纤维改性沥青混合料研究进展

【摘 要】通过对纤维改性沥青混合料研究历史及现状的调研，总结了纤维改性沥青混合料的主要影响因素以及纤维改性沥青混合料的作用机理；阐述了纤维种类、长度、添加量以及界面粘结对沥青混合料性能的影响情况，不同因素的变化会影响沥青混合料的不同性能；总结了纤维在沥青混合料中的吸附、稳定、桥接以及加筋作用。

【关键词】纤维改性 沥青混合料 作用机理

1 概述

纤维作为一种新型的增强材料，被广泛的用作复合材料增强体，应用于航空航天、电子机械等尖端领域[1-3]，由于纤维具有高模量、高强度、高长径比以及较强的吸附能力，在道路沥青及沥青混合料中也多有应用。多年来，国内外对纤维改善沥青及其混合料性能进行了大量研究，并根据实际需求，开发出了一系列适用于道路沥青改性的路用纤维，主要包括木质素纤维、矿物纤维、聚合物纤维以及新兴的玄武岩纤维等。本文主要针对道路纤维在沥青混合料中的应用进行调研，分析了纤维对混合料性能影响的主要作用机理及影响因素，对其未来发展进行了展望。

2纤维改性沥青混合料的主要影响因素

2.1 纤维种类及性能

按处理方式划分，纤维可分为天然纤维和化学合成纤维，不同种类的纤维具有不同的性能，包括强度、模量、吸持沥青量、长径比以及表面形貌等等，而这些因素都会对沥青混合料性能产生影响。李智慧[4]等考察了聚丙烯腈纤维、聚酯纤维以及木质素纤维等三类不同的增强体对沥青混合料性能的影响，同时分析了三类纤维的常规技术性能，建立了纤维性能与外掺纤维沥青混合料路用性能之间的关系。结果表明，掺加聚丙烯腈纤维和聚酯纤维的沥青混合料性能相当，而木质素纤维混合料性能稍差；纤维的种类还影响着其对沥青混合料的主要作用机理。对外掺纤维沥青混合料路用性能影响程度最大的纤维性质因素是抗拉强度与极限拉伸应变，其次是熔融温度，吸持沥青量也有一定程度影响，纤维直径影响最小，在纤维形状特征因素中纤维长度的影响程度大于纤维直径与长径比。T.Serkan[5]采用聚酯纤维对石油沥青进行改性处理，石油沥青混合料的马歇尔稳定度增加而流值降低，同时抗车辙及抗疲劳性能增加，表明聚酯纤维有效提高了石油沥青混合料的路用性能；F.M.Nejad等[6]使用碳纤维增强沥青混凝土，结果显示，碳纤维的加入有效提升了沥青混凝土的强度和抗老化性能。此外，有不少学者采用不同种类的纤维对沥青混合料进行混杂改性，取得了良好的效果[7-8]。

2.2 纤维长度及添加量

当使用同一种纤维对沥青混合料进行性能改善时，纤维的长度及添加量成为重要的影响因素。李玉龙[9]等研究了剑麻纤维的长度以及添加量对沥青混合料性能的影响，通过对纤维沥青混合料初始强度、水稳定性以及高低温性能的综合研究评价，发现剑麻纤维长度为4mm、添加量为0.3%时，沥青混合料性能提升最大。张效杰[10]等采用德国的Dolanit AS纤维，加入AC-16 Ⅰ型沥青混合料中，考察了不同纤维掺量的沥青混合料路用性能。研究发现，混合料的最佳沥青用量随着纤维用量增加而增大，但达到0.4%时，增加并不明显；而沥青混合料的稳定度随纤维用量先增加后减小，在0.3%时达到最佳；此外，沥青混合料的流值、高温稳定性、水稳定性以及低温抗裂性能等在加入纤维后，均有不同程度的提升，AC-16 Ⅰ型沥青混合料中，纤维最佳掺量为0.3wt%。N.Morova[11]考察了玄武岩纤维对沥青混合料使用性能的影响，马歇尔稳定度试验表明，当纤维用量为混合料含量0.5 wt %时，具有更好的稳定性。

2.3 纤维的分散及界面粘结性能

纤维的分散性对沥青混合料力学性能影响很大。分散不均匀，对混合料性能有很不利的影响，分散均匀性是保证改性效果的前提。有研究表明[4， 12]，聚酯纤维和聚丙烯腈纤维等有机纤维在拌和中均易均匀分散；石棉纤维受潮后，易结团，影响分散性；松散的木质素纤维干拌时的分散性较前几种纤维要差，若吸水受潮后分散性将更差；玻璃纤维较粗时在混合料中易折断，太细时虽柔韧性有所改善，但拌和时易受静电影响而结团，温度越高越易结团，分散性很差。当然，对于不同的体系，所需要纤维的种类性质都不同，对于分散性差的纤维要采用适当的手段提升分散性能，提高改性效果。

复合材料的界面是影响其性能的重要因素，界面粘结性能的提升，有利于材料性能进一步的提高以及体系稳定性的增加。纤维加入沥青及其混合料中，形成了复合材料体系，而二者之间的界面，通过物理以及化学作用形成了与二者性能截然不同的新区域。界面承担着纤维与沥青及其混合料之间性能的传递，因此，良好的界面对复合材料综合性能的发挥显得十分重要。

陆宏新等[13]人研究了剑麻纤维与沥青的界面性能，结果表明好的界面粘结使沥青的强度、韧性及抗裂性能有不同程度提升，改善了混合料的路用性能。

增强纤维复合材料界面性能的常见方法有酸碱处理、界面改性剂处理等，这有利于增加纤维表面化学反应活性，提高表面粗糙程度，增加纤维与沥青界面粘结性能，更好的提高纤维沥青混合料性能。

3 纤维对沥青混合料的主要作用机理

纤维作为一种被广泛应用和研究的增强材料具有其他材料无可比拟的优点，比如高模量、抗拉伸性能好、比表面积大以及长径比可调等，不少学者研究了纤维改性沥青混合料的作用机理，从改善性能的角度，解释了纤维增强沥青混合料的原理[14-18]。从改性原理上来讲，主要包括以下几点：

（1）纤维的吸附及稳定作用。纤维具有大的比表面积，这有利于煤沥青在其表面进行浸润、物理吸附以及部分的化学键合作用，二者之间形成一层界面层，使部分自由沥青变为结构沥青，防止或减少沥青在运输及使用过程的迁移，这提高了沥青的稳定性及温度敏感性。

（2）纤维的桥接作用。纤维直径很小，只有几个微米，这使得加入沥青中可在三维方向自由分布，在沥青中形成交联网络结构，这就阻滞了沥青及其混合料中裂纹或裂缝的进一步发展，延长了材料裂缝扩展的时间，使纤维沥青混合料的抗疲劳性能得到显著改善；另外，与其他增强材料不同，纤维具有一定的长度，在裂纹或裂缝遇到纤维时，进一步扩展需要将纤维拔出，也需要消耗额外的能量，这对提高沥青混合料的低温抗裂性能有至关重要的作用。

（3）纤维的加筋作用。纤维具有高强度、高模量且对环境的抗老化性能很强，在沥青混合料受到外力作用时，应力会通过二者的界面传递到纤维，而此时，纤维的高模高强使其能承受更大的应力，使沥青混合料的性能不易随着时间或环境的变化而变化，提高抗老化性能以及使用性能。此外，纤维的特点还可使沥青混合料的耐磨损性能、自修复能力有大幅的提高。

4 结语

纤维的综合作用效果可显著提升沥青混合料的使用性能，且其工艺简单，无需增加新的设备，具有良好的经济效益和应用前景。而科技的进步和发展，也带来了先进的研究手段。利用新兴的技术，从微观的角度对纤维增强沥青混合料的作用过程及机理进行深入的研究，并建立微观性能与宏观性能之间的关系，利用现有的理论或方法对其进行解释，为纤维在沥青混合料中更好的应用提供理论依据和指导，这些问题值得在未来得到更多的重视和深入研究。

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作者简介：刘哲（1986―），男，山西大同人，工程师，工学博士，2014年毕业于大连理工大学高分子材料专业，现从事新型路面材料研究开发工作。