纖維穩(wěn)定劑在排水瀝青路面中的應(yīng)用簡(jiǎn)介

趙德慧

(杭州市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院　杭州　310006)

纖維穩(wěn)定劑在排水瀝青路面中的應(yīng)用簡(jiǎn)介

趙德慧

(杭州市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院杭州310006)

摘要針對(duì)排水路面的優(yōu)缺點(diǎn)，通過(guò)分析纖維瀝青混合料的作用機(jī)理，提出加入纖維一定程度上能彌補(bǔ)排水路面部分缺點(diǎn)。介紹了不同類(lèi)型纖維在瀝青混合料中的應(yīng)用情況，特別提出礦物纖維是一種有較廣闊發(fā)展前景的纖維穩(wěn)定劑。

關(guān)鍵詞排水性瀝青混合料纖維穩(wěn)定劑礦物纖維

1排水瀝青路面簡(jiǎn)介

排水瀝青路面，又稱(chēng)透水瀝青路面、開(kāi)級(jí)配磨耗層( OGFC)等，指壓實(shí)后空隙率在20%左右，能夠在混合料內(nèi)部形成排水通道的新型瀝青混凝土面層，其實(shí)質(zhì)為單一粒徑碎石按照嵌擠機(jī)理形成骨架-空隙結(jié)構(gòu)的開(kāi)級(jí)配瀝青混合料[1]。

排水性瀝青混合料即基于骨架空隙結(jié)構(gòu)理論發(fā)展而來(lái)[2]。該種結(jié)構(gòu)粗集料含量較多，細(xì)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(jié)構(gòu)特有的大孔隙具有以下使用品質(zhì)：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(chē)安全性；②降低行車(chē)噪聲；③改善雨天或夜間行駛的視覺(jué)特性 。

但是，由于大孔隙結(jié)構(gòu)的開(kāi)敞性，排水瀝青路面在抗磨耗性、水穩(wěn)定性、疲勞耐久性[3]方面存在明顯缺陷。同時(shí)，排水性瀝青混合料中細(xì)集料較少，容易產(chǎn)生瀝青析漏問(wèn)題，瀝青析漏會(huì)給路面帶來(lái)病害隱患。

2纖維材料的引入

針對(duì)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(wěn)定劑，纖維在瀝青混合料中的作用[4]主要有幾點(diǎn)：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(tuán)適當(dāng)分散在集料間，減少鋪筑路面時(shí)的“油斑”現(xiàn)象；③吸附及吸收瀝青作用。充分吸附(表面)及吸收(內(nèi)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(wěn)定作用。纖維使瀝青膜處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)，尤其是在夏天高溫季節(jié)，瀝青受熱膨脹，纖維內(nèi)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(jié)力。纖維將增加瀝青與礦料的粘附性，通過(guò)油膜的粘結(jié)，提高集料之間的粘結(jié)力，減少析漏5]。

纖維穩(wěn)定劑的以上種種作用對(duì)于解決排水路面存在的水穩(wěn)性，耐久性，特別是對(duì)瀝青析漏問(wèn)題有很強(qiáng)的針對(duì)作用，在排水性瀝青混合料中使用纖維穩(wěn)定劑在國(guó)外已經(jīng)有諸多嘗試。比利時(shí)SCREG的報(bào)道表明，使用0.3%木質(zhì)素纖維能夠很好地改善排水性瀝青混合料對(duì)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(shù)指南(案)》也指出，纖維質(zhì)地的補(bǔ)強(qiáng)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(yàn)規(guī)程規(guī)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(wěn)定劑的OGFC混合料很難達(dá)到這個(gè)要求。

法國(guó)曾經(jīng)針對(duì)排水性瀝青混合料做了室內(nèi)環(huán)道試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，同一環(huán)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(wěn)定劑4種結(jié)構(gòu)，在110萬(wàn)標(biāo)準(zhǔn)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(dá)到30%，而使用了纖維穩(wěn)定劑的1/4環(huán)道則幾乎沒(méi)有任何空隙率下降的表現(xiàn)。對(duì)試驗(yàn)后滲透系數(shù)的測(cè)試也表明了這一點(diǎn)，使用纖維穩(wěn)定劑的結(jié)構(gòu)比前3種大50%左右。而對(duì)車(chē)轍深度的測(cè)試第4種結(jié)構(gòu)比前3種結(jié)構(gòu)小大約60%。該試驗(yàn)充分表明，跟其他組合路面結(jié)構(gòu)相比，使用了纖維穩(wěn)定劑的排水瀝青路面在保持其使用性能方面具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)越性。

3纖維在瀝青路面中的應(yīng)用情況

纖維是一種細(xì)長(zhǎng)而柔韌性好的增強(qiáng)材料，從來(lái)源上可以分為2大類(lèi)：天然纖維和合成纖維。

天然纖維是用天然高聚物經(jīng)過(guò)化學(xué)處理和機(jī)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(tài)和性質(zhì)也表現(xiàn)出一定的差異。木質(zhì)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(zhì)作原料，經(jīng)過(guò)化學(xué)處理與機(jī)械加工制造而成的纖維。現(xiàn)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(yīng)用較多的是木質(zhì)素纖維、聚合物化學(xué)纖維和礦物纖維。木質(zhì)素纖維和礦物纖維屬于天然纖維，聚合物化學(xué)纖維屬于合成纖維。

3.1　木質(zhì)素纖維

木質(zhì)素纖維是天然木材經(jīng)過(guò)化學(xué)處理得到的有機(jī)纖維，其物質(zhì)結(jié)構(gòu)是由葡萄糖分子組成的長(zhǎng)分子鏈結(jié)構(gòu)。主要有2種：經(jīng)過(guò)技術(shù)處理的絮狀的木質(zhì)素纖維；顆粒狀的木質(zhì)素纖維。后者是由木質(zhì)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(jù)介紹，顆粒狀纖維最大的好處是不怕受潮，機(jī)械化添加容易實(shí)現(xiàn)。顯然，這是針對(duì)絮狀木質(zhì)素纖維容易吸潮、容易結(jié)團(tuán)、不宜長(zhǎng)時(shí)間堆放并且拌和時(shí)分散困難的缺點(diǎn)而言。

但是，從后來(lái)的發(fā)展看，絮狀木質(zhì)素纖維逐漸占據(jù)了市場(chǎng)。這一方面是絮狀木質(zhì)素纖維的國(guó)產(chǎn)化得以開(kāi)拓，從而使材料價(jià)格得以降低。另一方面，添加絮狀纖維的設(shè)備也應(yīng)運(yùn)而生，進(jìn)口、國(guó)產(chǎn)的都已經(jīng)做得比較成熟。相比之下，顆粒狀纖維因?yàn)槠渖a(chǎn)工藝相對(duì)復(fù)雜，而且加入的瀝青也按照纖維材料來(lái)銷(xiāo)售，使得用戶在選擇時(shí)有些猶疑。

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

近年來(lái)國(guó)內(nèi)對(duì)SMA路面經(jīng)歷了一個(gè)從認(rèn)識(shí)到發(fā)展到日趨成熟的歷程，而SMA在我國(guó)的修筑基本上都用纖維。這使得路用纖維市場(chǎng)也從無(wú)到有，從小到大，從單一到多樣化迅速成長(zhǎng)起來(lái)。由于添加木質(zhì)素纖維的SMA路用性能倍受推崇，木質(zhì)素纖維又具有相對(duì)明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，在諸多工程中得到了廣泛應(yīng)用。因此在普通瀝青混凝土路面中占有不少市場(chǎng)份額。

3.2　聚合物化學(xué)纖維

聚合物化學(xué)纖維為合成纖維，它們的研制和應(yīng)用來(lái)源于紡織纖維，是以合成高聚物為原料經(jīng)化學(xué)處理得到的。

在聚合物化學(xué)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(jìn)口的品種。雖然價(jià)格昂貴，但是通過(guò)中間商的市場(chǎng)開(kāi)拓，有幾種在公路建設(shè)中得到了一定規(guī)模的應(yīng)用。近年來(lái)，國(guó)產(chǎn)聚合物化學(xué)纖維也開(kāi)始步入市場(chǎng)，其價(jià)格比進(jìn)口的大幅降低。

聚合物化學(xué)纖維的抗拉強(qiáng)度較高，具有較高的斷裂延伸率，因此，其在瀝青混合料中應(yīng)該更能發(fā)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(shí)，其吸油性能雖然遜于木質(zhì)素纖維，但是用以防止瀝青混合料的析漏效果還是很好的?，F(xiàn)在影響聚合物化學(xué)纖維進(jìn)一步推廣的主要還是價(jià)格問(wèn)題。此外，聚合物化學(xué)纖維的高溫性能受到懷疑，有的品種在高溫拌和時(shí)有融化卷曲的現(xiàn)象，如此，其優(yōu)于木質(zhì)素纖維的加筋作用恐怕難以體現(xiàn)出來(lái)。

聚合物化學(xué)纖維在國(guó)外的應(yīng)用也是比較少的。國(guó)內(nèi)主要是木質(zhì)素纖維占據(jù)著主要市場(chǎng)，在國(guó)外則是木質(zhì)素和礦物纖維并重、礦物纖維后來(lái)居上的形勢(shì)。但是，在某些特殊工程如橋面鋪裝、混凝土加鋪等項(xiàng)目中，聚合物化學(xué)纖維仍然具有相當(dāng)?shù)男阅軆?yōu)勢(shì)。

3.3　礦物纖維

礦物纖維是利用天然礦物經(jīng)化學(xué)處理和機(jī)械加工制得的。目前，在瀝青路面中應(yīng)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(yán)重的人身危害，現(xiàn)在，一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)禁止使用石棉纖維，我國(guó)也正在逐步淘汰。

現(xiàn)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(jīng)過(guò)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(lái)自礦物，同木質(zhì)素纖維以及合成的聚合物化學(xué)纖維在化學(xué)構(gòu)成上有著本質(zhì)的區(qū)別，其應(yīng)用在瀝青混合料中的效果也因此有著自己“與生俱來(lái)”的特點(diǎn)。

首先，礦物纖維的強(qiáng)度及彈性模量很高，從復(fù)合材料科學(xué)“加筋加強(qiáng)”的原理看，其對(duì)混合料的強(qiáng)度提高應(yīng)該相當(dāng)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(shí)，其優(yōu)勢(shì)也在于同礦料之間的聯(lián)合作用容易實(shí)現(xiàn)。此外，礦物纖維的工作溫度可以達(dá)到700 ℃，在混合料拌和溫度范圍內(nèi)根本不用擔(dān)心失效問(wèn)題。相比之下，木質(zhì)素纖維、聚合物化學(xué)纖維在瀝青的拌和溫度附近就已經(jīng)有或多或少的性狀改變，雖然現(xiàn)在還無(wú)法驗(yàn)證這種性狀改變帶來(lái)的負(fù)面效應(yīng)，但是已經(jīng)有不少質(zhì)疑的聲音。

礦物纖維在瀝青混合料中的應(yīng)用在國(guó)外已經(jīng)形成規(guī)模。美國(guó)在1991年開(kāi)始使用玄武巖礦物纖維，并在美國(guó)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(zhuān)用礦物纖維，獲得了很好的評(píng)價(jià)。隨后，礦物纖維在其他州也得到推廣，并且因?yàn)槠溆欣跒r青混合料的再生利用而逐漸有主導(dǎo)市場(chǎng)的傾向。

雖然我國(guó)早就已經(jīng)具備相當(dāng)?shù)牡V物纖維生產(chǎn)能力，但是道路專(zhuān)用礦物纖維仍然依靠進(jìn)口，其售價(jià)介于木質(zhì)素纖維同進(jìn)口聚合物化學(xué)纖維之間。只是，同木質(zhì)素纖維和聚合物化學(xué)纖維相比，礦物纖維的應(yīng)用還很少，沒(méi)有形成市場(chǎng)規(guī)模及相應(yīng)的技術(shù)積累。最近，國(guó)內(nèi)有一些科研院所會(huì)同材料公司開(kāi)始合作開(kāi)發(fā)道路專(zhuān)用礦物纖維，并已經(jīng)有產(chǎn)品面世。

4結(jié)語(yǔ)

纖維在其他瀝青混合料上的應(yīng)用在國(guó)內(nèi)已經(jīng)做了不少系統(tǒng)性工作。特別是近年來(lái)SMA路面的推廣，由于規(guī)定必須使用穩(wěn)定劑，且一般都使用纖維，經(jīng)過(guò)實(shí)踐，國(guó)內(nèi)對(duì)纖維的作用機(jī)理和應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)積累了很多經(jīng)驗(yàn)。在這種形勢(shì)下，將纖維穩(wěn)定劑引入到排水性瀝青混合料中來(lái)，如果確定有可觀的改善效果并積累相應(yīng)的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，則有利于排水瀝青路面使用材料體系的形成，對(duì)排水瀝青路面的推廣意義重大。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2014-12-09

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.03.050