芳纶纤维是一种高性能合成纤维，以其卓越的强度重量比、高拉伸强度和出色的热稳定性而著称。这些特性使它们成为沥青混合料和路面的理想增强材料。当芳纶纤维被加入到沥青混凝土中时，会形成一个立体三维结构，显著提升路面结构的机械性能和耐久性。相比于传统纤维添加料（主要用于防止沥青混凝土中的粘合剂流失），芳纶纤维则提供结构上的加固，增强了沥青抵抗变形和开裂的能力。

为了便于在沥青混合料中均匀分布，芳纶纤维通常用粘合剂（如蜡或液体乳液）进行预处理，这种处理可以防止轻质纤维在混合过程中飞扬，并确保其在整个骨料和粘结剂基质中均匀分布。

使用芳纶纤维的主要优点

将芳纶纤维融入沥青混合料中，可为路面性能和耐久性带来诸多关键优势：

• 增强抗裂性：
  • 疲劳开裂：芳纶纤维显著提高了沥青混合料的疲劳寿命，起到防裂作用，能够桥接在反复交通荷载下产生的微裂缝，延缓裂缝扩展，延长路面使用寿命。研究显示疲劳性能得到改善。
  • 低温开裂：它们提高了沥青混合料的抗热裂性，当沥青在低温下变脆收缩时，这种抗裂性能就会出现。纤维提供了额外的拉伸强度，使路面能够承受温度变化引起的应力。
  • 反射裂缝：通过加强沥青覆盖层，芳纶纤维可有效降低反射裂缝的严重程度和发生频率。反射裂缝是一种常见问题，其中底层路面层产生的裂缝会穿过新铺设的覆盖层。
• 改善抗车辙性能：芳纶纤维在沥青基质中形成内部骨架，可抵抗重载车辆造成的永久变形（车辙），尤其在高温天气下，沥青更容易变软松动。嵌入的纤维有助于保持路面结构的完整性。
• 结构强度的提高：芳纶纤维的三维增强作用，可使沥青层的动态模量和整体刚度得到提升，从而提高路面承载能力，改善路面结构性能。
• 延长路面使用寿命：通过缓解裂缝和车辙等主要损伤，芳纶纤维增强型路面的使用寿命更长，从而减少维护频率和降低长期成本。
• 薄型路面结构的潜力：芳纶纤维改性沥青的增强性能特性可能允许设计和建造更薄的路面层，同时保持或改善整体耐久性和性能，从而节省材料。
• 经济和环境优势：延长使用寿命和潜在的减薄有助于降低生命周期成本。此外，减少维护干预意味着减少材料消耗和人工维护成本，以及降低相关温室气体排放，符合可持续发展目标。

纤维用量和成本

由于芳纶纤维强度高、重量轻，因此在沥青混合料中使用的量通常较小。其用量一般以每单位沥青混合料的纯芳纶纤维重量来规定。

根据 ASTM标准D8395-2023 沥青混合料中的芳纶纤维，广泛接受的标准剂量是：每吨沥青混合料使用2.1盎司纯芳纶纤维（约65克/吨）。

在沥青混合料中添加芳纶纤维的成本通常占沥青混凝土混合料总吨位价格的10%至20%。虽然这代表了前期成本的增加，但使用芳纶纤维可以实现项目整体节约和延长路面使用寿命，原因如下：

• 减少覆盖层厚度：芳纶纤维使得沥青层可以更薄，同时不影响性能，从而可能大幅节省材料和相关成本。在某些情况下，沥青材料的减少（5%至10%)可以抵消或部分抵消纤维添加剂的成本，使得以相同的成本获得更高性能的路面成为可能。
• 延长路面使用寿命，减少维护：性能的改善，包括增强抗车辙能力和减少开裂，可以导致更少的维修和更长的维护间隔，从而实现长期成本节约。

芳纶纤维目前的使用和限制因素

虽然由于芳纶纤维具有显著的性能优势，其在沥青混合料中的应用正在增长，但尚未广泛应用于所有道路路面工程。其应用往往更具战略性和针对性，而不是普遍标准。原因有以下几点：

• 工程项目的成本考虑：芳纶纤维会增加沥青混合料的初始成本。虽然长期节省可以通过延长路面寿命和减少维护来抵消，但前期投资可能会阻碍一些项目，特别是预算有限或性能要求不高的项目。
• 项目的目标性能需求：对于低容量道路或性能要求不那么严格的道路，选择多为常规沥青混合料或其他成本较低的添加剂。芳纶纤维目前主要用于特定场景，这些场景中增强的耐久性和抗裂纹、车辙等损伤的能力至关重要。这些场景通常包括：
  • 交通量大的道路（例如州际公路、主要动脉公路、重工业区）。
  • 涉及覆盖现有开裂路面或混凝土板的修复工程，以减轻反射裂缝。
  • 由于环境条件或高应力，路面部分容易发生严重热裂纹或疲劳。
• 标准的演变与采纳：尽管 ASTM International 已将芳纶纤维在沥青混合料中的使用标准化（ASTM D8395-2023），但美国各州和地方机构的采纳率仍存在差异。新材料和技术成为标准实践需要时间，这期间需要更新规范、进行培训，并从更广泛的项目中收集长期性能数据。

总而言之，芳纶纤维是一种高性能添加剂，对于那些对耐久性和使用寿命有特殊要求的特定路面应用来说，它具有显著的价值。然而，目前芳纶纤维的应用通常针对这些需求进行定制，而不是广泛应用于所有道路路面项目中。