基于纤维碎石封层的玻璃、玄武岩两种纤维路用性能对比研究

基于纤维碎石封层的玻璃、玄武岩两种纤维路用性能对比研究

江敏华

重庆交通大学 土木工程学院，重庆  400074

摘要：随着国省干道养护时代的来临，预防性防护的兴起，纤维碎石封层养护技术作为低价合理的养护手段，是未来十年我国大力推广应用的国省干道养护手段之一，本文从纤维碎石封层使用玻璃纤维和玄武岩纤维的实际应用经验以及各位从业学者的研究中做出对比发掘区别这两种纤维应用在碎石封层中的各自优缺点，为技术推广应用做出参考。

关键词：玻璃纤维；玄武岩纤维；纤维碎石封层

1  引言

在公路交通行业中，我国正从上世纪九十年代以“以建为主”转变为 “以养为主，以建为辅”的“发展长寿命公路生态可持续建设”环保理念。有公认研究表明，路面使用性能是随着时间的增长呈非线性下降，使用初期其服务能力减退缓慢，到下降到某个特定区间值时则会呈急速减退的状态，形成特别严重的路面病害[1]。若在出现病害之前就采取主动的养护措施即预防性养护，则可以较好的减少病害出现频率和延长路面的使用年限。目前，国内针对沥青路面的预防性养护技术有：封缝、修补、稀浆封层、雾封层、洒油封面、开普封层、同步碎石封层、纤维碎石封层、薄层罩面、超薄磨耗层、微表处等，其中纤维碎石封层是一种性能良好、成本合理的养护手段，其作为同步碎石封层进阶技术，除了完美继承了施工养护方法快捷，封缝、防水渗透路面、抗磨抗滑、延长路面耐久性的特点外，还提高了封层的抗拉、抗剪强度等性能。纤维碎石封层可运用于低、中等级交通量（100-1500辆/d/车道）的表面磨耗层，以及国省干道的应力吸收层或下封层，桥面铺装的防水层、低等级公路（乡村公路）的面层[2]。

由于纤维的种类繁多，当在碎石封层中掺入不同纤维与纤维稳定剂时，会引起纤维碎石封层的力学性能产生差异。本文通过参考历史玻璃纤维碎石封层与玄武岩碎石封层的力学研究中，从路用性能方面做出综述研究。

2  路面性能评价

2.1  耐磨性

在最佳配合比正常施工条件下，碎石集料经过2-3次碾压成型后，已经牢牢嵌入纤维和沥青结合料中，形成稳定复合的力学嵌锁体系，限制了在汽车荷载压吸作用下的碎石集料飞散脱落，提高了路面的耐磨性能。

纤维在受汽车荷载时，在封层中作剪切抵抗作用，会产生热量，玻璃纤维其主要组成成分是SiO2菱形晶体结构,而玄武岩纤维组分是氧化陶瓷。而SiO2比氧化陶瓷的融点低，在高温条件下会率先融化从而失去结构支撑。相比而言，玄武岩纤维抗剪能力更强，耐磨性更好。

2.2  防水性

较传统同步碎石封层而言，纤维碎石封层的防水性更强，由于纤维碎石封层是喷洒两层改性沥青油，加上中间的纤维层，对沥青油有吸附作用，可以形成两层致密的沥青膜，极大的阻碍了地表毛细水向下渗透，有效抑制原路面的结构因水渗透而裂缝等病害进一步扩展。

玄武岩纤维的吸湿率为<1%，而玻璃纤维的吸湿率>10%，玻璃纤维的亲水性比玄武岩纤维好，玻璃纤维碎石封层的毛细水渗透现象较玄武岩纤维碎石封层毛细水渗透现象发生得更为频繁，玄武岩纤维碎石封层的防水性能更好[3]。

2.3  与沥青结合性

纤维等对沥青油的吸附能力很强，因为其独特的分子结构，能与沥青的沥青胶、芳香分、饱和分等物质融合在一块。

玄武岩纤维表面呈极性，对沥青油有极强的吸附作用，加上玄武岩纤维与玄武岩碎石同源，与玄武岩碎石的结合性能较好。而玻璃纤维表面没有极性分子，吸油效率不足以与玄武岩纤维相比[4]。

2.4  稳定性

纤维碎石封层的网状缠绕结构，可对沥青结合料起到稳定作用，当在高温下改性沥青软化时，网状结构锁死或阻碍结合料的位移，减少高温车辙的产生[5]。

2.5  拉伸强度和抗裂能力

在沥青混合料中均匀乱向分布的纤维，与沥青结合料相互搭接形成网状缠绕结构，加强提高了纤维碎石封层的拉伸、抗压缩、剪切等强度。

玻璃纤维的拉伸强度为2500-3200MPa，玄武岩纤维拉伸强度为3000-3800MPa。纤维组成的网状主要在封层中起到抗拉伸、抗剪切作用，纤维本身的拉伸强度与纤维碎石封层的拉伸强度在某个区间范围内成正比关系，两者相比，玄武岩纤维碎石封层的拉伸强度和抗裂性能更好。

2.6  弹性模量

纤维碎石封层的承力层是由碎石集料和纤维组成的，碎石集料和纤维的硬度、强度都很高，两者结合形成的骨架，自然而然的拥有很高的弹性模量。

玻璃纤维弹性模量[6]为72-80 MPa，玄武岩纤维弹性模量为80-93 MPa，两者相比，在其他条件相同情况下，玄武岩纤维碎石封层的弹性模量更高。

2.7  耐久性

纤维碎石封层的沥青经过改性，能较大的抗氧老化，加之骨料和纤维的具有一些耐腐蚀性，以及封层经过碾压后其结构形成一层致密的薄膜，能有效的阻止内部材料与空气的接触，增强了其耐久性。

玻璃纤维除了专门的耐碱玻璃纤维外，其耐碱腐蚀性较差，因为其组分SiO2，是酸性材料，可与碱性物质发生化学反应，使玻璃纤维性质发生变化。而玄武岩纤维的耐碱性较好，其组分是氧化陶瓷，抗碱能力强，玄武岩纤维的耐碱性能比玻璃纤维高3倍以上，且玄武岩纤维耐候性即抗氧化性能比玻璃纤维好。二者相比，玄武岩纤维碎石封层的耐久性较好。

综上，玄武岩纤维碎石封层在路用性能方面都较优于玻璃纤维碎石封层，但玄武岩纤维的造价比玻璃纤维贵，两者纤维各项对比指标见下表1。

表1  两种纤维性能比较

Table 3 Comparison of properties of two fibers

3  结论

经过有关研究对比发现：玄武岩纤维碎石封层在耐磨、与沥青结合、防水、高温稳定性、封层层间拉伸强度、层间弹性模量、耐久性、应用环境等方面都优于玻璃纤维碎石封层。但是，玄武岩纤维生产成本过于昂贵，不利于大范围推广。随着未来的进步，玄武岩纤维碎石封层的成本会大大降低，可以大面积应用我国的国省干道中去。

参考文献(References)：

[1]王卫平. 高等级公路沥青路面早期破坏原因及预防措施[J]. 交通标准化，2012（14）：100-102.

[2]祖熙宇. 纤维碎石封层技术的推广与应用[C]//.养护与管理2011年1月号（总第12期）. 2011:56-71.

[3]蔺宝垚. 玻璃纤维沥青碎石封层力学性能及其应用研究[D].长安大学,2019.

[4]陈思坤. 基于扩展有限元的抗裂纤维封层阻裂效应及材料适应性研究[D].重庆交通大学, 2018.

[5]刘军收,范晓燕.沥青纤维碎石封层在路面预防性养护中的应用[J].公路,2010(07):194-197.

[6]叶剑可.玄武岩纤维碎石封层技术的应用[J].中国公路,2018(01):112-113