本研究由扬州大学建筑科学与工程学院的吴邦伟、吴兴、陈闯闯、夏季、娄可可以及扬州大学城乡规划研究院的肖鹏（通讯作者）共同完成。研究成果以论文《Evaluation of the Long-Term Performances of SMA-13 Containing Different Fibers》的形式，于2021年6月1日发表在学术期刊 *Appl. Sci.*（应用科学）上。

一、 学术背景

本研究的科学领域属于道路工程与土木工程材料，具体聚焦于沥青混合料改性技术。研究的主要对象是SMA-13（即公称最大粒径为13.2毫米的石料骨架密实沥青混合料）。SMA因其优良的高温抗车辙、低温抗裂和耐久性而被广泛应用于高等级公路路面。其性能优势主要来源于“骨架嵌挤”结构和富含沥青的玛蹄脂。然而，随着交通荷载的不断增加，沥青路面的早期损坏问题日益突出，因此，提升SMA的长期耐久性成为研究重点。

纤维作为SMA中不可或缺的稳定添加剂，其作用是吸附并稳定玛蹄脂中的自由沥青，防止其在施工和使用过程中析漏，从而保证混合料的体积稳定性和性能。目前，木质素纤维是最广泛使用的纤维类型。但已有研究指出，木质素纤维可能因氧化而降解，且其吸附的沥青可能对混合料强度贡献有限。近年来，作为一种新型无机纤维，玄武岩纤维因其优异的力学性能、耐高温性及环保效益，在沥青路面工程中受到越来越多的关注。已有研究证实，玄武岩纤维能有效提升新鲜沥青混合料的路用性能，但关于不同类型纤维对SMA长期性能（历经不同老化程度后）影响的系统性对比研究尚不充分。

因此，本研究旨在通过对比分析玄武岩纤维和木质素纤维分别改性的SMA-13混合料在未老化、短期老化及长期老化不同阶段的性能表现，阐明纤维类型对SMA长期路用性能的影响。研究目标包括：评估纤维对混合料高温性能、中低温抗裂性、水稳定性的长期影响；通过微观扫描电镜（SEM）分析其增强机理；并利用傅里叶变换红外光谱（FTIR） 分析老化过程中沥青化学组分的变化，从而深化对SMA-13混合料在其服役寿命周期内性能演变规律的理解，为SMA-13混合料的纤维添加剂选择提供科学指导。

二、 详细研究流程

本研究遵循严谨的材料设计、试样制备、性能测试与分析流程，主要包含以下几个核心环节：

1. 材料与配合比设计： * 原材料： 采用SBS改性沥青、玄武岩粗集料和石灰岩细集料/填料。两种纤维分别为国产短切玄武岩纤维（长度6毫米，江苏天龙生产）和德国JRS公司的絮状木质素纤维。 * 配合比设计： 采用马歇尔设计方法，确定了SMA-13的目标级配。通过试验，确定玄武岩纤维改性SMA-13混合料的最佳沥青用量为5.8%，纤维掺量为混合料总重的0.4%；木质素纤维改性SMA-13的最佳沥青用量为6.0%，纤维掺量为0.3%。所有设计指标均满足规范要求。

2. 老化模拟与试样制备： * 为了模拟混合料在实际服役过程中不同阶段的状态，研究者参照美国AASHTO R30标准，制备了三种老化状态的试件： * 未老化（Unaged）： 代表新拌混合料。 * 短期老化（Short-term Aged）： 模拟施工摊铺碾压过程中的老化。 * 长期老化（Long-term Aged）： 模拟路面服役5-7年后的老化状态。 * 研究中未设置不含纤维的SMA-13对照组，因为纤维是SMA的必需稳定剂，故将木质素纤维改性SMA-13视为标准SMA-13，玄武岩纤维改性SMA-13作为对比组。

3. 多维度性能测试体系： 研究者针对不同老化状态的两种纤维改性混合料，开展了一系列标准化的性能测试： * 高温性能测试： * 车辙试验： 在60°C下进行，以动稳定度（Dynamic Stability, DS） 作为评价指标。每个老化状态每组混合料制作3个板状试件。 * 单轴贯入试验： 同样在60°C下进行，测量单轴贯入强度（τ₀），用以表征混合料的抗剪切变形能力。每个老化状态每组混合料制作4个圆柱体试件。 * 抗裂性能测试： * 三点弯曲试验： 在-10°C低温下进行，测试梁式试件的最大弯曲拉伸应变（εᵦ），评价其低温抗裂性。每组制作4个试件。 * 半圆弯曲试验（Semi-Circular Bending, SCB）： 在25°C下进行，基于断裂力学理论，计算断裂能（G𝒻）、柔度指数（Flexibility Index, FI） 和断裂韧度（K𝙸𝒸），综合评价中温条件下的抗裂和抗裂纹扩展能力。每组制作4个试件。 * 水稳定性测试： * 浸水马歇尔试验： 通过计算残留稳定度（MS₀%） 来评价混合料的水损害抵抗能力。每组制作8个试件（分为浸水与不浸水两组）。 * 微观机理分析： * 扫描电镜（SEM）测试： 对两种纤维的形态及其在混合料中的分布状态进行观测，直观揭示其物理增强机制。 * 化学组分分析： * 傅里叶变换红外光谱（FTIR）测试： 将不同老化状态下混合料中的沥青回收，分析其红外光谱特征峰（如羰基1700 cm⁻¹、亚砜基1030 cm⁻¹、SBS特征峰966和698 cm⁻¹）的面积变化，从而定量研究老化对SBS改性沥青化学结构的影响。

4. 数据分析流程： 所有性能测试均获得量化数据，通过图表（如柱状图）直观对比两种纤维改性混合料在不同老化程度下的性能差异。对SEM图像进行定性描述，解释纤维的形态与分布。对FTIR光谱数据进行峰面积积分和对比，分析老化进程中特征官能团的变化规律。最后，将宏观性能数据与微观、化学分析结果相互关联和印证，形成完整的证据链以支持研究结论。

三、 主要研究结果

1. 高温性能方面： 车辙试验和单轴贯入试验结果趋势高度一致。在所有老化阶段，玄武岩纤维改性SMA-13的高温性能均显著优于木质素纤维改性SMA-13。未老化时，前者的动稳定度和单轴贯入强度分别高出25%和30%；短期老化后，差距扩大至52.4%和64.7%；长期老化后，差距进一步扩大到68.4%和92.4%。值得注意的是，随着老化程度加深，玄武岩纤维改性混合料的高温性能（DS和τ₀）持续提升（短期、长期老化后较未老化分别提升约14.3%、22.5%和19.6%、29.9%），而木质素纤维改性混合料的性能则持续下降（短期、长期老化后较未老化分别下降约6.2%、9.0%和5.6%、12.2%）。结果表明，玄武岩纤维与老化后变硬的沥青胶结料协同作用更佳，能有效抵抗老化带来的SBS降解负面影响。

2. 抗裂性能方面： * 低温抗裂（三点弯曲）： 最大弯曲拉伸应变（εᵦ）随老化加深而降低，表明材料变脆。但在各老化阶段，玄武岩纤维改性混合料的εᵦ始终高于木质素纤维改性混合料，证明其低温变形能力更强，更不易开裂。尽管前者的沥青用量（5.8%）低于后者（6.0%），但其低温性能反而更优，进一步凸显了玄武岩纤维的增强作用。 * 中温抗裂（SCB试验）： * 柔度指数（FI）： 随老化而降低，表明裂纹扩展加快。但玄武岩纤维改性混合料的FI在所有老化阶段都远高于木质素纤维改性混合料（未老化、短期老化、长期老化阶段分别高出91.1%、110.6%和50.7%），表明其裂纹扩展速率更低。 * 断裂韧度（K𝙸𝒸）： 玄武岩纤维改性混合料的K𝙸𝒸随老化而增加，而木质素纤维改性混合料的K𝙸𝒸则随老化而下降。在所有老化阶段，前者的K𝙸𝒸均高于后者（分别高出11.5%、20.7%、32.4%）。这直接说明玄武岩纤维改性混合料的抗断裂能力更强，且其优势随老化而愈发明显。

3. 水稳定性方面： 浸水马歇尔试验结果显示，玄武岩纤维改性混合料的马歇尔稳定度、浸水稳定度及残留稳定度在各老化阶段均高于木质素纤维改性混合料。尽管两者残留稳定度绝对值相差不大，但老化过程对木质素纤维改性混合料水稳定性指标（下降幅度）的影响更为显著。这表明玄武岩纤维能更好地增强混合料的整体强度和水损害抵抗能力。

4. 微观增强机理（SEM）： 扫描电镜图像清晰显示，玄武岩纤维呈光滑的棒状，在混合料中相互交织，形成了稳固的三维网络结构。这种结构能有效地传递和分散交通荷载产生的应力，从而增强混合料，特别是铺筑过程中形成的薄弱区域。而木质素纤维呈卷曲交织的絮状，比表面积大，其主要功能是吸附沥青，但由于其自身断裂强度低，承担应力的能力较弱。

5. 化学组分变化（FTIR）： 从混合料中回收的沥青FTIR分析表明，随着老化加深，羰基（1700 cm⁻¹）和亚砜基（1030 cm⁻¹）峰面积增加，表明沥青氧化加剧；而SBS的特征峰（966和698 cm⁻¹）面积减小，证明SBS发生了降解。对比两种混合料回收沥青的变化率发现，木质素纤维改性混合料中沥青的羰基和亚砜基峰面积增长百分比远高于玄武岩纤维改性混合料。例如，长期老化后，前者羰基峰面积增长了323%，而后者仅增长44.2%。这表明老化过程对木质素纤维混合料中沥青的化学组成影响更大。分析认为，木质素纤维作为植物纤维，其表面的极性官能团（如羧基、酚羟基）可能在老化过程中与沥青发生更强烈的相互作用，加速了纤维自身的降解和沥青的老化。

四、 研究结论与价值

本研究系统性地比较了玄武岩纤维与木质素纤维对SMA-13长期路用性能的影响，得出以下核心结论：

1. 长期性能优势： 玄武岩纤维在提升SMA-13的高温稳定性、中低温抗裂性及水稳定性方面，全面且长期地优于传统的木质素纤维。其性能优势在混合料老化后不仅得以保持，甚至更为突出。
2. 作用机理不同： 木质素纤维主要通过其大比表面积吸附并稳定自由沥青；而玄武岩纤维则凭借其高模量和在混合料中形成的三维网络结构，与沥青玛蹄脂协同工作，直接增强混合料的力学强度和韧性。
3. 抗老化特性： 玄武岩纤维自身耐高温、化学性质稳定，能减缓老化过程对沥青化学组分的剧烈影响，从而使混合料体系在长期服役中表现更稳定。

科学价值与应用价值： * 科学价值： 本研究从宏观性能、微观结构和化学组分三个层面，深入揭示了不同纤维对沥青混合料的增强机理及在老化过程中的作用差异，为纤维增强沥青混合料的性能预测和寿命评估提供了重要的理论依据和数据支撑。 * 应用价值： 研究结论为道路工程设计与施工单位在SMA混合料中选择纤维添加剂提供了明确的科学指导。考虑到玄武岩纤维在长期耐久性方面的显著优势，尤其是在重交通、高要求的路面工程中，推荐采用玄武岩纤维作为传统木质素纤维的升级替代品，以提高路面的长期服役性能和全寿命周期效益。

五、 研究亮点

1. 聚焦长期性能与系统对比： 研究创新性地将“长期老化”因素纳入评价体系，系统对比了两种主流纤维在不同老化阶段下的性能演变，弥补了以往研究多集中于新鲜混合料的不足。
2. 多尺度、多角度研究方法： 结合了标准的工程性能测试（宏观）、扫描电镜观察（微观形貌）和傅里叶变换红外光谱分析（化学分子），构建了完整的“宏观-微观-化学”关联分析框架，使结论更加坚实可信。
3. 揭示了纤维作用机理的本质差异： 明确了木质素纤维的“物理吸附稳定”作用和玄武岩纤维的“力学协同增强”作用，并从化学层面解释了老化行为差异的原因，深化了行业对纤维功能的认识。
4. 明确的工程指导意义： 研究结果直接指向工程实践，为高性能、长寿命沥青路面的材料选择提供了关键的依据。

六、 其他有价值内容

研究者在文末提出了对未来工作的建议，包括：考虑紫外线等其他老化条件的影响；补充研究混合料的疲劳性能；测试纤维沥青胶浆在不同老化条件下的性能；进一步深入阐明纤维对沥青混合料的增强机理。这些建议为该领域的后续研究指明了有价值的探索方向。