玄武岩纤维沥青混合料路用性能的研究现状

刘 灿

（重庆市智翔铺道技术工程有限公司，重庆 401336）

0 引言

近年来，我国道路设施的建设水平较以往有很大的改善。相比于水泥混凝土路面，沥青混合料路面由于具有施工周期短、易养护、行车舒适等优点，目前已成为最常用的路面材料，90%以上的路面都采用沥青混合料铺筑，且比例还在不断提高。然而，由于我国沥青路面建设起步较晚，技术较为薄弱且优质道路沥青缺乏，铺筑的沥青路面通常存在各种各样的质量问题。伴随我国交通运输行业的快速发展，交通量急剧增大，特别是重载货车和超载货车越来越多，加之其他因素（如高温、寒冷天气等严峻气候条件）的综合影响，沥青路面早期病害频发，严重影响沥青路面的使用性能。因此，如何提高沥青路面的质量，减少其早期损害，延长其使用寿命，成为了道路工程技术研究的热点。

纤维作为一种添加剂，其性能优良，施工方便，已广泛应用于路面材料领域。纤维增强材料在水泥混凝土中的应用最早要追朔到20世纪50年代后期，最初的目的是用来预防反射裂缝[1]。借鉴当时纤维成功应用于水泥混凝土的经验，在沥青混合料中掺入纤维成为提高其路用性能的一种新方法。玄武岩纤维是一种新型绿色矿物纤维材料，具有高模量、高强度、高耐久性等优点。越来越多的学者为增强沥青混合料路用性能将玄武岩纤维应用在不同级配的沥青混合料中。已有研究表明，纤维在沥青混合料中可以起到加筋、吸附、稳定和增黏的作用，能有效提高沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性等综合性能，同时能有效防止反射裂缝的产生。本文就玄武岩纤维沥青混合料路用性能的研究现状进行论述，并对其实际应用展开进一步的研究。

1 玄武岩纤维的性能

路用纤维主要包括钢纤维、木质素纤维、聚合物纤维、玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维等。其中，钢纤维易结团、易被腐蚀；玻璃纤维易折断；碳纤维成本过高；聚合物纤维抗老化性能不佳，耐高温性能不佳，且吸油率不如木质素纤维；木质素纤维与沥青和集料的亲和力较差，且容易发生氧化反应与退化反应进而分解为碳焦、二氧化碳、水污染沥青。

玄武岩纤维作为一种新型纤维，它是以天然玄武岩矿石为原材料，经特定筛选，在1450～1500℃的高温下熔融后，经拉丝和表面处理制得的连续纤维。由SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Fe2O3、TiO2等多种氧化物组成[2-3]。与其他路用纤维相比，玄武岩纤维不仅具有高拉伸强度、高弹性模量等力学性能，还具有良好的耐酸、耐碱、耐辐射和抗紫外线等性能，且与沥青和集料有较好的亲和力，其吸湿率较低。玄武岩在自然界分布广泛，成岩速度快，同时在整个生产和应用过程中对环境无污染，绿色环保。由于玄武岩纤维规模化的生产，使得玄武岩纤维的生产成本明显降低，为其在路面中的大规模应用提供了必要条件。除此之外，玄武岩纤维还具有工作温度范围大、化学稳定性好、水稳定性好、抗老化性能好、热绝缘性能好等优点[4]，被誉为“21世纪的新材料”。目前玄武岩纤维已成功应用在水泥混凝土中[5]；《玄武岩纤维沥青路面施工技术指南》、《玄武岩纤维沥青路面施工技术规范》等明确了玄武岩纤维性能标准的要求和各种沥青混合料级配的推荐纤维用量，促进了玄武岩纤维的发展与应用。

2 玄武岩纤维沥青混合料国外研究现状

为了预防反射裂缝的产生与扩展，国外在20世纪50年代后期开始了纤维沥青复合材料的研究。Zube早在1956年就已经探索了在沥青混合料加铺层下置入金属网状结构阻止反射裂缝的产生。美国在乔治亚洲铺筑了第一条玄武岩纤维沥青混凝土路面，并证实了该路面具有良好的高温稳定性、低温稳定性、水稳定性及抗疲劳性能等。随后美国将玄武岩纤维用于OGFC路面中，成功解决了其早期病害。此后，国外研究者陆续开始了玄武岩纤维沥青混合料路用性能的相关研究。

Sayyed Mahdi Abtahi等将玄武岩纤维对沥青混合料的增强作用原理及效果与其他种类的纤维（纤维素纤维、聚酯纤维、玻璃纤维、碳纤维等）进行对比，指出玄武岩纤维沥青混合料具有较优良的路用性能，且经济效益明显[6]。Artemenko SE等研究了玄武岩纤维和玄武岩矿棉（来自核能发电站和化工厂的废料）增强沥青混合料的有效性，研究结果表明，当玄武岩纤维或玄武岩矿棉的掺量为0.4%时，沥青混合料的强度能提高10%～30%；并证明了在玄武岩纤维聚合物——沥青粘合剂体系中存在物理化学反应，增加了聚合物—沥青混凝土的强度特性、耐热性和使用寿命[7]。Lou研究玄武岩纤维不同长度组合对混合料性能的影响，探讨最佳混合长度对混合料形态参数的适应性，试验结果表明，纤维长度组合变化对混合料的抗裂性能与抗疲劳性能影响极大[8]。其他一些研究也指出，玄武岩纤维适用于各种沥青路面，能显著提高其路用性能。

3 玄武岩纤维沥青混合料国内研究现状

我国纤维沥青混合料的应用研究相对较晚，随着2004年玄武岩纤维实现产业化，有关玄武岩纤维沥青混合料路用性能的相关研究才逐渐展开，并取得了许多重要成果。

李红涛研究发现，玄武岩纤维沥青混合料的路用性能相较于普通沥青混合料有了明显的提高，表明玄武岩纤维应用于沥青混合料是可行的；同时，对比了玄武岩纤维和木质素纤维SMA-13混合料的路用性能，证明了玄武岩纤维也能应用在沥青玛蹄脂碎石混合料SMA中；在保证沥青混合料路用性能的条件下，玄武岩的掺入减少了沥青用量，降低了能源消耗和环境污染[9]。范文孝等研究表明，向沥青混合料中掺加纤维会提高最佳沥青用量，混合料的高温稳定性、水稳定性及低温抗裂性等均有一定程度的提高；同时研究指出，玄武岩纤维沥青混合料的路用性能提高幅度最大，优于聚酯纤维和木质素纤维[10]。查旭东等采用特种玄武岩纤维来提高开级配排水式OGFC沥青混合料磨耗层的稳定性和抗变形能力。研究揭示，特种玄武岩纤维能很好地吸附沥青并将粗集料骨架粘结成牢固的整体，增强了OGFC-13的高温性能、低温性能和水稳定性能等；但纤维掺量过高时，会降低沥青混合料的路用性能，综合确定特种玄武岩纤维的最佳掺量为0.4%[11]。傅珍等通过一系列试验评价玄武岩纤维沥青混合料的抗老化性能，试验结果表明，玄武岩纤维延缓了沥青混合料老化性能的衰变，提高其抗老化性能，有效改善沥青混合料老化后的高温性能、低温性能和水稳定性能[12]。

韦佑坡等研究了玄武岩纤维沥青胶结料和混合料的性能，试验结果揭示，玄武岩纤维能提高SBS改性沥青胶结料的抗车辙因子和混合料的动稳定度，即对高温性能有积极作用，同时能改善混合料的力学性能和水稳定性能；且一定范围内，玄武岩纤维掺量越高，这种增强效应越明显[13]。申爱琴和郭寅川研究了玄武岩沥青胶浆与沥青混合料低温性能的相关性，从微观结构上分析了玄武岩纤维混合料低温性能改善机理并对纤维沥青胶浆相态变化进行了测试[14]。吴靖江等人通过车辙、动态模量、动态蠕变等试验研究了多种级配下掺加玄武岩纤维和改变最大公称粒径前后，沥青混合料高温性能指标的变化，并将试验数据进行曲线拟合。结果表明，玄武岩纤维沥青混合料的动稳定度与贯入强度和流变次数之间有着正相关的线性关系，为玄武岩纤维沥青混合料的高温性能研究构建系统模型提供了一定的理论基础[15]。赵正伟将玄武岩纤维用于环氧沥青混合料中，结果表明，玄武岩纤维以三维网状结构分散在沥青混合料中，能够有效增强混合料内部骨料和胶浆的嵌挤效果，0.6%玄武岩纤维能够显著提升沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性和抗疲劳性能[16]。

4 目前研究存在的问题

玄武岩纤维沥青混合料的研究尽管取得了一些进展，但依然存在一些问题有待进一步地研究。

（1）我国相应的纤维沥青混合料的设计规范不完整，没有一个确定玄武岩纤维沥青混合料的配合比设计及玄武岩纤维的最佳掺量的指标，不同的方法得出的最佳纤维掺量变化较大。纤维的掺量是影响沥青混合料性能的重要参数，若掺量过低，则对沥青混合料性能的增强作用有限；若掺量过高，则可能降低沥青混合料的性能。

（2）现有的研究主要集中在玄武岩沥青混合料的室内试验，对玄武岩纤维沥青混合料的实际应用并没有太多研究。

（3）玄武岩纤维对沥青混合料的增强机理较为复杂，与增强水泥混凝土的机理也存在区别，有待进一步研究。

5 结束语

本文分析了玄武岩纤维沥青混合料的国内、外研究现状，研究表明，玄武岩纤维的掺入能有效提高沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性等综合性能，同时能有效防止反射裂缝的产生。但从发展的角度，今后要制定相应的规范指南来指导玄武岩纤维沥青混合料的配合比设计及施工，确保其施工质量；研究玄武岩纤维沥青混合料的长期使用性能，全面评价其室内外性能；从微观角度分析玄武岩纤维在沥青混合料中的分布形态和作用机理，指导玄武岩纤维最佳长度及最佳掺量的选择。总之，玄武岩纤维沥青混合料有着良好的路用性能，且成本相对较低，其应用前景光明。