本次向您介绍的研究成果发表于《Construction and Building Materials》期刊第164卷（2018年），文章题为“Improvement of asphalt mixture performance with glass macro-fibers”。该研究由阿根廷拉普拉塔国立大学工程学院与LEMIT-CIC实验室的F. Morea（通讯作者）与R. Zerbino共同完成。这是一篇关于玻璃粗纤维（glass macrofiber）增强沥青混凝土性能的原创性研究论文。
该研究属于道路工程与建筑材料领域，具体聚焦于纤维增强沥青混凝土（Fiber Reinforced Asphalt Concrete, FRAC）技术。长期以来，纤维被用于增强脆性材料，例如在波特兰水泥混凝土中控制开裂并提供残余承载能力。然而，在沥青混凝土领域，纤维的应用主要局限于短纤维（长度<25毫米），常见于石玛脂沥青（Stone Mastic Asphalt, SMA）等多孔混合料中，其作用是增加沥青含量以防止沥青滴漏，而非主动增强力学性能。沥青混凝土在低温下表现为脆性材料，容易出现疲劳开裂和低温开裂，但利用粗纤维（长度>35毫米）来主动增强其抗裂与抗车辙性能的研究尚属空白，也缺乏相应的混合料设计方法。
因此，本研究旨在探索将玻璃粗纤维掺入密级配沥青混凝土中，以改善其性能。具体目标包括：1）评估掺入微纤维（玻璃、聚酯）和粗纤维（玻璃）对沥青混凝土高温抗车辙性能和低温断裂性能的影响；2）比较不同类型与掺量纤维的效果；3）为纤维增强沥青混凝土，特别是使用粗纤维的混合料，提供初步的性能数据与设计思路。
本研究分为初步研究和主体研究两个阶段，包含材料制备、体积与力学性能测试、抗车辙试验和断裂性能试验等多个步骤。
1. 材料与混合料设计： 研究采用的基体沥青混合料为密级配类型，包含两种粗骨料（6-20毫米、6-12毫米）、破碎砂（0-6毫米）以及CA-30级沥青结合料（PG 64-16），油石比为4.8%（重量比）。 使用的纤维包括两种微纤维和一种粗纤维：玻璃微纤维（MG，长12毫米）、聚酯微纤维（MP，长25毫米）和玻璃粗纤维（MG，长36毫米，文中后续用MG代表粗纤维，需注意与玻璃微纤维缩写相同但含义不同）。纤维的掺量以其占混合料总重量的百分比表示。 * 初步研究： 制备了掺量为0.4%的玻璃微纤维（MG04）和聚酯微纤维（MP04）混合料，以及作为对照的无纤维混合料（C）。 * 主体研究： 制备了掺量为0.2%、0.4%、0.6%的玻璃粗纤维混合料（MG02， MG04， MG06），同样以混合料C作为对照。 所有纤维增强沥青混凝土（FRAC）的制备过程均保持一致：先将热骨料与纤维干拌至少30秒以确保分散，然后加入沥青结合料继续拌和约2分钟。采用碾压机将混合料压实成300×300×50毫米的板状试件，用于后续车辙和弯曲试验。同时，为分析粗纤维对体积指标的影响，还制作了马歇尔试件。
2. 实验方法： 本研究采用了三种标准试验方法来评估混合料的性能。 * 马歇尔试验（ASTM标准）： 对对照混合料C和三种玻璃粗纤维混合料（MG02， MG04， MG06）进行测试，测量其密度（D）、空隙率（V）、稳定度（S）和流值（F），以评估纤维掺入对混合料体积参数和基本力学性能的影响。 * 轮迹跟踪试验（Wheel Tracking Test, WTT， EN 12697-22）： 用于评估混合料在高温（60°C）下的抗车辙性能。试验测量试件在重复轮载作用下的永久变形（车辙深度）。通过拟合变形-循环次数曲线（Dn = A * N^B），并计算两个关键参数：轮迹跟踪斜率（Wheel Tracking Slope， WTS， 反映混合料的抗剪切变形能力）和比例车辙深度（Proportional Rut Depth， PRD）。每个混合料至少测试两个平行试件。 * 带缺口梁三点弯曲试验（Notched Beam Bending Test）： 用于评估混合料在低温（0°C和10°C）下的断裂性能。试件尺寸为50×75×300毫米，中间开有15毫米深的缺口以确保裂缝从缺口尖端引发。试验采用裂缝口张开位移（Crack Mouth Opening Displacement， CMOD）控制，速率为0.9毫米/分钟。从典型的应力-CMOD曲线中，提取以下关键参数：峰值应力（Sp）、在CMOD分别为1， 2， 3， 4毫米时的残余应力（RS1， RS2， RS3， RS4， 反映材料开裂后的承载能力），以及计算到CMOD=1毫米和3毫米为止的断裂能（韧性， T1， T3）。每个混合料在每个温度下至少测试三个平行试件。
3. 数据分析流程： 研究对各项试验获得的原始数据（如车辙深度、应力、CMOD）进行整理和计算，得到前述各项性能指标（WTS， PRD， Sp， RS， T等）。通过将纤维增强混合料的指标与对照混合料进行对比，分析纤维类型和掺量对性能的影响趋势。同时，结合阿根廷规范中对WTS和PRD的技术要求，评估了各混合料可适用的交通等级和路面层位。研究还通过观察断裂试件的断面，定性分析了纤维的分布和破坏模式（如拔出或拉断）。
1. 微纤维混合料的初步研究结果： * 抗车辙性能： 掺入0.4%的玻璃微纤维（MG04）和聚酯微纤维（MP04）均显著改善了混合料的抗车辙性能。与对照混合料C相比，MG04和MP04在10000次循环后的永久变形（D10000）分别减少了25%和54%。根据阿根廷规范，对照混合料C仅适用于T4交通等级的路面表层或T3等级的基层，而MG04和MP04可分别适用于更苛刻的T2和T1交通等级的路面表层。 * 断裂性能（10°C）： 在10°C下，掺入微纤维对混合料的断裂行为改善不明显。MG04和MP04的应力-CMOD曲线形状、峰值应力和韧性与对照混合料C相似，甚至峰值荷载略有下降，这可能与纤维轻微影响压实有关。
2. 玻璃粗纤维混合料的主体研究结果： * 体积与基本力学性能（马歇尔试验）： 随着玻璃粗纤维掺量的增加，混合料的密度呈下降趋势，而空隙率在掺量达到0.6%时有明显升高。这归因于研究中未因纤维的加入而调整最佳沥青用量，且马歇尔击实方法对含有长纤维的混合料压实效果不佳。尽管如此，所有纤维混合料的稳定度与对照混合料C处于同一水平，而流值则略高于C。 * 抗车辙性能： 玻璃粗纤维的掺入显著提高了抗车辙性能。其中，MG04（0.4%掺量）表现最佳，其WTS和PRD值甚至优于MG06（0.6%掺量），表明0.4%可能是一个更优的掺量。所有掺粗纤维的混合料（MG02， MG04， MG06）均能满足阿根廷规范中对最高交通等级T1路面表层的要求。相比之下，聚酯微纤维MP04在抗车辙方面表现最佳，但与最佳掺量的玻璃粗纤维MG04效果接近。 * 断裂性能： 玻璃粗纤维对改善低温断裂性能效果显著。 * 在0°C下： MG02的断裂行为与C相似，但MG04和MG06表现出明显更高的残余应力能力，特别是在小CMOD（毫米）阶段。然而，当CMOD更大时，残余应力下降较快，研究者推测这可能是由于纤维与沥青胶砂之间的粘结失效（纤维被拔出）所致。 * 在10°C下： 也观察到了类似的趋势，但改善幅度不及0°C时明显。 * 与微纤维对比： 在相同0.4%掺量下，玻璃粗纤维MG04显著改善了断裂行为，而玻璃微纤维MG04则没有明显效果。 * 关键参数分析： 粗纤维的加入提高了混合料的峰值应力。更重要的是，它极大地提高了残余应力，尤其是在0°C的低温脆性条件下。例如，在CMOD=1毫米时，MG04和MG06的残余应力几乎是C的两倍。韧性参数（T1， T3）也证实了这一点，纤维掺量越高，韧性改善越大，且在0°C下的改善效果比在10°C下更为显著。
本研究得出以下主要结论： 1. 可行性验证： 成功探索了将玻璃粗纤维用于增强沥青混凝土性能的可行性。 2. 性能改善： 无论是微纤维还是粗纤维，都能显著改善沥青混凝土的高温抗车辙性能。其中，玻璃粗纤维还能有效改善混合料在低温至中温条件下的断裂性能，提高其峰值应力和开裂后的残余承载能力（韧性），这种改善在更低温度（0°C）下更为显著。 3. 最优掺量： 对于本研究使用的特定材料（骨料、级配、沥青），玻璃粗纤维的掺量以0.4%为优，其在抗车辙和抗断裂方面均取得了最佳的综合改善效果。 4. 设计方法必要性： 由于纤维的加入影响了混合料的压实特性和体积参数，为充分发挥纤维增强沥青混凝土的性能，未来必须开发一套针对性的混合料设计方法，其中包括优化沥青用量和考虑更合适的压实方法（如旋转压实）。
研究的价值体现在： * 科学价值： 填补了关于粗纤维在沥青混凝土中应用与性能研究的空白，初步揭示了玻璃粗纤维在改善沥青混凝土，特别是低温抗裂性能方面的作用机制（如桥接裂缝、应力传递），为后续深入研究奠定了基础。 * 应用价值： 研究结果表明，使用纤维（尤其是粗纤维）增强是一种有潜力提升沥青路面长期性能（减少车辙和裂缝）的技术途径。这为应对重载交通和严酷气候条件下的路面工程挑战提供了新的材料解决方案思路。研究结果可直接用于指导进一步的工程试验和优化。
研究在讨论部分指出，观察断裂试件断面发现，纤维分散良好。主要破坏模式疑似为纤维从沥青胶砂中拔出，这表明纤维-沥青界面的粘结性能是限制其残余应力在更大变形下发挥的关键因素。这进一步支持了开发适用于沥青材料的专用纤维（如通过表面处理改善粘结）的必要性。此外，研究通过对比阿根廷规范，将实验室性能指标与工程实践中的交通等级要求相联系，增强了研究成果的工程应用指导意义。