木质素纤维在SMA沥青混合料的作用机理研究

摘　要：近年来，我国大面积使用SMA改性沥青混合料作为高等级公路路面表面层。而SMA改性沥青混合料中必须加入纤维稳定剂，其中木质素纤维是最常用的纤维稳定剂。现就木质素纤维在SMA中的作用及作用机理加以研究，以提高SMA的质量控制。

关键词：SMA沥青玛蹄脂碎石混合料；木质素纤维；作用机理
　　SMA是20世纪60年代中期前联邦德国开发的一种由沥青、纤维稳定剂、矿粉及少量细集料组成的新型沥青混合料，其级配类型为间断级配骨架型密实。SMA中由粗集料构建的坚固的骨架结构具有优异的抵抗永久变形能力，而充填粗集料骨架孔隙的丰富沥青玛蹄脂则赋予SMA高度的耐久性，其粗糙的表面构造使路面具有优良的抗滑性和较低的交通噪声。
　　路用木质素纤维是天然木材经过化学处理得到的有机纤维，外观为棉絮状，呈白色或灰白色。由于处理温度高达250℃以上，在通常条件下是化学上非常稳定的物质，不为一般的溶剂、酸、碱腐蚀，具有无毒、无味、无污染、无放射性的优良品质，不影响环境，对人体无害，属绿色环保产品。
1 木质素纤维的化学组成和结构（图1）

图1 木质素纤维分子式
　　木质素纤维主要由C、H、O元素组成，其微观结构是带状弯曲的，凹凸不平的，多孔的，交叉处是扁平的，有良好的韧性、分散性和化学稳定性，吸水能力强，有非常优秀的增稠抗裂性能。　　
2  纤维在SMA中的作用
2.1加筋作用
　　在在SMA混合料中掺加木质纤维，纤维在混合料中以一种三维的分散存在，像各种钢纤维混凝土、土木格栅、土工布等加筋材料一样，可以起到加筋作用。
2.2分散作用
　　如果没有纤维，用量颇大的沥青矿粉很可能成为胶团，不能均匀地分散在集料之间，铺筑在路面上将清楚地看到“油斑”存在，纤维可以使胶团分散。
2.3吸附作用
　　在SMA混合料中加入纤维稳定剂的作用在于充分吸附（表面）及吸收（内部）沥青，从而使沥青用量增加，沥青油膜变厚，提高混合料的耐久性。
2.4稳定作用
　　纤维使沥青膜处于比较稳定的状态，尤其是在夏天高温季节，沥青受热膨胀时，纤维内部空隙还将成为一种缓冲的余地，不致成为自由沥青而泛油，对高温稳定性也有好处。
2.5粘结作用
　　提高粘结力。纤维将增加沥青与矿料的粘附性，通过油膜的粘结，提高集料之间的粘结力。
3  作用机理分析
3.1  加筋作用
　　纤维在SMA中三维随机分布的，且由于数量众多,故在混合料中广为分布，这些纤维对混合料的开裂起到阻滞作用，从而提高沥青路面裂纹的自愈能力，减少裂缝的出现，起到加筋的作用。
3.2  分散作用
  沥青只有在吸附在矿粉表面形成薄膜，才能对其他粗、细集料产生粘附作用，正是由于纤维对沥青胶体的分散作用，在SMA中油石比普通沥青混凝土高。
3.3  吸附作用
　　木质素纤维的直径一般＜50μm，有相当的比表面积，每克纤维的表面积可达数平方米以上。纤维分散到沥青中，其巨大的表面积成为可使沥青浸润的界面，在此界面上纤维可以吸附大量的沥青，形成有一定厚度的、一个新形成的相，称为界面层。
　　木质素纤维与沥青之间的界面层是一个至少为几个分子层厚的区域，其性质取决于纤维的分子排列、化学性质以及沥青的分子结构和化学组成，故不同的纤维对应着不同的界面层。
　　结构沥青比界面层以外的自由沥青粘性大，温度敏感性低，耐热性好。同时，由于纤维直径纤细，纤维及其周围结构沥青一同裹覆于集料的表面，使集料表面沥青膜厚度增大。混合料中由于加入纤维，使沥青的用量增加，从而导致沥青膜较常规密集配混合料增厚65%～113%。较厚的沥青膜与其形成的较小空隙，减慢了沥青老化的速率，从而使沥青较长时间地维持其粘弹性，降低了沥青的温度敏感性，改善了沥青的高温和低温性能。
3.4 稳定作用
    纤维在沥青基体内的分布式三向随机的。由于截面纤细，使得纤维掺量不大沥青基体内，纤维数目相当大，形成纵横交织的空间网络。如纤维掺量0.2%,每1克沥青约为5200根纤维。纵横交错的纤维形成纤维骨架结构网以及“结构沥青”网，增大了结构沥青的比例，减薄饿自由沥青膜，使结合料粘性增大，软化点上升，温度稳定性大幅度提高。同时纤维的加筋使沥青混合料可使用稠度较低的沥青，这样也有助于减少低温裂缝的出现。
3.5 增粘作用
　　纤维可以提高沥青的粘结力，增加沥青与矿料的粘附性，通过油膜的粘结，提高集料之间的粘结力。传统混合料高温下沥青会在结构内产生集中，沥青粘结强度下降，抗高温变形能力差。而纤维加入后，可明显阻止沥青的流动。纤维对沥青的可持能力很强，一般要在130℃以上的高温下，多余沥青才会在纤维表面产生滴落。
4 结  语
　　现在木质素纤维稳定剂在SMA中得到了大量的应用，利用纤维增强沥青混合料，由于纤维的吸附、稳定及多向加筋作用，可以较好的改善沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性、提高抗车辙能及抗滑能力和耐久性，并且施工工艺和设备无特殊要求，混合料性能却能得到较大幅度的改善。
　　参考文献
[1] SHC F40-01-2002公路沥青玛蹄脂碎石路面技术指南[M]. 北京:人民交通出版社,2002
[2] JT-T-533-2004沥青路面用木质素纤维 [M]. 北京:人民交通出版社,2002
[3] 沈金安. SMA路面设计与铺筑. 北京:人民交通出版社,2003