玄武巖纖維瀝青混合料路用性能的研究現狀

劉 燦

（重慶市智翔鋪道技術工程有限公司，重慶 401336）

0 引言

近年來，我國道路設施的建設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、易養護、行車舒適等優點，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起步較晚，技術較為薄弱且優質道路瀝青缺乏，鋪筑的瀝青路面通常存在各種各樣的質量問題。伴隨我國交通運輸行業的快速發展，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、寒冷天氣等嚴峻氣候條件）的綜合影響，瀝青路面早期病害頻發，嚴重影響瀝青路面的使用性能。因此，如何提高瀝青路面的質量，減少其早期損害，延長其使用壽命，成為了道路工程技術研究的熱點。

纖維作為一種添加劑，其性能優良，施工方便，已廣泛應用于路面材料領域。纖維增強材料在水泥混凝土中的應用最早要追朔到20世紀50年代后期，最初的目的是用來預防反射裂縫[1]。借鑒當時纖維成功應用于水泥混凝土的經驗，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、高強度、高耐久性等優點。越來越多的學者為增強瀝青混合料路用性能將玄武巖纖維應用在不同級配的瀝青混合料中。已有研究表明，纖維在瀝青混合料中可以起到加筋、吸附、穩定和增黏的作用，能有效提高瀝青混合料的高溫穩定性、低溫抗裂性、水穩定性等綜合性能，同時能有效防止反射裂縫的產生。本文就玄武巖纖維瀝青混合料路用性能的研究現狀進行論述，并對其實際應用展開進一步的研究。

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，鋼纖維易結團、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，且吸油率不如木質素纖維；木質素纖維與瀝青和集料的親和力較差，且容易發生氧化反應與退化反應進而分解為碳焦、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，經特定篩選，在1450～1500℃的高溫下熔融后，經拉絲和表面處理制得的連續纖維。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度、高彈性模量等力學性能，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，同時在整個生產和應用過程中對環境無污染，綠色環保。由于玄武巖纖維規模化的生產，使得玄武巖纖維的生產成本明顯降低，為其在路面中的大規模應用提供了必要條件。除此之外，玄武巖纖維還具有工作溫度范圍大、化學穩定性好、水穩定性好、抗老化性能好、熱絕緣性能好等優點[4]，被譽為“21世紀的新材料”。目前玄武巖纖維已成功應用在水泥混凝土中[5]；《玄武巖纖維瀝青路面施工技術指南》、《玄武巖纖維瀝青路面施工技術規范》等明確了玄武巖纖維性能標準的要求和各種瀝青混合料級配的推薦纖維用量，促進了玄武巖纖維的發展與應用。

2 玄武巖纖維瀝青混合料國外研究現狀

為了預防反射裂縫的產生與擴展，國外在20世紀50年代后期開始了纖維瀝青復合材料的研究。Zube早在1956年就已經探索了在瀝青混合料加鋪層下置入金屬網狀結構阻止反射裂縫的產生。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，并證實了該路面具有良好的高溫穩定性、低溫穩定性、水穩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，國外研究者陸續開始了玄武巖纖維瀝青混合料路用性能的相關研究。

Sayyed Mahdi Abtahi等將玄武巖纖維對瀝青混合料的增強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）進行對比，指出玄武巖纖維瀝青混合料具有較優良的路用性能，且經濟效益明顯[6]。Artemenko SE等研究了玄武巖纖維和玄武巖礦棉（來自核能發電站和化工廠的廢料）增強瀝青混合料的有效性，研究結果表明，當玄武巖纖維或玄武巖礦棉的摻量為0.4%時，瀝青混合料的強度能提高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反應，增加了聚合物—瀝青混凝土的強度特性、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參數的適應性，試驗結果表明，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研究現狀

我國纖維瀝青混合料的應用研究相對較晚，隨著2004年玄武巖纖維實現產業化，有關玄武巖纖維瀝青混合料路用性能的相關研究才逐漸展開，并取得了許多重要成果。

李紅濤研究發現，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，表明玄武巖纖維應用于瀝青混合料是可行的；同時，對比了玄武巖纖維和木質素纖維SMA-13混合料的路用性能，證明了玄武巖纖維也能應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境污染[9]。范文孝等研究表明，向瀝青混合料中摻加纖維會提高最佳瀝青用量，混合料的高溫穩定性、水穩定性及低溫抗裂性等均有一定程度的提高；同時研究指出，玄武巖纖維瀝青混合料的路用性能提高幅度最大，優于聚酯纖維和木質素纖維[10]。查旭東等采用特種玄武巖纖維來提高開級配排水式OGFC瀝青混合料磨耗層的穩定性和抗變形能力。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成牢固的整體，增強了OGFC-13的高溫性能、低溫性能和水穩定性能等；但纖維摻量過高時，會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評價玄武巖纖維瀝青混合料的抗老化性能，試驗結果表明，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、低溫性能和水穩定性能[12]。

韋佑坡等研究了玄武巖纖維瀝青膠結料和混合料的性能，試驗結果揭示，玄武巖纖維能提高SBS改性瀝青膠結料的抗車轍因子和混合料的動穩定度，即對高溫性能有積極作用，同時能改善混合料的力學性能和水穩定性能；且一定范圍內，玄武巖纖維摻量越高，這種增強效應越明顯[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性，從微觀結構上分析了玄武巖纖維混合料低溫性能改善機理并對纖維瀝青膠漿相態變化進行了測試[14]。吳靖江等人通過車轍、動態模量、動態蠕變等試驗研究了多種級配下摻加玄武巖纖維和改變最大公稱粒徑前后，瀝青混合料高溫性能指標的變化，并將試驗數據進行曲線擬合。結果表明，玄武巖纖維瀝青混合料的動穩定度與貫入強度和流變次數之間有著正相關的線性關系，為玄武巖纖維瀝青混合料的高溫性能研究構建系統模型提供了一定的理論基礎[15]。趙正偉將玄武巖纖維用于環氧瀝青混合料中，結果表明，玄武巖纖維以三維網狀結構分散在瀝青混合料中，能夠有效增強混合料內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展，但依然存在一些問題有待進一步地研究。

（1）我國相應的纖維瀝青混合料的設計規范不完整，沒有一個確定玄武巖纖維瀝青混合料的配合比設計及玄武巖纖維的最佳摻量的指標，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，若摻量過低，則對瀝青混合料性能的增強作用有限；若摻量過高，則可能降低瀝青混合料的性能。

（2）現有的研究主要集中在玄武巖瀝青混合料的室內試驗，對玄武巖纖維瀝青混合料的實際應用并沒有太多研究。

（3）玄武巖纖維對瀝青混合料的增強機理較為復雜，與增強水泥混凝土的機理也存在區別，有待進一步研究。

5 結束語

本文分析了玄武巖纖維瀝青混合料的國內、外研究現狀，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定性、低溫抗裂性、水穩定性等綜合性能，同時能有效防止反射裂縫的產生。但從發展的角度，今后要制定相應的規范指南來指導玄武巖纖維瀝青混合料的配合比設計及施工，確保其施工質量；研究玄武巖纖維瀝青混合料的長期使用性能，全面評價其室內外性能；從微觀角度分析玄武巖纖維在瀝青混合料中的分布形態和作用機理，指導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，其應用前景光明。