摘要 瀝青路面由于其良好的使用性能、平整度及耐磨性被廣泛應(yīng)用于高速公路、國道及省道的建設(shè)中；礦物纖維因?yàn)樽陨砭哂辛己玫姆稚⑿?、熱穩(wěn)定性和抗拉強(qiáng)度，被廣泛應(yīng)用于瀝青混合料的改性研究中。鑒于此，文章首先介紹了不同種類礦物纖維的特點(diǎn)，其后系統(tǒng)分析礦物纖維對瀝青混合料路用性能的增強(qiáng)機(jī)理，研究發(fā)現(xiàn)：礦物纖維在加入瀝青混合料中后可以產(chǎn)生較大的浸潤界面，增加瀝青與集料間的黏性，并且在瀝青中形成空間結(jié)構(gòu)，兩者結(jié)合大幅增加了瀝青混合料的抗壓抗裂能力，同時部分纖維具有的化學(xué)性能也可以增加瀝青混合料水穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞 瀝青混合料；礦物纖維改性；作用機(jī)理；路用性能

中圖分類號 U416" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A" " " " 文章編號 2096-8949（2024）15-0129-03

0 引言

近年來，礦物纖維改性瀝青混合料在我國高等級公路建設(shè)中已大量應(yīng)用，相較于傳統(tǒng)瀝青混合料在惡劣環(huán)境下易產(chǎn)生劈裂、車轍、沉陷等病害，礦物纖維改性瀝青混合料對現(xiàn)有病害有明顯改良。提高礦物纖維改性瀝青混合料的綜合路用性能一直是工程界和學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。該文在明確不同種類的礦物纖維在瀝青混合料中的作用機(jī)理的基礎(chǔ)上，對無機(jī)礦物纖維在瀝青混合料中的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，以期為礦物纖維改性瀝青混合料的研究與應(yīng)用提供參考。

1 礦物纖維主要分類及特性

纖維是良好的無機(jī)改性劑，一般分為礦物纖維、植物纖維和合成纖維。其中礦物纖維主要由非有機(jī)物質(zhì)組成，具有強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性好、耐腐蝕性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以顯著提高瀝青混合料的抗疲勞性、穩(wěn)定度和抗拉強(qiáng)度。目前，最具代表性的三種礦物纖維分別為水鎂石纖維、玄武巖纖維和陶瓷纖維。

1.1 水鎂石纖維

水鎂石纖維是一種中等強(qiáng)度的纖維，如圖1所示。其主要成分為Mg（OH）2，具有良好的吸水性、耐堿性和機(jī)械性能，纖維表面的氫氧根（OH-）可以與瀝青混合料中的極性基團(tuán)結(jié)合成鍵，從而增強(qiáng)道路性能。

Cao X等[1]通過紅外和熱分析探究出水鎂石纖維的表面改性可以通過偶性劑與氫氧化鎂形成化學(xué)鍵實(shí)現(xiàn)。通過對比試驗(yàn)表明水鎂石纖維的熱穩(wěn)定性和耐潮性比木質(zhì)素纖維更優(yōu)，相較于玄武巖纖維和聚酯纖維，具有更好的瀝青吸收和穩(wěn)定效果。但水鎂石纖維也存在強(qiáng)度不高、耐酸性差等缺點(diǎn)，需要與其他高強(qiáng)度耐酸性纖維進(jìn)行混摻以提高瀝青混合料的路用性能。

1.2 玄武巖纖維

玄武巖纖維是玄武巖石料經(jīng)過1 450～1 500 ℃熔斷后，由鉑銠合金拉絲漏板高速拉制而成的連續(xù)纖維，屬于高強(qiáng)度纖維，如圖2所示。

研究人員也嘗試將玄武巖纖維與其他材料進(jìn)行復(fù)摻，對瀝青混合料進(jìn)行復(fù)合改性，進(jìn)行探究新型瀝青混合料的路面性能。朱春鳳[2]通過響應(yīng)曲面法探究出了硅藻土—玄武巖纖維復(fù)合改性瀝青混合料的最佳纖維摻量和油石比，并且進(jìn)行對比試驗(yàn)，證明了硅藻土與玄武巖纖維的復(fù)摻大大提高了瀝青混合料整體的穩(wěn)定性。

1.3 陶瓷纖維

陶瓷纖維是一種纖維狀輕質(zhì)耐火材料，其主要成分為SiO2、Al2O3等，具有重量輕、耐高溫、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)制作工藝的不同，陶瓷纖維主要分成兩種，即噴吹型陶瓷纖維（如圖3所示）和甩絲型陶瓷纖維（如圖4所示）。

邊佳若[3]通過SEM掃描電鏡對陶瓷纖維進(jìn)行微觀研究，發(fā)現(xiàn)甩絲型陶瓷纖維相較于噴吹型陶瓷纖維更粗、更長，且韌性更好，而噴吹型陶瓷纖維脆性更大、半徑更小、黏聚性較低。添加陶瓷纖維可以明顯改善瀝青混合料的間接抗拉強(qiáng)度。王修山等[4]則通過掃描電鏡發(fā)現(xiàn)陶瓷纖維可以在瀝青混合料中形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并從微觀角度解釋了陶瓷纖維對瀝青混合料的改性機(jī)理。

2 礦物纖維改性瀝青混合料的增強(qiáng)機(jī)理

2.1 吸附增黏

纖維擁有較大的比表面積，能將大量的瀝青吸附在自身或者礦粉表面而產(chǎn)生較大的浸潤界面，同時瀝青弱酸性的特點(diǎn)也使得吸附在纖維上的瀝青排列成分子而形成瀝青結(jié)構(gòu)薄膜，有效地提高了瀝青混合料的吸油率。礦物纖維改性瀝青和未摻纖維的瀝青相比，擁有較少的自由瀝青占比以及較大的內(nèi)摩阻角，并且瀝青與分散纖維的相互作用也使瀝青混合料內(nèi)部具有更好的機(jī)械性能，增強(qiáng)了瀝青混合料的黏結(jié)力，進(jìn)一步提升了瀝青路面強(qiáng)度，減少松散剝落的病害。

2.2 加筋增韌

瀝青是一種棕黑色的有機(jī)膠凝狀物質(zhì)，在不同的溫度下呈現(xiàn)液態(tài)、半固態(tài)等形態(tài)。在高強(qiáng)度負(fù)荷下容易產(chǎn)生車轍、推移等病害，大大減少了瀝青路面的使用壽命。瀝青混合料中添加一定量的纖維后，可以在瀝青混合料內(nèi)部形成立體的空間結(jié)構(gòu)，提高瀝青混合料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和勁度模量。在面對大重量負(fù)荷時，纖維可以充當(dāng)瀝青混合料中的骨架[6]，起到支撐壓力的作用，增強(qiáng)瀝青混合料的韌性與強(qiáng)度。

2.3 錨固抗裂

裂縫是瀝青混合料的重要病害，當(dāng)瀝青路面受到較大的豎向荷載或者溫度變化時，產(chǎn)生的拉應(yīng)力會超過此時的抗拉強(qiáng)度，從而產(chǎn)生裂縫。吸附至礦物纖維表面會產(chǎn)生較大的浸潤面，而此時纖維也會受到更多集料的錨固力，瀝青錨固力可以增強(qiáng)纖維與瀝青之間抗拉強(qiáng)度[5]。當(dāng)路面受到外界壓力裂縫持續(xù)增大時，纖維與瀝青之間的錨固力可以阻止裂縫的進(jìn)一步發(fā)展。

2.4 化學(xué)增穩(wěn)

礦物纖維除了對瀝青混合料產(chǎn)生物理作用，部分礦物纖維如水鎂石纖維也會通過與瀝青混合料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)來增強(qiáng)瀝青混合料的穩(wěn)定性。水鎂石纖維是一種天然的堿性礦物纖維材料，主要成分為Mg（OH）2，能與瀝青纖維中的酸性組分產(chǎn)生良好的結(jié)合作用。高群[7]發(fā)現(xiàn)水鎂石纖維能與水化產(chǎn)物C-H、C-S-H相結(jié)合，以此形成穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得瀝青混合料更加致密，從而提高了穩(wěn)定性。

3 礦物纖維改性瀝青混合料的性能研究

3.1 高溫穩(wěn)定性

瀝青混合料在高溫條件下經(jīng)受行車荷載的不斷作用，容易產(chǎn)生車轍、擁包、推移等永久變形，對瀝青路面造成不可估量的損害。因此高溫穩(wěn)定性是評價(jià)瀝青混合料的一項(xiàng)重要指標(biāo)。不同種類瀝青混合料動穩(wěn)定度的試驗(yàn)結(jié)果如表1所示[5][9]。

由表1可以得出：不同摻量的礦物纖維對瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性有不同的影響。玄武巖纖維加海泡石纖維對瀝青混合料的復(fù)合改性效果最為明顯，其次是CF-A陶瓷纖維改性劑。從提升效果來說，玄武巖纖維的提升效果相比于原瀝青最大，CF-A和CF-B陶瓷纖維的提升效果則分別為56%和39%，邊佳若[3]通過掃描電鏡發(fā)現(xiàn)CF-A甩絲纖維具有更粗更長的特性，相較于CF-B陶瓷纖維對瀝青混合料的力學(xué)效果提升更加明顯。綜上：由于礦物纖維具有加筋增韌的作用，能在瀝青混合料中形成一定的空間結(jié)構(gòu)，從而提高了其穩(wěn)定性。

3.2 低溫抗裂性

低溫劈裂是縮短瀝青路面使用壽命的主要原因之一。當(dāng)瀝青路面處在低溫環(huán)境中，部分混合料表面會產(chǎn)生溫度應(yīng)力，當(dāng)累積的溫度應(yīng)力超過瀝青面層某一薄弱點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度時，路面便會產(chǎn)生開裂。邊佳若[3]采用低溫小梁與低溫劈裂試驗(yàn)評價(jià)了陶瓷纖維的低溫性能，結(jié)果表明：在-10 ℃劈裂試驗(yàn)中，CF-A纖維擁有更好的低溫抗拉強(qiáng)度，CF-B大幅提升了材料的劈裂破壞應(yīng)變，CF-C提升了間接抗拉效果，三者均有不同方向的提高，綜合性能為CF-A甩絲型纖維效果最好。

朱春鳳[2]在-10 ℃下對硅藻土—玄武巖纖維復(fù)合改性瀝青混合料進(jìn)行了低溫劈裂試驗(yàn)，結(jié)果表明：低溫性能最好的是玄武巖纖維改性瀝青混合料，其次是硅藻土—玄武巖纖維復(fù)合改性瀝青混合料，硅藻土改性瀝青混合料的低溫性能較基質(zhì)瀝青混合料并無明顯提升。同時，單位截面劈裂吸收能的試驗(yàn)結(jié)果再一次驗(yàn)證了硅藻土與玄武巖纖維的復(fù)摻能顯著改善瀝青混合料的低溫性能。

Zhao等[6]分別采用水鎂石纖維、木質(zhì)素纖維、玄武巖纖維對瀝青混合料進(jìn)行改性，路用性能試驗(yàn)結(jié)果表明：水鎂石纖維對瀝青混合料抗低溫性能的改善效果要優(yōu)于木質(zhì)素纖維，與玄武巖纖維比較接近，但玄武巖纖維價(jià)格更高。胡志博等[8]通過對玄武巖—水鎂石纖維改性瀝青混合料進(jìn)行路用性能檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維摻量為60%、水鎂石纖維摻量為40%時，瀝青混合料的低溫抗裂性能最好。

綜上：由于礦物纖維與瀝青混合料之間存在錨固力，當(dāng)面對低溫劈裂時，纖維與瀝青混合料緊緊咬合，增加瀝青的抗裂性能。同時由于纖維本身具有一定的強(qiáng)度，可以在瀝青混合料中形成空間三維結(jié)構(gòu)，大幅增強(qiáng)了瀝青混合料的阻裂能力，進(jìn)一步提高瀝青混合料的抗低溫性能。

3.3 水穩(wěn)定性

瀝青混合料水穩(wěn)定性的好壞直接關(guān)系到瀝青與集料之間的黏結(jié)力，測試瀝青水穩(wěn)定性方法主要有兩種，分別是凍融劈裂試驗(yàn)和浸水馬歇爾試驗(yàn)。礦物纖維對瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響如表2所示[3-5]。

由表2可知：玄武巖纖維、陶瓷纖維、水鎂石纖維對于瀝青的水穩(wěn)定性均有不同程度的提升，主要原因?yàn)闉r青混合料經(jīng)過礦物纖維改性后產(chǎn)生結(jié)構(gòu)薄膜，浸潤界面大大增加，進(jìn)而提高了瀝青與集料之間的吸附性，減弱了改性瀝青混合料受水作用產(chǎn)生的剝離程度。水鎂石纖維因?yàn)槠渲饕煞譃镸g（OH）2，所以吸水性較好，具有更強(qiáng)的水穩(wěn)定性。玄武巖纖維對瀝青混合料水穩(wěn)定性的改善效果不明顯，但加入硅藻土后可以彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)。

4 展望

目前對纖維改性瀝青混合料的研究多數(shù)是單摻，復(fù)合纖維改性瀝青混合料的研究仍然不夠深入。后續(xù)可以使用多種纖維對瀝青混合料進(jìn)行改性，發(fā)揮每種纖維各自的優(yōu)勢。對于礦物纖維改性瀝青混合料的研究往往集中于常規(guī)路用性能等方面，缺少微觀研究。后續(xù)可通過化學(xué)分析儀器對礦物纖維改性瀝青混合料的微觀機(jī)理展開深入研究。玄武巖纖維因?yàn)榫哂辛己玫穆访嫘阅芏粡V泛研究，但是價(jià)格相對較高，后續(xù)的研究方向可集中于降低玄武巖纖維的使用成本。

5 結(jié)論

天然礦物纖維具有綠色環(huán)保、穩(wěn)定性好、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域中。該文綜述了國內(nèi)外學(xué)者對礦物纖維改性瀝青混合料的研究成果，發(fā)現(xiàn)礦物纖維在道路工程領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景。根據(jù)對已有研究的分析，主要得出以下結(jié)論：

（1）玄武巖纖維自身具有抗拉強(qiáng)度高、耐溫性好等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于瀝青混合料的改性研究中。使用玄武巖纖維改性的瀝青混合料具有更好的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性及水穩(wěn)定性，但是也存在分散性較差、成本較高等缺點(diǎn)。

（2）陶瓷纖維是一種新興的礦物纖維，使用陶瓷纖維進(jìn)行改性的瀝青混合料具有良好的抗低溫性能以及抗裂性能。但相比于玄武巖纖維，陶瓷纖維與瀝青之間的黏結(jié)力相對較弱。不同的制作工藝對陶瓷纖維的特性也會產(chǎn)生影響，甩絲型纖維的韌性更大，噴吹型纖維脆性更大。

（3）水鎂石纖維改性瀝青混合料具有良好的抗水損壞能力及路用性能，但其強(qiáng)度較玄武巖纖維改性瀝青混合料和陶瓷纖維改性瀝青混合料更低。經(jīng)過試驗(yàn)研究，水鎂石纖維的氫氧根（OH-）可以與某些道路的弱酸性土壤發(fā)生反應(yīng)，以此改善道路環(huán)境。

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收稿日期：2024-04-22

作者簡介：李晨銘（2000—），男，碩士在讀，研究方向：道路工程材料。

通信作者：榮華（1981—），女，碩士，副教授，研究方向：復(fù)合材料。

基金項(xiàng)目：吉林省科技發(fā)展計(jì)劃重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目“寒區(qū)竹-陶瓷復(fù)合纖維瀝青混合料應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究”（20240304141SF）。