤维和木质素纤维两种纤维SMA试验段的相关应用情况进行对比。

矿物纤维SMA混合料、木质素纤维SMA混合料的设计特点

SMA路面（沥青玛蹄脂碎石路面）是由沥青、纤维稳定剂、矿粉及少量的细集料组成的，沥青玛蹄脂填充间断级配的粗集料骨架间隙组成的沥青混合料。SMA路面使用的纤维主要有木质素纤维、矿物纤维、聚合物纤维三大类。汕昆高速公路板坝至江底段于2011年12月31日建成通车。全长126公里，采用4车道高速公路标准，设计速度80公里/小时、路基宽度24.5米。建成通车后，可东接广西直达珠三角，西进云南通向东南亚。促进了贵州省特别是黔西南州与东部沿海及西部东盟地区交流与合作。道路结构采用柔性基层沥青路面形式，主线结构厚度达83.6cm，其中主线四层沥青面层总厚度为26cm，主线沥青结构为8cm ATB25+8cm ATB25+6cm Sup19+4cm SMA13，其上、中面层均采用改性沥青，上面层SMA13分别采用了木质素纤维和矿物纤维。表1~表3为汕昆高速公路板坝至江底段其中两个标段的两种不同纤维的SMA13混合料设计结果汇总（其中矿物纤维为进口品牌，掺量为0.4%，木质素纤维为国产品牌，掺量为0.3%）。

表 1两种不同纤维SMA13混合料配合比设计级配组成一览表

注：表中“矿”代表矿物纤维SMA混合料，“木”代表木质素纤维SMA混合料，下同。

表 2两种不同纤维SMA13混合料马歇尔试验结果和析漏值一览表

表 3两种不同纤维SMA13混合料主要性能试验结果一览表

对比分析表1~表3中两种不同纤维SMA13混合料设计结果，可得出矿物纤维混合料设计中几个特点：

a.沥青用量较低，析漏值较高。对于SMA混合料而言，纤维掺量不变时，沥青用量与析漏值是两个互相制约的因素。相较木质素纤维SMA混合料，尽管矿物纤维SMA混合料油石比偏低0.4～0.5，但析漏值还比木质素纤维的高一倍左右。沥青用量较高本是SMA的一大特点，SMA混合料具有较高的沥青用量而不出现析漏，其主要原因是纤维对沥青的吸附作用。纤维吸油率是评价纤维质量好坏的重要指标之一，只有吸油率满足要求才能在SMA混合料中起到稳定、吸附的作用，使沥青混合料在拌合、运输、摊铺、压实的过程中保持稳定的状态，防止沥青滴漏现象的发生。从纤维材料外观来看，矿物纤维表面显得更为光滑，而木质素纤维显得更加粗糙；而矿物纤维直径要明显小于木质素纤维。但由于矿物纤维直径（约5μm）远小于木质素纤维，其比表面积必然比木质素纤维高许多，这对吸附沥青是极其有利的。同时从两种纤维吸油率试验对比结果来看，矿物纤维的吸油率并不逊于木质素纤维，说明，矿物纤维的吸油并不是通过自身空管完成的，很可能是由纤维之间相互交织形成的空间网完成的。

b.细集料和矿粉稍多，级配稍细。矿物纤维SMA混合料级配相对偏细。经过多次试级配试验得出，矿物纤维SMA混合料所用细集料或矿粉用量均需适量增加，方可满足目标空隙率（4%～4.5%）相当且析漏值满足要求（参照美国技术标准，析漏值要求为不大于0.3%）。分析认为，随着细集料或矿粉的增加，一方面弥补了矿物纤维SMA混合料沥青用量偏少引起的空隙率增加，另一方面增加了整个矿料的比表面积，减少沥青析漏的可能。

c.间隙率偏低。在4%～4.5%的设计目标空隙率下，矿物纤维SMA混合料的VMA不能满足17%的要求，随之饱和度也不高。分析主要原因就是在矿物纤维掺量一定（0.4%）的情况下，混合料沥青用量提高容易导致析漏出现，由此沥青用量无法提高。因此，在不增加矿物纤维掺量的情况下，要设计出满足现有规范指标要求（主要是间隙率和析漏值指标）的SMA混合料是比较困难的。若一味地增加矿物纤维掺量，必将显著增加混合料成本（有资料显示，美国多数矿物纤维SMA混合料设计掺量在0.8%以上）。

d.性能指标相当。矿物纤维SMA混合料的抗水害性能、低温抗裂性能与木质素纤维SMA混合料相当，60℃下高温稳定性能相对稍差但也较好。、

e.性价比不高。据了解，目前进口矿物纤维价格约在18000～20000元/吨，而进口的木质素纤维价格约在5000～6000元/吨，通过简单测算可得，矿物纤维SMA混合料（纤维掺量0.4%）成本相对木质素纤维SMA混合料（纤维掺量0.3%）提高约10%左右。若采用国产木质素纤维（价格约在3000～4000元/吨左右），则成本差异更大。笔者通过室内试验验证，采用上述相同原材料，在矿物纤维掺量达到0.8%以上时，混合料油石比可提升至5.8%以上，而混合料的析漏值、间隙率等各项体积指标，以及性能指标均能符合目前国家规范要求，但此时矿物纤维SMA混合料成本相对木质素纤维SMA混合料则提高了25%以上（未考虑混合料寿命周期及再生效益）。

三、结语

综上所述，矿物纤维本身的一些特性，导致了其在SMA混合料设计中呈现出的一些不同于木质素纤维SMA混合料的特点，甚至某些指标较难满足现行规范指标要求。从矿物纤维的应用前景来看，矿物纤维与集料（纤维主要是玄武岩制成的）属同一种材料，耐老化，特别是有利于沥青混合料的再生利用。而木质素纤维则有可能在使用过程中老化，且在再生过程中燃烧成灰尘。因此在美国的一些州，矿物纤维的使用量大量增加，甚至限制木质素纤维的使用。在国家大力倡导节约、环保、安全，主张充分利用可再生资源的今天，木质素纤维的不可再生利用与国家的发展战略是不相符的。采用一种既可满足SMA沥青混合料结构组成特点要求和路用性能要求，同时又具有可再生利用的材料代替木质素纤维是现阶段需重点思考的。而矿物纤维无疑给人们带来了一个新选择和研究的方向。