纖維改性瀝青混合料性能的研究現狀與展望

朱洪洲， 譚祺琦， 楊孝思， 范世平， 趙鴻鐸

(1.重慶交通大學土木工程學院， 重慶 400074； 2.重慶交通大學， 交通土建工程材料國家地方聯合工程實驗室，重慶 400074； 3.同濟大學， 道路與交通工程教育部重點實驗室， 上海 201804)

近年來，中國公路交通量急劇增大、車輛軸重不斷增加，致使普通瀝青混凝土路面出現車轍、裂縫、坑槽甚至松散破壞。這些病害致使大多數高速公路在十年內就造成了路面內部的結構性破壞，有的路面使用壽命甚至還達不到設計年限的一半。而要解決這些問題就需要從新型路面材料的研發、改性等方面入手，進一步提升路面材料品質、延長路面使用壽命。

而要提升瀝青混合料的力學及路用性能，一般從以下三個方向進行研究：①改善礦質混合料級配，如瀝青瑪蹄脂碎石混合料(stone matrix asphalt，SMA)；②改善瀝青性能；③引入路用纖維材料。首先，SMA技術于1991年正式引入中國并進行了一系列的試驗研究，但由于SMA是骨架密實結構，需用到高強度的集料，而大多數地方的集料都達不到要求，若從外地采購會大大增加成本。除此之外，SMA技術對施工的要求非常高，且并未完全解決中國北部瀝青路面的開裂問題，因此適用范圍受限。其次，在對改性瀝青技術的研究中發現，即便是使用最大劑量的改性劑也未能很好地解決瀝青路面的變形、開裂、水損害等病害，也很難提高瀝青的韌性，并且，瀝青和改性劑均存在隨時間老化而脆化的現象[1]。

將纖維材料摻入瀝青混合料中的探索研究起源于20世紀中期，其主要目的是防止瀝青混凝土路面反射裂縫的產生。Toraldo等[2]較為系統性地分析了纖維材料的摻入對瀝青混凝土路面抗反射裂縫的防治效果。由英國和德國研究人員共同研發的Dolanit AS專利產品具有高抗拉強度、良好的吸油性、化學性質穩定等優良特性，已在許多國家的公路上廣泛應用。Eisa等[3]通過一系列室內試驗得出了玻璃纖維能改善瀝青混合料大部分性能的重要結論。 Mahmoud等[4]分析了玻璃纖維對瀝青混合料短期和長期老化性能的影響。Masri等[5]選用綠色環保的竹纖維并摻入SMA中經相關試驗測試后得到最佳竹纖維摻量為0.5%。直到20世紀90年代末才逐漸引起中國研究人員對纖維改性瀝青混合料的關注。張潔等[6]介紹了兩種用來改性瀝青混合料的纖維材料，并通過相關工程案例來說明纖維材料作為瀝青路面添加劑的重要性。封基良[7]從微觀角度出發探索了纖維材料對瀝青混合料性能的增強機理，并進行復合材料相關性能測試提出了纖維材料的相應技術指標。雷彤等[8]、廖歡[9]選用新疆地區的棉秸稈并經過機械加工制成棉秸稈纖維，將該纖維材料摻入瀝青混合料中進行相關室內試驗，結果表明復合材料的高低溫性能提升顯著。王修山等[10]考慮到陶瓷纖維作為阻熱材料有增強混合料高溫穩定性能的潛力，通過相關試驗來評估陶瓷纖維對瀝青混合料的改善情況。可見，相關學者對該復合材料的研究有極大興趣，在研究中也發現纖維的加入確實能有效提高復合材料的剛度和強度，使瀝青混合料具有更高的模量，從而提升其耐久性、水穩定性和抗變形能力等。伴隨著人們環保意識的增強，也研發出許多新型環保纖維，但目前較為系統性地介紹纖維材料改性瀝青混合料性能的文獻較少，因此，擬從纖維材料自身特性、兩者間的主要作用機理、界面表征分析方法以及主要影響因素等方面對當前纖維瀝青混合料的相關研究進行綜述，旨在提出現有研究成果及理論中所存在的問題并梳理目前纖維瀝青混合料的研究熱點，提出該領域未來的發展方向。

1 纖維材料及其特性

纖維是一種由連續或不連續的細絲組成的物質，其種類眾多且用途非常廣泛，可編織成細線和麻繩，還能與其他材料一起組成復合材料。市面上常見的纖維材料種類雖然多，但真正能夠運用到道路材料中的纖維一般以碳纖維、玄武巖纖維和合成纖維等為主。

1.1 碳纖維

碳纖維是一種碳含量在95%以上的微晶石墨材料，由于獨特的石墨微晶結構使碳纖維具有很高的強度和模量。碳纖維作為增強體相，與瀝青之間形成獨特的界面結構，低溫下產生裂紋偏轉效應以及脫黏和拔出效應，能顯著增強混合料的低溫性能。同時，碳纖維還具有很強的導電導熱特性，劉凱[11]在研究中發現，碳纖維及石墨烯復合材料在瀝青中形成的導電作用，使瀝青膠漿以及混合料均具有非線性伏安特性，致使電阻率明顯降低。可見，碳纖維不僅表現出優越的力學性能，在導電、熱傳導、抗老化等方面也擁有巨大的發展潛力。

1.2 玻璃纖維

玻璃纖維是一種以高SiO2含量的礦物為原料加工而成的纖維材料，單絲直徑達到微米級。玻璃纖維的模量以及抗拉強度較高，能夠明顯改善瀝青的流變性能、瀝青混合料的高溫穩定性能和低溫抗裂性能。玻璃纖維與瀝青混合后能夠限制瀝青在混合料中的流動，從而起到吸附瀝青、增加油膜厚度、提高穩定性的作用效果。但由于玻璃纖維本身就存在脆性大、耐磨性差的特點，因而對瀝青混合料抗磨耗性能的提高并不明顯。

1.3 玄武巖纖維

玄武巖纖維是以天然玄武巖為原料加工而成，是一種強度很高的礦物纖維。將該礦物纖維摻加到瀝青混合料中后會逐漸釋放復合材料內部界面的集中應力，同時能顯著提升瀝青混合料的應力松弛能力，并且在一定的摻量范圍內可以減少瀝青膠漿的疲勞損傷。

1.4 合成纖維及木質纖維

合成纖維由高分子化合物加工而成，而木質纖維是一種從植物中提取出的生物纖維，一般分為纖維素纖維和木質素纖維兩種。合成纖維和木質纖維表現為柔軟的絲狀，與其他纖維不同的是其強度較低，但具有很強的韌性。像聚酯纖維(滌綸)這類的合成纖維以及木質纖維在復合材料中主要起到加筋、吸附以及穩定作用。

諸如碳纖維、聚酯纖維、鋼纖維等這類擁有較高的強度、韌性和熱穩定性的纖維材料，但由于價格較貴使其在瀝青混凝土路面中的應用受限，而玻璃纖維雖價格低，但容易脆斷、非生物降解。近年來，環境保護、節約資源、綠色可持續發展的理念被不斷提及，相關研究人員開發出一系列綠色環保且價格低廉的新型纖維材料，如農作物秸稈纖維、竹纖維、羽毛纖維、蔗渣纖維、速生草纖維等。

曹林濤等[12]考慮到羽毛的吸油性，嘗試將羽毛纖維摻入瀝青混合料中，選用雞毛的非正羽部分作為試驗研究對象，通過一系列室內試驗證明了羽毛能夠承受普通施工溫度而不老化；并且能夠顯著提升其水穩定性能、高溫穩定性及抗分散性能。黃小夏[13]在室內通過取芯取皮、浸泡、破碎等步驟成功提取出玉米秸稈纖維并摻入瀝青混合料中，與木質素纖維相比，其高低溫性能和水穩定性相差不大，采用該纖維進行試驗路的鋪筑，在通車三年內沒有產生明顯的病害，路面的實際測試效果較好。聶思宇等[14]從毛竹中提取出速生草纖維并摻入瀝青混合料中，相較于木質素纖維，速生草纖維復合材料的低溫性能及抗老化性能的優勢更加明顯，但其高溫穩定性能和力學性能略微不足。段紹帆等[15]對農作物秸稈纖維的制備工藝進一步優化，提出新的秸稈纖維制備工藝；并通過試驗證明了農作物秸稈纖維與礦物纖維和木質素纖維相比擁有更好的吸油能力。Liu等[16]對竹纖維瀝青混合料進行相關室內試驗，證明了竹纖維瀝青混合料在高低溫性能以及水穩定性方面都要優于木質素纖維瀝青混合料。這類新型纖維材料的研發和應用能夠很好地解決資源匱乏、大量廢棄物污染生態環境等實際問題，并為該領域的發展提供了新的思路。

2 纖維材料與瀝青混合料間的主要作用機理

纖維與瀝青混合料相結合能夠集中各自的優勢從而達到增強、增彈、增韌的效果，有必要深入探討纖維材料是如何增強瀝青混合料性能的。基于此，下面將依次對該復合材料在外荷載作用下的應力傳遞機理以及纖維材料的阻斷、增韌、加筋和吸附作用的中外研究進展及相關分析方法進行詳細闡述。

2.1 復合材料在荷載作用下的應力傳遞機理

20世紀中葉，Cox[17]提出了復合材料在荷載作用下應力傳遞的剪滯理論，并建立了剪滯理論模型(圖1)，通過該模型進而推導出纖維的軸向應力和復合材料內部界面剪切應力的計算公式，即

(1)

(2)

e為施加的均勻應變；rf為纖維半徑；l為纖維長度；R為圓柱體模型的半徑。圖1 Cox剪滯理論分析模型[17]Fig.1 Cox shear lag theoretical analysis model[17]

之后，Rosen[18]在Cox所建的理論模型基礎上進一步簡化，但依舊未考慮纖維—基體內部界面間的結合狀態。有研究人員將應力的傳遞歸因于復合材料間的一層界面，如果這層界面的黏結強度較好，則應力能順利地從基體傳遞到纖維，反之則會在界面方向上形成細微裂紋，進而造成復合材料內部界面的脫粘現象。高慶等[19]首次將纖維端部的正應力傳遞以及復合材料內部界面間的結合狀態考慮進來，提出了基于Cox剪滯模型的等價模型(圖2)，進而得到新的表達式，即

(3)

(4)

σf為纖維軸向應力；τ為圓柱狀纖維與基體界面上的剪切應力；σ0為在模型中施加的應力；dz為纖維微段；lf表示纖維長度的1/2圖2 剪滯模型的等價模型(包含界面層)[19]Fig.2 Equivalent model of shear-lag model (including interface layer)[19]

式中：σ0為在模型中施加的應力；Em為界面層彈性模量；lf為纖維長度的1/2；τi=τ(rf)，與式(1)和式(2)相比較可發現，式(3)、式(4)與式(1)、式(2)是等價的。

李紅波等[20]考慮到竹纖維獨有的幾何特征，提出了適用于該種纖維的修正剪滯理論模型，并在此基礎上推導出了纖維軸向應力及纖維—基體界面處的計算式。學者們將剪滯模型用來研究纖維瀝青混合料的應力分布特征，使剪滯模型的適用性得到進一步提升。Beyerlein等[21]利用剪滯理論模型并結合摩擦應力來研究纖維瀝青混合料的應力化特征，研究結果表明該復合材料的端部是最容易造成脫黏現象的部位。

2.2 纖維的阻斷作用機理

當瀝青混合料受到外荷載作用而出現開裂時，裂紋會不斷擴展從而造成混合料的整體斷裂，而摻入纖維材料后的混合料一般只出現開裂不會出現斷裂的情況。究其原因，是由于當瀝青混合料出現裂紋時，柔韌的纖維材料在混合料內部起到聯結加筋及阻斷作用仍使其擁有足夠的承載能力。斷裂力學認為瀝青混合料內部本身就存在著細微裂紋，在受到外荷載作用時，會造成裂紋的不斷擴展直至宏觀上的斷裂。在加入纖維材料后，眾多纖維組合在一起從而形成一種空間網絡結構，這在阻滯裂紋擴展的過程中非常關鍵。荀家正等[22]根據線彈性斷裂力學原理的應力強度因子疊加法來研究纖維的阻斷機理。依照該方法，可得到復合材料中細微裂紋的應力強度因子的計算式，即

Kfm=Km+Kf

(5)

式(5)中：Kfm為纖維瀝青混合料的應力強度因子；Km為瀝青混合料基體的應力強度因子；Kf為纖維阻裂作用產生的應力強度因子。

對纖維材料進一步量化，由1根纖維等效集中力P產生的應力強度因子Kf為

(6)

式(6)中：P為裂尖等效集中力；b為纖維至裂尖的距離；2a為裂紋的尺寸。

可見，當裂紋尖端正好穿過纖維時，b趨近于0，即Kf趨近于無窮大，所以纖維對裂紋的阻斷效果是非常明顯的，而這還僅僅是一根纖維所產生的作用，用疊加原理即可得到數量眾多的纖維所產生的應力強度因子。

Truong等[23]同樣在該原理的理論基礎上建立了纖維間隙增強理論分析模型，明確表示瀝青混合料的破壞主要是由于其本身就存在的細微裂紋或孔隙等在受到外荷載作用時產生的應力集中現象形成的，減小內部裂紋或孔隙的尺寸才是提升其拉伸性能的關鍵。

張文剛等[24]利用細觀力學原理來探索礦物纖維對其低溫性能的改善作用機理，利用抗拉強度和韌性這兩個參數來進行表征，其計算式為

σcu=σfuVfC0/K+σ′mu(1-Vf)

(7)

式(7)中：σfu為纖維抗拉屈服強度；σ′mu為纖維瀝青混合料破壞時基體所承擔的應力；C0為礦物纖維方位因子；K為最大應力集中因子。

李振霞等[25]采用掃描電子顯微鏡從微觀角度分析了木質素纖維和玉米秸稈纖維對瀝青混合料低溫抗裂性能的增強作用機理。從圖3中可以看到，瀝青混合料破壞時會產生大量裂縫，纖維的根部被瀝青吸附，埋入瀝青混合料內部，頂端斷裂，纖維斷口處呈不規則形狀。說明瀝青混合料在受到外荷載作用時，纖維呈拉伸狀態直至破壞，瀝青混合料內部應力傳遞到纖維上并進行二次分布擴散，從而實現纖維的阻斷功能。

圖3 纖維瀝青混合料的破壞界面圖[25]Fig.3 Failure interface diagram of fibrous asphalt mixture[25]

2.3 纖維的增韌機理

材料的韌性是一種在受到外荷載作用時吸收能量多少的能力，這就要求摻入纖維后需要瀝青混合料具有較高的強度以及較好的抗變形能力。Sobhan等[26]為了研究摻入纖維后復合材料的延性和整體韌性的增強機理，分析了纖維增強試件的拉應力隨應變的變化情況。研究發現：所有試件的應力-應變行為在第一個裂紋之前近似為線性，這與每個試件的峰值基本一致；峰值之后，在承載能力上有一個急劇的下降(從峰值的16%到大約40%)，之后曲線變平，傾向于表現出輕微的應變硬化行為。隨后給出了韌性指數I的計算公式，以此來定量分析在摻入纖維材料后其低溫性能的提升程度。該計算公式為

(8)

式(8)中：Aε為歸一化應力-應變曲線到任意應變ε處的面積;AP為歸一化應力-應變曲線下到應變的面積；εP為峰值應力對應的應變。

吳正光等[27]通過引入韌性指標來分析纖維材料的增韌機理，發現在摻入玄武巖纖維后，復合材料的韌性指數提升了大約40%，但摻入木質素纖維的混合料其韌性指數的提升并不明顯，因此，相較于木質素纖維，玄武巖纖維能更好地提升其低溫性能，同時利用掃描電鏡從微觀層面來觀測纖維材料對混合料的改善作用機理(圖4)。

圖4 玄武巖纖維瀝青混合料微觀觀測圖[27]Fig.4 Microscopic observation diagram of basalt fiber asphalt mixture[27]

從圖4中可以看到，大量纖維材料無規則地分散于瀝青混合料中從而形成了三維空間網狀結構，該結構能很好地傳遞和消散集中應力。當出現開裂時，具有三維網狀結構的纖維材料將混合料受損部分連為一體，從根本上阻滯了細微裂紋的發展，具體則表現為復合材料韌性指標的提高。此外，纖維材料與瀝青之間還擁有極強的粘附性能，即說明兩者間具有較高的界面強度，這對于纖維材料阻滯瀝青混合料開裂更加有利。

2.4 纖維的加筋機理

與普通瀝青混合料相比，纖維材料的強度和模量要高很多，而纖維材料的摻入就相當于對瀝青混合料進行了“微加筋”。復合材料理論指出纖維瀝青混合料由多相體系組成，其中的各種材料均為一相，其力學及路用性能主要取決于各相的相互作用、體積率和幾何特征，基于上述理論，復合材料的勁度模量Ec和抗拉強度σc的表達式為

Ec=EfVf+EmVm(9)

σc=σfVf+σmVm(10)

式中：Ec為纖維瀝青混合料的勁度模量；Ef為纖維的彈性模量;Vf、Vm分別為纖維、瀝青混合料基體的體積率；Em為瀝青混合料的勁度模量；σf為纖維的強度；σm為瀝青混合料的強度。

但式(9)、式(10)的應用只在理想情況下有效，事實上，纖維分散于瀝青混合料中呈無規則三維亂向分布狀態，纖維長度、粗細程度都各不相同，張攀[28]把纖維長度、取向、界面粘結等因素考慮其中并引入綜合有效系數對公式進行了修正，即

Ec=ηEfVf+EmVm(11)

σc=ησfVf+σmVm(12)

式中：η=η0ηbηa，η為考慮纖維長度、取向、分布、界面粘結、纖維缺陷等因素后的綜合有效系數；η0為纖維的方向系數；ηb為纖維與瀝青混合料基體的界面粘結系數；ηa為纖維的長度有效系數。

Mangat等[29]在前人提出的基于纖維與基體的混合定律基礎上推導出纖維瀝青混合料的直接拉伸強度和劈裂強度的混合率計算公式，并把該表達式的應用范圍進一步擴大到對矩形復合材料力學及路用性能的研究。

王志剛[30]利用場發射環境掃描電子顯微鏡(environmental scanning electron microscope，ESEM)從微觀角度來分析聚酯纖維對其低溫性能和抗疲勞性的作用機理。從掃描電鏡圖像中發現在加入聚酯纖維后，其內部構建起一張加筋網，在受到外荷載作用時能夠將受損區域隔離起來，從而阻止裂紋的擴展。

2.5 纖維的吸附作用機理

根據界面理論，纖維材料與瀝青混合料主要是通過二者表面所存在的活性官能團之間的反應將復合材料兩相界面連接起來。從微觀結構方面來說，在纖維層的表面結構上，瀝青分子呈現出單分子狀排列的特點，會形成一層復合材料分子緊密相連的“結構瀝青”界面層，如圖5所示。

圖5 纖維與瀝青界面作用示意圖Fig.5 Diagram of interfacial interaction between fiber and asphalt

陳同海等[31]通過引入界面理論來探索纖維材料對SMA的增強機理，結果顯示：纖維材料因具有不錯的浸潤及吸附能力而對瀝青混合料的力學及路用性能有著不錯的改善效果，纖維的摻入還能有效降低瀝青膠漿的溫度敏感性。

現有研究雖提出了一些較為完善的理論分析模型，從多個角度揭示了其改善機理，但這些理論研究仍處于試驗探索階段，理論分析模型不夠系統完善，測試方法比較復雜。有研究人員利用紅外光譜研究了纖維瀝青混合料組分及其分子結構，證實了纖維與瀝青混合料間以物理作用為主，并不依靠化學作用來增強混合料性能。所以我們應該深入分析該復合材料的物理力學特征，從更多角度來揭示其改善機理。

在纖維-基體間的相互作用機理方面，從中外現有的研究成果來看仍凸顯以下不足。

(1)剪滯模型雖在不斷改進，考慮因素也更加全面，但該理論只是一種近似方法，其精度較低。

(2)應用混合定律來估算纖維瀝青混合料的各項性能雖能達到一定的效果，但由于未考慮應力集中的影響以及復合材料內部界面粘結的理想化，導致其預測值與試驗實測值相比偏高。

(3)由于中國在纖維瀝青混合料領域的研究時間較短，大多都是基于國外已有的理論模型基礎上進行補充或修改，能否建立一個更好的理論模型來揭示其作用機理是一項巨大挑戰。

3 纖維增強瀝青混合料的界面表征分析方法

通過上文的闡述可發現在復合材料中最重要的一個微觀結構是界面，因為它是連接纖維與瀝青混合料的橋梁。只有較好的內部界面結合狀態才能較好地發揮纖維材料的承載能力。而對復合材料內部界面特性的表征一般是利用多維度多尺度的試驗加以論證。下面從宏觀、微觀以及形貌觀察這三個不同維度對現有界面表征試驗方法進行總結。

3.1 界面表征宏觀試驗方法

在復合材料內部界面的宏觀表征方法中主要以界面靜態或動態剪切試驗以及Leutner剪切試驗為主。這兩種試驗方法采用的均為雙層圓柱形試樣，前者采用的是斜剪模式，將試件放入預設溫度的環境中數小時后再置于斜剪試驗機中，然后施加荷載直到材料完全破壞為止，從而獲取復合材料的動態剪切破壞強度；而后者則是采用直剪模式，將試件橫向放置于試驗機中并進行豎向加載，當剪切位移達到15 mm時停止試驗，并記錄產生的剪切力[32-33]。Awan等[34]采用靜態剪切試驗發現在碳纖維中引入納米石墨烯材料能顯著提升復合材料的界面黏結強度，其界面剪切強度提高了25%左右。

該方法的優勢主要表現在試樣易于制作，能較好地表征纖維瀝青混合料內部的界面粘結強度，測試值與真實值較為接近；以上試驗方法所采用的兩種不同加載方式能夠模擬不同道路的受力狀況，其不足之處在于無法表現出不同材料之間的接觸特性。

3.2 界面表征微觀試驗方法

在纖維-瀝青界面的微觀表征方法中主要有微滴包埋試驗、單纖維布氏法和單絲拔出法。微滴包埋試驗的操作方法是首先將纖維材料從兩端水平拉直固定，而后制成纖維貫穿基體的微滴包埋試樣，最后將纖維拉出以造成復合材料界面的破壞，同時記錄基體包埋纖維的長度、加載應力和纖維材料的有效截面積；單纖維布氏法是以待測物中的一小部分作為試樣，然后用頂針對齊基體中纖維的端部，最后將纖維頂出基體為止；單絲拔出法是將纖維拉直并放置于預制的薄膜層之間制成一種板狀物，最后進行纖維-基體的拔出試驗[35-37]。由于單絲拔出法不能直接觀察到復合材料界面脫黏的全過程，因此無法將荷載值與失效模式聯系起來，Li等[38]使用聲發射(acoustic emission， AE)來記錄礦物纖維與瀝青混合料的拔出過程，AE信號反映出了獨特的界面破壞過程。Zhang等[39]利用有限元軟件對復合材料的纖維拔出過程進行3D數值模擬，分析結果顯示界面均質度增加，復合材料韌性降低，峰值荷載增加，瀝青混合料內的拉應力集中區進一步擴大。而微滴包埋試驗實際上是單絲拔出法的一種改進方法，Gonzalez-Chi等[40]將碳納米管超聲分散到芳綸纖維上，通過微滴包埋試驗表征了芳綸纖維與聚丙烯間的內部界面特性，試驗結果表明該復合材料的界面剪切強度很大。以上三種界面表征方法的優缺點對比詳見表1。

表1 三種方法的優缺點對比Table 1 The advantages and disadvantages of the three methods

有研究機構針對微觀試驗方法研發了相應的測量儀器，但尚未形成統一的標準，此外，由于受到溫度及濕度的影響較大，對試驗儀器的精度要求較高，仍需要開發更高精度的界面性能測試儀器。

3.3 界面表征形貌分析方法

對于復合材料內部界面的形貌觀測方法主要取決于試驗設備的優劣及其精度的高低，目前主要是利用掃描電鏡、納米壓痕技術、X-ray無損傷掃描圖像識別技術以及掃描隧道顯微鏡等設備來進行復合材料內部界面微觀結構的研究。由于現有技術無法準確界定復合材料界面強度，因此，形貌表征方法只能用來作為佐證數據、對比或展示。此外，納米壓痕技術和X-ray無損傷掃描圖像識別技術也有一定的局限性，即對界面性能無法作出準確判斷[41]。

從宏觀、微觀以及形貌觀測這三個方面進行研究能更加全面地表征復合材料內部界面性能。宏觀試驗強調纖維復合材料的實際使用性能；微觀試驗方法則是從微細觀角度來解釋纖維瀝青混合料內部界面的粘結強度；形貌觀測法主要起到佐證或對比的作用。將三種方法結合起來最大限度地發揮各自的優勢，能夠為纖維瀝青混合料內部界面特性的研究提供一定支持。

4 纖維改性瀝青混合料性能的影響因素

4.1 纖維摻量對纖維瀝青混合料性能的影響

纖維摻量的高低是影響該復合材料各項性能的重要因素，摻量過低達不到理想中的改善狀況，而摻量過高則可能適得其反，即使是同一摻量對瀝青混合料各項性能的作用情況又各不相同。

楊碩等[42]對比研究了四種鋼纖維摻量(0、1%、2%、3%)對瀝青混合料性能的改善情況，試驗結果表明鋼纖維摻量選擇1%最優。大部分研究人員都是基于室內試驗以勁度模量、劈裂強度等指標來研究纖維摻量對其性能的影響，而高丹盈[43-44]等則是根據瀝青用量的變化情況來找尋纖維摻量與瀝青用量間的聯系，通過纖維對瀝青的加筋吸附能力分析纖維在瀝青混合料中的散布情況，以此來確定纖維材料的最優摻量。

Tapkin等[45]基于室內靜態蠕變試驗和馬歇爾試驗，不僅發現了聚丙烯(PP)纖維主要是通過改善抗變形能力來提升其力學及路用性能，還得到PP纖維的最佳摻量為0.5%。Aline等[46]基于Maeshall和Superpave兩種方法分析了椰子纖維和纖維素纖維對SMA的改善情況，得到最佳摻量為0.3%。

表2列出了現有研究中常用路用纖維材料的最佳摻量參考值。

表2 常用纖維材料改善混合料性能的最佳摻量參考值Table 2 Reference value of optimal dosage of commonly used fiber material to improve the performance of the mixture

可見，大多數研究人員都把馬歇爾試驗方法作為確定最佳纖維摻量的主要方法，但該方法有明顯不足之處，首先，根據已有研究成果顯示，加入纖維材料的瀝青混合料其穩定度大多小于不加纖維的瀝青混合料，究其原因，主要是因為馬歇爾試驗是在60 ℃的溫度下進行，而高溫勢必會削弱纖維的加筋作用。另一方面，在確定纖維材料的最佳摻量之前，一般會預先給定四、五個不同的纖維摻量值，由于纖維摻量的變化范圍有限，大多在1%左右，纖維摻量的不斷提高會導致混合料很難拌和均勻，而且，在這樣的摻量變化范圍內也很難找尋其中的變化規律。

4.2 不同纖維種類對瀝青混合料性能的影響

市面上的纖維材料種類雖然多，但真正能夠運用到瀝青混凝土路面中的一般以玄武巖纖維以及合成纖維為主，在選擇纖維種類時，應從實際改善程度和經濟性出發，以期為實際工程應用中纖維的選取給予支持。

熊銳等[47]通過室內試驗對比研究了聚酯纖維、玄武巖纖維以及Miber I型礦物復合纖維對其部分力學及路用性能的改善情況。結果表明：Miber I型礦物復合纖維對其高溫穩定性能以及水穩定性的增強幅度最大，而在低溫性能上則是玄武巖纖維的表現最優。高桂海等[48]分別選取三種不同纖維材料(玄武巖纖維、石棉纖維、合成纖維)并通過室內試驗來評價不同纖維種類對排水瀝青路面力學及路用性能的改善效果，研究表明：在高低溫性能和抗疲勞性方面，礦物纖維較另外兩種表現出更好的性能，在水穩定性方面，三種纖維材料的差異性不大，綜合看來，玄武巖纖維是排水瀝青路面最適宜的材料。聶舒磊等[49]、馬建萍[50]、孔令紳等[51]和Wang等[52]對比研究了三種不同纖維材料對混合料性能的改善情況，測試結果均顯示玄武巖纖維瀝青混合料的綜合性能最好，木質素纖維次之，而聚酯纖維相對來說改善效果較差。

選擇不同的纖維種類不僅影響對混合料性能的作用效果，還有利于控制成本，如1 t礦物纖維價格大約為1.7萬元，若按最佳摻量0.5%計算，1 t瀝青混合料則需要5 kg纖維材料，價格區間在75～100元不等。常用路用纖維的價格詳見表3。

表3 常用路用纖維材料價格表Table 3 Price list of common road fiber materials

Asnak等[53]在試驗研究中所采用的GXN型聚酯纖維，在達到相同的力學及路用性能情況下至少能節約30%的材料成本，經濟效益顯著。

可見，在礦物纖維中應用最多的是玄武巖纖維，合成纖維中以聚酯纖維為主，而石棉纖維在后期的研究過程中發現其對生態環境污染嚴重、對人體健康有害而被禁用，合成纖維和木質素纖維的耐火性較差，而玄武巖纖維具有強度高、耐高低溫、吸音系數高、無害無污染且原材料分布廣、價格低等優勢，其應用最為廣泛。

4.3 溫度對纖維瀝青混合料性能的影響規律

纖維瀝青混合料對溫度十分敏感，當施工溫度較高時，瀝青混合料具有良好的流動性，壓實度增加，混合料性能得以提升；而在低溫條件下情況則相反。

張宜洛等[54]分析了施工溫度對復合材料馬歇爾試驗指標的影響情況，結果表明施工時的最佳拌合溫度為165 ℃，擊實溫度為150 ℃，相較于未摻加纖維材料的混合料的施工溫度提升了8 ℃左右。陳開群等[55]以蔗渣纖維為研究對象研究了在不同溫度條件下瀝青膠漿黏度的變化規律，結果表明：當溫度不斷升高，瀝青膠漿的黏度逐漸降低，且在溫度升高過程中，蔗渣纖維的黏度曲線經歷先急后緩的遞減規律。張攀[28]通過直剪試驗分析了不同溫度對其力學性能的影響，以此來評價纖維對瀝青的加筋作用，結果表明：當溫度從15 ℃上升到25 ℃時，復合材料的最大抗剪強度最大降幅達到90%，可見纖維瀝青混合料對高溫相當敏感。

4.4 復配纖維或改性劑對混合料性能的復合影響

改善瀝青混合料性能的相關措施在上文中已提到，要么改善礦質混合料級配，要么改善瀝青性能，或者摻入纖維材料。而有關改善混合料性能的研究大多是單獨地運用某一種方法，改善效果雖然有，但能否綜合利用以上改善措施盡可能多的提高混合料性能呢？如近年來，有科研人員嘗試將廢棄橡膠粉直接與瀝青混合料進行拌合從而達到改性的目的，但同時也會出現問題，二者混合后會造成溶脹現象，若內部空間不足將會對礦質混合料級配產生干涉作用。而加入纖維材料則可能會解決這一問題，但目前關于纖維結合廢膠粉對混合料的復合改性研究很少，王笑風等[56]將兩種材料加入SAC-13中來分析混合料的施工和易性。朱興龍等[57]基于室內試驗對比分析了纖維膠粉復合改性方案在不同礦質集料級配中的使用情況，以此來選擇最合適的礦質集料級配類型，但文中并未提到纖維的摻量，也未分析纖維和廢膠粉對瀝青混合料的共同作用機理。左育賢[58]考慮到聚酯纖維能對膠粉的溶脹起到一定抑制作用，將兩種材料共同摻入混合料中，發現二者的加入使其性能提升明顯，并確定了纖維摻量以0.1%為宜。

RET是由美國研發的一種新型瀝青改性劑，經RET改性后瀝青混合料的高溫性能和抗老化能力明顯增強，但對低溫性能的作用效果并不顯著。劉冉冉等[59]嘗試利用RET改性劑加聚酯纖維的組合形式來研究對瀝青混合料的復合影響。研究表明：該復配方案能較好地提高其高低溫性能和抗疲勞性，但當RET改性劑摻量逐漸增加時，其低溫性能并未得到顯著提升，即說明聚酯纖維在對混合料低溫性能的作用中占主導地位，從低溫性能這一角度來看，RET改性劑的最佳摻量為1.5%～2.0%。

章汪琛等[60]選用玄武巖、聚酯和碳纖維，并采用兩兩結合的方式與摻入單纖維進行對比試驗，研究發現：在抗剪強度和高溫穩定性方面，玄武巖搭配聚酯纖維的組合方式對混合料的改善效果要好于其他單摻或復配方案，但在另外兩種復配方案下瀝青膠漿的抗剪強度值卻低于摻入單聚酯纖維或單碳纖維時復合材料的抗剪強度。可見，并不是所有的復配方式都比單摻纖維瀝青混合料的改善效果好，而玄武巖搭配聚酯纖維這一組合形式有很好的改善效果主要是因為聚酯纖維對瀝青膠漿有較強的吸附能力，加上玄武巖纖維強度高，其加筋效果明顯，兩種纖維復配后能很好地發揮各自優勢。Wang等[61]的研究結果表明硫酸鈣晶須與聚酯纖維復合改性劑可顯著提高瀝青混合料的高溫穩定性而不會降低其低溫抗裂性能，且硫酸鈣晶須的最佳含量為2%～2.5%，聚酯纖維的最佳摻量為2%～3%。朱春鳳[62]、孫曉[63]分析了礦物纖維搭配硅藻土的組合方式對瀝青混合料性能的作用效果，前者能有效提高其低溫性能，而硅藻土可有效改善其高溫穩定性能，將二者相結合就能同時發揮各自優勢。

可見，由于摻入單纖維難以保證混合料各項性能都能夠提升，而復配纖維或改性劑的方案恰好能夠取長補短，進而提高混合料的綜合性能，但同時，多種材料的摻入，勢必會使混合料內部結構進一步復雜化，而目前在這方面的研究大多僅限于宏觀現象，并未從微觀上建立新的理論模型對復合材料的作用機理展開研究，這也是該領域未來的一大發展方向。

在上述研究中可發現，影響纖維瀝青混合料性能的原因比較復雜，目前還存在以下問題亟需解決。

(1)由于不同的研究人員所選取的纖維材料、瀝青種類及用量、試驗方法及條件、外部環境等存在較大差異，在纖維最佳摻量的研究中未進行系統化的研究，很難提供一個準確的摻量值。

(2)現有成果大多是基于復合材料性能的研究，而對纖維材料的力學性能指標、大小尺寸及摻量等對混合料影響的研究不夠深入、具體。

(3)目前，市面上出現了一些新型的纖維材料，而對此相關的研究較少，對于纖維材料的選擇大多是經驗性的。

5 結論與展望

通過對纖維材料自身的相關物理力學特性、纖維-基體間的主要作用機理、界面表征方法等研究熱點進行綜述，得到如下主要結論。

(1)現有理論分析模型能較好地揭示纖維材料對瀝青混合料性能的微觀作用機理，但基于剪滯理論的分析模型其計算精度較低；混合定律所考慮的因素不夠完善，與實際測試值有偏差。

(2)三種不同角度的試驗方法能很好地表征復合材料的內部界面特性。而單獨地運用某種方法具有一定的局限性，多角度分析才能更好地發揮各自優勢。

(3)影響該復合材料性能的因素主要有纖維摻量及種類、溫度和復合改性。纖維摻量的確定方法比較單一，且存在明顯不足；選擇不同的纖維種類對混合料性能以及成本方面的影響差異較大；復合改性方案能更全面地改善混合料性能，但同時也是對微觀作用機理研究的一項挑戰。

筆者認為目前關于纖維改性瀝青混合料性能的研究仍然存在不少問題，很多更符合實際情況的理論思想或研究方案并未引入實際工程案例中去。因此，未來可從以下幾點來展開研究。

(1)建立纖維改性瀝青混合料力學及路用性能的綜合評價體系。目前，對于該復合材料性能的評價方法單一而獨立，而混合料的力學及路用性能是綜合性的，應建立多維度的評價指標和全面且綜合的評價體系。

(2)建立考慮時間效應的纖維瀝青混合料性能評價指標。作用于纖維瀝青路面結構的荷載和環境因素是隨著時間而變化的，因此，纖維瀝青混合料性能也將會隨著時間而發生變化，研究復合材料各項性能的時變評價指標更符合客觀事實。

(3)利用復配纖維或改性劑的方法來提升混合料的整體性能雖已有研究，但目前還處于試驗室研究階段，在實際運用中還需考慮復合改性瀝青的存放條件以及實際施工操作的問題，并且復配材料會使混合料內部環境進一步復雜化，其共同作用機理也有待深究。

(4)如何使纖維材料在混合料中均勻分散并不產生離析，是當前纖維在瀝青改性應用中一個較為普遍且不易解決的技術難題。

(5)碳纖維所具有的導電導熱特性可為路面導電除冰、除雪等實際運用中給予技術支持，可見碳纖維的導電作用在瀝青導電功能的實現上擁有巨大潛力，有待深入研究。

(6)從保護生態環境以及提高資源利用率的角度出發，應大力推行“綠色纖維”的健康發展。現已有學者對棉花、麥秸、稻稈、羽毛等在道路材料中的應用進行了研究，但僅限于纖維材料的制取工藝以及纖維對混合料宏觀性能的影響，而在微細觀角度下的探索以及“綠色纖維”在混合料中的應用能否被大面積推廣有待考究。