纤维对沥青混凝土性能影响的作用及机理

纤维对沥青混凝土性能影响的作用及机理
摘要：本文介绍了国内外纤维沥青混凝土的研究现状和应用情况，探讨了纤维对沥青混合料性能改善的原因，分析了纤维增强沥青混合料性能的机理及其在沥青混合料中的作用。

关键词：纤维沥青混凝土；作用；机理
Function and mechanism of fiber impacting on the performance of asphalt
concrete
Abstract：This article described the international status of fiber-reinforced asphalt concrete research and application, discussed about the reasons of improving performance of fiber to the asphalt mixture，analyzed the fiber-reinforced theory and its performance of asphalt mixture．Key words：fiber asphalt concrete；function；mechanism
脆性破坏特征是水泥混凝土存在的问题之一。

近年来，纤维越来越多地用来改善混凝土的脆性从而提高其力学性能和抗渗性能。

而纤维沥青混凝土可以有效减缓裂缝发展速度，延长路面使用寿命，显著提高高温稳定性能，可用于桥面铺装、旧水泥混凝土路面罩面等。

1 国内外研究现状
1960年加拿大多伦多大学的Davis N. M 发表了关于水泥混凝土路面沥青加铺层反射裂缝防治措施的文章，首次系统地研究了纤维作为添加材料改善沥青路面抗反射裂缝性能的问题。

1962年Tamburro D. A分析了石棉纤维对沥青路面性能的影响。

20世纪70年代法国也在路面材料中加入了石棉纤维，并增大了沥青用量，使较粗糙的路面结构具有较好的防水性能和耐疲劳强度。

在此基础上还开发了应力吸收薄膜夹层喷涂工艺，以35 ~ 45kg / m2的用量喷涂掺有纤维的沥青混合料，用以防止道路裂缝。

德国通过对沥青混合料掺加Dolanit AS的研究和观测表明，掺加Dolanit AS可以改善沥青混合料的高温稳定性、疲劳耐久性。

并且具有低温抗裂和防止反射裂缝的性能，提高了沥青混合料的路用性能。

正是由于具有以上优良品质，纤维也被用在机场路面、桥面铺装、收费站等铺面中。

美国、加拿大、德国等采用纤维混凝土修筑了大量高速公路及其他重交通公路。

日本最早在沼原水库使用石棉，以后在一些要求抗车辙、耐磨耗的路段上应用，并在1992 年12月新版的《沥青路面纲要》中列出了可用于沥青混合料增强纤维的品种有植物型纤维和耐高温的合成纤维，如聚乙烯醇、聚酯纤维等[1~2]。

我国从20世纪80年代初开始研究纤维沥青混凝土，同济大学、长安大学、长沙交通学院、合肥工业大学先后对纤维沥青混凝土的性能进行了大量研究，结果表明[6]：（1）纤维可延缓和减少反射裂缝，并具有加筋和防振的作用，同时也可使面层厚度减薄36%；
（2）对掺有尼龙纤维（1.39%）的沥青混合料进行拉伸试验，混合料初裂强度和极限强度平均可升高61%和40%，疲劳强度可提高1.76 ~ 2.34倍；
（3）在沥青混合料中掺加钢纤维可制成钢纤维沥青混合料路面板；
（4）添加木质素纤维后，沥青混合料的高温稳定性得到改善，同时其低温稳定性、水稳
定性、耐疲劳性和使用寿命也有较大幅度的提高。

关于纤维沥青混凝土的性能研究可归纳为两个主要方面：一方面为研究纤维沥青结合料的性能；另一方面是探讨纤维沥青混凝土路用性能的改善。

沥青混凝土是典型的粘弹性材料，其性能受到温度和时间的影响，尤其在高温条件下，其粘性表现得更为突出。

沥青路面的车辙或永久变形就是沥青混凝土粘性的直接体现。

对纤维沥青混凝土而言，纤维的掺入以及纤维掺量的变化将影响其粘弹性能[7]。

2 纤维增强沥青混合料性能的机理
分析纤维在沥青混合料中增强机理的理论比较多，主要有结构层次理论、复合材料理论、界面理论和断裂力学理论等，但由于沥青的温度敏感性明显，使得沥青与纤维界面产生的粘结强度同纤维自身强度比是一个变化值，增强纤维的形状和尺寸具有差异性，如有的纤维粗细均匀性较差，纤维位置分布的不均匀性和方向分布的不均匀性，这种局部的不均匀往往对宏观强度产生很大影响，纤维位置分布的不均匀性和方向分布的不均匀性，这种局部的不均匀性往往对宏观强度产生很大影响，因此，这几种理论均难以用来分析纤维在混合料中的增强机理。

目前的实际情况表明，纤维的加入改善了沥青混合料的性能，提高了沥青路面的使用性能，分析其原因主要是沥青混凝土是一种靠沥青粘合在一起的散料组合体，很难承受拉应力，而在纤维沥青混凝土中，纤维的作用等同于钢筋混凝土中钢筋的作用，可增强承受拉应力，纤维通过与骨料的咬合作用，形成较大的摩擦角，同时加上沥青胶浆的粘聚作用，将基体的拉应力传递给纤维，并主要由纤维来承担，纤维在混合料中以三维分散存在，起到了加强筋的作用，增加了沥青与矿料的粘附性，提高了集料之间的粘结力。

因此，纤维沥青混凝土路面在国外已应用多年，在我国从20世纪90年代开始也逐步使用，随着研究的深入，其应用将越来越广泛[4]。

3 纤维在沥青混凝土路面中的作用
3.1 加筋作用
沥青混凝土是一种靠沥青粘合在一起的散料组合体，可以认为是不承受拉应力的。

而在纤维沥青混凝土中，纤维的作用等同于钢筋混凝土中钢筋的作用，可承受拉应力。

纤维通过与骨料的咬合作用（图1）[8]，形成较大的摩擦角，同时加上沥青胶浆的粘聚作用，将基体的拉应力传递给纤维，并主要由纤维来承担。

纤维在混合料中以三维分散存在，起到了加强筋的作用，增加了沥青与矿料的粘附性，提高了集料之间的粘结力。

图1 纤维在沥青混凝土中示意图
3.2 吸附和吸收沥青的作用
沥青混合料中加入纤维稳定剂后，这些纤维能够充分吸附（表面）及吸收（内部）沥青，
从而使沥青油膜用量增加，沥青油膜变厚，以加强沥青混凝土在大空隙情况下的粘结力，增强耐久性。

其主要用于低噪音、抗滑性能好的沥青碎石玛蹄脂类混合料。

3.3 稳定作用
纤维使沥青膜处于比较稳定的状态，尤其是在夏天高温季节，沥青受热膨胀时，纤维内部的空隙将具有一定的缓冲作用，不至于使之成为自由沥青而泛油，同时可以改善沥青混合料高温稳定性。

3.4 增粘作用
纤维可以提高沥青的粘结力，增加沥青与矿物的粘附性，通过油膜的粘结，提高集料之间的粘结力，从力学性能上看，表现为沥青混合料的马歇尔稳定度的提高。

3.5 阻裂作用
近代胶浆理论认为沥青混凝土是以沥青为唯一连续相的多级空间网状结构的分散体系，因此沥青的破坏将意味着结构体系的破坏。

但在纤维增强沥青混凝土中，纤维网作为更强大的第二连续相在沥青破坏时仍能维持体系的整体性，将会在一定程度上阻止基体破坏的扩展。

3.6 增韧作用
纤维能够增强对集料颗粒的握裹力，保证沥青路面的整体性而不易松散，提高了混合料的低温抗裂性，从而对沥青起到了增韧作用。

综上所述[3]，纤维对提高沥青混凝土路面性能的作用主要体现在以下几个方面：
（1）减少或延缓反射裂缝的出现；
（2）提高路面抗车辙的能力；
（3）提高沥青路面疲劳寿命；
（4）提高沥青路面的高温稳定性；
（5）增强沥青路面的低温抗裂能力；
（6）减薄沥青路面的厚度；
（7）在沥青浸渍之后还有防水作用，减少水损坏。

4 机理分析
4.1 纤维的吸附作用机理
纤维直径一般小于20µm，有相当大的比表面积，每克纤维的表面积可达数平方米以上。

纤维分散到沥青中，其巨大的表面积成为可使沥青浸润的界面，在此界面上纤维可以吸附大量的沥青，形成一个新的有一定厚度的相，称为界面层。

界面层的结构与性质取决于沥青与纤维两相的性质，界面层的作用是连接两相并传递、缓冲两相间的应力，是影响整个纤维沥青材料物理、力学性能的关键。

纤维与沥青之间的界面层是一个至少为几个分子层厚的区域，其性质取决于纤维的分子排列、化学性质以及沥青的分子结构和化学组成，故不同的纤维对应着不同性质的界面层。

沥青中酸性树脂组分是一种表面活性物质，它与纤维表面产生的吸附作用、物理浸润
作用以及有时存在的化学键作用，使沥青呈单分子状排列在纤维表面，形成结合力牢固的“结构沥青”界面层，见图2[8]。

结构沥青比界面层以外的自由沥青粘性大，温度敏感性低，耐热性好。

同时，由于纤维直径纤细，纤维及其周围结构沥青一同裹覆于集料表面，使集料表面沥青膜厚度增大。

混合料中由于纤维加入，使沥青用量增加，从而导致沥青膜较常规密级配混合料增厚65％～113％。

较厚的沥青膜与其形成的较小的空隙，减慢了沥青老化速率，从而可使沥青较长时间地维持其粘弹性，降低了沥青的温度敏感性，改善了沥青混合料的高温和低温性能。

图2 纤维与沥青界面作用示意
4.2 纤维的稳定作用机理
短纤维在沥青基体内的分布是三向随机的。

由于截面纤细，使得纤维掺量不大的沥青基体内，短纤维数目却相当大，形成纵横交织的空间网络。

如纤维掺量为3.2%时（约占沥青混合料重0.2%，以下以0.2%表示该掺量），每1g沥青中约有5200根纤维[8]。

纵横交错的纤维形成的纤维骨架结构网以及“结构沥青”网，增大了结构沥青比例，减薄了自由沥青膜，使玛蹄脂粘性增大，软化点上升，温度稳定性大幅度提高。

同时纤维的“加劲”使沥青混合料可使用稠度较低的沥青，这样也有助于减少低温裂缝的出现。

美国铺筑的86个SMA路段检查结果表明，这些路段几乎没有裂缝发现，观察到的少量裂缝仅是反射裂缝，这与纤维改性的较高的沥青用量和稠度较低的沥青所组成的玛蹄脂性能密切相关。

4.3 纤维对裂纹扩展的阻滞作用机理
纤维分散在沥青胶结料中，形成了一种以纤维为基质，沥青胶结料为基体的复合材料。

在荷载、温度等因素的影响下，路面沥青胶结料内会产生许多小裂纹，小裂纹如果继续扩展，对路面结构的强度和耐久是不利的。

由于复合在沥青基体内的短纤维的分布是三向随机的，且数目众多，故混合料中小裂纹周围甚至内部会有许多短纤维，不妨取短纤维与裂纹面垂直的模型，如图3所示[8]。

从分解后的模型示意可看出，受外力作用时，裂纹周围存在众多约束，对裂纹扩展起阻滞作用。

从复合的角度看，即纤维大分子的软链与沥青高分子产生交联、嵌段等作用，约束了沥青高分子的运动。

图3 纤维阻滞基本体裂纹扩展模型示意
取裂纹扩展的应力强度园子K，有纤维分布对的应力强度因子为K*，则纤维阻滞裂纹扩展的效应为：
纤维对沥青胶结料基体裂纹的阻滞作用，大大提高了沥青混合料裂纹的自愈能力，增强了弹性恢复，减少了路面裂缝的出现，从而推迟了沥青路面的老化与破坏。

法国在23号公路上做了3种不同改性剂的试验路段，7年的寒暑交替和荷载作用后，以细粒式沥青面层裂缝率为100%计：双层SBS改性路面结构裂缝率为50%~100%，而底层为纤维改性、面层为纤维与SBS综合改性的路段，裂缝率仅为5%[8]。

4.4 纤维的加筋作用机理
由于纤维在沥青混凝土中是三维随机分布且数量众多，故在混合料中广为分布，这些纤维对混合料的开裂起到阻滞作用，从而提高沥青路面裂纹的自愈能力，减少裂缝的出现。

但是，并不是所用的纤维都有这种作用，由于木质素纤维和矿渣纤维的抗拉强度很低，故基本上不起加劲作用，而多兰纤维和玻璃纤维有很高的拉力强度，加劲作用就比较明显。

纤维对沥青具有增韧作用，能够增强对集料颗粒的握裹力，保证沥青的整体性。

根据复合材料力学理论和有限元分析结果，格栅的加入能改变沥青混凝土层在车辆荷载和温度作用下的受力状态，大幅减小接缝处的应力集中，从而阻止反射裂缝的产生和发展，同时能增加路面的整体结构刚度，使沥青混凝土层的表面弯沉减小，提高沥青混凝土加铺层的高温抗车辙能力；玻纤网不是依靠本身的较大变形来扩散应力，其防裂作用实质是一种隔离功能，它分隔了有裂缝或接缝的混凝土板和沥青混凝土加铺层，避免了沥青混凝土层直接处于裂缝或接缝尖端的应力集中区域，而由强度较高的材料承受较大的拉应力，阻碍了裂缝的迅速扩展。

通过沥青混凝土弯曲试验研究，未加格栅的试件在达到破坏荷载前，全断面参与承载；当达到破坏荷载时，试件底部出现裂缝，继续加载则裂缝由底部向顶部逐渐扩展，截面有效高度逐渐减小，导致裂缝不断发展，试件底部张开变形逐渐增大，直至断裂。

对于加筋的沥青混凝土试件，由于格栅是一种网孔结构，对网孔内的沥青混合料能起一种“箍锁”作用。

因此，当试件底部在破坏荷载作用下出现裂缝并延伸到格栅处时，格栅的作用改变了沥青混合料裂缝尖端的受力状况和弯曲破坏过程，使裂缝处的张开变形受到了约束，从而抑制了裂缝的向上发展、此时格栅的横向筋受到混合料向外的推挤力，纵向筋受拉。

当混合料向外的推挤力使格栅形状变形较大时，即格栅网孔结构的稳定性遭到破坏时，纵向筋的强度即成为抑制张开变形发展的关键。

格栅的网孔结构一般是比较稳定的，并因与沥青混合料相互填充而得到增强，因此格栅本身的抗拉强度大小是抑制裂缝发展的主要因素，采用抗拉强度高的格栅可以抑制裂缝的发展[7]。

4.5 纤维改善疲劳性能的机理
疲劳破坏的过程，首先是在结构的某个部位开始产生微小裂纹，裂纹的起点为疲劳源。

对沥青混凝土结构来讲，荷载、温度及内部不均匀结点是裂纹产生的主要因素。

当混合料受荷载作用时，裂纹尖端发生应力集中，裂纹扩展，当裂纹尺寸达到临界值时，出现失稳扩展，产生较大的裂缝直至断裂破坏。

由于三维随机各向短纤维阻滞了裂纹的扩展，延长了材料失稳扩展、断裂出现的时间，因而复合成的混合料的抗疲劳性能得到明显改善。

另外，由于纤维有良好的耐磨阻特性，基质纤维可复合成涂覆集料的保护层。

较低温度下，纤维增韧的纤维沥青胶浆对集料颗粒粘裹力增大，使整体不易松散。

开裂后的路面也会由于纤维的牵连而不致破碎散失，不会出现大的坑洼，这对行车安全、舒适及路面的易于修补都具有实际意义[10]。

4.6 纤维提高高温稳定性的机理
不同级配沥青混合料加入聚酯纤维（博尼维）后的DS（动稳定度）试验数据如表1 所示。

试验数据表明加入纤维后，沥青混合料的整体性、抗剪性能及抗车辙性能提高。

这是由于加入纤维后，沥青的粘稠度和粘聚力增加，同时由于纵横交错的纤维一方面起到了“加筋”作用；另一方面纤维所吸附的沥青，增大了结构沥青的比例，减少了自由沥青，使沥青砂浆的粘滞性增强，软化点提高，比普通混合料中沥青砂浆的软化点提高20°C以上，从而使纤维混合料抗高温稳定性提高。

试验数据也表明不同级配加入同一种纤维的沥青混合料的动稳定度增加次数不同。

4.7 纤维的低温抗裂性机理
表2是纤维沥青混合料在-10°C时的试验数据，可以看出它在低温下破坏应力和劲度模量降低，但破坏应变增加。

说明加入纤维后的沥青混合料的低温抗裂性得到提高。

5 纤维沥青混凝土动力性能试验研究
湖南大学曾梦澜等采用变截面分离式Hopkinson压杆(SHPB)[9]，对普通沥青混凝土、玻
璃纤维沥青混凝土、木质素纤维沥青混凝土和3个掺量的聚酯纤维沥青混凝土进行了3种应变
率的冲击压缩试验研究。

试验结果与分析表明：
1) 在动力荷载作用下，沥青混凝土具有应变率增强效应。

也就是说，沥青混凝土的动
力抗压强度随着应变率的增大而增大，但纤维沥青混凝土应变率效应没有普通沥青混凝土应
变率效应明显。

2) 3种掺量的聚酯纤维沥青混凝土动力抗压强度和韧性指标随纤维掺量增大而明显增
大，当掺量增加到0．4％时，动力抗压强度和韧性指标不再增大反而有所减小。

当聚酯纤维
掺量为0.25％时，沥青混凝土抗压强度及韧性指标最优。

3) 在动力荷载作用下，玻璃纤维对沥青混凝土抗压强度增强作用减小，木纤维有较好
的增强效果，聚酯纤维增强效果最优，纤维沥青混凝土抗压强度增长率随应变率提高有递减
趋势。

4) 与普通沥青混凝土相比，3种纤维沥青混凝土韧性指标均有所提高。

在高应变率加载
条件下，聚酯纤维沥青混凝土韧性指标最大，玻璃纤维沥青混凝土次之，木纤维沥青混凝土
增韧效果最差。

纤维沥青混凝土韧性指标增长率随应变率提高有递减趋势。

5) 纤维沥青混凝土韧性指标的提高在达到其应力峰值后的变现阶段得以体现，纤维沥
青混凝土的韧性提高主要表现在非稳定破坏阶段。

6 结语
目前国内外已经对纤维沥青混凝土展开深入研究和广泛应用，利用纤维增强沥青混合
料，由于纤维的吸附、稳定及多向加筋作用，可以较好地改善沥青混合料的高温稳定性能、
低温抗裂性、提高抗车辙及抗滑能力、提高疲劳耐久性、延缓弯沉的增加。

并且施工工艺和
设备无特殊要求，混合料性能却能得到较大幅度改善，具有较好的推广应用前景[3]。

参考文献
[1] Freeman R B，Burati J L，Amirkhanian S N．et a1．Polyester Fibers in Asphalt Paving
Mixtures[J]．Association Asphalt Paving Technology,1989，58(6)．
[2] Lee S J，Rust J P．Hamouda H．et a1．Fatigue Cracking Resistance of Fiber—reinforced Asphalt
Concrete[J]．Textile Research Journal,2005,75(2)．
[3] 张乐飞，金跃成.纤维沥青混凝土应用探讨[J].公路,2005,(12).
[4] 张争奇，胡长顺．纤维加强沥青混凝土几个问题的研究和探讨[J]．西安公路交通大学报,2001，21(1).
[5] 陈华鑫，李宁利，胡长顺等．纤维沥青混合料路用性能[J]．长安大学学报,2004，24(2)．
[6] 邢爱萍，孔永健．纤维加强沥青路面在我国的应用[J]．东北公路,2003，26(2)．
[7] 姚丽，胡晓旭. 关于纤维对沥青混凝土路面抗裂作用的研究[J].辽宁省交通高等专科学校学报,1996
（4）.
[8] 鲁华英，陈小丽，郭彦章. 纤维沥青混凝土的作用及机理[J].中外公路,2004,24(4).
[9] 曾梦澜，彭珊，黄海龙. 纤维沥青混凝土动力性能试验研究[J].湖南大学学报(自然科学版),2010,
37(7).
[10] 王旭芳，郑旭荣，杨春鸣. 纤维对沥青混凝土性能影响的试验研究[J].水资源与水工程学报 , 2008,19(6).。