本文主要作者为来自扬州大学建筑科学与工程学院的吴邦伟（Bangwei Wu）、孟伟杰（Weijie Meng）、夏季（Ji Xia）和肖鹏（Peng Xiao）等。该研究论文题为“Influence of Basalt Fibers on the Crack Resistance of Asphalt Mixtures and Mechanism Analysis”，发表于学术期刊《Materials》2022年第15卷第3期，论文于2021年12月20日收稿，2022年1月17日接受，并于2022年1月19日正式出版。
本研究属于道路工程与材料科学交叉领域，聚焦于沥青路面材料的性能改进。复杂气候条件和日益增长的交通荷载对沥青路面的抗裂性能产生了严重的负面影响。为提升路面性能，工程师们尝试使用各种外掺剂，其中纤维和聚合物是两大主要类别。纤维在沥青混合料中的应用已超过50年，特别是自20世纪90年代石玛蹄脂沥青（Stone Mastic Asphalt， SMA）得到广泛应用以来。玄武岩纤维（Basalt Fiber， BF）作为一种绿色高性能材料，由天然玄武岩矿石在1400-1500°C高温下拉丝制成，生产过程中无需添加其他化学试剂且无废水、废气和废渣排放，是一种环境友好型纤维。已有研究表明纤维可有效改善混合料性能，但作为一种新型纤维，BF对沥青混合料抗裂性能的影响及其增强机理尚未得到充分探索。此外，BF与不同类型级配沥青混合料的适配性也缺乏深入研究。因此，本研究旨在系统评估BF对沥青混合料抗裂性能的影响，并深入分析其增强机理，为设计和制备高抗裂性能的沥青路面提供有效方法和理论依据。
本研究的工作流程系统而全面，主要包含材料与混合料设计、宏观性能测试和微观机理分析三大环节。
首先，在材料与混合料设计阶段，研究选择了两种在中国应用最广泛的典型沥青混合料类型：AC-13（悬浮密实结构）和SMA-13（骨架密实结构）。使用的材料包括SBS改性沥青、玄武岩纤维（BF）和木质素纤维（LF）。其中，木质素纤维仅用于SMA-13的对照组，而玄武岩纤维则同时应用于AC-13和SMA-13。矿质集料采用了石灰岩和玄武岩。按照中国规范T/CHTS 10016–2019，确定了纤维的掺量：在AC-13中，BF掺量为混合料总质量的0.4%；在SMA-13中，BF和LF的复合掺量分别为总质量的0.3%和0.1%；SMA-13对照组（不含BF）则使用0.3%的LF。混合料设计采用马歇尔方法，并通过“干拌”工艺制备纤维沥青混合料，即先将纤维与集料干拌90秒，再加入沥青以确保纤维在混合料中均匀分散。设计结果显示，BF的加入提高了AC-13的最佳沥青含量（从4.7%增至4.9%），却降低了SMA-13的最佳沥青含量（从5.8%降至5.5%）。这主要归因于BF和LF对沥青的吸附能力不同。BF具有一定的沥青吸附能力，因此在AC-13中加入BF会导致沥青用量需求增加。然而，在SMA-13中，BF的沥青吸附能力低于LF，而对照组SBS+LF SMA-13中LF的用量（0.3%）高于SBS+LF+BF SMA-13中LF的用量（0.1%），导致后者的最佳沥青含量反而降低。
其次，在宏观性能测试阶段，研究采用了三种国际通行的标准试验方法，从疲劳开裂、低温开裂和裂纹扩展等不同角度综合评价BF的增强效果。每种试验均制备了多个平行试件以获取可靠的平均值。 1. 四点弯曲疲劳试验（Four-Point Bending Fatigue Test）：依据AASHTO T 321规范进行。将成型的沥青混合料板切割成尺寸为380 × 63.5 × 50 mm的梁式试件。试验在15°C温度下进行，采用了450、650和850 µε三个应变水平。该试验的评价指标是混合料的疲劳寿命（达到破坏的加载次数）以及累积耗散能。累积耗散能反映了混合料在疲劳过程中吸收和消耗能量的能力。 2. 间接拉伸试验（Indirect Tensile Test）：依据AASHTO T322规范进行。试件采用标准马歇尔击实法成型，在15°C温度下进行试验，以50 mm/min的速率加载直至试件垂直变形达到10 mm。试验主要评价指标包括间接拉伸强度（反映抗拉能力）和韧性指数（Toughness Index， TI）。TI通过公式计算，其值越高，表明混合料在开裂后吸收能量和抵抗变形发展的能力越强，即韧性越好。 3. 半圆弯曲试验（Semi-Circular Bending Test， SCB）：依据AASHTO TP105规范进行。试件为半圆形，底部预制有切缝以模拟裂纹。试验在25°C下以50 mm/min的位移速率加载。主要评价指标是断裂能（Fracture Energy， Gf）和柔性指数（Flexibility Index， FI）。Gf是试件断裂过程中消耗的总能量，值越高表明材料越不易开裂。FI则是Gf与载荷-位移曲线峰值后拐点处斜率绝对值的比值，用于表征裂纹扩展速率，FI值越高，裂纹扩展越慢，抗裂性能越好。
最后，在微观机理分析阶段，研究采用了环境扫描电子显微镜（Environmental Scanning Electron Microscope， ESEM）对经过间接拉伸试验破坏后的BF沥青混合料断面进行观察。目的是研究BF在混合料中的分布状态、BF与沥青胶浆的粘结情况，以及从微观角度分析BF对混合料的力学贡献机制。这是一个关键的连接宏观性能与微观结构的分析步骤。
研究在各个环节均获得了明确而重要的结果，这些结果环环相扣，共同支撑了最终结论。
在混合料设计结果中，BF对AC-13和SMA-13最佳沥青含量的不同影响，初步揭示了纤维类型和用量与混合料体系相互作用的复杂性，提示我们BF的增强效果可能受到混合料类型（级配结构）的影响。
宏观性能测试结果显著且一致地证明了BF的增强效果。在四点弯曲疲劳试验中，BF的加入显著提高了两种混合料的疲劳寿命和累积耗散能。例如，在控制应变水平下，含BF的AC-13疲劳寿命是无BF时的3.2倍，而含BF的SMA-13疲劳寿命提升可达4倍左右。这表明BF在骨架密实结构的SMA-13中增强效果更为显著。此外，拟合的疲劳方程参数显示，加入BF后参数m值减小，说明BF降低了混合料疲劳寿命对应变水平的敏感性，有助于混合料在高应变水平（重载交通）下仍保持较好的抗疲劳性能。累积耗散能的结果也显示，含BF的混合料能量消耗更平缓、稳定阶段更长，表明其具有更好的延性和抗变形能力。
间接拉伸试验结果表明，BF对混合料间接抗拉强度的提升有限（仅2-4%），但对韧性指数（TI）的提升非常显著。AC-13和SMA-13的TI分别提高了17.65%和21.43%。这再次印证了BF对SMA-13的增强效果更优。TI的大幅提高说明BF主要增强了混合料的韧性，即在裂纹产生后，BF能够承担更多外部荷载，延缓裂纹的快速发展，使混合料表现出更高的抗开裂能力。
半圆弯曲试验结果进一步证实了BF在抑制裂纹扩展方面的优势。BF使AC-13和SMA-13的断裂能（Gf）分别提高了约36%和38%，使柔性指数（FI）分别提高了2倍和67%。Gf的提高意味着混合料开裂需要消耗更多能量，FI的提高则表明BF有效延缓了裂纹的扩展速度。这些结果共同说明BF不仅提升了材料抵抗开裂起裂的能力，更重要的是极大地改善了其阻裂性能。
微观ESEM观察结果为上述宏观性能的飞跃提供了直接的机理解释。观察发现，木质素纤维（LF）在混合料中几乎不可见，其作用可能主要是吸附沥青。而玄武岩纤维（BF）则清晰可见，它们被沥青良好包裹（表明粘结性好），并以三维形式随机分散在混合料中，相互搭接形成了一个空间网络结构。这个网络结构的强度和模量远高于沥青混合料基体。当混合料受载时，该网络能有效地分担和传递应力，改善内部的应力集中现象，限制沥青和集料的移动，从而提高整体强度。一旦混合料内部萌生微裂纹，该纤维网络能起到“桥联”作用，阻止微裂纹汇合发展为宏观裂缝，从而显著提升混合料的韧性和抗裂性能。结合疲劳试验结果，研究还推论BF网络的增强效果具有应变依赖性：沥青基体应变越高，纤维网络分担的荷载越大，其增强效果越显著。
本研究得出以下结论： 1. 玄武岩纤维能显著提高AC-13和SMA-13沥青混合料的抗疲劳开裂性能，疲劳寿命和累积耗散能可提升数倍，且对SMA-13的提升效果更优。 2. 玄武岩纤维对混合料间接抗拉强度提升有限，但能大幅提高其韧性指数（TI），显著增强混合料的抗裂韧性。 3. 玄武岩纤维能同时提高混合料的断裂能（Gf）和柔性指数（FI），有效延缓裂纹的萌生与扩展。 4. 微观机理在于，玄武岩纤维在混合料中形成三维空间网络结构，该结构通过分担荷载、传递应力和“桥联”裂纹，从根本上提高了混合料的抗裂性能。 5. 玄武岩纤维的增强效果与集料级配类型和所受应变水平相关。其对骨架密实型SMA-13的增强效果优于悬浮密实型AC-13；沥青基体应变越高，BF的增强作用越明显。
本研究的科学价值在于，通过多尺度（宏观试验与微观观察）、多指标（疲劳、低温、断裂）的系统研究方法，全面揭示了玄武岩纤维对沥青混合料抗裂性能的增强效果，并明晰了其通过形成三维网络结构发挥作用的力学机理。应用价值在于，为道路工程师设计和制备高抗裂、长寿命的沥青路面提供了明确的技术路径和材料选择依据，特别是明确了玄武岩纤维与SMA这类骨架密实型混合料具有更佳的协同增强效果。
本研究的亮点在于： 1. 研究对象的典型性与对比性：同时选取了AC-13和SMA-13这两种最常用的混合料类型进行对比，揭示了纤维增强效果与混合料级配结构的关联性。 2. 评价体系的全面性：采用了疲劳（四点弯曲）、低温（间接拉伸）和断裂（半圆弯曲）三类标准试验，综合评价了BF对不同破坏模式抗裂性能的影响，结论更为可靠。 3. 机理分析的直观性：创新性地运用ESEM进行微观观察，直接揭示了BF在混合料中形成三维网络结构的关键机理，使宏观性能提升得到了合理解释。 4. 结论的指导性：不仅证实了BF的有效性，还指出了其增强效果与混合料类型和应变水平的依赖关系，对工程实践具有重要的具体指导意义。
此外，研究遵循了严格的规范（如AASHTO、ASTM）和中国技术指南，确保了实验数据的可靠性和可比性。论文最后也提出了未来工作需要进一步评估BF与沥青混合料之间的相互作用，以更精确地阐明其增强机制，体现了研究的持续性和开放性。