論玄武巖纖維在瀝青路面中研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

左惠宇

摘要：文章介紹了玄武巖纖維的性質(zhì)與其在公路領(lǐng)域的發(fā)展情況，雖然我國(guó)對(duì)玄武巖纖維的應(yīng)用較晚，但現(xiàn)已進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究和使用。玄武巖纖維對(duì)于瀝青混合料的高低溫性能，水穩(wěn)定性和抗疲勞性能均有所提高，同時(shí)將玄武巖纖維作為改性劑制備玄武巖纖維改性瀝青砂漿的性能也有所提高。通過(guò)已有的試驗(yàn)研究和應(yīng)用情況，文章對(duì)玄武巖纖維在瀝青路面中的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

Abstract： This article introduces the properties of basalt fiber and its development in the field of highway. Although the application of basalt fiber in our country is late， lots of experimental research and application have been carried out. The high and low temperature performance， water stability and fatigue resistance of basalt fiber for asphalt mixture are improved. At the same time， the performance of basalt fiber modified asphalt mortar with basalt fiber is also improved comparing with the base asphalt. Through the existing experimental research and application， this paper prospects the development trend of basalt fiber in asphalt pavement.

關(guān)鍵詞：公路工程;玄武巖纖維;瀝青及瀝青混合料;路用性能

Key words： highway construction;basalt fiber;asphalt and asphalt mixture;road performance

中圖分類(lèi)號(hào)：TU528.42 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2020）24-0161-02

0 ?引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，車(chē)輛荷載顯著增加，僅僅使用基質(zhì)瀝青建設(shè)的路面往往在建成初期發(fā)生開(kāi)裂和車(chē)轍等病害，大大降低了服務(wù)水平，造成了經(jīng)濟(jì)的損失。隨著科技水平的不斷進(jìn)步，瀝青改性技術(shù)也越發(fā)成熟，各式各樣的改性劑也登上舞臺(tái)，改善著瀝青的各項(xiàng)性能。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，各種纖維逐漸進(jìn)入了建筑領(lǐng)域，木質(zhì)素纖維，合成纖維，礦物纖維等在道路建設(shè)中發(fā)揮著各樣的作用;玄武巖纖維作為一種新型的筑路材料，在2008年第七屆全國(guó)混凝土耐久性學(xué)術(shù)交流會(huì)上由陳興芬[1]介紹其在工程中應(yīng)用;由于其比木質(zhì)素纖維和合成纖維比有更高的強(qiáng)度和剛度，比之前使用的石棉纖維更加對(duì)人無(wú)害和環(huán)保，進(jìn)而開(kāi)啟了研究玄武巖纖維在道路工程中研究的大門(mén)，對(duì)玄武巖纖維的深入研究也隨之展開(kāi)。

1 ?玄武巖纖維的性質(zhì)

玄武巖纖維是以天然玄武巖為原料，在1450～1500℃熔融后，通過(guò)鉑銠合金拉絲，在漏板中高速拉制而成的連續(xù)纖維。純天然的玄武巖纖維顏色一般為褐色，有一定的金屬光澤。玄武巖纖維是一種新型的綠色環(huán)保，高性能纖維材料。由二氧化硅、氧化鋁、氧化鈣、氧化鐵、氧化鎂和二氧化鈦等氧化物構(gòu)成。

玄武巖連續(xù)纖維具有強(qiáng)度高，耐腐蝕、耐高溫，而且還具有電絕緣等多種優(yōu)異性能。此外，由于生產(chǎn)工藝的原因，玄武巖纖維的生產(chǎn)產(chǎn)生的廢棄物較少，對(duì)環(huán)境污染小，與此同時(shí)，纖維產(chǎn)品廢棄后可直接在環(huán)境中降解，沒(méi)有任何危害，是一種名副其實(shí)的綠色環(huán)保材料。目前，我國(guó)已把玄武巖纖維列為重點(diǎn)發(fā)展的四大纖維之一，并且實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。

玄武巖纖維作為一種堿性集料，其拉絲形成的纖維也具有相同的堿性，與瀝青有著良好的相容性，所以其在瀝青和瀝青混合料中的使用可以充分發(fā)揮作用。

2 ?玄武巖纖維在瀝青路面中的研究現(xiàn)狀

2008年起，玄武巖纖維的研究開(kāi)始發(fā)展起來(lái)，高丹盈[2]等人，在瀝青混合料中摻入不同摻量的木質(zhì)素纖維和玄武巖纖維，通過(guò)析漏，飛散損失，高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)SMA路用性能的提升隨著纖維的摻量增加而提高，木質(zhì)素纖維對(duì)瀝青的增粘效果優(yōu)于玄武巖纖維，而玄武巖纖維的耐高溫和耐水損害的效果要優(yōu)于木質(zhì)素纖維。

2010年，劉福軍[3]基于基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青這兩個(gè)平臺(tái)，對(duì)玄武巖纖維改性瀝青的性能進(jìn)行了試驗(yàn)，并對(duì)其制備的瀝青混合料進(jìn)行了研究;發(fā)現(xiàn)摻入玄武巖纖維會(huì)大幅升高其軟化點(diǎn)，瀝青針入度和延度大幅下降;通過(guò)流變學(xué)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，纖維瀝青的抗車(chē)轍因子和蠕變勁度增加幅度最大，這表明其可以改善瀝青的高低溫性能;在瀝青混合料的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維有著更好的緩解高溫車(chē)轍，抵抗低溫開(kāi)裂，并且提高抗水損害的能力。

2012年，韋佑坡[4]等人，研究了玄武巖纖維在瀝青混合料中作用的機(jī)理，發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維的加入一定地增加了瀝青與集料的相和面，產(chǎn)生了一定的界面增強(qiáng)作用，使其成為多相復(fù)合體;通過(guò)DSR試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)纖維瀝青的抗車(chē)轍因子顯著提高，表明縱橫交錯(cuò)的纖維吸附了輕質(zhì)組分使瀝青質(zhì)含量相對(duì)增加，進(jìn)而增加了瀝青的粘度;同時(shí)纖維在瀝青中分布形成了界面結(jié)構(gòu)層，進(jìn)而起到明顯的“加筋”效果，改善瀝青的高溫性能。

2013年，玄武巖纖維瀝青路面的建設(shè)在國(guó)內(nèi)開(kāi)始應(yīng)用，馮帆[5]介紹了其在湖南郴寧高速上的使用，郴寧高速是我國(guó)第一條連續(xù)超百公里使用玄武巖纖維的路面，專(zhuān)家們?cè)诜桨副剡x時(shí)，表明玄武巖纖維是最適合在瀝青路面中使用的纖維穩(wěn)定材料，會(huì)大幅提高路面的性能并利于環(huán)保;但其對(duì)施工的工況要求很高，既要對(duì)纖維材料進(jìn)行防水保存，又要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工的拌和、攤鋪、碾壓的溫度控制足夠精確甚至苛刻。

由于已經(jīng)有了鋪筑玄武巖纖維瀝青路面的工程，在工程中也出現(xiàn)了難點(diǎn)需要攻關(guān)，2015年起對(duì)玄武巖纖維的各種施工，攤鋪技術(shù)進(jìn)行了研究。

郭同海于2015年對(duì)SMA玄武巖纖維瀝青路面的施工技術(shù)進(jìn)行了總結(jié);在拌和時(shí)，噴入瀝青1s鐘后，應(yīng)一次性完成纖維的添加，同時(shí)要注意控制好加料的順序和纖維拌和的時(shí)間;在攤鋪過(guò)程中最好選用一臺(tái)初始?jí)簩?shí)度較高、抗離析作用強(qiáng)的攤鋪機(jī)施工。在鋪筑SMA混合料時(shí)，施工人員要實(shí)時(shí)對(duì)混合料進(jìn)行觀察，若觀察到瀝青和纖維出現(xiàn)析漏的狀況，施工人員要及時(shí)采取措施，比如增加纖維數(shù)量、降低施工溫度等措施。

李良在玄武巖改性瀝青路面鋪筑技術(shù)中發(fā)現(xiàn)，在施工時(shí)要對(duì)壓路機(jī)操作工人進(jìn)行專(zhuān)門(mén)培訓(xùn)，做到“緊跟，慢壓，高頻，低幅”，同時(shí)壓路機(jī)要進(jìn)行折返碾壓，保持碾壓均衡，避免過(guò)壓欠壓。

通過(guò)以上的研究表明，玄武巖纖維在瀝青及瀝青混合料中通過(guò)界面增強(qiáng)和加筋作用，提升了瀝青混合料的抗低溫和抗水損害的性能，對(duì)高溫性能也有一定的改善，并且耐疲勞和老化性能也有大幅提高。作為一種新型環(huán)保的建筑材料，其推廣使用也日漸展開(kāi)，通過(guò)修筑實(shí)體工程的過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)了諸多施工的難點(diǎn)，要嚴(yán)格控制瀝青混合料在拌和、運(yùn)輸、攤鋪、碾壓的各個(gè)階段，保證混合料的工程質(zhì)量;同時(shí)由于纖維的吸油性，混合料中的結(jié)構(gòu)瀝青含量較多，提高了路面的路用性能，延長(zhǎng)路面的使用壽命，是一種行之有效的提高路面壽命的方法。

3 ?玄武巖纖維在瀝青路面中的發(fā)展趨勢(shì)

近年來(lái)，復(fù)合改性瀝青研究的興起也使得玄武巖纖維作為一種改性劑與其它改性材料復(fù)合，進(jìn)而共同提升瀝青的綜合性能。

2017年，程永春將玄武巖纖維與抗車(chē)轍劑一同使用，制備復(fù)合改性瀝青，發(fā)現(xiàn)與單獨(dú)摻入相比，更加提高了瀝青的高溫抗車(chē)轍性能，這是由于抗車(chē)轍劑的添加在自身提高瀝青混合料高溫性能的同時(shí)，更好地發(fā)揮了玄武巖纖維的加筋作用，增大了集料間的摩擦力，進(jìn)而提高了混合料的抗剪強(qiáng)度;由于抗車(chē)轍劑是以干拌法加入到集料中制備瀝青混合料的，可以起到了填充空隙的作用;而纖維具有較大的比表面積可以更好地穩(wěn)定瀝青，形成一定厚度的結(jié)構(gòu)瀝青層，所以?xún)烧咄瑫r(shí)使用能更好地阻止水分透過(guò)瀝青層進(jìn)入集料表面，改善了水穩(wěn)性能，應(yīng)用于路面可有效阻斷水分進(jìn)入路基;復(fù)合改性瀝青也提高了混合料的耐疲勞性能，這是由于纖維在混合料中形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)在疲勞荷載作用下發(fā)生一定的形變和剪切變形，當(dāng)撤去荷載時(shí)，由于纖維的收縮作用，帶動(dòng)混合料也恢復(fù)一定的剪切變形，增強(qiáng)了混合料的自愈合能力，進(jìn)而提高了瀝青混合料的抗疲勞性能。

2019年孫曉通過(guò)制備硅藻土/玄武巖纖維復(fù)合改性瀝青研究發(fā)現(xiàn)，硅藻土和玄武巖纖維對(duì)瀝青混合料增粘和加筋具有協(xié)同改性作用，其混合料強(qiáng)度和抗變形能力已經(jīng)接近5%SBS改性瀝青混合料;硅藻土的加入可以有效提高瀝青的硬度，并隨著摻量的增加而增大，摻加硅藻土與玄武巖纖維能顯著提高瀝青的高溫抗變形能力;同時(shí)硅藻土的加入并沒(méi)有降低玄武巖纖維對(duì)瀝青低溫性能和水穩(wěn)定性的改善，硅藻土/玄武巖纖維復(fù)合改性瀝青混合料的低溫抗裂性能和水穩(wěn)定性?xún)?yōu)于5%SBS瀝青混合料。

2019年沈力研究了玄武巖纖維瀝青混合料在復(fù)雜路用環(huán)境條件下的自愈合性能，表明對(duì)于瀝青混合料疲勞性能的影響程度的外界環(huán)境因素的大小依次為：長(zhǎng)期老化，凍融循環(huán)，紫外影響，融雪劑和短期老化，同時(shí)研究在這些環(huán)境因素影響下，對(duì)于玄武巖纖維瀝青混合料，纖維在瀝青混合料內(nèi)部被瀝青膠漿完全包裹，SEM下顯示呈空間網(wǎng)狀，部分纖維受力后并未完全拉斷，以此提升了瀝青混合料的抗疲勞性能;由于影響瀝青混合料自愈合的內(nèi)部因素主要為材料性能和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，正是由于纖維絲在混合料中形成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對(duì)瀝青混合料的自愈合性能有著顯著的提升，這說(shuō)明了在瀝青自愈合研究中，玄武巖纖維也可占據(jù)一席之地。

通過(guò)玄武巖纖維近期的發(fā)展趨勢(shì)，將玄武巖纖維作為一種改性劑與其它改性劑一同對(duì)基質(zhì)瀝青進(jìn)行復(fù)合改性是一種研究趨勢(shì)，已有研究表明復(fù)合改性瀝青由于不同改性劑各自作用，相互提高，通常都是將改善瀝青高溫性能的改性劑與玄武巖纖維復(fù)合使用，進(jìn)而可以綜合地改善瀝青的綜合性能;但由于只適用于試驗(yàn)室研究階段，在工程實(shí)際的應(yīng)用中還需要考慮制備的復(fù)合改性瀝青存放條件，是否發(fā)生離析和實(shí)際施工操作的問(wèn)題等，未來(lái)研究和應(yīng)用還有很大的空間;同時(shí)隨著綠色環(huán)保的發(fā)展理念，瀝青自愈合性能的研究已成熱點(diǎn)，作為一種新型的綠色環(huán)保建材，將其應(yīng)用到瀝青自愈合領(lǐng)域已經(jīng)起步，通過(guò)路況模擬和建模仿真等手段，未來(lái)應(yīng)用玄武巖纖維對(duì)瀝青自愈合的使用也具備著光明的前景。

4 ?結(jié)語(yǔ)

在全力推行綠色環(huán)保發(fā)展的今天，玄武巖纖維作為一種新型環(huán)保建材，已經(jīng)在我國(guó)瀝青路面的研究和應(yīng)用中蓬勃發(fā)展，由于其自身具有優(yōu)越的性能，可以改善瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，明顯提高低溫抗裂性和水穩(wěn)定性，對(duì)瀝青路面的耐久性顯著加強(qiáng)，在瀝青自愈合領(lǐng)域也前景廣闊。同時(shí)，隨著復(fù)合改性瀝青技術(shù)的成熟，玄武巖纖維也能和其他改性劑配合使用，進(jìn)而綜合提高瀝青混合料的性能。

但不可否認(rèn)的是，大多數(shù)對(duì)玄武巖纖維瀝青混合料的研究仍停留在試驗(yàn)室或部分試驗(yàn)路階段，對(duì)于實(shí)際工程來(lái)說(shuō)，我國(guó)修筑的玄武巖纖維瀝青路面還較少，在施工建設(shè)過(guò)程中對(duì)拌和工藝，攤鋪與碾壓技術(shù)的研究還有待提高。如何將玄武巖纖維更好地應(yīng)用于瀝青路面的實(shí)際建設(shè)中，還有待各位專(zhuān)家學(xué)者們的研究與探索。

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