張豐狀

(山西省潤(rùn)途路橋有限公司，山西 太原 030012)

0 引言

利用纖維與瀝青間的吸附作用，纖維瀝青膠漿空間膠結(jié)網(wǎng)的穩(wěn)定作用，纖維抗拉性能對(duì)裂縫界面的延緩作用[1]，纖維材料的摻入可以增強(qiáng)瀝青混凝土的各方面性能，這使得纖維瀝青路面得到較為廣泛的應(yīng)用，并取得較好的使用效果[2]。

纖維的種類繁多，目前在道路工程中得到應(yīng)用的主要有聚酯纖維、聚丙烯腈纖維、礦物纖維、木質(zhì)纖維等，其中聚酯纖維瀝青混凝土應(yīng)用較為廣泛。張爭(zhēng)奇、陳華鑫等人研究了纖維種類對(duì)纖維瀝青混合料路用性能的影響，結(jié)果表明聚酯纖維瀝青混合料的高溫抗車轍性能、低溫抗裂性能最佳[3]。

纖維作為一種外摻材料加入到瀝青混凝土中，其自身的技術(shù)性能必將對(duì)瀝青混凝土的性能產(chǎn)生一定的影響。纖維的技術(shù)性能主要包括:1)物理性能:纖維直徑、長(zhǎng)度、密度、熔點(diǎn)等;2)力學(xué)性能:抗拉強(qiáng)度、斷裂延伸率等;3)其他性能:吸持瀝青性能、吸濕性能等。

為此，本文對(duì)不同種類路用纖維的技術(shù)性能進(jìn)行研究，從纖維技術(shù)性能角度分析不同種類纖維在瀝青混凝土中的適用性。

1 纖維種類

按照組成原理，纖維可分為天然纖維和化學(xué)合成纖維，天然纖維主要是由棉、毛、麻、蠶絲等天然材料經(jīng)化學(xué)和機(jī)械加工制得，化學(xué)合成纖維則是由高聚物材料經(jīng)化學(xué)加工而成。而道路工程中應(yīng)用的纖維一般可以分為軟、硬纖維兩種，硬纖維主要是指由拉拔等工藝制成的鋼纖維和礦物纖維，其中鋼纖維在水泥混凝土路面中得到一定的應(yīng)用，軟纖維在瀝青混凝土中應(yīng)用較多，主要包括聚酯纖維、聚丙烯腈纖維、木質(zhì)纖維等。

圖1～圖3為不同種類纖維的宏觀形貌和放大200倍后的微觀形貌。

圖1 聚酯纖維的宏觀及微觀圖像

2 纖維技術(shù)性能

2.1 性能指標(biāo)

本研究采用的聚酯纖維、聚丙烯腈纖維、礦物纖維和木質(zhì)纖維常規(guī)性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

圖2 木質(zhì)纖維的宏觀及微觀圖像

圖3 玄武巖礦物纖維的宏觀及微觀圖像

表1 纖維性能指標(biāo)

從表1物理性能可以看出，四種纖維的熔點(diǎn)都達(dá)到200℃以上，在熱拌瀝青混合料加熱溫度范圍內(nèi)滿足耐熱性要求，不會(huì)產(chǎn)生融化現(xiàn)象。

圖4 不同種類纖維高溫下的質(zhì)量損失率

由于熱拌瀝青混凝土路用纖維使用過(guò)程均處于高于150℃的高溫狀態(tài)，纖維在高溫受熱后應(yīng)具有良好的熱穩(wěn)定性，以保證纖維在與集料干拌、加瀝青濕拌、運(yùn)輸、攤鋪、碾壓等一系列過(guò)程中性能保持穩(wěn)定。將10 g纖維放置于190℃烘箱中1 h，測(cè)量前后的質(zhì)量變化，得到質(zhì)量損失率見(jiàn)圖4。從圖4中不難發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)纖維的質(zhì)量損失率最大，為20.5%，為相同條件下礦物纖維的19倍左右，木質(zhì)纖維主要原料為木材，而礦物纖維是由礦石高溫冶煉而成，因此熱穩(wěn)定性必然存在差異，聚合物纖維的質(zhì)量損失率為9%左右，熱穩(wěn)定性居中。

2.2 吸持瀝青能力

纖維吸持瀝青的能力與瀝青和纖維間的相容特性密切相關(guān)，吸持能力強(qiáng)的纖維，能夠減少自由瀝青的含量，在高溫條件下保持瀝青膠漿的穩(wěn)定性，防止離析和泛油現(xiàn)象的發(fā)生。

吸持瀝青能力試驗(yàn):在10 g纖維中加入一定質(zhì)量的瀝青，均勻混合后，置于160℃烘箱中烘至質(zhì)量基本不再變化，稱取總質(zhì)量，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。從表2結(jié)果分析得出，木質(zhì)纖維吸持瀝青能力最強(qiáng)，其次為聚酯纖維、聚丙烯腈纖維，礦物纖維吸附瀝青能力最弱，同種類型瀝青混凝土在相同纖維摻量下，木質(zhì)纖維瀝青混凝土的最佳瀝青用量也就最高。

表2 纖維吸持瀝青能力試驗(yàn)結(jié)果

2.3 吸濕性能

纖維的吸濕性能不僅對(duì)纖維自身的儲(chǔ)存和使用性能產(chǎn)生影響，更會(huì)影響到加入到瀝青混凝土后的綜合性能，尤其是抗水損害性能。

吸濕性能試驗(yàn):同樣稱取纖維10 g，裝入燒杯共同放入20℃相對(duì)濕度90%的保濕箱中，測(cè)定5 d后纖維的質(zhì)量變化，結(jié)果如表3所示。從表3的吸濕性能也可以看出，木質(zhì)纖維的吸濕率最高，最容易受潮，受潮后的木質(zhì)纖維自身的性能以及拌合性能將會(huì)降低，因此使用木質(zhì)纖維時(shí)尤其應(yīng)注意貯存防潮。聚酯纖維和聚丙烯腈纖維的吸濕率較低，容易存儲(chǔ)，抗水損害能力較強(qiáng)。

表3 纖維吸濕性能試驗(yàn)結(jié)果

3 纖維適用性分析

路用纖維的適用性主要與纖維和瀝青混凝土間的相互作用性能相關(guān)聯(lián)，可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行探討:

1)拌合性能。纖維與瀝青混凝土間的拌合性能至關(guān)重要，拌合均勻分散能夠充分體現(xiàn)纖維的加筋增強(qiáng)性能，若纖維出現(xiàn)結(jié)團(tuán)等現(xiàn)象將會(huì)降低纖維瀝青路面的性能甚至造成不利影響。

拌合分散性與纖維的長(zhǎng)徑比有關(guān)，纖維的長(zhǎng)徑比愈大，與其相膠結(jié)的瀝青膠漿愈多，強(qiáng)度也會(huì)相應(yīng)增大，但倘若長(zhǎng)徑比過(guò)大，將會(huì)影響拌合的均勻分散性，容易造成結(jié)團(tuán)現(xiàn)象。從實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，聚酯纖維和聚丙烯腈纖維的拌合性能較好，木質(zhì)纖維的拌合性能較差。

2)吸附瀝青能力。纖維與瀝青間的吸附作用能夠防止瀝青在高溫條件下析出，影響瀝青混凝土的性能，實(shí)際上，利用吸附瀝青作用來(lái)進(jìn)行纖維的適用評(píng)價(jià)也要考慮瀝青混合料的級(jí)配類型。一般來(lái)講，SMA和OGFC路面以粗骨料為支撐，細(xì)集料較少使得瀝青不能充分膠結(jié)，這種路面常采用木質(zhì)纖維來(lái)防止瀝青的析出，而對(duì)于密級(jí)配瀝青混合料考慮加筋增強(qiáng)效果則優(yōu)先采用聚酯纖維或聚丙烯腈纖維。

3)增強(qiáng)瀝青混凝土性能。纖維與瀝青相結(jié)合能夠充分體現(xiàn)“加筋”的作用，僅從表1抗拉性能分析，礦物纖維的抗拉強(qiáng)度最大，理論上抗拉增強(qiáng)效果較好，但如果纖維的強(qiáng)度過(guò)高，與瀝青混凝土存在較大模量差距，則容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，影響瀝青混凝土的強(qiáng)度。

對(duì)以往研究成果進(jìn)行總體分析表明，聚酯纖維和聚丙烯腈纖維增強(qiáng)瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性等路用性能較好。

綜上所述，原則上對(duì)于SMA和OGFC路面本研究中四種類型的纖維都能夠滿足要求，但采用木質(zhì)纖維起到穩(wěn)定瀝青的作用效果最為理想。考慮纖維的加筋增強(qiáng)性能，密級(jí)配瀝青混合料推薦采用聚酯纖維或聚丙烯腈纖維。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)不同種類路用纖維的技術(shù)性能進(jìn)行研究，通過(guò)技術(shù)指標(biāo)及應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)分析不同種類纖維的適用性，得出如下結(jié)論:

1)4種纖維都能夠滿足瀝青混凝土拌合溫度耐熱性的要求，相比于其他3種纖維，木質(zhì)纖維的熱穩(wěn)定性較差。

2)木質(zhì)纖維的吸濕率較高，達(dá)到25%左右，在使用過(guò)程中應(yīng)特別注意防潮處理。

3)木質(zhì)纖維吸持瀝青能力較強(qiáng)，加入到SMA和OGFC路面中能夠起到防止瀝青析出的作用。

4)聚酯纖維、聚丙烯腈纖維的拌合性能以及對(duì)于瀝青混凝土的加筋增強(qiáng)效果較好，對(duì)于密級(jí)配瀝青混凝土推薦采用該種纖維以顯著增強(qiáng)瀝青路面的性能。

[1] CHEN J S，LIN K Y.Mechanism and behavior of bitumen strength using fibers[J].Journal of Materials Science，2005，40(1):87－95.

[2] 陳華鑫，李寧利，胡長(zhǎng)順，等.纖維瀝青混合料路用性能[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2004，24(2):1－6.

[3] 張爭(zhēng)奇，胡長(zhǎng)順.纖維加強(qiáng)瀝青混凝土幾個(gè)問(wèn)題的研究和探討[J].西安公路交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，21(1):29－32.

[4] 吳少鵬，薛永杰，張登峰.聚合物纖維改性瀝青混凝土的研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，25(12):47－49.

[5] 黃 彭.木質(zhì)纖維在瀝青混合料中的應(yīng)用[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2005，37(1):104－107.

[6] 倪富健，郭詠梅，曾蘭英，等.聚丙烯腈纖維SMA路用性能[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2003，3(3):7－14.