玄武巖纖維瀝青混合料路用性能的研究現(xiàn)狀

劉 燦

（重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司，重慶 401336）

0 引言

近年來，我國道路設(shè)施的建設(shè)水平較以往有很大的改善。相比于水泥混凝土路面，瀝青混合料路面由于具有施工周期短、易養(yǎng)護(hù)、行車舒適等優(yōu)點(diǎn)，目前已成為最常用的路面材料，90%以上的路面都采用瀝青混合料鋪筑，且比例還在不斷提高。然而，由于我國瀝青路面建設(shè)起步較晚，技術(shù)較為薄弱且優(yōu)質(zhì)道路瀝青缺乏，鋪筑的瀝青路面通常存在各種各樣的質(zhì)量問題。伴隨我國交通運(yùn)輸行業(yè)的快速發(fā)展，交通量急劇增大，特別是重載貨車和超載貨車越來越多，加之其他因素（如高溫、寒冷天氣等嚴(yán)峻氣候條件）的綜合影響，瀝青路面早期病害頻發(fā)，嚴(yán)重影響瀝青路面的使用性能。因此，如何提高瀝青路面的質(zhì)量，減少其早期損害，延長其使用壽命，成為了道路工程技術(shù)研究的熱點(diǎn)。

纖維作為一種添加劑，其性能優(yōu)良，施工方便，已廣泛應(yīng)用于路面材料領(lǐng)域。纖維增強(qiáng)材料在水泥混凝土中的應(yīng)用最早要追朔到20世紀(jì)50年代后期，最初的目的是用來預(yù)防反射裂縫[1]。借鑒當(dāng)時(shí)纖維成功應(yīng)用于水泥混凝土的經(jīng)驗(yàn)，在瀝青混合料中摻入纖維成為提高其路用性能的一種新方法。玄武巖纖維是一種新型綠色礦物纖維材料，具有高模量、高強(qiáng)度、高耐久性等優(yōu)點(diǎn)。越來越多的學(xué)者為增強(qiáng)瀝青混合料路用性能將玄武巖纖維應(yīng)用在不同級(jí)配的瀝青混合料中。已有研究表明，纖維在瀝青混合料中可以起到加筋、吸附、穩(wěn)定和增黏的作用，能有效提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性等綜合性能，同時(shí)能有效防止反射裂縫的產(chǎn)生。本文就玄武巖纖維瀝青混合料路用性能的研究現(xiàn)狀進(jìn)行論述，并對其實(shí)際應(yīng)用展開進(jìn)一步的研究。

1 玄武巖纖維的性能

路用纖維主要包括鋼纖維、木質(zhì)素纖維、聚合物纖維、玻璃纖維、碳纖維、玄武巖纖維等。其中，鋼纖維易結(jié)團(tuán)、易被腐蝕；玻璃纖維易折斷；碳纖維成本過高；聚合物纖維抗老化性能不佳，耐高溫性能不佳，且吸油率不如木質(zhì)素纖維；木質(zhì)素纖維與瀝青和集料的親和力較差，且容易發(fā)生氧化反應(yīng)與退化反應(yīng)進(jìn)而分解為碳焦、二氧化碳、水污染瀝青。

玄武巖纖維作為一種新型纖維，它是以天然玄武巖礦石為原材料，經(jīng)特定篩選，在1450～1500℃的高溫下熔融后，經(jīng)拉絲和表面處理制得的連續(xù)纖維。由SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Fe2O3、TiO2等多種氧化物組成[2-3]。與其他路用纖維相比，玄武巖纖維不僅具有高拉伸強(qiáng)度、高彈性模量等力學(xué)性能，還具有良好的耐酸、耐堿、耐輻射和抗紫外線等性能，且與瀝青和集料有較好的親和力，其吸濕率較低。玄武巖在自然界分布廣泛，成巖速度快，同時(shí)在整個(gè)生產(chǎn)和應(yīng)用過程中對環(huán)境無污染，綠色環(huán)保。由于玄武巖纖維規(guī)?；纳a(chǎn)，使得玄武巖纖維的生產(chǎn)成本明顯降低，為其在路面中的大規(guī)模應(yīng)用提供了必要條件。除此之外，玄武巖纖維還具有工作溫度范圍大、化學(xué)穩(wěn)定性好、水穩(wěn)定性好、抗老化性能好、熱絕緣性能好等優(yōu)點(diǎn)[4]，被譽(yù)為“21世紀(jì)的新材料”。目前玄武巖纖維已成功應(yīng)用在水泥混凝土中[5]；《玄武巖纖維瀝青路面施工技術(shù)指南》、《玄武巖纖維瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》等明確了玄武巖纖維性能標(biāo)準(zhǔn)的要求和各種瀝青混合料級(jí)配的推薦纖維用量，促進(jìn)了玄武巖纖維的發(fā)展與應(yīng)用。

2 玄武巖纖維瀝青混合料國外研究現(xiàn)狀

為了預(yù)防反射裂縫的產(chǎn)生與擴(kuò)展，國外在20世紀(jì)50年代后期開始了纖維瀝青復(fù)合材料的研究。Zube早在1956年就已經(jīng)探索了在瀝青混合料加鋪層下置入金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)阻止反射裂縫的產(chǎn)生。美國在喬治亞洲鋪筑了第一條玄武巖纖維瀝青混凝土路面，并證實(shí)了該路面具有良好的高溫穩(wěn)定性、低溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性及抗疲勞性能等。隨后美國將玄武巖纖維用于OGFC路面中，成功解決了其早期病害。此后，國外研究者陸續(xù)開始了玄武巖纖維瀝青混合料路用性能的相關(guān)研究。

Sayyed Mahdi Abtahi等將玄武巖纖維對瀝青混合料的增強(qiáng)作用原理及效果與其他種類的纖維（纖維素纖維、聚酯纖維、玻璃纖維、碳纖維等）進(jìn)行對比，指出玄武巖纖維瀝青混合料具有較優(yōu)良的路用性能，且經(jīng)濟(jì)效益明顯[6]。Artemenko SE等研究了玄武巖纖維和玄武巖礦棉（來自核能發(fā)電站和化工廠的廢料）增強(qiáng)瀝青混合料的有效性，研究結(jié)果表明，當(dāng)玄武巖纖維或玄武巖礦棉的摻量為0.4%時(shí)，瀝青混合料的強(qiáng)度能提高10%～30%；并證明了在玄武巖纖維聚合物——瀝青粘合劑體系中存在物理化學(xué)反應(yīng)，增加了聚合物—瀝青混凝土的強(qiáng)度特性、耐熱性和使用壽命[7]。Lou研究玄武巖纖維不同長度組合對混合料性能的影響，探討最佳混合長度對混合料形態(tài)參數(shù)的適應(yīng)性，試驗(yàn)結(jié)果表明，纖維長度組合變化對混合料的抗裂性能與抗疲勞性能影響極大[8]。其他一些研究也指出，玄武巖纖維適用于各種瀝青路面，能顯著提高其路用性能。

3 玄武巖纖維瀝青混合料國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國纖維瀝青混合料的應(yīng)用研究相對較晚，隨著2004年玄武巖纖維實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，有關(guān)玄武巖纖維瀝青混合料路用性能的相關(guān)研究才逐漸展開，并取得了許多重要成果。

李紅濤研究發(fā)現(xiàn)，玄武巖纖維瀝青混合料的路用性能相較于普通瀝青混合料有了明顯的提高，表明玄武巖纖維應(yīng)用于瀝青混合料是可行的；同時(shí)，對比了玄武巖纖維和木質(zhì)素纖維SMA-13混合料的路用性能，證明了玄武巖纖維也能應(yīng)用在瀝青瑪蹄脂碎石混合料SMA中；在保證瀝青混合料路用性能的條件下，玄武巖的摻入減少了瀝青用量，降低了能源消耗和環(huán)境污染[9]。范文孝等研究表明，向?yàn)r青混合料中摻加纖維會(huì)提高最佳瀝青用量，混合料的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性及低溫抗裂性等均有一定程度的提高；同時(shí)研究指出，玄武巖纖維瀝青混合料的路用性能提高幅度最大，優(yōu)于聚酯纖維和木質(zhì)素纖維[10]。查旭東等采用特種玄武巖纖維來提高開級(jí)配排水式OGFC瀝青混合料磨耗層的穩(wěn)定性和抗變形能力。研究揭示，特種玄武巖纖維能很好地吸附瀝青并將粗集料骨架粘結(jié)成牢固的整體，增強(qiáng)了OGFC-13的高溫性能、低溫性能和水穩(wěn)定性能等；但纖維摻量過高時(shí)，會(huì)降低瀝青混合料的路用性能，綜合確定特種玄武巖纖維的最佳摻量為0.4%[11]。傅珍等通過一系列試驗(yàn)評(píng)價(jià)玄武巖纖維瀝青混合料的抗老化性能，試驗(yàn)結(jié)果表明，玄武巖纖維延緩了瀝青混合料老化性能的衰變，提高其抗老化性能，有效改善瀝青混合料老化后的高溫性能、低溫性能和水穩(wěn)定性能[12]。

韋佑坡等研究了玄武巖纖維瀝青膠結(jié)料和混合料的性能，試驗(yàn)結(jié)果揭示，玄武巖纖維能提高SBS改性瀝青膠結(jié)料的抗車轍因子和混合料的動(dòng)穩(wěn)定度，即對高溫性能有積極作用，同時(shí)能改善混合料的力學(xué)性能和水穩(wěn)定性能；且一定范圍內(nèi)，玄武巖纖維摻量越高，這種增強(qiáng)效應(yīng)越明顯[13]。申愛琴和郭寅川研究了玄武巖瀝青膠漿與瀝青混合料低溫性能的相關(guān)性，從微觀結(jié)構(gòu)上分析了玄武巖纖維混合料低溫性能改善機(jī)理并對纖維瀝青膠漿相態(tài)變化進(jìn)行了測試[14]。吳靖江等人通過車轍、動(dòng)態(tài)模量、動(dòng)態(tài)蠕變等試驗(yàn)研究了多種級(jí)配下?lián)郊有鋷r纖維和改變最大公稱粒徑前后，瀝青混合料高溫性能指標(biāo)的變化，并將試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合。結(jié)果表明，玄武巖纖維瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度與貫入強(qiáng)度和流變次數(shù)之間有著正相關(guān)的線性關(guān)系，為玄武巖纖維瀝青混合料的高溫性能研究構(gòu)建系統(tǒng)模型提供了一定的理論基礎(chǔ)[15]。趙正偉將玄武巖纖維用于環(huán)氧瀝青混合料中，結(jié)果表明，玄武巖纖維以三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)分散在瀝青混合料中，能夠有效增強(qiáng)混合料內(nèi)部骨料和膠漿的嵌擠效果，0.6%玄武巖纖維能夠顯著提升瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和抗疲勞性能[16]。

4 目前研究存在的問題

玄武巖纖維瀝青混合料的研究盡管取得了一些進(jìn)展，但依然存在一些問題有待進(jìn)一步地研究。

（1）我國相應(yīng)的纖維瀝青混合料的設(shè)計(jì)規(guī)范不完整，沒有一個(gè)確定玄武巖纖維瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)及玄武巖纖維的最佳摻量的指標(biāo)，不同的方法得出的最佳纖維摻量變化較大。纖維的摻量是影響瀝青混合料性能的重要參數(shù)，若摻量過低，則對瀝青混合料性能的增強(qiáng)作用有限；若摻量過高，則可能降低瀝青混合料的性能。

（2）現(xiàn)有的研究主要集中在玄武巖瀝青混合料的室內(nèi)試驗(yàn)，對玄武巖纖維瀝青混合料的實(shí)際應(yīng)用并沒有太多研究。

（3）玄武巖纖維對瀝青混合料的增強(qiáng)機(jī)理較為復(fù)雜，與增強(qiáng)水泥混凝土的機(jī)理也存在區(qū)別，有待進(jìn)一步研究。

5 結(jié)束語

本文分析了玄武巖纖維瀝青混合料的國內(nèi)、外研究現(xiàn)狀，研究表明，玄武巖纖維的摻入能有效提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性等綜合性能，同時(shí)能有效防止反射裂縫的產(chǎn)生。但從發(fā)展的角度，今后要制定相應(yīng)的規(guī)范指南來指導(dǎo)玄武巖纖維瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)及施工，確保其施工質(zhì)量；研究玄武巖纖維瀝青混合料的長期使用性能，全面評(píng)價(jià)其室內(nèi)外性能；從微觀角度分析玄武巖纖維在瀝青混合料中的分布形態(tài)和作用機(jī)理，指導(dǎo)玄武巖纖維最佳長度及最佳摻量的選擇。總之，玄武巖纖維瀝青混合料有著良好的路用性能，且成本相對較低，其應(yīng)用前景光明。