玄武岩纤维在沥青混凝土路面中的应用分析

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总398期
2016年第20期（7月 中）
道路工程
收稿日期：2016-04-15
作者简介：柳朝印（1974—） ，男，高级工程师，从事高速公路路桥工程项目养护工作。

玄武岩纤维在沥青混凝土路面中的
应用分析
柳朝印
（河北路桥高速公路养护有限公司，河北 石家庄 050000）
摘要：对沥青、集料等原材料性能进行分析，详细介绍了北美孚玄武岩纤维产品特点，沥青玛蹄脂碎石混凝土中BMF®玄武岩矿物纤维的作用以及玄武岩纤维添加拌和的相关工艺，并对沥青胶浆性能做出深入研究，望能为日后相关工作提供借鉴。

关键词：SMA ；玄武岩纤维；沥青玛蹄脂碎石混凝土中图分类号：U416.21
文献标识码：B
0 引言
在我国首次使用SMA 路面是在上世纪的90年代，北京机场高速公路铺筑了SMA 路面，至此，先后在我国其他省、市的高速公路以及一些桥面铺装中采用了SMA 路面结构，取得了良好的效果，到现在，SMA 路面结构已经成为全世界沥青路面建设中的重要组成部分。

1 原材料性能
1.1 沥青
SMA 沥青混合料对沥青黏度要求较高，较高的沥青黏度使其与集料保持良好的黏附性，这样才能确保沥青玛蹄脂胶浆有较强的高温稳定性和足够的低温柔韧性，以上所述工程项目采用的是江苏宝利的SBS 改性沥青材料，实践证明，用改性沥青作为胶结材料铺筑的路面，在高温环境下不会软化，在低温环境下不会开裂，而且这种路面抗磨能力强，还可以迟滞路面的老化速度。

我国所用的SMA 沥青性能必须符合相关规范的规定，而对于SMA 混合料中是否采用改性沥青作为黏结材料，专业人员大家看法不一，但据调查研究发现：在有特殊要求的路段或在路面特殊环境下，SMA 混合料采用改性沥青作为胶结材料的效果会更好，例如高速公路路面、荷载承受大的一般公路路面、环境温度过高或环境温度过低的公路路面。

1.2 集料
SMA 混合料对粗集料的要求比较苛刻，一般常用轧制的碎石，究其原因是因为SMA 混合料对骨料的质量要求较高，这就要求所用岩石粗骨料要具有较高的强度和刚度，例如经常采用玄武岩、花岗岩等符合要求的石料，而最好不使用质地较软的石灰石作骨料。

同时SMA 混合料对4.75mm 的细集料的通过率非常敏感，具体技术要求见表2；SMA 沥青混合料的细集料要求强度高、表面纹理清晰且不超过1%黏土含量，最好采用机制砂（人工砂），不宜使用磨阻力较小，表面又过圆的天然砂；沥青与矿粉混合形成
沥青玛蹄脂，这一点，在SMA 沥青混合料中非常重要的，对矿粉的状态要求是干燥松散，不含有泥土、杂质和成团的其它纤维物质。

2 玄武岩纤维介绍
2.1 北美孚玄武岩纤维产品特点
北美孚新材料科技有限公司生产的BMF ®玄武岩矿物纤维，与其它纤维相比具有以下性能优势。

⑴比表面积大：纤维极细，平均直径5µm ，呈三维状随机交叉分布。

在沥青混合料中起吸附、稳定、增黏和加筋作用。

⑵表面浸润性好：与沥青能很好地黏合。

可确保对沥青的加筋加强作用，也可作为沥青的载体增大沥青用量，防止沥青流失。

⑶纤维分散性好：较其他国内外同类产品和品牌的分散性好很多。

能确保在不延长施工干拌时间、不改变生产节拍的前提下充分将纤维分散，使纤维在沥青混合料中均匀分布，以保证最终的施工质量。

⑷力学性能好：玄武岩矿物纤维的抗拉强度是钢纤维的3倍，是聚合物纤维或植物纤维的3～10倍，弹性模量是聚合物纤维或植物纤维的3倍以上。

玄武岩矿物纤维的掺入可增强沥青混合料高温稳定性和低温抗裂性，同时还可以提高沥青混合料的弹性极限，延缓老化速度。

⑸工作温度范围大：玄武岩矿物纤维熔点为1500℃，纤维性能不受沥青混合料高温拌和的任何影响。

非常适应各种高低温工作环境下铺筑的路面。

⑹化学稳定性好：在沥青混合料拌和时，玄武岩矿物纤维不与沥青发生化学反应，沥青路面出现的酸或碱的工作环境对其无任何影响。

⑺水稳定性好：玄武岩矿物纤维既不吸水又不怕潮，易于运输储存。

⑻有利于沥青混合料的再生利用及环境保护：抗老化、不变质、沥青混合料可再生利用。

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2.2 沥青玛蹄脂碎石混凝土中BMF®玄武岩矿物纤维的作用
沥青玛蹄脂碎石混凝土中BMF®玄武岩矿物纤维对混凝土的高温稳定性、低温抗裂性能有很好的效果。

特别是在沥青玛蹄脂碎石混合料（SMA）中，纤维是不可代替的一种外加稳定剂，它的作用主要有如下几项：
2.2.1 加筋作用
SMA中纤维是三维随机分布的，且由于数量众多，故在混合料中广为分布，这些纤维对混合料的开裂将起到阻滞作用，从而提高沥青路面抵抗开裂的能力，减少裂缝的出现；同时，纤维在混合料中是以一种三维分散的形式存在，纤维及其表面吸附的结构沥青在矿料之间形成了一种空间网状结构，使得沥青混合料在温度影响下的变形受到了一定的约束。

因此，对高温稳定性和低温抗裂有很明显的效果。

2.2.2 吸附增黏作用
玄武岩矿物纤维直径平均5µm，比表面积很大。

玄武岩矿物纤维的掺入，使得SMA沥青混合料内的纤维及其周围的结构沥青一起裹覆在集料表面，使集料表面的沥青膜增大，同普通密级配沥青混合料相比，沥青膜大约增厚60%～115%，较厚的沥青膜减慢了沥青老化速度，延长了黏弹性的维持时间，降低了沥青的温度敏感性，改善了SMA沥青混合料的高温和低温性能，延长了路面的使用寿命。

在沥青基体内的短切纤维是三向随机分布，由于纤维截面面积小，造成纤维掺量小的沥青基体内，短切纤维数量相当大，形成三向交织的空间纤维网络。

短切纤维分散在沥青基体内，其相当大的表面积形成较大的浸润界面，在界面与界面层间，沥青与短切纤维之间会产生相互作用，在纤维表面使沥青分子呈单分子排列，形成的结构沥青界面层结合力牢固，而且结构沥青比自由沥青黏结性强。

2.2.3 稳定作用
三向交织的玄武岩矿物纤维所吸附的沥青，增大了结构沥青，减少了自由沥青，使沥青玛蹄脂的黏滞性增强，使得沥青胶浆处于一种比较稳定的状态，高温季节，在外部荷载作用下，约束其产生变形。

其提高的程度比传统沥青混合料中沥青砂浆的软化点要提高20℃以上，使SMA沥青混合料高温稳定性和低温抗裂性有很大提高。

三向交织的短切纤维骨架结构网增大了结构沥青比例和结构沥青网，自由沥青膜减薄，使沥青玛蹄脂黏性增大，沥青软化点升高，大幅度提高了沥青玛蹄脂黏度和温度稳定性。

2.2.4 分散作用
纤维的存在使得矿粉含量较多的SMA中的沥青玛蹄脂胶泥能够均匀地分散于混合料之中，在路面铺筑时不出现“油斑”。

2.3 玄武岩纤维添加拌和工艺
2.3.1 对于间隙式（Batch）拌和楼
将预先称量好重量的BMF®玄武岩纤维以手工方式投入集料后立即投入纤维进行干拌。

干拌时间为15～30s，一般不超过35s。

湿拌时间一般为25～50s，根据情况确定。

BMF®玄武岩纤维对拌和温度没有特别要求。

2.3.2 实验室试验
实验室试验中干拌时间可适当稍微增加。

根据我国有
关实验室的经验，60～90s。

纤维对湿拌时间没有什么限制，完全以纤维在沥青混合料中分散均匀为原则，直到拌
和均匀为止，例如60s。

3 沥青胶浆性能
沥青胶浆由沥青结合料和矿粉组成，作为SMA沥青
混合料的重要组成部分，对SMA沥青混合料的性能影响
较大。

通过研究，沥青与矿粉对于高温车辙的贡献率为29%，对疲劳的贡献率为52%，对温度裂缝的贡献率为87%。

在混合料中，沥青吸附在填料表面形成薄膜并和填
料一起组成沥青胶浆后，既对其它的粗细集料产生黏附作用，又起到填充粗细集料空隙的作用，对沥青混合料强度
的形成有着重要的影响。

沥青胶浆构成即沥青与矿粉相对比例的变化直接影响
着沥青胶浆的性质，并影响着SMA沥青混合料的黏弹性和
流变性质，进而影响着SMA沥青混合料的高温稳定性、低
温性能和疲劳耐久性能。

沥青混合料设计标准规定沥青混
合料的粉胶比的合理范围为0.6～1.2。

纤维沥青胶浆是在沥青胶浆中掺入适量纤维代替部
分矿粉。

目前关于木质素纤维和聚酯纤维沥青胶浆的研究
表明，纤维对沥青胶浆的改善作用机理分别是吸附作用、
稳定作用、加筋作用和增韧作用。

纤维分散在沥青中，通
过物理和化学作用使沥青呈单分子排列在纤维表面，形成
结合力牢固的结构沥青界面层，增大结构沥青的比例，减
少自由沥青，增强沥青胶浆黏滞性，使沥青膜处于稳定的
状态，纤维在沥青中相互搭接，均匀分布的纤维通过“桥接”和“加筋”作用可使路面上传递的荷载转移，及时地
分散到沥青胶浆中，使得荷载分布扩散更加均匀，避免了
荷载的过分集中，从而提高了沥青胶浆的整体强度。

4 结语
玄武岩纤维沥青混合料具有较好的高温稳定性和低
温抗裂性能，通过在沥青胶浆中掺入一定掺量的玄武岩纤维，进行高温、低温和疲劳性能试验，了解玄武岩纤维及
其掺量对沥青胶浆流变特性的影响，对进一步确定玄武岩
纤维沥青胶浆性能在沥青混合料路用性能中所起的作用是
非常必要的。

参考文献：
[1] 叶鼎诊.玄武岩纤维与玻璃纤维的比较[J].上海建材，
2006（6）：56-57.
[2] 李红涛.玄武岩纤维在沥青混合料中的研究应用研究[D].
郑州：河南工业大学，2011.
（编辑：钱宇宁）
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