礦物纖維對瀝青的改性技術現狀

孫 鎮(zhèn) 蘇 洋 劉 杰 韓躍新

(1.沈陽有色金屬研究院;2.東北大學資源與土木工程學院)

瀝青作為公路、機場等路面建設的主要材料，其性能的改良長期被國內外相關學者所關注。通過纖維對瀝青的改性可以提高瀝青的穩(wěn)定性和強度、延長瀝青路面的使用壽命，所產生的經濟效益非常顯著。

目前已知的用作瀝青改性劑的纖維材料主要是木質素纖維、礦物纖維、聚丙烯酸、TF聚酯纖維、金屬晶須改性纖維、納米改性纖維等。礦物纖維改性瀝青因為具有良好的路面性能，且改性劑價格低廉，因而礦物纖維自成為路用瀝青混合料之始就備受國內外相關研究人員關注，若其改性效果與聚合物相當，則將有望取代聚合物改性劑。因此，國內對礦物改性劑的研究方興未艾。

1 國內外瀝青混合料用纖維的技術現狀

目前，纖維對瀝青混合料的改性已有廣泛應用，尤其在歐美等發(fā)達國家和地區(qū)［1-3］，對其進行的研究也較深入，已有多項專利產品面世。英國科特爾茲生產了一種叫德蘭尼特的睛綸纖維，主要用于瀝青混合料，在德國、法國、香港等國家和地區(qū)有應用。這種纖維含纖量較高，分散性較好，與瀝青相互結合吸附效果好，其在瀝青混合料中的作用是木質纖維的3倍多。美國杜邦公司研發(fā)的聚醋纖維能夠提高瀝青路面的低溫抗裂性和抗壓性，而且具有較好的穩(wěn)定性及較高的耐久性。這種纖維已在美國多個地區(qū)應用。美國FORTA公司研發(fā)的福塔纖維能與熱伴瀝青基質相互結合，形成高結構化的三維空間網絡，從而提高瀝青路面的路用性能，其主要應用在收費公路和工業(yè)園工程中。我國對纖維瀝青混合料的研究和應用均晚于國外。20世紀90年代，隨著SMA路面的發(fā)展及各種纖維的出現，纖維對瀝青路面的改性才得到國內相關研究人員的重視。該纖維的加入能提高礦粉的加入量、降低瀝青混合料的孔隙率、提高SMA混合料的韌性和黏性，從而提升瀝青混合料的路用性能［4-6］。

礦物纖維是一種無機纖維，從纖維狀結構的礦物巖石中獲得，主要來源為各類石棉，如溫石棉、青石棉等。礦物纖維在混合料中具有良好的分散性、吸油性、抗老化性與耐熱性，與瀝青混合料相互拌合能提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性，增加動穩(wěn)定性和抗車轍能力，礦物纖維與瀝青混合料親和性好，分散于混合料中與其相互結合，能夠起到加筋作用，增強抗水損害能力，而且能增加其抗酸、抗堿及抗腐蝕等性能［7-9］。

2 纖維瀝青混合料的性能特點

纖維與瀝青混合料的突出物理特性體現在以下3方面［10］:其一，這種復合材料中的纖維和基體相互獨立、又相互作用、相互影響，可以充分體現纖維與瀝青的優(yōu)點，增加韌性、黏性及彈性，同時也增強其穩(wěn)定性。其二，在一定用量范圍內，纖維的摻量與混合料的綜合性能成線性關系，因此，可以通過調節(jié)復合材料中纖維的摻量來調節(jié)瀝青混合料的路用綜合性能，從而滿足不同路面的使用要求。其三，瀝青會隨時間的推移出現老化和脆化，而纖維在復合材料中不會隨時間出現老化脆化，因而纖維可對瀝青的韌性進行補償，從而提高復合材料的韌性。

3 礦物纖維在瀝青混合料中的作用機理

(1)由于礦物纖維有較好的分散性，在混合料中以三維隨機狀態(tài)分布，能與骨料進行嚙合從而形成相對較大的摩擦角，同時，在與瀝青作用時，瀝青膠漿的黏聚力也會將基體的拉應力加載到纖維上。纖維在瀝青混合料中還起到一定的加筋作用，相當于鋼筋混凝土中鋼筋對混凝土的加強作用，能夠承受一定程度的拉應力，并且加強了對混合料顆粒的握裹力，從而提高其綜合路用性能［11］。

(2)礦物纖維分散到瀝青中，在一定的溫度下能夠形成界面層。界面層可以理解為具有一定厚度的新的相，使瀝青和纖維相互作用起來，二者相互傳遞應力，這對纖維瀝青復合材料中的物理力學性能起到至關重要的作用。界面層結構的性質取決于礦物纖維的物理和化學性質。同時，在高溫狀態(tài)下，瀝青與纖維相互作用可以形成結構較為穩(wěn)定的瀝青薄膜，這種薄膜具有較小的孔隙率，有利于阻礙瀝青混合料的老化脆化，有效地延長了瀝青混合料的使用壽命［12-14］。

(3)礦物纖維能夠在瀝青機體內形成三維空間網絡。這種空間網絡是纖維和瀝青相互作用形成的，亦可叫做結構瀝青網。由于纖維和瀝青的相互吸附作用，減少了自由瀝青的數量，使瀝青膠漿的黏性增大，提高了瀝青混合料的穩(wěn)定性及其韌性。瀝青膜在溫度較高的情況下會受熱膨脹，其中的結構瀝青網會起到一定的緩沖作用，同時會提高瀝青的軟化點，減輕其泛油程度，對提高瀝青混合料的穩(wěn)定性作用顯著。

(4)瀝青路面在一定強度或低溫作用下會產生小裂痕，礦物纖維與瀝青形成的纖維網在混合料中具有維持體系整體性的特點，使其減輕或者阻止基體損害的程度［15］。

4 結論與展望

(1)礦物纖維與瀝青能夠形成復合型材料，在混合料中起加筋作用并提高其穩(wěn)定度。

(2)礦物纖維在混合料中具有良好的分散性，與瀝青相互作用后，對提高瀝青的粘度和抗高溫變形能力作用顯著;同時，纖維與骨料結合可以增加瀝青混合料的最大彎曲應變及低溫抗裂性能。

(3)纖維與瀝青形成的界面層，通過二者的相互吸附，傳接應力，從而增強混合料的穩(wěn)定性;同時，具有較小孔隙率的瀝青薄膜有利于阻礙混合料的老化、脆化，從而有效地延長瀝青路面的使用壽命。

(4)礦物纖維與瀝青基體形成的空間網絡能夠減少自由瀝青的數量，提高瀝青的軟化點，減輕其泛油程度，增強瀝青混合料的路用性能;同時，礦物纖維良好的變形能力及較高的模量值，能防止瀝青混合料在低溫下的斷裂及松散，加強其韌性，提高其在低溫下的抗裂性。

(5)礦物纖維增強瀝青混凝土在路面建設方面有著廣闊的發(fā)展前景，是我國公路建設及發(fā)展的必然趨勢。礦物纖維增強瀝青混凝土的應用，不僅能減少道路交通建設成本、帶來巨大的經濟效益，而且能帶來顯著的社會效益。

(6)目前瀝青路面中的礦物纖維主要為玄武巖纖維，玄武巖纖維在瀝青改性方面雖然表現出了很好的效果和性價比，但開發(fā)更低成本的能增強瀝青混合料綜合路用性能的礦渣纖維等礦物纖維很有必要。

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