李泉润 邹开宇 刘占勇 代景雷

（1.中建七局建筑装饰工程有限公司，河南 郑州450000；2.郑州建中建设开发（集团）有限责任公司，河南 郑州 450000）

0 引言

在我国公路建设中，90%以上都是沥青路面，因此解决沥青路面的病害以提高路面性能成为人们关注的焦点。目前，提高沥青混合料路面性能的研究方向有两个：一是通过改善集料级配，以沥青结构类型和设计程序为基础，提高沥青在高温下的不变形性；二是通过改善沥青性能和质量，提高沥青机械性能，降低温度敏感性。近年来，越来越多的新材料被引入沥青路面技术领域。在沥青中添加特定的添加剂（纤维等）以改善其物理和机械性能。玄武岩纤维材料属于无机纤维材料，其强度高、具有良好的耐久性、化学稳定性和环境友好性，因此被称为“无污染高性能材料”。玄武岩纤维作为一种增强材料越来越受到人们的关注，公路研究人员对玄武岩纤维增强沥青混合料的性能进行了大量的课题研究。Madan等［1］对玄武岩纤维的生产和应用做了详细的分析，报告显示：玄武岩纤维的强度比其他纤维强度高很多，而且耐腐蚀、耐高温，具有绿色环保等优点。Maria等［2］通过弯曲、强度等试验发现，将玄武岩纤维加入混凝土中提高了混凝土的耐酸碱稳定性、耐高低温稳定性等物理机械性能。

1 玄武岩纤维的基本性能

玄武岩起源于冻结熔岩的火山岩中，是一种天然物质。玄武岩纤维由玄武岩在1 450～1 500℃下熔化，然后加工成连续纤维。具有较高的化学稳定性、良好的耐候性、碱性和酸性暴露、低导热性、疏水性、隔热和隔音性、耐火性等优越性能，与合成纤维相比具有绝对的竞争优势。玄武岩纤维具有的物理性能见表1。与聚酯纤维、木质素纤维等纤维相比，玄武岩纤维的拉伸强度和弹性模量较高。

表1 玄武岩纤维的物理性能

玄武岩矿石储量丰富，原材料成本相对较低，价格仅是碳纤维的1/8～1/6，是一种性价比高、洁净程度理想的新型绿色环保纤维。表2对玄武岩纤维与其他纤维进行了对比，可以看出其拉伸强度和弹性模量仅略低于碳纤维；与其他合成纤维相比，具有突出的耐低温、耐高温的性能，具有良好的耐酸碱性。

表2 玄武岩纤维与其他纤维的技术指标对比

2 玄武岩纤维对沥青混合料的增强作用

2.1 吸附作用

玄武岩纤维丝比表面积大，能够吸附大量的沥青，使沥青用量增加，使沥青膜增厚。因此，沥青膜与集料之间的孔隙减小，使沥青较长时间维持其黏弹性，增强内部的稳定性，降低了沥青的温度敏感性，从而改善了沥青混合料的高低温性能。研究发现，从放大1 000倍的玄武岩纤维扫描电子显微镜（SEM）显微照片（见图1）中可以观察到纤维表面一些结晶颗粒，从而导致表面粗糙度增加，当纤维与沥青黏结剂相互作用时，可以形成锚固效应，从而有效地改善纤维与沥青之间的界面黏着性，进而提高沥青混合料的整体性能［3］。

图1 玄武岩纤维的SEM显微照片

2.2 稳定作用

夏季路面温度升高，在车辆荷载的反复作用下，自由沥青会随着混合料内部空隙流出，而泛油现象对于沥青路面寿命的影响是极大的，掺入纤维能够显著改善这一状况。虽然在沥青混合料中纤维的掺量较少，但其截面微小，在沥青混合料中分散开以后，仍具有庞大的数量，众多的纤维与沥青中的酸性树脂组分通过浸润、吸附作用形成牢固的结构沥青膜，分散均匀的纤维在沥青混合料中形成了空间骨架结构和沥青网，以使其抵抗塑性变形的能力有所增加，纤维的掺入使结构沥青增加，自由沥青含量相对降低，沥青胶浆黏性增大，温度稳定性得到改善。

2.3 增韧作用

沥青混合料作为黏弹性材料，其韧性会因为温度的变化而变化，温度较高，其韧性升高；温度降低，韧性降低。因此，在低温情况下受荷载作用时沥青路面会因为韧性不足导致开裂。玄武岩纤维的弹性模量大，能够增强沥青混合料抵抗变形的能力，从而提高其低温开裂性能。

3 玄武岩纤维沥青混合料性能

3.1 低温抗裂性能

在北方部分寒冷地区，由于温度过低，沥青表现为脆性，很容易造成沥青路面开裂。路面产生裂缝，会给行车带来极大的障碍，提高了驾驶的危险性。玄武岩纤维的加入增强了沥青混合料对低温环境的适应性。Li等［4］通过扫描电镜观察了沥青混合料断口的微观形貌，具体如图2所示。显然，没有掺加纤维的沥青混合料内部微观结构松散，集料与沥青结合不紧密。因此，其低温性能较差。而玄武岩纤维沥青混合料中的集料与沥青能够紧密结合，具有较好的完整性［5］。由此可以得出玄武岩纤维优化了沥青混合料的内部形貌，增强了完整性和连续性，有利于提高沥青混合料的低温抗裂性［6］。

图2 断口显微照片

王欣悦［7］通过微观分析手段，根据孔洞和裂缝长度、宽度等指标详细分析了沥青混合料断口形貌和纤维的破坏方式，结果表明，玄武岩纤维在材料内部形成空间网络结构，能起到增韧阻裂的作用，提高其低温抗裂性能。

3.2 高温稳定性能

在炎热的夏季，沥青路面受到高温气候的影响，会变得松软，当沥青路面的承载能力不足以抵抗行车荷载时，会产生车辙变形，如果长期处于这种情况下，车辙越来越明显，路面破坏严重，大大降低了路面使用年限。为增强沥青路面抵抗荷载的能力，改善其高温耐车辙特性，对延长路面的使用寿命至关重要［8］。吴少鹏等［9］为了进一步深入研究纤维沥青混合料的高温性能，对纤维沥青混合料开展了动态模量试验、动态蠕变试验和车辙试验，结果显示掺入纤维的沥青混合料动态模量明显提高，说明沥青混合料的劲度得到了提高；沥青混合料的动稳定度和高温动态蠕变试验的流动值也有所提高，车辙试验中车辙深度肉眼可见的减小，表明纤维能够有效提高沥青混合料的高温稳定性能。徐咏梅等［10］为比较木质素纤维、玄武岩纤维对沥青混合料高温性能的改善效果，在60℃下进行车辙试验，试验条件相同，试验结果得到掺加玄武岩纤维的沥青混合料动稳定度为7 725次/mm，高于木质素纤维的动稳定度5 727次/mm，两种混合料的动稳定度均符合相关规范标准，但玄武岩纤维的掺入能较好地改善沥青混合料的高温稳定性能，其改善效果优于木质素纤维。

3.3 水稳定性

多雨季节，一部分雨水通过沥青路面表面进入到沥青路面内部，沥青与集料颗粒之间的黏附性会因此被破坏，导致沥青和集料脱离，从而产生剥落、松散等路面病害。鲁淑华［11］对玄武岩纤维沥青混合料的水稳定性进行研究，通过浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验，结果显示，当玄武岩纤维掺量为0.4%时，沥青混合料的残留稳定度值最高，由于冻融循环作用，试件劈裂强度下降，但仍高于不掺纤维的沥青混合料，说明玄武岩纤维能够有效提高沥青混合料的水稳定性。纪方利［12］对比了木质素纤维、聚酯纤维、玄武岩纤维沥青混合料浸泡在饱和氯化钠溶液和饱和硫酸钠溶液后的水稳定性，通过冻融劈裂试验对比3种纤维的增强效果，结果显示不管在哪种溶液里浸泡，掺入玄武岩纤维的沥青混合料劈裂抗拉强度值都最高，表明掺入玄武岩纤维其水稳定性能优于其他两种，抗水损害能力更好。

4 结语

玄武岩纤维具有优良的物理特性、化学特性及力学性能，对沥青混合料具有增强作用。本研究较系统地阐述了玄武岩纤维对沥青混合料路用性能的影响，发现玄武岩纤维能够有效地提高沥青混合料的高温稳定性能、低温抗裂性能和水稳定性能。为玄武岩纤维在道路工程中的应用提供了理论依据。