纖維改性瀝青混合料研究進(jìn)展

劉　哲

（山西省交通科學(xué)研究院新型道路材料國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，山西太原　030006）

纖維改性瀝青混合料研究進(jìn)展

劉哲

（山西省交通科學(xué)研究院新型道路材料國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，山西太原030006）

通過對纖維改性瀝青混合料研究歷史及現(xiàn)狀的調(diào)研，總結(jié)了纖維改性瀝青混合料的主要影響因素以及纖維改性瀝青混合料的作用機(jī)理；闡述了纖維種類、長度、添加量以及界面粘結(jié)對瀝青混合料性能的影響情況，不同因素的變化會影響瀝青混合料的不同性能；總結(jié)了纖維在瀝青混合料中的吸附、穩(wěn)定、橋接以及加筋作用。

纖維改性瀝青混合料作用機(jī)理

1　概述

纖維作為一種新型的增強(qiáng)材料，被廣泛的用作復(fù)合材料增強(qiáng)體，應(yīng)用于航空航天、電子機(jī)械等尖端領(lǐng)域［1-3］，由于纖維具有高模量、高強(qiáng)度、高長徑比以及較強(qiáng)的吸附能力，在道路瀝青及瀝青混合料中也多有應(yīng)用。多年來，國內(nèi)外對纖維改善瀝青及其混合料性能進(jìn)行了大量研究，并根據(jù)實(shí)際需求，開發(fā)出了一系列適用于道路瀝青改性的路用纖維，主要包括木質(zhì)素纖維、礦物纖維、聚合物纖維以及新興的玄武巖纖維等。本文主要針對道路纖維在瀝青混合料中的應(yīng)用進(jìn)行調(diào)研，分析了纖維對混合料性能影響的主要作用機(jī)理及影響因素，對其未來發(fā)展進(jìn)行了展望。

2　纖維改性瀝青混合料的主要影響因素

2.1纖維種類及性能

按處理方式劃分，纖維可分為天然纖維和化學(xué)合成纖維，不同種類的纖維具有不同的性能，包括強(qiáng)度、模量、吸持瀝青量、長徑比以及表面形貌等等，而這些因素都會對瀝青混合料性能產(chǎn)生影響。李智慧［4］等考察了聚丙烯腈纖維、聚酯纖維以及木質(zhì)素纖維等三類不同的增強(qiáng)體對瀝青混合料性能的影響，同時分析了三類纖維的常規(guī)技術(shù)性能，建立了纖維性能與外摻纖維瀝青混合料路用性能之間的關(guān)系。結(jié)果表明，摻加聚丙烯腈纖維和聚酯纖維的瀝青混合料性能相當(dāng)，而木質(zhì)素纖維混合料性能稍差；纖維的種類還影響著其對瀝青混合料的主要作用機(jī)理。對外摻纖維瀝青混合料路用性能影響程度最大的纖維性質(zhì)因素是抗拉強(qiáng)度與極限拉伸應(yīng)變，其次是熔融溫度，吸持瀝青量也有一定程度影響，纖維直徑影響最小，在纖維形狀特征因素中纖維長度的影響程度大于纖維直徑與長徑比。T. Serkan［5］采用聚酯纖維對石油瀝青進(jìn)行改性處理，石油瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度增加而流值降低，同時抗車轍及抗疲勞性能增加，表明聚酯纖維有效提高了石油瀝青混合料的路用性能；F.M.Nejad等［6］使用碳纖維增強(qiáng)瀝青混凝土，結(jié)果顯示，碳纖維的加入有效提升了瀝青混凝土的強(qiáng)度和抗老化性能。此外，有不少學(xué)者采用不同種類的纖維對瀝青混合料進(jìn)行混雜改性，取得了良好的效果［7-8］。

2.2纖維長度及添加量

當(dāng)使用同一種纖維對瀝青混合料進(jìn)行性能改善時，纖維的長度及添加量成為重要的影響因素。李玉龍［9］等研究了劍麻纖維的長度以及添加量對瀝青混合料性能的影響，通過對纖維瀝青混合料初始強(qiáng)度、水穩(wěn)定性以及高低溫性能的綜合研究評價，發(fā)現(xiàn)劍麻纖維長度為4mm、添加量為0.3%時，瀝青混合料性能提升最大。張效杰［10］等采用德國的Dolanit AS纖維，加入AC-16Ⅰ型瀝青混合料中，考察了不同纖維摻量的瀝青混合料路用性能。研究發(fā)現(xiàn)，混合料的最佳瀝青用量隨著纖維用量增加而增大，但達(dá)到0.4%時，增加并不明顯；而瀝青混合料的穩(wěn)定度隨纖維用量先增加后減小，在0.3%時達(dá)到最佳；此外，瀝青混合料的流值、高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性以及低溫抗裂性能等在加入纖維后，均有不同程度的提升，AC-16Ⅰ型瀝青混合料中，纖維最佳摻量為0.3wt%。N.Morova［11］考察了玄武巖纖維對瀝青混合料使用性能的影響，馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)表明，當(dāng)纖維用量為混合料含量0.5wt %時，具有更好的穩(wěn)定性。

2.3纖維的分散及界面粘結(jié)性能

纖維的分散性對瀝青混合料力學(xué)性能影響很大。分散不均勻，對混合料性能有很不利的影響，分散均勻性是保證改性效果的前提。有研究表明［4，12］，聚酯纖維和聚丙烯腈纖維等有機(jī)纖維在拌和中均易均勻分散；石棉纖維受潮后，易結(jié)團(tuán)，影響分散性；松散的木質(zhì)素纖維干拌時的分散性較前幾種纖維要差，若吸水受潮后分散性將更差；玻璃纖維較粗時在混合料中易折斷，太細(xì)時雖柔韌性有所改善，但拌和時易受靜電影響而結(jié)團(tuán)，溫度越高越易結(jié)團(tuán)，分散性很差。當(dāng)然，對于不同的體系，所需要纖維的種類性質(zhì)都不同，對于分散性差的纖維要采用適當(dāng)?shù)氖侄翁嵘稚⑿阅?，提高改性效果?/p>

復(fù)合材料的界面是影響其性能的重要因素，界面粘結(jié)性能的提升，有利于材料性能進(jìn)一步的提高以及體系穩(wěn)定性的增加。纖維加入瀝青及其混合料中，形成了復(fù)合材料體系，而二者之間的界面，通過物理以及化學(xué)作用形成了與二者性能截然不同的新區(qū)域。界面承擔(dān)著纖維與瀝青及其混合料之間性能的傳遞，因此，良好的界面對復(fù)合材料綜合性能的發(fā)揮顯得十分重要。

陸宏新等［13］人研究了劍麻纖維與瀝青的界面性能，結(jié)果表明好的界面粘結(jié)使瀝青的強(qiáng)度、韌性及抗裂性能有不同程度提升，改善了混合料的路用性能。

增強(qiáng)纖維復(fù)合材料界面性能的常見方法有酸堿處理、界面改性劑處理等，這有利于增加纖維表面化學(xué)反應(yīng)活性，提高表面粗糙程度，增加纖維與瀝青界面粘結(jié)性能，更好的提高纖維瀝青混合料性能。

3　纖維對瀝青混合料的主要作用機(jī)理

纖維作為一種被廣泛應(yīng)用和研究的增強(qiáng)材料具有其他材料無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，比如高模量、抗拉伸性能好、比表面積大以及長徑比可調(diào)等，不少學(xué)者研究了纖維改性瀝青混合料的作用機(jī)理，從改善性能的角度，解釋了纖維增強(qiáng)瀝青混合料的原理［14-18］。從改性原理上來講，主要包括以下幾點(diǎn)：

（1）纖維的吸附及穩(wěn)定作用。纖維具有大的比表面積，這有利于煤瀝青在其表面進(jìn)行浸潤、物理吸附以及部分的化學(xué)鍵合作用，二者之間形成一層界面層，使部分自由瀝青變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)瀝青，防止或減少瀝青在運(yùn)輸及使用過程的遷移，這提高了瀝青的穩(wěn)定性及溫度敏感性。

（2）纖維的橋接作用。纖維直徑很小，只有幾個微米，這使得加入瀝青中可在三維方向自由分布，在瀝青中形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這就阻滯了瀝青及其混合料中裂紋或裂縫的進(jìn)一步發(fā)展，延長了材料裂縫擴(kuò)展的時間，使纖維瀝青混合料的抗疲勞性能得到顯著改善；另外，與其他增強(qiáng)材料不同，纖維具有一定的長度，在裂紋或裂縫遇到纖維時，進(jìn)一步擴(kuò)展需要將纖維拔出，也需要消耗額外的能量，這對提高瀝青混合料的低溫抗裂性能有至關(guān)重要的作用。

（3）纖維的加筋作用。纖維具有高強(qiáng)度、高模量且對環(huán)境的抗老化性能很強(qiáng)，在瀝青混合料受到外力作用時，應(yīng)力會通過二者的界面?zhèn)鬟f到纖維，而此時，纖維的高模高強(qiáng)使其能承受更大的應(yīng)力，使瀝青混合料的性能不易隨著時間或環(huán)境的變化而變化，提高抗老化性能以及使用性能。此外，纖維的特點(diǎn)還可使瀝青混合料的耐磨損性能、自修復(fù)能力有大幅的提高。

4　結(jié)語

纖維的綜合作用效果可顯著提升瀝青混合料的使用性能，且其工藝簡單，無需增加新的設(shè)備，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用前景。而科技的進(jìn)步和發(fā)展，也帶來了先進(jìn)的研究手段。利用新興的技術(shù)，從微觀的角度對纖維增強(qiáng)瀝青混合料的作用過程及機(jī)理進(jìn)行深入的研究，并建立微觀性能與宏觀性能之間的關(guān)系，利用現(xiàn)有的理論或方法對其進(jìn)行解釋，為纖維在瀝青混合料中更好的應(yīng)用提供理論依據(jù)和指導(dǎo)，這些問題值得在未來得到更多的重視和深入研究。

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劉哲（1986—），男，山西大同人，工程師，工學(xué)博士，2014年畢業(yè)于大連理工大學(xué)高分子材料專業(yè)，現(xiàn)從事新型路面材料研究開發(fā)工作。