玄武岩纤维在贵州省高速公路沥青路面应用可行性分析

山宏宇 叶 青 王燕芳

（贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵阳 550081）

0 引 言

沥青玛蹄脂碎石路面（SMA），具有良好的高温稳定性、低温抗裂性，以及水稳定性，近年来广泛应用在高等级路面的修筑.在我国，修筑SMA路面一般都需要添加一定量的纤维起到加筋、吸附沥青、稳定和增粘等作用［1－2］.SMA 常用的纤维有聚酯纤维和木质素纤维，但聚酯纤维因为其对环境的污染性已逐渐被淘汰.随着科学技术的发展，科学工作者发现木质素纤维由于其自身分子结构有着不可克服的弱点，如吸水率高、拉伸强度低、不耐高温等.因此公路建设者开始把眼光投向性能更稳定，耐久性更好的矿物纤维身上——玄武岩纤维.

目前，木质素纤维是贵州省内高速公路路面SMA混合料常用的纤维材料，而玄武岩纤维省内暂无使用案例.

1 玄武岩纤维与木质素纤维主要技术性能对比

木质素纤维与玄武岩纤维的物理性质和化学性质参数见表1.

表1 玄武岩纤维与木质素纤维的主要技术性指标

由表1可见：（1）木质素纤维混合料比玄武岩纤维混合料沥青用量大，这些沥青吸收在木质素的中空管中，而被吸入木质素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；（2）玄武岩纤维耐高温、耐老化，有利于沥青混合料的再生利用，而木质素纤维则有可能在使用过程中老化，且在再生过程中燃烧成灰尘；（3）稳定性好，木质素纤维的弹性模量为3.5GPa，而玄武岩纤维弹性模量高达95 GPa，可见玄武岩纤维的抗变形能力很强，耐潮湿，稳定性好，有利于运输和储存［3－5］.

2 玄武岩纤维与木质素纤维混合料路用性能对比

本文通过沥青混合料车辙试验、冻融劈裂试验和浸水马歇尔试验、对玄武岩纤维SMA－13混合料和木质素纤维SMA－13混合料的高温稳定性、水稳定性进行了系统研究并分析对比其性能.

2.1 高温车辙试验结果及分析

车辙是指沥青路面在汽车荷载反复作用下竖直方向产生永久变形的积累，这种变形主要发生在高温季节，2种纤维沥青混合料试验结果对比见表2.

表2 车辙试验动稳定度结果

由表2可见，玄武岩纤维对SMA－13混合料动稳定度的改善要强于木质素纤维，这是由于玄武岩纤维本身在沥青混合料中的分布没有一定规律，属于无定向的杂乱分布，通过吸收沥青，发生物理作用，体积增大，导致了纤维之间的相互搭接，由于玄武岩纤维在沥青混合料中起到更好的“桥架”和“加筋”作用，有利于提高沥青粘滞性和增大沥青弹性模量，从而更有效了延缓了混合料的流动变形［6－7］，故沥青路面的抗车辙能力方面玄武岩纤维沥青混合料要强于木质素纤维沥青混合料.

2.2 抗水损害试验结果及分析

沥青路面的水损害问题成为沥青路面的主要病害之一.按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20－2011）的标准规定，对2种纤维沥青混合料采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂强度试验来评价其水稳定性.试验结果见表3～4.

由表3～4可知，在SMA－13结构中，除了玄武岩纤维掺量为0.1%的SMA－13混合料水损害性能较低外，其余各掺量的玄武岩纤维沥青混合料比木质素纤维沥青混合料在冻融劈裂强度比方面分别提高了5.9%和7.1%，这表明玄武岩纤维沥青混合料比木质素纤维沥青混合料更能提高混合料的抗水损害性能.主要原因为掺入玄武岩纤维后，由于玄武岩纤维材质为玄武岩，其表面的碱性特质相当于在沥青中加入了抗剥落材料增强了与沥青的粘附能力，又由于玄武岩纤维增加了沥青和集料之间的粘聚力，防止了水分进入混合料和沥青－集料的界面，避免了沥青和集料的脱落，从而能较好的提高沥青混合料的抗水损害性能［8］.

表3 浸水马歇尔试验结果

表4 冻融劈裂试验结果

3 玄武岩纤维的应用情况及经济性分析

3.1 玄武岩纤维的应用情况

目前，玄武岩纤维只在国内其他省份应用过（见表5），在贵州省还没有进行过实体工程的应用，只有部分研究人员在实验室进行了玄武岩纤维沥青混合料相关性能的试验研究.

表5 玄武岩纤维工程应用情况

通过对实体工程进行调查发现，玄武岩纤维沥青混合料路面至今为止表现出了较好的路面性能，对实体测定的各项指标都符合要求，自通车以来，路面损害不管在高低温损害或者水损害方面都相对较少.

3.2 玄武岩纤维经济性分析

通过调研得到原材料的市场平均价格：SBS改性沥青价格为6 800元／t，玄武岩为320元／m3，通过计算得出的合成级配矿料价格约480元／t，玄武岩纤维价格为21 000元／t，木质素纤维的价格为5 900元／t（以上价格均为原材料供应商在贵州地区销售参考价）.

一般掺入木质素纤维SMA－13混合料的最佳油石比为5.9%，最佳纤维掺量为0.3%；掺入玄武岩纤维SMA－13混合料的最佳玄武岩纤维掺量为0.40%，油石比6.06%，由此可计算出木质素纤维SMA－13混合料价格为2 173元／m3，玄武岩纤维SMA－13价格为2 363元／m3，两者相差190元／m3.

4 结 论

1）从现阶段国内外研究成果和工程应用情况可知，在沥青混合料中掺入纤维可有效改善沥青混合料路面的各项性能，特别是当前SMA混合料占路面表面层主导地位的情况下，纤维稳定剂的掺入是非常有必要的.

2）通过对比玄武岩纤维与木质素纤维技术参数和沥青混合料性能可知，在SMA－13混合料中掺入玄武岩纤维比掺入木质素纤维更能改善沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性.

3）通过对玄武岩纤维混合料的经济性分析可知，建设期玄武岩纤维沥青混合料路面的成本高于木质素纤维沥青混合料路面.

4）由于玄武岩纤维从未在贵州省沥青路面工程中应用过，所以，还需进一步通过室内试验和试验路铺筑来验证其在贵州省应用的可行性.

［1］于 斌.纤维沥青胶浆流变特性及纤维沥青混合料路用性能研究［D］.西安：长安大学，2009.

［2］廖芳龄，许婷婷，钱 玮.玄武岩纤维沥青混凝土技术性能研究［J］.中外公路，2012（6）：320－325.

［3］汤寄予.纤维沥青混合料组成与性能试验研究［D］.郑州：郑州大学，2013.

［4］刘克非.不同纤维对SMA路用性能的影响［J］.长安大学学报：自然科学版，2011，31（4）：16－20.

［5］胡志钊，陈 州.纤维沥青胶浆及沥青混合料路用性能试验研究［J］.公路工程，2014，39（4）：124－127.

［6］韦佑坡.玄武岩纤维在沥青混合料中的作用机理［J］.长安大学学报：自然科学版，2012，32（2）：39－44.

［7］钟明键，彭响兰.玄武岩纤维增强沥青混合料性能试验研究［J］.公路工程，2013，38（5）：157－160.

［8］王 安.玄武岩纤维SMA－13的路用性能研究与应用［D］.长沙：长沙理工大学，2013.