玄武巖纖維優勢與對瀝青混合料性能影響分析

李泉潤 鄒開宇 劉占勇 代景雷

（1.中建七局建筑裝飾工程有限公司，河南 鄭州450000；2.鄭州建中建設開發（集團）有限責任公司，河南 鄭州 450000）

0 引言

在我國公路建設中，90%以上都是瀝青路面，因此解決瀝青路面的病害以提高路面性能成為人們關注的焦點。目前，提高瀝青混合料路面性能的研究方向有兩個：一是通過改善集料級配，以瀝青結構類型和設計程序為基礎，提高瀝青在高溫下的不變形性；二是通過改善瀝青性能和質量，提高瀝青機械性能，降低溫度敏感性。近年來，越來越多的新材料被引入瀝青路面技術領域。在瀝青中添加特定的添加劑（纖維等）以改善其物理和機械性能。玄武巖纖維材料屬于無機纖維材料，其強度高、具有良好的耐久性、化學穩定性和環境友好性，因此被稱為“無污染高性能材料”。玄武巖纖維作為一種增強材料越來越受到人們的關注，公路研究人員對玄武巖纖維增強瀝青混合料的性能進行了大量的課題研究。Madan等［1］對玄武巖纖維的生產和應用做了詳細的分析，報告顯示：玄武巖纖維的強度比其他纖維強度高很多，而且耐腐蝕、耐高溫，具有綠色環保等優點。Maria等［2］通過彎曲、強度等試驗發現，將玄武巖纖維加入混凝土中提高了混凝土的耐酸堿穩定性、耐高低溫穩定性等物理機械性能。

1 玄武巖纖維的基本性能

玄武巖起源于凍結熔巖的火山巖中，是一種天然物質。玄武巖纖維由玄武巖在1 450～1 500℃下熔化，然后加工成連續纖維。具有較高的化學穩定性、良好的耐候性、堿性和酸性暴露、低導熱性、疏水性、隔熱和隔音性、耐火性等優越性能，與合成纖維相比具有絕對的競爭優勢。玄武巖纖維具有的物理性能見表1。與聚酯纖維、木質素纖維等纖維相比，玄武巖纖維的拉伸強度和彈性模量較高。

表1 玄武巖纖維的物理性能

玄武巖礦石儲量豐富，原材料成本相對較低，價格僅是碳纖維的1/8～1/6，是一種性價比高、潔凈程度理想的新型綠色環保纖維。表2對玄武巖纖維與其他纖維進行了對比，可以看出其拉伸強度和彈性模量僅略低于碳纖維；與其他合成纖維相比，具有突出的耐低溫、耐高溫的性能，具有良好的耐酸堿性。

表2 玄武巖纖維與其他纖維的技術指標對比

2 玄武巖纖維對瀝青混合料的增強作用

2.1 吸附作用

玄武巖纖維絲比表面積大，能夠吸附大量的瀝青，使瀝青用量增加，使瀝青膜增厚。因此，瀝青膜與集料之間的孔隙減小，使瀝青較長時間維持其黏彈性，增強內部的穩定性，降低了瀝青的溫度敏感性，從而改善了瀝青混合料的高低溫性能。研究發現，從放大1 000倍的玄武巖纖維掃描電子顯微鏡（SEM）顯微照片（見圖1）中可以觀察到纖維表面一些結晶顆粒，從而導致表面粗糙度增加，當纖維與瀝青黏結劑相互作用時，可以形成錨固效應，從而有效地改善纖維與瀝青之間的界面黏著性，進而提高瀝青混合料的整體性能［3］。

圖1 玄武巖纖維的SEM顯微照片

2.2 穩定作用

夏季路面溫度升高，在車輛荷載的反復作用下，自由瀝青會隨著混合料內部空隙流出，而泛油現象對于瀝青路面壽命的影響是極大的，摻入纖維能夠顯著改善這一狀況。雖然在瀝青混合料中纖維的摻量較少，但其截面微小，在瀝青混合料中分散開以后，仍具有龐大的數量，眾多的纖維與瀝青中的酸性樹脂組分通過浸潤、吸附作用形成牢固的結構瀝青膜，分散均勻的纖維在瀝青混合料中形成了空間骨架結構和瀝青網，以使其抵抗塑性變形的能力有所增加，纖維的摻入使結構瀝青增加，自由瀝青含量相對降低，瀝青膠漿黏性增大，溫度穩定性得到改善。

2.3 增韌作用

瀝青混合料作為黏彈性材料，其韌性會因為溫度的變化而變化，溫度較高，其韌性升高；溫度降低，韌性降低。因此，在低溫情況下受荷載作用時瀝青路面會因為韌性不足導致開裂。玄武巖纖維的彈性模量大，能夠增強瀝青混合料抵抗變形的能力，從而提高其低溫開裂性能。

3 玄武巖纖維瀝青混合料性能

3.1 低溫抗裂性能

在北方部分寒冷地區，由于溫度過低，瀝青表現為脆性，很容易造成瀝青路面開裂。路面產生裂縫，會給行車帶來極大的障礙，提高了駕駛的危險性。玄武巖纖維的加入增強了瀝青混合料對低溫環境的適應性。Li等［4］通過掃描電鏡觀察了瀝青混合料斷口的微觀形貌，具體如圖2所示。顯然，沒有摻加纖維的瀝青混合料內部微觀結構松散，集料與瀝青結合不緊密。因此，其低溫性能較差。而玄武巖纖維瀝青混合料中的集料與瀝青能夠緊密結合，具有較好的完整性［5］。由此可以得出玄武巖纖維優化了瀝青混合料的內部形貌，增強了完整性和連續性，有利于提高瀝青混合料的低溫抗裂性［6］。

圖2 斷口顯微照片

王欣悅［7］通過微觀分析手段，根據孔洞和裂縫長度、寬度等指標詳細分析了瀝青混合料斷口形貌和纖維的破壞方式，結果表明，玄武巖纖維在材料內部形成空間網絡結構，能起到增韌阻裂的作用，提高其低溫抗裂性能。

3.2 高溫穩定性能

在炎熱的夏季，瀝青路面受到高溫氣候的影響，會變得松軟，當瀝青路面的承載能力不足以抵抗行車荷載時，會產生車轍變形，如果長期處于這種情況下，車轍越來越明顯，路面破壞嚴重，大大降低了路面使用年限。為增強瀝青路面抵抗荷載的能力，改善其高溫耐車轍特性，對延長路面的使用壽命至關重要［8］。吳少鵬等［9］為了進一步深入研究纖維瀝青混合料的高溫性能，對纖維瀝青混合料開展了動態模量試驗、動態蠕變試驗和車轍試驗，結果顯示摻入纖維的瀝青混合料動態模量明顯提高，說明瀝青混合料的勁度得到了提高；瀝青混合料的動穩定度和高溫動態蠕變試驗的流動值也有所提高，車轍試驗中車轍深度肉眼可見的減小，表明纖維能夠有效提高瀝青混合料的高溫穩定性能。徐詠梅等［10］為比較木質素纖維、玄武巖纖維對瀝青混合料高溫性能的改善效果，在60℃下進行車轍試驗，試驗條件相同，試驗結果得到摻加玄武巖纖維的瀝青混合料動穩定度為7 725次/mm，高于木質素纖維的動穩定度5 727次/mm，兩種混合料的動穩定度均符合相關規范標準，但玄武巖纖維的摻入能較好地改善瀝青混合料的高溫穩定性能，其改善效果優于木質素纖維。

3.3 水穩定性

多雨季節，一部分雨水通過瀝青路面表面進入到瀝青路面內部，瀝青與集料顆粒之間的黏附性會因此被破壞，導致瀝青和集料脫離，從而產生剝落、松散等路面病害。魯淑華［11］對玄武巖纖維瀝青混合料的水穩定性進行研究，通過浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗，結果顯示，當玄武巖纖維摻量為0.4%時，瀝青混合料的殘留穩定度值最高，由于凍融循環作用，試件劈裂強度下降，但仍高于不摻纖維的瀝青混合料，說明玄武巖纖維能夠有效提高瀝青混合料的水穩定性。紀方利［12］對比了木質素纖維、聚酯纖維、玄武巖纖維瀝青混合料浸泡在飽和氯化鈉溶液和飽和硫酸鈉溶液后的水穩定性，通過凍融劈裂試驗對比3種纖維的增強效果，結果顯示不管在哪種溶液里浸泡，摻入玄武巖纖維的瀝青混合料劈裂抗拉強度值都最高，表明摻入玄武巖纖維其水穩定性能優于其他兩種，抗水損害能力更好。

4 結語

玄武巖纖維具有優良的物理特性、化學特性及力學性能，對瀝青混合料具有增強作用。本研究較系統地闡述了玄武巖纖維對瀝青混合料路用性能的影響，發現玄武巖纖維能夠有效地提高瀝青混合料的高溫穩定性能、低溫抗裂性能和水穩定性能。為玄武巖纖維在道路工程中的應用提供了理論依據。