近日，来自扬州大学土木科学与工程学院以及玄武岩纤维复合材料土木工程应用研究中心的研究团队，在期刊 Materials 上发表了一项题为“Evaluation of Cracking Resistance of SMA-13 Hot Recycling Asphalt Mixtures Reinforced by Basalt Fiber”的原创性研究成果。该研究聚焦于绿色低碳发展背景下的道路材料再生技术，旨在探究新型纤维稳定剂——玄武岩纤维对提升热再生沥青混合料抗裂性能的潜力。以下是对该研究的详细学术报告。
一、 研究背景与目的
本研究隶属于道路工程与材料科学交叉领域。在全球能源节约与减排的大背景下，沥青路面热再生技术因其快速、经济、资源节约等优点而被广泛应用，主要包括厂拌热再生与就地热再生两种工艺。然而，再生沥青混合料中不可避免地含有老化沥青，导致其与新拌沥青混合料相比，抗裂性能不足且劣化更快。这已成为制约热再生技术大规模、高质量应用的关键技术瓶颈。因此，如何有效改善热再生沥青混合料的抗裂性能，是当前道路工程领域的研究热点。
已有研究证实，玄武岩纤维作为一种高性能无机纤维，能够有效改善新拌沥青混合料的综合路用性能，尤其是在提升抗裂性方面展现出显著优势。受此启发，本研究团队提出科学设想：将玄武岩纤维引入厂拌热再生与就地热再生沥青混合料中，以提升其抗裂性能。本研究旨在通过系统的室内试验，比较玄武岩纤维与传统木质素纤维对两种热再生工艺下 SMA-13 混合料低温和中温抗裂性能的改善效果，并通过相关性分析筛选出适宜的评价指标，从而为玄武岩纤维在 SMA-13 热再生混合料中的应用提供理论依据和技术参考。
二、 研究流程与方法详述
本研究是一个系统性的材料设计与性能评价过程，包含材料准备、混合料设计、试件制备、性能测试及数据分析等多个紧密衔接的环节。
第一环节：材料准备与特性表征 研究团队首先确定了所有基础材料的来源与性能。回收沥青路面材料（RAP）取自沪宁高速公路无锡段 SMA-13 上面层，通过规范方法提取其老化沥青，并测定了针入度、软化点、延度及粘度等关键指标，证实其已严重老化。RAP 的沥青含量经测定为 5.48%，并分析了其矿料级配。新集料选用玄武岩粗、细集料与石灰岩矿粉。新沥青选用 PG 76-22 级 SBS 改性沥青。为恢复老化沥青性能，选用 RA-102 型再生剂。核心对比材料为两种纤维：试验组使用来自江苏天龙玄武岩连续纤维股份有限公司的玄武岩纤维（长度3-9mm，直径17µm），对照组使用常规木质素纤维。研究团队对纤维的物理力学指标（如断裂强度、弹性模量等）进行了详细测定并列表展示。
第二环节：混合料配合比设计 研究设计了六种 SMA-13 纤维沥青混合料：新拌混合料（0% RAP）分别添加木质素纤维或玄武岩纤维；厂拌热再生混合料（30% RAP）分别添加两种纤维；就地热再生混合料（80% RAP）分别添加两种纤维。首先，通过再生剂掺量（4%、6%、8%、10%）对老化沥青的常规性能恢复试验，确定最佳再生剂掺量为 6%（以旧沥青质量计），此掺量下再生沥青的针入度与软化点已接近新沥青水平。其次，根据 JTG E20 规范，采用马歇尔设计方法分别确定了六种混合料的最佳油石比及相关体积参数（如空隙率 VV、矿料间隙率 VMA 等）。结果显示，对于厂拌热再生混合料，玄武岩纤维混合料的油石比通常比木质素纤维的低 0.2 个百分点。最后，通过谢伦堡析漏试验与肯塔堡飞散试验验证了混合料最佳沥青用量的合理性。
第三环节：室内模拟制备工艺 为确保试验条件贴合实际工程，研究团队严格按照两种热再生工艺的施工流程在室内模拟制备了再生混合料。关键步骤均采用“干拌法”：先将纤维与加热的新集料干拌 90 秒，再依次加入沥青、矿粉等。厂拌热再生工艺：新集料加热至 180°C，RAP 预热至 130°C，然后将新拌混合料与预热 RAP、再生剂一同拌和，最终拌和温度为 185°C。就地热再生工艺：新集料加热至 170°C，RAP 加热至 160°C，随后将新拌混合料（占 20%）与预热 RAP（占 80%）及再生剂一同拌和。不同的加热温度设置精确模拟了两种工艺的能量输入差异。
第四环节：抗裂性能试验与数据采集 研究采用四种标准试验方法，分别在低温和中温条件下评价抗裂性能。低温性能试验（-10°C）：1. 小梁弯曲试验：依据 JTG E20 规范，制备 250mm×30mm×35mm 的棱柱体梁试件，每组 4 个平行试件，在 -10°C、50mm/min 加载速率下进行三点弯曲试验，计算抗弯拉强度、最大破坏应变和劲度模量。2. 低温弯曲蠕变试验：同样基于 JTG E20 规范，使用相同尺寸试件进行恒定荷载下的弯曲蠕变试验。研究采用 Burgers 粘弹性模型拟合试验数据，通过全局优化算法非线性拟合获得模型四参数（E1, E2, η1, η2）的最优解。基于这些参数，进一步计算了耗散能（Wd）、储存能（Ws）、单位劲度蠕变率（m(t)/S(t)）以及耗散能比（Wd/Ws）。其中，Wd/Ws 越高，材料的应力松弛能力越强，低温性能越好；m(t)/S(t) 则能更综合地表征低温性能。 中温性能试验（25°C）：1. 半圆弯曲试验：依据 AASHTO TP 124-16 标准，对带缺口半圆试件进行三点弯曲试验，记录荷载-位移曲线。计算断裂能（Gf，即断裂功与韧带面积之比）和柔性指数（Flexibility Index, FI）。Gf 反映材料抵抗开裂所需能量，FI 反映裂缝扩展速率，FI 值越高表明抗裂扩展能力越强。2. 理想开裂试验：采用 IDEAL-CT 方法，对直径 150mm、高 62mm 的圆柱体试件进行单轴加载试验。计算开裂指数（CTindex），该指标综合了断裂能和荷载-位移曲线后段的斜率信息，能有效反映混合料的抗裂性能。以上每种混合料类型在每个试验中均制备并测试了 4 个平行试件以保证结果的可靠性。
第五环节：数据分析与相关性研究 除了对各项试验指标进行对比分析外，研究还引入皮尔逊相关系数法（Pearson‘s correlation coefficient），使用 IBM SPSS Statistics 27.0 软件，以混合料类型（RAP 掺量）为变量，分析了不同抗裂性能指标（最大破坏应变、Gf、FI、CTindex、Wd/Ws、m(t)/S(t)）之间的相关性。相关系数的绝对值大小用于判断指标间关联的紧密程度（极高、高、中等、低、可忽略），旨在从数学统计角度为不同温度区间的抗裂性能评价筛选出最合适的试验方法。
三、 主要研究结果与阐释
1. 小梁弯曲试验结果：结果表明，对于同种纤维，随着 RAP 掺量增加，再生混合料的劲度模量增大，而最大破坏应变显著降低。特别是使用木质素纤维、RAP 掺量高达 80% 的就地热再生混合料，其最大破坏应变仅为 1846 µε，远低于规范不小于 2500 µε 的要求，证实了高掺量 RAP 对低温抗裂性的严重损害。在同一混合料类型下，玄武岩纤维的引入显著降低了劲度模量，并大幅提升了最大破坏应变。当 RAP 掺量分别为 0%、30%、80%时，玄武岩纤维混合料的最大破坏应变比相应木质素纤维混合料分别提高了 18%、20%、27%。这表明玄武岩纤维通过其高强度、高模量的特性，增强了混合料在低温下的整体弹性与韧性。
2. 低温弯曲蠕变试验结果：无论使用何种纤维，随着 RAP 掺量增加，Wd/Ws 和 m(t)/S(t) 均呈下降趋势，再次印证了 RAP 削弱了混合料的应力松弛能力。对比纤维类型，玄武岩纤维混合料的这两项指标均显著优于木质素纤维混合料。具体而言，对于 30% RAP 的厂拌再生料，玄武岩纤维的 m(t)/S(t) 和 Wd/Ws 分别提升了 33.0% 和 45.6%；对于 80% RAP 的就地再生料，提升幅度分别达到 27.1% 和 105.4%。特别是 Wd/Ws 超过一倍的提升，有力地证明了玄武岩纤维能极大增强混合料在低温下的能量耗散能力，从而改善抗裂性。
3. 半圆弯曲试验结果：中温抗裂性同样受 RAP 掺量负面影响，Gf 和 FI 均随 RAP 增加而降低。在同类型混合料中，玄武岩纤维展现了优异的增强效果。对于 0%、30%、80% RAP 掺量，玄武岩纤维混合料的 Gf 比木质素纤维混合料分别提高了 14.5%、31.8%、19.9%；FI 则分别提高了 50.8%、74.8%、55.7%。FI 的大幅提升尤为关键，说明玄武岩纤维不仅能吸收更多开裂能量，更能有效延缓裂缝的失稳扩展，这归因于其良好的荷载分散与传递能力，能降低应力集中。
4. IDEAL-CT 试验结果：趋势与 SCB 试验一致，RAP 掺量增加导致断裂能（Gf0）和开裂指数（CTindex）下降。相比木质素纤维，玄武岩纤维显著改善了这两项指标。对于厂拌再生料（30% RAP），Gf0 和 CTindex 分别提高了 18.5% 和 37.2%；对于就地再生料（80% RAP），分别提高了 28.6% 和 19.9%。这进一步从不同试验方法角度证实了玄武岩纤维对中温抗裂性的提升作用优于传统木质素纤维。
5. 相关性分析结果：通过绘制相关性矩阵图发现，对于低温抗裂性评价指标（最大破坏应变、Wd/Ws、m(t)/S(t)），最大破坏应变与其他指标的相关性最好。从数学角度看，小梁弯曲试验更适合评价热再生沥青混合料的低温抗裂性。对于中温抗裂性评价指标（Gf、FI、Gf0、CTindex），Gf0 和/或 CTindex 与其他指标的相关性更强。因此，IDEAL-CT 试验更适合评价热再生沥青混合料的中温抗裂性。这一分析结果为选择高效、准确的性能评价方法提供了数据支撑。
四、 研究结论与意义
本研究通过系列试验得出以下核心结论： 1. 与新拌 SMA-13 混合料相比，热再生沥青混合料的低温和中温抗裂性均出现劣化，且 RAP 掺量越高（就地热再生），劣化幅度越大。 2. 与传统的木质素纤维相比，玄武岩纤维能显著提升热再生混合料的低温和中温抗裂性，且对就地热再生混合料（高 RAP 掺量）的性能提升幅度更为显著。这证实了玄武岩纤维在改善再生混合料韧性和增强能量耗散方面的卓越能力。 3. 玄武岩纤维能有效改善厂拌热再生和就地热再生 SMA-13 混合料的抗裂性能，其试验结果补充了玄武岩纤维在沥青混合料中的应用研究，为路面再生工程提供了有效的材料选择依据。 4. 不同试验方法得出的抗裂性能指标存在差异，可能反映了不同的开裂机理。相关性分析结果表明，小梁弯曲试验更适用于评价热再生沥青混合料的低温抗裂性，而 IDEAL-CT 试验更适用于评价其中温抗裂性。
本研究的价值在于：科学价值 上，系统揭示了玄武岩纤维对两种不同热再生工艺、不同 RAP 掺量混合料抗裂性能的增强机理与量化效果，并基于统计相关性为性能评价方法的选择提供了新见解。应用价值 上，为解决热再生混合料抗裂性不足这一工程难题提供了一种高效、可行的技术路径——即采用玄武岩纤维作为新型纤维稳定剂，这有助于推动更高比例、更高质量的道路材料循环利用，契合绿色、可持续的交通基础设施建设需求。
五、 研究亮点