学术研究报告：基于CT扫描技术的玄武岩纤维增强多孔沥青混凝土动态水冲刷抗性细观评价研究
一、作者与发表信息
本研究由西南交通大学土木工程学院Dongya Ren、Pengfei Wu、Haibo Yang、Jiarui Xu、Zilin Wang、Yangquan Huang团队与四川理工学院土木工程学院Xu Chen合作完成，通讯作者为Lin Kong。研究成果发表于Elsevier旗下期刊《Construction and Building Materials》第465卷（2025年），文章标题为《Mesoscopic evaluation of dynamic water scour resistance of basalt fiber-reinforced porous asphalt concrete using CT scanning technology》。
二、学术背景
科学领域：本研究属于道路工程与建筑材料交叉领域，聚焦多孔沥青混凝土（Porous Asphalt Concrete, PAC）的水损害机理与增强技术。
研究动机：PAC因其优异的排水性能广泛应用于多雨地区，但其多孔结构在交通荷载与动态水压力作用下易发生剥落、松散等水损害，降低耐久性。现有研究多关注宏观性能改良（如沥青改性或纤维添加），但玄武岩纤维（Basalt Fiber, BF）对PAC细观孔隙结构抗水冲刷能力的影响机制尚不明确。
研究目标：通过CT扫描技术结合水分敏感性测试仪（Moisture Induced Sensitivity Tester, MIST），量化BF-PAC在动态水作用前后的细观孔隙参数变化，揭示BF增强抗水冲刷能力的细观机制。
三、研究流程与方法
1. 材料制备与样本设计
- 材料：采用PAC-13级配，对照组为纯PAC（沥青含量4.8%），实验组为BF-PAC（沥青含量4.9%，BF掺量0.3%）。BF性能参数：长度9±1 mm，抗拉强度2420 MPa。
- 样本制备：通过马歇尔击实法成型圆柱试件（直径101 mm，高度63.5 mm），每组样本经50次双面击实，确保空隙率20%±0.5%。
2. 动态水环境模拟
- 设备：采用MIST装置（ASTM 7870标准），模拟车辆轮胎产生的动态水压力（276 kPa，60°C，3500次循环）。
- 核心机制：通过气囊膨胀/收缩模拟正负水压，复现实际路面的水-温度-荷载耦合环境。
3. CT扫描与细观参数提取
- 设备：Zeiss Xradia620工业CT（分辨率0.0596 mm/像素），结合Avizo软件进行三维重构与分析。
- 关键步骤：
- 图像处理：灰度转换→阈值分割→形态学处理→孔隙分离（基于分水岭算法）。
- 参数提取：孔隙数量、体积、平均体积、配位数（Coordination Number, CN）、平均喉道长度/直径、迂曲度（Tortuosity）等8项细观指标。
- 创新方法：提出“分离对象”模块（融合分水岭与距离变换算法），精准量化孔隙网络连通性。
4. 数据分析
- 相关性分析：计算28组细观参数间的相关系数，评估参数间关联强度。
- 水敏感性指数：定义敏感性指标（Sensitivitymc），量化动态水作用前后参数变化率。
四、主要研究结果
1. BF对孔隙结构的稳定作用
- 孔隙率变化：BF-PAC孔隙率变化（0.57%）显著低于PAC（1.46%），表明BF通过填充空隙与增强沥青-集料粘结抑制水侵蚀。
- 孔隙数量与体积：PAC在动态水作用后小孔隙（0–1 mm等效直径）数量增加425个，而BF-PAC仅增加299个；BF-PAC的大孔隙（7–8 mm）体积减少，而PAC的大孔隙（8–9 mm）体积显著增加。
2. 孔隙连通性与喉道特征
- 配位数（CN）：PAC的孤立孔隙（CN=0）数量增加414个，BF-PAC仅增加296个，说明BF抑制了孔隙分裂。
- 喉道参数：BF使平均喉道长度变化降低24%（BF-PAC:0.152 vs PAC:0.200），喉道直径变化减少85%（BF-PAC:-0.0106 vs PAC:-0.0736），表明纤维网络有效阻挡水流冲刷。
3. 参数相关性
- 67.86%的细观参数间相关系数达0.9–1，其中孔隙数量、体积与喉道直径呈强正相关（r²>0.9），迂曲度与平均CN呈负相关（r²=-0.7）。
4. 水敏感性评估
- BF-PAC的87.5%细观参数水敏感性低于PAC，尤以配位数（降低13%）和喉道直径（降低4.9%）改善最显著。
五、结论与价值
科学价值：
1. 首次通过CT技术揭示了BF通过稳定孔隙网络（抑制大孔隙分裂、减少孤立孔隙）提升PAC抗动态水冲刷能力的细观机制。
2. 提出基于喉道直径与迂曲度的细观水敏感性评价体系，为纤维增强沥青设计提供理论依据。
应用价值：
1. 优化BF掺量（0.3%）可显著延长多雨地区PAC路面寿命。
2. 细观参数相关性分析指导了孔隙结构设计，如减少孤立孔隙以提升耐久性。
六、研究亮点
1. 方法创新：结合MIST与CT扫描，建立了动态水-细观结构关联分析方法。
2. 发现创新：明确了BF抑制喉道扩张与孔隙分裂的双重保护机制。
3. 工程意义：为纤维增强沥青混合料的细观设计提供了可量化指标。
其他价值：研究指出未来需结合BBS拉拔试验进一步揭示BF-沥青-集料界面粘结机制，并探索宏细观参数关联模型。
（全文约2000字）