纖維穩定劑在排水瀝青路面中的應用簡介

趙德慧

(杭州市交通規劃設計研究院　杭州　310006)

纖維穩定劑在排水瀝青路面中的應用簡介

趙德慧

(杭州市交通規劃設計研究院杭州310006)

摘要針對排水路面的優缺點，通過分析纖維瀝青混合料的作用機理，提出加入纖維一定程度上能彌補排水路面部分缺點。介紹了不同類型纖維在瀝青混合料中的應用情況，特別提出礦物纖維是一種有較廣闊發展前景的纖維穩定劑。

關鍵詞排水性瀝青混合料纖維穩定劑礦物纖維

1排水瀝青路面簡介

排水瀝青路面，又稱透水瀝青路面、開級配磨耗層( OGFC)等，指壓實后空隙率在20%左右，能夠在混合料內部形成排水通道的新型瀝青混凝土面層，其實質為單一粒徑碎石按照嵌擠機理形成骨架-空隙結構的開級配瀝青混合料[1]。

排水性瀝青混合料即基于骨架空隙結構理論發展而來[2]。該種結構粗集料含量較多，細集料含量較少，粗集料相互接觸形成骨架，混合料中剩余空隙率大，易滲水。因此，該種結構特有的大孔隙具有以下使用品質：①抗滑性很好，雨天能迅速排除路面積水，消除表面水膜，提高行車安全性；②降低行車噪聲；③改善雨天或夜間行駛的視覺特性 。

但是，由于大孔隙結構的開敞性，排水瀝青路面在抗磨耗性、水穩定性、疲勞耐久性[3]方面存在明顯缺陷。同時，排水性瀝青混合料中細集料較少，容易產生瀝青析漏問題，瀝青析漏會給路面帶來病害隱患。

2纖維材料的引入

針對排水瀝青路面的缺陷，提出在排水瀝青混合料中添加纖維穩定劑，纖維在瀝青混合料中的作用[4]主要有幾點：①加筋作用。在混合料中摻加纖維，纖維在混合料中以一種三維的分散相存在，起到加筋作用；②分散作用。纖維可使用量頗大的瀝青礦粉膠團適當分散在集料間，減少鋪筑路面時的“油斑”現象；③吸附及吸收瀝青作用。充分吸附(表面)及吸收(內部)瀝青，從而使瀝青用量增加，瀝青油膜變厚，提高混合料的耐久性；④穩定作用。纖維使瀝青膜處于比較穩定的狀態，尤其是在夏天高溫季節，瀝青受熱膨脹，纖維內部的空隙還將成為一種緩沖的余地，不致成為自由瀝青而泛油；⑤增粘作用，提高粘結力。纖維將增加瀝青與礦料的粘附性，通過油膜的粘結，提高集料之間的粘結力，減少析漏5]。

纖維穩定劑的以上種種作用對于解決排水路面存在的水穩性，耐久性，特別是對瀝青析漏問題有很強的針對作用，在排水性瀝青混合料中使用纖維穩定劑在國外已經有諸多嘗試。比利時SCREG的報道表明，使用0.3%木質素纖維能夠很好地改善排水性瀝青混合料對瀝青用量的敏感性，增加瀝青膜厚，減少、消除瀝青離析。日本的《排水性鋪裝技術指南(案)》也指出，纖維質地的補強材料以確保瀝青薄膜厚度和防止析漏為主，并提議在日本用植物纖維。NCAT試驗規程規定，如果要保留混合料的完整性，最大的容許析漏率是0.3%，未使用纖維穩定劑的OGFC混合料很難達到這個要求。

法國曾經針對排水性瀝青混合料做了室內環道試驗。試驗時，同一環道4均分，分別采用普通瀝青、SBS改性瀝青、SBR改性瀝青、普通瀝青+纖維穩定劑4種結構，在110萬標準軸次作用后，前3種的空隙率均有大幅下降，最大的一種下降幅度達到30%，而使用了纖維穩定劑的1/4環道則幾乎沒有任何空隙率下降的表現。對試驗后滲透系數的測試也表明了這一點，使用纖維穩定劑的結構比前3種大50%左右。而對車轍深度的測試第4種結構比前3種結構小大約60%。該試驗充分表明，跟其他組合路面結構相比，使用了纖維穩定劑的排水瀝青路面在保持其使用性能方面具有相當的優越性。

3纖維在瀝青路面中的應用情況

纖維是一種細長而柔韌性好的增強材料，從來源上可以分為2大類：天然纖維和合成纖維。

天然纖維是用天然高聚物經過化學處理和機械加工制得的。這些天然高聚物可能是棉、麻、木材、礦物等，隨著高聚物的不同，纖維的處理方法和加工工藝也大相徑庭，纖維的形態和性質也表現出一定的差異。木質素纖維和礦物纖維是常用的天然纖維品種。

合成纖維是以指以天然或合成的高分子物質作原料，經過化學處理與機械加工制造而成的纖維。現在的合成纖維有聚酯纖維、聚酰胺纖維、聚丙烯纖維、聚丙烯腈纖維等。

目前，在瀝青路面工程中應用較多的是木質素纖維、聚合物化學纖維和礦物纖維。木質素纖維和礦物纖維屬于天然纖維，聚合物化學纖維屬于合成纖維。

3.1　木質素纖維

木質素纖維是天然木材經過化學處理得到的有機纖維，其物質結構是由葡萄糖分子組成的長分子鏈結構。主要有2種：經過技術處理的絮狀的木質素纖維；顆粒狀的木質素纖維。后者是由木質素纖維與瀝青按照2∶1或者4∶1重量比拌制而成的顆粒，據介紹，顆粒狀纖維最大的好處是不怕受潮，機械化添加容易實現。顯然，這是針對絮狀木質素纖維容易吸潮、容易結團、不宜長時間堆放并且拌和時分散困難的缺點而言。

但是，從后來的發展看，絮狀木質素纖維逐漸占據了市場。這一方面是絮狀木質素纖維的國產化得以開拓，從而使材料價格得以降低。另一方面，添加絮狀纖維的設備也應運而生，進口、國產的都已經做得比較成熟。相比之下，顆粒狀纖維因為其生產工藝相對復雜，而且加入的瀝青也按照纖維材料來銷售，使得用戶在選擇時有些猶疑。

木質素纖維最突出的性能是吸油率高，這對容易發生瀝青(也包括少量的填料和細集料)析漏的SMA和排水性瀝青混合料是一個“對癥下藥”的切入點。

近年來國內對SMA路面經歷了一個從認識到發展到日趨成熟的歷程，而SMA在我國的修筑基本上都用纖維。這使得路用纖維市場也從無到有，從小到大，從單一到多樣化迅速成長起來。由于添加木質素纖維的SMA路用性能倍受推崇，木質素纖維又具有相對明顯的價格優勢，在諸多工程中得到了廣泛應用。因此在普通瀝青混凝土路面中占有不少市場份額。

3.2　聚合物化學纖維

聚合物化學纖維為合成纖維，它們的研制和應用來源于紡織纖維，是以合成高聚物為原料經化學處理得到的。

在聚合物化學纖維中，瀝青路面中常用的是聚酯纖維(滌綸)和丙稀酸纖維(腈綸)。起初，這2種纖維都依靠一些進口的品種。雖然價格昂貴，但是通過中間商的市場開拓，有幾種在公路建設中得到了一定規模的應用。近年來，國產聚合物化學纖維也開始步入市場，其價格比進口的大幅降低。

聚合物化學纖維的抗拉強度較高，具有較高的斷裂延伸率，因此，其在瀝青混合料中應該更能發揮加筋、增韌的作用，提高瀝青混合料的低溫抗裂性能和疲勞耐久性。同時，其吸油性能雖然遜于木質素纖維，但是用以防止瀝青混合料的析漏效果還是很好的。現在影響聚合物化學纖維進一步推廣的主要還是價格問題。此外，聚合物化學纖維的高溫性能受到懷疑，有的品種在高溫拌和時有融化卷曲的現象，如此，其優于木質素纖維的加筋作用恐怕難以體現出來。

聚合物化學纖維在國外的應用也是比較少的。國內主要是木質素纖維占據著主要市場，在國外則是木質素和礦物纖維并重、礦物纖維后來居上的形勢。但是，在某些特殊工程如橋面鋪裝、混凝土加鋪等項目中，聚合物化學纖維仍然具有相當的性能優勢。

3.3　礦物纖維

礦物纖維是利用天然礦物經化學處理和機械加工制得的。目前，在瀝青路面中應用的礦物纖維主要是石棉纖維和玄武巖礦物纖維。

最早使用的礦物纖維品種是石棉纖維。由于石棉纖維可能引起硅肺、支氣管癌和間皮癌等非常嚴重的人身危害，現在，一些工業發達國家已經禁止使用石棉纖維，我國也正在逐步淘汰。

現在比較看好的方向是玄武巖礦物纖維。它是選用合適的玄武巖礦物原料，經過高溫熔融提煉、編紡抽絲及表面處理等多道工序加工而成。由于礦物纖維來自礦物，同木質素纖維以及合成的聚合物化學纖維在化學構成上有著本質的區別，其應用在瀝青混合料中的效果也因此有著自己“與生俱來”的特點。

首先，礦物纖維的強度及彈性模量很高，從復合材料科學“加筋加強”的原理看，其對混合料的強度提高應該相當明顯。其次，礦物纖維同瀝青之間有很好的表面親和力，這種親和力可以從玄武巖集料與瀝青的粘附性上得到啟示；同時，其優勢也在于同礦料之間的聯合作用容易實現。此外，礦物纖維的工作溫度可以達到700 ℃，在混合料拌和溫度范圍內根本不用擔心失效問題。相比之下，木質素纖維、聚合物化學纖維在瀝青的拌和溫度附近就已經有或多或少的性狀改變，雖然現在還無法驗證這種性狀改變帶來的負面效應，但是已經有不少質疑的聲音。

礦物纖維在瀝青混合料中的應用在國外已經形成規模。美國在1991年開始使用玄武巖礦物纖維，并在美國第一條SMA瀝青路面——喬治亞州的州際公路上使用了Fiberand公司的道路專用礦物纖維，獲得了很好的評價。隨后，礦物纖維在其他州也得到推廣，并且因為其有利于瀝青混合料的再生利用而逐漸有主導市場的傾向。

雖然我國早就已經具備相當的礦物纖維生產能力，但是道路專用礦物纖維仍然依靠進口，其售價介于木質素纖維同進口聚合物化學纖維之間。只是，同木質素纖維和聚合物化學纖維相比，礦物纖維的應用還很少，沒有形成市場規模及相應的技術積累。最近，國內有一些科研院所會同材料公司開始合作開發道路專用礦物纖維，并已經有產品面世。

4結語

纖維在其他瀝青混合料上的應用在國內已經做了不少系統性工作。特別是近年來SMA路面的推廣，由于規定必須使用穩定劑，且一般都使用纖維，經過實踐，國內對纖維的作用機理和應用技術已經積累了很多經驗。在這種形勢下，將纖維穩定劑引入到排水性瀝青混合料中來，如果確定有可觀的改善效果并積累相應的生產經驗，則有利于排水瀝青路面使用材料體系的形成，對排水瀝青路面的推廣意義重大。

參考文獻

[1]沙慶林.高等級公路半剛性基層瀝青路面[M].北京：人民交通出版社，1998.

[2]黃曉明.瀝青與瀝青混合料[M].南京：東南大學出版社，1998.

[3]SMITH R W, RICE J M,SPELMAN S R.Design of open-graded asphalt friction course[R].FHWA Report No.FHWA-RD-74-2, Washington, D.C. January，1974.

[4]丁智勇，劉紹寧，彭波.路用纖維瀝青性能的研究[J].武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2007(5)：827-830.

[5]沈金安.改性瀝青與SMA路面[M].北京：人民交通出版社，1999.

收稿日期：2014-12-09

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.03.050