孫 鎮(zhèn) 蘇 洋 劉 杰 韓躍新

(1.沈陽(yáng)有色金屬研究院;2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院)

瀝青作為公路、機(jī)場(chǎng)等路面建設(shè)的主要材料，其性能的改良長(zhǎng)期被國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者所關(guān)注。通過纖維對(duì)瀝青的改性可以提高瀝青的穩(wěn)定性和強(qiáng)度、延長(zhǎng)瀝青路面的使用壽命，所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益非常顯著。

目前已知的用作瀝青改性劑的纖維材料主要是木質(zhì)素纖維、礦物纖維、聚丙烯酸、TF聚酯纖維、金屬晶須改性纖維、納米改性纖維等。礦物纖維改性瀝青因?yàn)榫哂辛己玫穆访嫘阅埽腋男詣﹥r(jià)格低廉，因而礦物纖維自成為路用瀝青混合料之始就備受國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究人員關(guān)注，若其改性效果與聚合物相當(dāng)，則將有望取代聚合物改性劑。因此，國(guó)內(nèi)對(duì)礦物改性劑的研究方興未艾。

1 國(guó)內(nèi)外瀝青混合料用纖維的技術(shù)現(xiàn)狀

目前，纖維對(duì)瀝青混合料的改性已有廣泛應(yīng)用，尤其在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)［1-3］，對(duì)其進(jìn)行的研究也較深入，已有多項(xiàng)專利產(chǎn)品面世。英國(guó)科特爾茲生產(chǎn)了一種叫德蘭尼特的睛綸纖維，主要用于瀝青混合料，在德國(guó)、法國(guó)、香港等國(guó)家和地區(qū)有應(yīng)用。這種纖維含纖量較高，分散性較好，與瀝青相互結(jié)合吸附效果好，其在瀝青混合料中的作用是木質(zhì)纖維的3倍多。美國(guó)杜邦公司研發(fā)的聚醋纖維能夠提高瀝青路面的低溫抗裂性和抗壓性，而且具有較好的穩(wěn)定性及較高的耐久性。這種纖維已在美國(guó)多個(gè)地區(qū)應(yīng)用。美國(guó)FORTA公司研發(fā)的福塔纖維能與熱伴瀝青基質(zhì)相互結(jié)合，形成高結(jié)構(gòu)化的三維空間網(wǎng)絡(luò)，從而提高瀝青路面的路用性能，其主要應(yīng)用在收費(fèi)公路和工業(yè)園工程中。我國(guó)對(duì)纖維瀝青混合料的研究和應(yīng)用均晚于國(guó)外。20世紀(jì)90年代，隨著SMA路面的發(fā)展及各種纖維的出現(xiàn)，纖維對(duì)瀝青路面的改性才得到國(guó)內(nèi)相關(guān)研究人員的重視。該纖維的加入能提高礦粉的加入量、降低瀝青混合料的孔隙率、提高SMA混合料的韌性和黏性，從而提升瀝青混合料的路用性能［4-6］。

礦物纖維是一種無(wú)機(jī)纖維，從纖維狀結(jié)構(gòu)的礦物巖石中獲得，主要來源為各類石棉，如溫石棉、青石棉等。礦物纖維在混合料中具有良好的分散性、吸油性、抗老化性與耐熱性，與瀝青混合料相互拌合能提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性，增加動(dòng)穩(wěn)定性和抗車轍能力，礦物纖維與瀝青混合料親和性好，分散于混合料中與其相互結(jié)合，能夠起到加筋作用，增強(qiáng)抗水損害能力，而且能增加其抗酸、抗堿及抗腐蝕等性能［7-9］。

2 纖維瀝青混合料的性能特點(diǎn)

纖維與瀝青混合料的突出物理特性體現(xiàn)在以下3方面［10］:其一，這種復(fù)合材料中的纖維和基體相互獨(dú)立、又相互作用、相互影響，可以充分體現(xiàn)纖維與瀝青的優(yōu)點(diǎn)，增加韌性、黏性及彈性，同時(shí)也增強(qiáng)其穩(wěn)定性。其二，在一定用量范圍內(nèi)，纖維的摻量與混合料的綜合性能成線性關(guān)系，因此，可以通過調(diào)節(jié)復(fù)合材料中纖維的摻量來調(diào)節(jié)瀝青混合料的路用綜合性能，從而滿足不同路面的使用要求。其三，瀝青會(huì)隨時(shí)間的推移出現(xiàn)老化和脆化，而纖維在復(fù)合材料中不會(huì)隨時(shí)間出現(xiàn)老化脆化，因而纖維可對(duì)瀝青的韌性進(jìn)行補(bǔ)償，從而提高復(fù)合材料的韌性。

3 礦物纖維在瀝青混合料中的作用機(jī)理

(1)由于礦物纖維有較好的分散性，在混合料中以三維隨機(jī)狀態(tài)分布，能與骨料進(jìn)行嚙合從而形成相對(duì)較大的摩擦角，同時(shí)，在與瀝青作用時(shí)，瀝青膠漿的黏聚力也會(huì)將基體的拉應(yīng)力加載到纖維上。纖維在瀝青混合料中還起到一定的加筋作用，相當(dāng)于鋼筋混凝土中鋼筋對(duì)混凝土的加強(qiáng)作用，能夠承受一定程度的拉應(yīng)力，并且加強(qiáng)了對(duì)混合料顆粒的握裹力，從而提高其綜合路用性能［11］。

(2)礦物纖維分散到瀝青中，在一定的溫度下能夠形成界面層。界面層可以理解為具有一定厚度的新的相，使瀝青和纖維相互作用起來，二者相互傳遞應(yīng)力，這對(duì)纖維瀝青復(fù)合材料中的物理力學(xué)性能起到至關(guān)重要的作用。界面層結(jié)構(gòu)的性質(zhì)取決于礦物纖維的物理和化學(xué)性質(zhì)。同時(shí)，在高溫狀態(tài)下，瀝青與纖維相互作用可以形成結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定的瀝青薄膜，這種薄膜具有較小的孔隙率，有利于阻礙瀝青混合料的老化脆化，有效地延長(zhǎng)了瀝青混合料的使用壽命［12-14］。

(3)礦物纖維能夠在瀝青機(jī)體內(nèi)形成三維空間網(wǎng)絡(luò)。這種空間網(wǎng)絡(luò)是纖維和瀝青相互作用形成的，亦可叫做結(jié)構(gòu)瀝青網(wǎng)。由于纖維和瀝青的相互吸附作用，減少了自由瀝青的數(shù)量，使瀝青膠漿的黏性增大，提高了瀝青混合料的穩(wěn)定性及其韌性。瀝青膜在溫度較高的情況下會(huì)受熱膨脹，其中的結(jié)構(gòu)瀝青網(wǎng)會(huì)起到一定的緩沖作用，同時(shí)會(huì)提高瀝青的軟化點(diǎn)，減輕其泛油程度，對(duì)提高瀝青混合料的穩(wěn)定性作用顯著。

(4)瀝青路面在一定強(qiáng)度或低溫作用下會(huì)產(chǎn)生小裂痕，礦物纖維與瀝青形成的纖維網(wǎng)在混合料中具有維持體系整體性的特點(diǎn)，使其減輕或者阻止基體損害的程度［15］。

4 結(jié)論與展望

(1)礦物纖維與瀝青能夠形成復(fù)合型材料，在混合料中起加筋作用并提高其穩(wěn)定度。

(2)礦物纖維在混合料中具有良好的分散性，與瀝青相互作用后，對(duì)提高瀝青的粘度和抗高溫變形能力作用顯著;同時(shí)，纖維與骨料結(jié)合可以增加瀝青混合料的最大彎曲應(yīng)變及低溫抗裂性能。

(3)纖維與瀝青形成的界面層，通過二者的相互吸附，傳接應(yīng)力，從而增強(qiáng)混合料的穩(wěn)定性;同時(shí)，具有較小孔隙率的瀝青薄膜有利于阻礙混合料的老化、脆化，從而有效地延長(zhǎng)瀝青路面的使用壽命。

(4)礦物纖維與瀝青基體形成的空間網(wǎng)絡(luò)能夠減少自由瀝青的數(shù)量，提高瀝青的軟化點(diǎn)，減輕其泛油程度，增強(qiáng)瀝青混合料的路用性能;同時(shí)，礦物纖維良好的變形能力及較高的模量值，能防止瀝青混合料在低溫下的斷裂及松散，加強(qiáng)其韌性，提高其在低溫下的抗裂性。

(5)礦物纖維增強(qiáng)瀝青混凝土在路面建設(shè)方面有著廣闊的發(fā)展前景，是我國(guó)公路建設(shè)及發(fā)展的必然趨勢(shì)。礦物纖維增強(qiáng)瀝青混凝土的應(yīng)用，不僅能減少道路交通建設(shè)成本、帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，而且能帶來顯著的社會(huì)效益。

(6)目前瀝青路面中的礦物纖維主要為玄武巖纖維，玄武巖纖維在瀝青改性方面雖然表現(xiàn)出了很好的效果和性價(jià)比，但開發(fā)更低成本的能增強(qiáng)瀝青混合料綜合路用性能的礦渣纖維等礦物纖維很有必要。

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