加筋纤维对沥青混合料性能影响浅析

近年来，沥青路面铺筑采用了越来越多的新型材料。其中，将纤维作为一种特殊加筋材料加入到沥青混合料中以改善其物理力学性能，已经成为沥青混合料物理改性的一个重要研究方向。目前，工程中常用的加筋纤维是聚酯纤维、聚丙烯腈纤维、玄武岩矿物纤维。本文通过试验对聚酯纤维、聚丙烯腈纤维、玄武岩矿物纤维这三种纤维的分散性、高温稳定性、水稳定性和低温稳定性进行了分析并得出相关结论。

一、常用加筋纤维

1.聚酯纤维

聚酯纤维（PET，聚对苯二甲酸乙二醇酯）是由有机二元酸和二元醇缩聚而成的聚酯经纺丝所得的合成纤维。聚酯纤维吸湿性极小，除耐碱性较差外，其具有良好的耐热与耐酸性能。聚酯纤维还有强度高、延伸性和回弹性好的特点，在沥青介质中有良好的吸附性与分散性。

2.聚丙烯腈纤维

聚丙烯腈纤维是指由聚丙烯腈或丙烯腈含量占85％以上的线型聚合物所制成的纤维。作为沥青路面中使用的聚丙烯腈纤维不仅可以较好地改善沥青路面的粘结性、高温稳定性和疲劳耐久性，还具有低温防裂及防止反射裂缝的性能。

3.玄武岩矿物纤维

玄武岩纤维,是玄武岩石料在1450℃－1500℃熔融后，通过铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成的连续纤维。玄武岩纤维具有优良的耐化学性，特别具有耐碱性的优点，可以有效提高沥青混凝土的高温稳定性、低温抗裂性和抗疲劳性等。

二、加筋纤维试验性能分析

1.配合比设计

试验采用SBS改性沥青，按照GTM方法进行配合比设计，集料组成为矿粉，0-3mm、3-5mm、5-10mm、10-15mm石料，其中5-10mm、10-15mm石料均采用硬度较高的玄武岩。经检测，集料各项指标均符合我国现行规范要求，并通过马歇尔指标进行了相关验证。

2.纤维分散性分析

试验以纤维180℃与石料拌和60s的表面纤维分布观测为依据，通过对纤维在石料表面分布率、最大纤维团直径测量，对玄武岩矿物纤维、聚酯纤维、聚丙烯腈纤维的分散性能进行观测。

（1）玄武岩矿物纤维及聚酯纤维分散性相当，聚丙烯腈纤维分散性最好，可以均匀的分散在混合料间，实现对集料的有效包裹。

（2）聚酯纤维与聚丙烯腈纤维等有机纤维在高温条件下容易出现“缩团”现象。

由此可以看出，当纤维质量符合要求时，有机类纤维的分散效果相对较好，但玄武岩矿物纤维具有较好的质量稳定性，受高温影响较小，分散效果最为稳定。

3.高温稳定性分析

车辙试验：温度为60℃，动稳定度（次/mm）指标在加热前和加热后的数值分别为：无纤维（0掺量）4208；玄武岩矿物纤维（0.3%掺量）6263、6494；聚酯纤维（0.3%掺量）9012、8087；聚丙烯腈纤维（0.3%掺量）8121、7420。

从试验数值可以看出，动稳定度指标聚酯纤维＞聚丙烯腈纤维＞玄武岩矿物纤维＞无纤维沥青混合料，分析其原因主要为以下几点：

（1）由于聚酯纤维与聚丙烯腈纤维密度为玄武岩矿物纤维密度的40%-50%，因此相同掺量的情况下，聚酯纤维与聚丙烯腈纤维相对玄武岩矿物纤维在相同掺量下具有明显的数量优势，大约每立方米有超过18亿根分离纤维，其加筋效果相对更加明显。

（2）聚丙烯腈纤维相对聚酯纤维具有密度小、直径小的特点，使其在相同掺量的情况下具有更多的加筋纤维，但由于其直径最小，其耐高温性能也最差。

（3）拌和分散性试验表明，纤维在集料中的分散性为聚丙烯腈纤维＞聚酯纤维＞玄武岩矿物纤维。

4.水稳定性分析

冻融劈裂试验：加热前后TSR（%）值分别为：无纤维（0掺量）88.5；玄武岩矿物纤维（0.3%掺量）91.5、90.92；聚酯纤维（0.3%掺量）96.24、91.9；聚丙烯腈纤维（0.3%掺量）93.98、87.2。

加入纤维沥青混凝土的空隙率有所增加,水稳性得到改善，粘附在矿料的沥青膜变厚，抗水损害能力增强。在3种纤维里，聚酯纤维沥青混合料的水稳性最好，其次为聚丙烯腈纤维、玄武岩矿物纤维，分析原因主要为以下几点：

（1）单位体积内，聚酯纤维与聚丙烯腈纤维较玄武岩矿物纤维具有更多的“筋”，因此具有更好的水稳定性。

（2）在相同体积混合料中聚丙烯腈纤维虽相对聚酯纤维数量占优，但其受高温破坏的机率较大，其“加筋”也受到了一定的影响。

（3）加热前后结果表明，纤维质量热稳定性对其在混合料的“加筋”效果影响明显，其中纤维质量稳定性为玄武岩矿物纤维＞聚酯纤维＞聚丙烯腈纤维，玄武岩矿物纤维加热前后几乎无明显变化。

5.低温稳定性分析

-10℃小梁低温弯曲试验：加热前后最大弯拉应变（×10-6）分别为：无纤维（0掺量）2850；玄武岩矿物纤维（0.3%掺量）2958、2904；聚酯纤维（0.3%掺量）3129、2906；聚丙烯腈纤维（0.3%掺量）3182、2830。

加筋纤维在低温环境下仍具有良好的柔韧性和较高的抗拉伸强度，可以大幅度提高沥青混合料的低温应变值。同时，除了依靠矿物纤维对沥青的增粘作用，纤维对沥青混合料的复合加劲作用也是提高其低温抗裂作用的原因。随着纤维的加入，混合料低温抗裂能力有了较为明显的提升，其中聚丙烯腈纤维与聚酯纤维对低温性能的提升更为明显，而玄武岩矿物纤维质量热稳定性最好，聚酯纤维次之，聚丙烯腈纤维最差。分析其原因如下：

（1）单位体积内，聚酯纤维与聚丙烯腈纤维较玄武岩矿物纤维具有更多的“筋”，因此具有更好的低温稳定性。

（2）在相同体积混合料中聚丙烯腈纤维虽相对聚酯纤维数量占优，但其受高温破坏的机率较大，其“加筋”效果也受到了一定影响。

（3）结合纤维对沥青的延度试验结果可知，纤维对沥青的低温“加筋”效果改进主要表现在对混合料性能的影响上。

（4）加热前后结果表明，纤维质量热稳定性对其在混合料的“加筋”效果影响明显，其中纤维质量稳定性为玄武岩矿物纤维＞聚酯纤维＞聚丙烯腈纤维，玄武岩矿物纤维加热前后无明显变化。

三、结论

（1）随着纤维掺量的增加，沥青延度逐渐降低；纤维对沥青混合料的低温抗裂效果的作用方式为对混合料的变形施加约束，是物理作用而非对沥青的化学改性作用。

（2）随着玄武岩矿物纤维与聚酯纤维的掺入，纤维沥青的粘度呈现逐渐增大趋势，且玄武岩矿物纤维对沥青的增粘效果优于聚酯纤维。

（3）纤维在自然堆积下对空气中水分的吸附能力为聚酯纤维＞聚丙烯腈纤维＞玄武岩矿物纤维（松散状）＞玄武岩矿物纤维（束状）。

（4）通过纤维耐高温性能分析、比较，以性能稳定性分析得出玄武岩矿物纤维最好，聚酯纤维次之，聚丙烯腈纤维最差。（王伟）

（审核专家 戴忠华）