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，