玄武巖纖維優(yōu)勢(shì)與對(duì)瀝青混合料性能影響分析

李泉潤(rùn) 鄒開(kāi)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(shè)開(kāi)發(fā)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，河南 鄭州 450000）

0 引言

在我國(guó)公路建設(shè)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(guān)注的焦點(diǎn)。目前，提高瀝青混合料路面性能的研究方向有兩個(gè)：一是通過(guò)改善集料級(jí)配，以瀝青結(jié)構(gòu)類(lèi)型和設(shè)計(jì)程序?yàn)榛A(chǔ)，提高瀝青在高溫下的不變形性；二是通過(guò)改善瀝青性能和質(zhì)量，提高瀝青機(jī)械性能，降低溫度敏感性。近年來(lái)，越來(lái)越多的新材料被引入瀝青路面技術(shù)領(lǐng)域。在瀝青中添加特定的添加劑（纖維等）以改善其物理和機(jī)械性能。玄武巖纖維材料屬于無(wú)機(jī)纖維材料，其強(qiáng)度高、具有良好的耐久性、化學(xué)穩(wěn)定性和環(huán)境友好性，因此被稱(chēng)為“無(wú)污染高性能材料”。玄武巖纖維作為一種增強(qiáng)材料越來(lái)越受到人們的關(guān)注，公路研究人員對(duì)玄武巖纖維增強(qiáng)瀝青混合料的性能進(jìn)行了大量的課題研究。Madan等［1］對(duì)玄武巖纖維的生產(chǎn)和應(yīng)用做了詳細(xì)的分析，報(bào)告顯示：玄武巖纖維的強(qiáng)度比其他纖維強(qiáng)度高很多，而且耐腐蝕、耐高溫，具有綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。Maria等［2］通過(guò)彎曲、強(qiáng)度等試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，將玄武巖纖維加入混凝土中提高了混凝土的耐酸堿穩(wěn)定性、耐高低溫穩(wěn)定性等物理機(jī)械性能。

1 玄武巖纖維的基本性能

玄武巖起源于凍結(jié)熔巖的火山巖中，是一種天然物質(zhì)。玄武巖纖維由玄武巖在1 450～1 500℃下熔化，然后加工成連續(xù)纖維。具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性、良好的耐候性、堿性和酸性暴露、低導(dǎo)熱性、疏水性、隔熱和隔音性、耐火性等優(yōu)越性能，與合成纖維相比具有絕對(duì)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。玄武巖纖維具有的物理性能見(jiàn)表1。與聚酯纖維、木質(zhì)素纖維等纖維相比，玄武巖纖維的拉伸強(qiáng)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(chǔ)量豐富，原材料成本相對(duì)較低，價(jià)格僅是碳纖維的1/8～1/6，是一種性價(jià)比高、潔凈程度理想的新型綠色環(huán)保纖維。表2對(duì)玄武巖纖維與其他纖維進(jìn)行了對(duì)比，可以看出其拉伸強(qiáng)度和彈性模量?jī)H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(shù)指標(biāo)對(duì)比

2 玄武巖纖維對(duì)瀝青混合料的增強(qiáng)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(zhǎng)時(shí)間維持其黏彈性，增強(qiáng)內(nèi)部的穩(wěn)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(fā)現(xiàn)，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(jiàn)圖1）中可以觀察到纖維表面一些結(jié)晶顆粒，從而導(dǎo)致表面粗糙度增加，當(dāng)纖維與瀝青黏結(jié)劑相互作用時(shí)，可以形成錨固效應(yīng)，從而有效地改善纖維與瀝青之間的界面黏著性，進(jìn)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(wěn)定作用

夏季路面溫度升高，在車(chē)輛荷載的反復(fù)作用下，自由瀝青會(huì)隨著混合料內(nèi)部空隙流出，而泛油現(xiàn)象對(duì)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(kāi)以后，仍具有龐大的數(shù)量，眾多的纖維與瀝青中的酸性樹(shù)脂組分通過(guò)浸潤(rùn)、吸附作用形成牢固的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)和瀝青網(wǎng)，以使其抵抗塑性變形的能力有所增加，纖維的摻入使結(jié)構(gòu)瀝青增加，自由瀝青含量相對(duì)降低，瀝青膠漿黏性增大，溫度穩(wěn)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(huì)因?yàn)闇囟鹊淖兓兓瑴囟容^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(shí)瀝青路面會(huì)因?yàn)轫g性不足導(dǎo)致開(kāi)裂。玄武巖纖維的彈性模量大，能夠增強(qiáng)瀝青混合料抵抗變形的能力，從而提高其低溫開(kāi)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(qū)，由于溫度過(guò)低，瀝青表現(xiàn)為脆性，很容易造成瀝青路面開(kāi)裂。路面產(chǎn)生裂縫，會(huì)給行車(chē)帶來(lái)極大的障礙，提高了駕駛的危險(xiǎn)性。玄武巖纖維的加入增強(qiáng)了瀝青混合料對(duì)低溫環(huán)境的適應(yīng)性。Li等［4］通過(guò)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(méi)有摻加纖維的瀝青混合料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)松散，集料與瀝青結(jié)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(jié)合，具有較好的完整性［5］。由此可以得出玄武巖纖維優(yōu)化了瀝青混合料的內(nèi)部形貌，增強(qiáng)了完整性和連續(xù)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(guò)微觀分析手段，根據(jù)孔洞和裂縫長(zhǎng)度、寬度等指標(biāo)詳細(xì)分析了瀝青混合料斷口形貌和纖維的破壞方式，結(jié)果表明，玄武巖纖維在材料內(nèi)部形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能起到增韌阻裂的作用，提高其低溫抗裂性能。

3.2 高溫穩(wěn)定性能

在炎熱的夏季，瀝青路面受到高溫氣候的影響，會(huì)變得松軟，當(dāng)瀝青路面的承載能力不足以抵抗行車(chē)荷載時(shí)，會(huì)產(chǎn)生車(chē)轍變形，如果長(zhǎng)期處于這種情況下，車(chē)轍越來(lái)越明顯，路面破壞嚴(yán)重，大大降低了路面使用年限。為增強(qiáng)瀝青路面抵抗荷載的能力，改善其高溫耐車(chē)轍特性，對(duì)延長(zhǎng)路面的使用壽命至關(guān)重要［8］。吳少鵬等［9］為了進(jìn)一步深入研究纖維瀝青混合料的高溫性能，對(duì)纖維瀝青混合料開(kāi)展了動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)和車(chē)轍試驗(yàn)，結(jié)果顯示摻入纖維的瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量明顯提高，說(shuō)明瀝青混合料的勁度得到了提高；瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度和高溫動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)的流動(dòng)值也有所提高，車(chē)轍試驗(yàn)中車(chē)轍深度肉眼可見(jiàn)的減小，表明纖維能夠有效提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能。徐詠梅等［10］為比較木質(zhì)素纖維、玄武巖纖維對(duì)瀝青混合料高溫性能的改善效果，在60℃下進(jìn)行車(chē)轍試驗(yàn)，試驗(yàn)條件相同，試驗(yàn)結(jié)果得到摻加玄武巖纖維的瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度為7 725次/mm，高于木質(zhì)素纖維的動(dòng)穩(wěn)定度5 727次/mm，兩種混合料的動(dòng)穩(wěn)定度均符合相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，但玄武巖纖維的摻入能較好地改善瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能，其改善效果優(yōu)于木質(zhì)素纖維。

3.3 水穩(wěn)定性

多雨季節(jié)，一部分雨水通過(guò)瀝青路面表面進(jìn)入到瀝青路面內(nèi)部，瀝青與集料顆粒之間的黏附性會(huì)因此被破壞，導(dǎo)致瀝青和集料脫離，從而產(chǎn)生剝落、松散等路面病害。魯淑華［11］對(duì)玄武巖纖維瀝青混合料的水穩(wěn)定性進(jìn)行研究，通過(guò)浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)，結(jié)果顯示，當(dāng)玄武巖纖維摻量為0.4%時(shí)，瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度值最高，由于凍融循環(huán)作用，試件劈裂強(qiáng)度下降，但仍高于不摻纖維的瀝青混合料，說(shuō)明玄武巖纖維能夠有效提高瀝青混合料的水穩(wěn)定性。紀(jì)方利［12］對(duì)比了木質(zhì)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(wěn)定性，通過(guò)凍融劈裂試驗(yàn)對(duì)比3種纖維的增強(qiáng)效果，結(jié)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(qiáng)度值都最高，表明摻入玄武巖纖維其水穩(wěn)定性能優(yōu)于其他兩種，抗水損害能力更好。

4 結(jié)語(yǔ)

玄武巖纖維具有優(yōu)良的物理特性、化學(xué)特性及力學(xué)性能，對(duì)瀝青混合料具有增強(qiáng)作用。本研究較系統(tǒng)地闡述了玄武巖纖維對(duì)瀝青混合料路用性能的影響，發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維能夠有效地提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能、低溫抗裂性能和水穩(wěn)定性能。為玄武巖纖維在道路工程中的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。