对沥青混合料SMA中
添加玄武岩纤维和木质素纤维作用的简单分析
前言
SMA混合料可以认为由两部分组成：一是由粗细料构成的空间骨架结构；二是由沥青、矿粉、纤维构成的玛蹄脂。玛蹄脂填充骨架的空隙，形成密实结构的沥青混合料。因此，SMA必须使用纤维材料作为沥青稳定剂。
相对SMA来说，普通沥青混合料（AC）对沥青稳定剂无要求，但随着路面的荷载持续增大，改性沥青逐步形成路面的标准配备，相应的沥青稳定剂——纤维也被赋予更多的作用特点。
1、 纤维的分类
纤维种类很多，有天然纤维和人造纤维，有无机纤维和有机纤维。SMA应用初期主要使用石棉纤维，出于对人体健康的考虑，石棉纤维在许多国家已经禁止使用。现在许多新型的纤维材料代替了石棉纤维，在各种路面上应用广泛。
1.1 木质素纤维
木质素纤维是植物纤维，植物在加工成纸浆和纤维浆液过程中，通过物理、化学处理，形成棉絮状木质素纤维。颗粒状纤维是将木质素纤维与沥青按2：1或4：1质量比拌制而成。木质素纤维原料丰富，价格低廉，在我国使用广泛。其缺点是：易吸水腐烂、耐热耐磨性较差。
典型的国产絮状木质素纤维技术性质如表1.1。
表1.1 絮状木质素纤维技术性质
技术指标 外观 湿度 相对密度 pH值 粒径分布 （AIpine空气筛） 标准 絮状 约5% 1.40 约7.5 <800μm 约85% <200μm 约50% <32μm 约15% 1.2 聚酯纤维
在聚合物化学纤维中，聚酯纤维(涤纶)和聚丙烯腈纤维(腈纶)是最通用的纤维品种。
一般而言，聚酯纤维是人工有机合成纤维，按生产厂家介绍：其分子链长、强度高、在溶剂中不溶胀、吸油率高、耐温性强、分散性好、强度高，能有效改善沥青胶体结构，形成三维分散状态，起到加筋作用，并且能使沥青、矿粉等组分在沥青混合料中均匀分散，可有效地防止胶团和泛油。
国内聚酯纤维生产厂家较多，典型的技术性质如表1.2。
表1.2 聚酯纤维技术性质
名称 纤度 直径 密度 熔点 燃点 颜色 参数 2.03dtex 20μm 1.38g/cm2 250℃ 500℃ 白色 名称 抗拉强度 断裂伸长率 吸油率 回潮率 织物数 分散性 参数 1200MP 14.5% 6.8~7.0倍 <0.4% 80~90万根/g 很好
1.3 聚丙烯腈纤维
聚丙烯腈纤维和聚酯纤维一样，同属于人工有机合成聚合物纤维。
国内很多文献均指出：它拥有高抗拉强度、良好的吸油性、耐高温、不溶胀、吸附性强、化学性质稳定等特点。在沥青混合料中，不仅能充当稳定添加剂，更能改善胶体的结构，起到加筋的作用。典型的技术参数如表1.3。
表1.3 几种聚丙烯腈纤维技术参数表
技术指标 纤度(dtex) 标称直径(mm) 长度(mm) 比重(103Kg/m3) 颜色 抗拉强度(MPa) 断裂伸长率(%) 弹性模量(GPa) 熔点(℃) 纤维数量(根/Kg) 8.7亿 11亿 500~900 20 12~17 I 0.9~2.1 II 0.9~2.1 III 0.9~2.1 IV 2.1~2.7 0.010~0.015 0.010~0.015 0.010~0.015 0.015~0.020 6±1.5 1.18 6±1.5 1.18 淡黄色 500~600 20±5 7~9 >220 11亿 6.6亿 800~1000 15±5 10~20 500~600 25±5 8~10 6±1.5 1.18 6±1.5 1.18 1.4 矿物纤维
矿物纤维是由岩石为原料，通过高温抽丝而成，与其它纤维相比，具有较高的抗拉强度，抗老化性
能好，高温稳定性尤为出色。
在美国，较为推崇使用矿物纤维。许多矿物纤维公司研究人员对木质素纤维吸收沥青这一点有质疑。他们认为：木质素纤维本身有吸收沥青的作用，需要多加0.4~0.7%的沥青，通常要比矿物纤维多用0.5%的沥青，这些沥青吸收在木质素的中空管中，而被吸入纤维内部的沥青既不增加沥青油膜的厚度，也不提高路面的强度，相反使沥青用量增加，成本提高，所以吸收沥青是优点，也是缺点。另外，木质素纤维受潮后，会影响沥青与集料间的粘结强度。也有研究认为矿物纤维与集料（纤维主要是玄武岩）属同一种材料，耐老化，特别有利于沥青混合料的再生利用。
目前国内使用较多的是玄武岩矿物纤维。其以玄武岩为原料，在1600℃高温下熔融提炼抽丝而成。据介绍它拥有极好的抗拉强度、良好的抗老化性能、良好的化学稳定性、大范围的工作温度，可以适用于各种沥青混合料。此外，还有矿渣纤维、玻璃纤维、钢渣纤维、钢纤维等等。
目前名气较响的福倍安道路专用矿物纤维，性能指标见表1.4。
表1.4 福倍安道路专用矿物纤维性能指标
项目 直径 长度 相对密度 熔点 通过率 250μm 63μm 性能指标 平均5μm 平均6mm 2.60 1500℃ 95% 65% 2、 纤维拌合情况对比
就以下不同纤维的表面情况和使用特点列于表2.1中。
表2.1 纤维的技术指标与使用情况对比
纤维类型 木质素纤维1 表观性质 干拌后表观 絮状，无絮状 明显纤维特征 絮状，无颗粒 明显纤维特征 6mm长度 絮状，呈现纤维特征 形成纤维网络，利用大比表面积粘附沥青；使用过程中提高沥青混合料的抗开裂、抗疲劳性能； 形成纤维网络，利用大比表面积粘附沥青，使用过程中提高聚丙烯腈纤维 6mm长度 絮状，呈现纤维特征 沥青混合料的抗开裂、抗疲劳性能； 与聚酯纤维比较：聚丙烯腈纤维密度更低，强度更高、韧性更差，耐高温性能略差，易聚团；性能不及聚酯纤维，但可降低用量。 玻璃纤维 玄武岩纤维1、矿渣纤维 本次试用的玄武岩纤维 6mm长度 絮状 6mm长度 散状，呈现纤维特征 单晶体，无明显纤维特征 强度高，但较散，不聚团，与沥青粘附性差，纤维易折断，所以虽然强度高，但不成网状的玻璃纤维无法提供更抗开裂、抗疲劳性能； 福倍安矿物纤维及某些矿渣纤维为此类特性，由于干拌过程中，较脆的纤维无法保持纤维性态，形成单晶体悬浮于沥青中，无吸附沥青效果，具有一定的增加沥青粘度的改性效果。 干拌后较散，无明显聚团，与沥青粘附性一般，对沥青有一定的吸附作用，但较高的密度，无疑在相同添加重量情况下，纤维数量少到无法让纤维形成网络骨架，也就没有加筋作用，吸附沥青的效果也因此受到影响，建议增加用量。 AC、SMA 0.3~0.6% AC 0.3~0.5% SMA、AC 0.15~0.3% SMA、AC 吸附沥青，提高沥青用量；使用过程中可略延缓沥青老化； SMA 0.3~0.4% 吸附沥青，提高沥青用量；使用过程中可略延缓沥青老化； SMA 0.2~0.3% 主要作用 推荐应用目标 推荐添加量 木质素纤维2 聚酯纤维 0.2~0.3% AC、OGFC 0.3~0.5% 散状，呈现纤维特征 一、 原材料及矿料级配
沥青结合料使用中海产SBS改性沥青，粗集料采用玄武岩石料，石屑采用卵石加工料，矿粉为石灰岩矿粉。
矿料级配采用热料仓4#：3#：2#：1#：矿粉=33:38:6:13:10 二、 不同木质纤维混合料性能比较 粒料间空稳定度 流值 空隙率 隙率 (%) (KN) (0.01cm) (%) ≥17 饱和度 (%) 75-85 不同材质 1 2 0.3%木质纤维5.65沥青含量 0.3%玄武岩纤维5.65沥青含量 7.88 8.24 42 48 4.1 3.9 17 15.2 75.9 74.5