矿物复合纤维技术在道路应用中的性能评价

朱林

社旗县公路管理局 河南 南阳 473300

摘要：本文主要针对三种典型的沥青路面用纤维（聚酯纤维、玄武岩纤维和矿物复合纤维－MiberⅠ纤维）的技术性能进行评价。研究纤维的微观结构特征、吸湿性能、吸油性能、耐热性能和耐盐腐蚀性能等，并结合前人的研究提出盐富集条件下热拌沥青混合料增强纤维的要求。

关键词：矿物复合；纤维技术；性能评价；道路工程

道路工程上常用的纤维可分为硬纤维和软纤维两种，硬纤维是由不同工艺制作的拉、拔、轧、切的钢纤维和矿物纤维等；而软纤维一般指植物纤维和化学合成纤维，可按材质分为木质素纤维、聚酯纤维、聚丙烯纤维、玻璃纤维、尼纶纤维等。为探讨矿物复合纤维的技术性能，本文选取目前常用的木质素纤维，以实现无机纤维与有机纤维、无机纤维与无机纤维之间的性能对比。

1.道路工程常用的几种纤维

1.1木质素纤维

木质素纤维是主要以废旧报纸和原木为原材料，通过一系列的物化处理，最终将一部分纤维素剩余，经洗涤、过滤、喷雾、干燥等工艺过程而得到的一种浅绿色或灰色的形如棉絮的有机纤维。由于处理温度高达250℃以上，木质素纤维在通常条件下是化学上非常稳定的物质，由于其具有良好的吸油性，在SMA沥青路面上得到广泛应用。

1.2聚酯纤维

聚酯纤维是一种高聚合物合成的有机纤维，它是以聚酯（聚对苯二甲酸乙二脂，PET）为主要原料，添加一定的功能母料，通过一定加工工艺并经特殊表面处理而成，其外观为多根纤维单丝交聚而成的束状结构，一般为乳白色并带有丝光，表面光滑，横截面呈圆形。

1.3玄武岩纤维

玄武岩纤维属于矿物纤维，它是以特定的玄武岩为原料，经过一定的预处理后，在1500℃左右的高温下熔融提炼拉丝而成，具有优越的力学性能和稳定性。玄武岩纤维在美国公路界已有多年全面使用的成功经验和技术规范，通常认为在沥青混合料中掺玄武岩矿物纤维可以增加沥青膜的厚度，改善沥青混合料的抗车辙、抗低温开裂、抗水损害、抗疲劳和老化损害等性能。但在我国，玄武岩纤维在沥青路面中的应用还处于起步阶段。

1.4 MiberⅠ纤维

MiberⅠ矿物复合纤维是为弥补现有路用纤维缺陷而研发的。作为一种新型增强型路用纤维，它以环保型矿物纤维为主料（占88.0%~92.0%），高分子芳烃油（占1.5%~2.0%）、重油（占3.5%）、膨润土（占3.0%~5.0%）等为辅料，经化学松解、离子极化、复合造粒而成。其主料在我国储量丰富，是一种独特的天然碱性矿物纤维材料；动物试验和人群流行病学调查表明该纤维原材对人体无害，且在资源利用和环境保护角度上均具有明显优势，并已在增强水泥混合料材料路面工程中得到一定程度的应用并取得良好效益。

2.纤维微观结构特征

纤维的微观结构特征跟纤维与沥青的黏附性及纤维对沥青的稳定效果密切相关。采用Hitachi S-4800扫描电子显微镜（SEM）对各种纤维的微观形貌进行观测，从4种纤维分别放大500倍和1000倍后的微观结构形貌来看，木质素纤维主要由絮状物质构成，纤维主要呈扁平带状，且不甚规则，通过放大显微倍数发现，单根纤维表面存在大量微孔，使得该纤维在与沥青混合后发生较强的物理吸附作用，并吸附大量游离沥青从而减少沥青混合料析漏和路面泛油现象，这也是该纤维在SMA沥青路面上广泛应用的原因。聚酯纤维呈规则的圆柱形状，纤维直径约为20μm，其表面非常光滑，单丝纤维之间相互独立，在介质中具有良好的分散性。玄武岩纤维亦呈规则的圆柱状，纤维直径约为5μm，且表面光滑。该纤维表面存在一些凸起物质，疑为纤维骤冷加工过程中形成的结晶矿物。MiberⅠ纤维内含纵横交错、粗细不均的的纤维束，且纤维束由更细的纤维束或纤维单丝组成，碱性矿物纤维表面较为粗糙，能够较好地吸附和稳定沥青；从微观结构特征上来看，MiberⅠ纤维与木质素纤维有相似之处，但MiberⅠ纤维的力学性能明显优于木质素纤维。

3.纤维吸湿性能

纤维的吸水性能测试，试验温度20℃，相对湿度90%，将试样置于恒温恒湿的环境箱中，试验时间5d。纤维的吸湿率为吸水量与纤维质量之比。试验结果见表1。由表1可以看出：木质素纤维的吸湿性最强，体积微膨，颜色变深，这与其松散多孔的表面有关，因此木质素纤维在使用前应保管好避免受潮。聚酯纤维、玄武岩纤维和MiberⅠ纤维的吸湿性能较低，体积无明显变化，易于保存。尤以MiberⅠ纤维的吸湿率最小，即最不易受潮湿环境的影响。

表1 纤维的吸湿性试验结果

纤维种类	吸湿率/%	吸水前后的变化
木质素纤维	15.49	吸水微蓬状态，颜色变深
聚酯纤维	2.43	无明显变化
玄武岩纤维	1.17	无明显变化
MiberⅠ纤维	1.07	无明显变化

4.纤维吸油性能

精确称量5g纤维，使之浸入在煤油中，时间不少于5min，然后平摊在筛孔尺寸为0.15mm×0.15mm的筛上，将筛置于摇筛机上震摇10 min，每分钟摇动221次，幅度31.5mm。称量摇筛后吸油纤维的重量，计算纤维吸油量与纤维自重的比值，即为纤维的吸油率（g/g），试验结果见表2。由表2可以看出：纤维的吸油能力由强到弱依次是木质素纤维、聚酯纤维、MiberⅠ纤维、玄武岩纤维。木质素纤维的吸油率最大，表明其可持沥青能力最强，对沥青的稳定作用最好，这它极为粗糙且多孔的表面构造有关；玄武岩纤维的吸油率最小，这主要是因为其表面较光滑，且为实心；MiberⅠ纤维表面较粗糙，纤维（丝、束）之间可为油分的吸附和留存提供空间，因此较同为矿物纤维的玄武岩纤维具有更好的吸油性能。

表2  纤维吸油性试验结果

纤维类型	测试条件	吸油率
木质素纤维	温度：20℃ 摇振时间：10min 筛网尺寸：0.15mm×0.15mm 样品质量：5g	7.6
聚酯纤维		4.1
玄武岩纤维		3.5
Miber I纤维		3.7

5.纤维耐热性能

实际工程应用中，在热拌沥青混合料中掺加纤维时一般要求先将纤维和集料干拌15s，然后再喷入沥青进行湿拌。对于普通沥青，与集料干拌时的温度可达170~180℃，而对于改性沥青，则可能超过200℃。因此要求所掺纤维具有良好的耐热性，避免在混合料拌和、运输和摊铺过程中造成纤维力学性能的大幅损失。为评价纤维的耐热性能，且与沥青的当量高温老化条件保持一致，采用了200℃持续5h的测试条件。尽管该法不能定量评价纤维在高温条件下力学性能的损失，但其简单易行，可在一定程度上定性反映纤维的耐热性能。试验中将纤维装进烧杯中，在200℃的恒温烘箱中放置5h，观察纤维的颜色变化，并测量其质量损失。纤维的耐热性试验结果见表3。

表3  纤维的耐热性试验结果

纤维类型	质量损失/%	性能变化
木质素纤维	1.84	由灰白色变成焦黄色，有明显焦糊味
聚酯纤维	0.95	由白色变为浅黄色，纤维变硬，有糊味
玄武岩纤维	0.56	无明显变化
Miber I纤维	0.72	无明显变化

由表3可以看出：木质素纤维的质量损失最大；其次为聚酯纤维、MiberⅠ纤维、玄武岩纤维。木质素纤维有较多纤维变为焦黄色，且能嗅到明显的焦糊味，聚酯纤维在高温条件下颜色变为浅黄色，并伴随有糊味，而矿物纤维的颜色和形态未发生明显变化。这主要是因为木质素纤维是从木材等植物中提取制成的，其高温耐久性会有所限制；聚酯纤维属有机纤维，耐热性稍差；而玄武岩纤维由矿石冶炼制成，具有优良的耐高温能力，同时，MiberⅠ纤维的主料是天然矿物纤维，熔点较高，同样具有良好的耐热性。因此，纤维耐热性由好至差依次为：玄武岩纤维、MiberⅠ纤维、聚酯纤维、木质素纤维。由纤维耐热性能试验结果可得，矿物纤维的耐热性能优于木质素纤维和聚酯纤维。

6.结论

MiberⅠ纤维中分布着纵横交错、粗细不均的的纤维束，且纤维束由更细的纤维束或纤维单丝组成，纤维束或纤维单丝的表面较为粗糙，可为油分的吸附、留存提供空间，并较同为矿物纤维的玄武岩纤维具有更好的吸油性能；MiberⅠ纤维的吸湿率低于木质素纤维、聚酯纤维和玄武岩纤维；矿物纤维的耐热性能优于木质素纤维和聚酯纤维。