沥青混合料中的聚合物纤维

沥青混合料中的聚合物纤维
深圳海川工程科技有限公司
广州市启鹏交通材料技术有限公司 何唯平 张继宁
一、概述
伴随经济建设高速发展，现代交通对于公路沥青路面建设质量提出了越来越高的要求，传统的沥青混合料技术有时已经无法满足工程建设的要求，越来越多的新型材料正在进入沥青路面技术领域。

其中，纤维作为一种特殊添加材料，已经普遍用于沥青路面工程。

通常使用的纤维材料主要是木质素纤维，这类纤维作为稳定剂配制SMA混合料，用于增加其沥青用量并保持沥青胶浆具有足够的粘结力。

但是，木质素纤维较短，材质较脆，在沥青混合料中很难发挥增韧作用，作为替代产品，化学纤维引起有关技术人员的广泛注意。

目前已经投放市场的化学纤维主要有聚酯纤维（涤纶）、聚丙烯纤维、聚丙烯腈纶纤维等品种。

本文重点介绍海川德兰尼特（DOLANIT）聚丙烯腈纶纤维（Acrylic Fibers）产品的技术特点、路用性能和若干国内工程实例，从而推动该产品的正确使用。

二、海川德兰尼特纤维的技术特性
通常认为，材料的纤维增强或增韧效果主要取决于以下要素：
纤维的长纤比，通常纤维长度与截面尺寸比例越大，纤维的增强效果越为明显。

强度与韧性，根据材料增强增韧的要求，纤维的强度与韧性必须显着高于被增强增韧材料。

密度，通常采用重量比例确定纤维增强增韧的用量，因此，在相同的用量下，密度小的纤维具有比较高的分散度。

此外，纤维在材料中分散的取向性和其它物理力学特性也将对于增强增韧效果产生重要影响。

根据上述分析，海川德兰尼特纤维显然具有这些方面的优势。

现将海川德兰尼特纤维主要技术性能与普通木质素纤维进行比较，比较结果列于表1中。

表1海川德兰尼特专用纤维与普通木质素纤维性能比较
海川德兰尼特专用纤维 普通木质素纤维 纤维直径（μm） 13 45
切断长度（mm） 6 1.2
长纤比（10）461 26.7 织物数 （根/g） 870，000
抗拉强度（Mpa） 910 极低
干 20-50 15-30
断裂延伸度（%）
湿 25-60 20-35
根据表1可知，海川德兰尼特纤维的长纤比是普通木质素纤维的17倍，因此，在二者密度大至接近的前提下，每克海川德兰尼特纤维的累积长度高达5220米，木质素纤维仅为305米。

海川德兰尼特纤维的强度远远高于木质素纤维，无论干湿状况，其极限变形能力也优于木质素纤维。

因此，腈纶纤维比木质素纤维更能提高SMA路面强度和疲劳寿命，有效防止路面变形开裂1。

三、海川德兰尼特纤维路用性能
通常认为，纤维在以SMA为代表的沥青混合料中主要具有⑴分散作用，⑵吸附及吸收沥青的作用，⑶增粘作用，⑷稳定作用，⑸加筋作用。

试验研究已经证明，海川德兰尼特纤维在以上方面具有良好的路用性能。

分别使用木质素纤维和海川德兰尼特聚合纤维配制4%和6%纤维用量的沥青胶浆，应用DSR进行动态剪切流变试验进行分析，其结果如图1所示。

分析表明，纤维掺量一定时，随着温度提高G*/sinδ值迅速降低，沥青胶浆具有显着的温度敏感性；温度一定时，随纤维用量增加G*/sinδ值也增加，说明纤维的加入使得沥青胶浆的高温稳定性得以提高。

在110℃时，表1中4种胶浆的G*/sinδ值仍大于1.0kpa，其增粘效果远远高于单纯使用矿粉。

对于木质素纤维，4%和6%的增粘效果具有显着的差距，海川德兰尼特纤维的差距则小到可以忽略不计。

比较4%海川德兰尼特纤维沥青胶浆和6%木质素沥青纤维胶浆的使用效果，在小于80℃的路面使用温度范围内，4%海川德兰尼特纤维沥青胶浆的高温性能略好于6%木质素沥青纤维胶浆，而在100℃以上的施工温度范围内，4%海川德兰尼特纤维沥青胶浆的流动特性优于6%木质素沥青纤维胶浆，预测表明前者更易于摊铺压实。

以煤油作为吸附溶液，按照振动台法进行吸油试验判断纤维的吸油率，得到
的结果表明，通常的木质素纤维吸油率约为4-6倍，海川德兰尼特纤维的测定结果为6.6倍，对于1种聚酯纤维的测定结果则仅为1倍以内。

显然，海川德兰尼特纤维具有相当优良的吸附与吸收沥青中轻质油分的能力。

可以采用沥青混合料路用性能测定方法来评价海川德兰尼特纤维的使用效果。

华南理工大学曾经提出以冲击韧性作为指标评价沥青混合料抵抗反射裂缝能力2。

据此，采用AAPA试验机对于不同级配沥青混合料按照添加纤维和不添加纤维进行对比，分别测定得到图2所示的冲击韧性与AAPA疲劳寿命的相关关系曲线。

由图2可知，在相同混合料类型和同样的冲击韧性条件下，使用海川德兰尼特纤维的沥青混合料具有相当优良的疲劳抵抗能力，说明使用海川德兰尼特纤维可以
显着提高路面的疲劳寿命。

四、工程应用实例
最早使用海川德兰尼特纤维的实体工程是上海市外环线一期工程和4号公路的SMA沥青路面结构。

由上海市政工程研究院提供的试验研究报告表明，使用海川德兰尼特纤维代替木质素纤维配制的SMA-16混合料具有良好的路用性能（参见表2）。

经过3年使用观测，该路段使用性能良好。

表2 SBS改性沥青SMA-16的性能评价结果。

纤维类型与用量 0.2%海川德兰尼特纤维 0.3%木质素纤维
最佳沥青用量(%) 6.2 6.1
马歇尔稳定度（KN）9.5 7.2
流值（0.1mm） 33 27
空隙率（%） 4.5 7.1
饱和度（%） 76 56
密度（g/cm3） 2.34 2.29
2000年，广州市北环高速公路桥面铺装加铺层工程中采用了厚度为5cm，使用海川德兰尼特纤维配制的SMA混合料（纤维用量为0.2%)。

广州市北环高速公路交通量可达80000辆/昼夜，其中重载、超载车辆约占50%以上。

自2002年12月桥面加铺层竣工开放交通以来，该路段承受了大约107标准轴载/车道，经历了广州市50年来相当恶劣的气候条件，至今使用性能良好。

2001年，湖北军山长江大桥钢桥面双层SMA铺装也使用了海川德兰尼特纤维。

该项工程技术难度大，对于桥面铺装的技术要求相当高。

该项工程使用海川德兰尼特纤维进行的SMA沥青混合料配合比试验结果表明，掺加海川德兰尼特纤维后，配制的SMA混合料性能完全达到了该项工程的技术要求（参照表3）。

表3 掺加海川德兰尼特纤维的SMA13混合料性能与技术要求比较
技术要求 测定结果 马歇尔稳定度（KN） 〉6.2 8.9 空隙率（%） 3.5-4.5 3.6 集料间歇率VMA（%） 〉17 19 流值（0.1mm） 20-50 32 动稳定度（70℃0.7MPa） ≥2000 4103
-10℃低温弯曲极限应变 6*10-3 6.85
冻融劈裂强度比（%） 〉80 103.9
使用海川德兰尼特纤维除配制SMA类型的沥青混合料之外，也有一些用于普通沥青混合料的工程实例，如上海市在陆家浜路加铺改造工程中曾经使用海川德兰尼特纤维配制AC-16型沥青混凝土，取得了良好的效果。

在美国，特别强调使用合成纤维作为反射裂缝的控制材料。

这些纤维为聚脂，聚丙烯或尼龙的纺织纤维或无纺纤维，应用于路面罩面以增加抗拉强度，改善罩面防水功能，并减小反射裂缝的严重程度与范围。

联邦公路管理局鼓励试验应用这类材料，美国各州均修过现场试验路来评价其有效性3 。

五、小结
海川德兰尼特纤维是目前国外使用较多的一种合成纤维，在欧洲应用特别广泛。

由于目前国内工程技术人员对这类纤维尚缺乏必要的了解，需要不断对其技术性能进行评价，并通过各地实体工程进行试验验证。

此外，在目前阶段，尽快进行应用海川德兰尼特纤维沥青面层的寿命周期费用分析，也可能是加快推广应用此项技术的关键。

注：海川德兰尼特增强纤维有几种不同的型号，将针对不同用户提供纤维混凝土技术集成参考方案（彩色沥青混合料配合比设计、色彩和表面质感设计、再生沥青混合料配合比设计、复合式路面设计、桥面铺装、机场场道、赛车场路面以及沥青路面的评价等）
1沈金安编着，改性沥青与SMA路面，人民交通出版社，p199，1999.9
2张肖宁邹桂莲，《评价沥青混合料抵抗反射裂缝能力方法的研究》，第1届中日铺面技术研讨会论文集，2001.10
3余叔藩译，《热拌沥青混合料材料、混合料设计与施工》，重庆交通设计研究院，2000。