天然纖維瀝青混合料研究與應(yīng)用進(jìn)展

陳飛，張林艷，李先延，徐默楠，劉維娟，布鵬，楊吉龍

(1.云南大學(xué) 建筑與規(guī)劃學(xué)院，云南 昆明 650000；2.云南賓南高速公路有限公司，云南 大理 671000；3.云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650000)

瀝青路面因具有良好的功能性能(抗滑降噪好、平整度優(yōu))、開(kāi)放交通快、養(yǎng)護(hù)維修容易、可再生利用等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。截止到2020年末，我國(guó)高速公路總里程已超16萬(wàn)km，其中90%的路面結(jié)構(gòu)是柔性路面[1]，美國(guó)更是高達(dá)95%[2]。然近年來(lái)，隨交通量及重載車輛的迅速增長(zhǎng)，傳統(tǒng)瀝青混合料難以滿足瀝青路面的耐久性要求。在荷載與環(huán)境共同作用下，瀝青路面易出現(xiàn)松散、車轍、開(kāi)裂等早期病害，從而降低路面的使用壽命。

為提高瀝青路面的耐久性，廣大科技工作者主要致力于添加廢橡膠粉、聚合物、天然橡膠和納米材料等對(duì)瀝青進(jìn)行改性，提高瀝青品質(zhì)以緩解瀝青路面的早期病害問(wèn)題[3-4]。然而，因?yàn)r青層的拉伸和剪切強(qiáng)度較弱，路面永久變形和開(kāi)裂問(wèn)題仍然存在[5]。相關(guān)研究表明，纖維的加入可顯著提高瀝青混合料的低溫抗裂性、高溫穩(wěn)定性及水穩(wěn)定性等路用性能[6-7]，還可延緩路面反射裂縫[8]，有利于解決瀝青路面早期病害問(wèn)題。

目前，瀝青路面用纖維可分為合成纖維(即人造纖維)與天然纖維[9]。合成纖維包括聚合物纖維、碳纖維、鋼纖維和玻璃纖維等；天然纖維包括動(dòng)植物纖維和無(wú)機(jī)礦物纖維。與合成纖維相比，天然纖維具有可再生、低成本、節(jié)能環(huán)保無(wú)污染、安全無(wú)毒、生物可降解等優(yōu)點(diǎn)。在大力提倡綠色可持續(xù)發(fā)展的今天，天然纖維作為一種具有可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Φ纳锟稍偕Y源，其應(yīng)用獨(dú)具相當(dāng)?shù)母?jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。目前天然纖維用于瀝青混合料增強(qiáng)方面的研究不系統(tǒng)，且缺乏全面的總結(jié)。鑒于此，本文介紹了天然纖維的特性，系統(tǒng)總結(jié)了路用天然纖維瀝青混合料性能增強(qiáng)機(jī)理及研究進(jìn)展，分析了當(dāng)下天然纖維瀝青混合料研究應(yīng)用中面臨的問(wèn)題并展望其前景。

1 天然纖維特性

1.1 天然纖維分類及組成

天然纖維是指由連續(xù)或間斷的細(xì)絲組成的物質(zhì)，按來(lái)源可分為動(dòng)物纖維、植物纖維和礦物纖維[10]。植物纖維主要有秸稈纖維、韌皮纖維、葉纖維和木質(zhì)纖維等，其主要組成為纖維素、半纖維素和木質(zhì)素。

纖維素是纖維骨架結(jié)構(gòu)的主要組成，提供了纖維的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、強(qiáng)度和剛度，因此植物纖維本質(zhì)上是木質(zhì)纖維素纖維(LCF)。纖維素為多羥基的線型高聚物，其分子間形成的強(qiáng)氫鍵作用是LCF有較高極性和親水性的原因。根據(jù)纖維素鏈的排列情況可分為結(jié)晶纖維素和無(wú)定形纖維素。有序排列的結(jié)晶纖維素抵抗水和其他化學(xué)作用的降解能力較無(wú)定形纖維素強(qiáng)，也是材料本身抗拉強(qiáng)度和柔韌性的主要貢獻(xiàn)來(lái)源。半纖維素是一種多聚糖，由于其支鏈和無(wú)定形的本質(zhì)特征，化學(xué)性質(zhì)極不穩(wěn)定，對(duì)堿和酸溶解極其敏感[11]。半纖維素親水性比纖維素更強(qiáng)，且半纖維素會(huì)引起結(jié)晶纖維素鏈的纏結(jié)。因此，去除半纖維素，LCF吸水率降低、抗拉強(qiáng)度增加[10]。 木質(zhì)素是無(wú)定形的三維網(wǎng)狀芳香族高聚物，由碳碳鍵和醚鍵鏈接苯丙烷結(jié)構(gòu)單元而成，每個(gè)聚合單元都含有羥基、甲氧基和羰基[11]。木質(zhì)素賦予LCF結(jié)構(gòu)剛性和脆性，并導(dǎo)致結(jié)晶纖維素鏈纏結(jié)。因此，脫木質(zhì)素后，LCF的抗拉強(qiáng)度增加[10，12]。動(dòng)物纖維主要是蠶絲和毛類纖維，其組成是以聚酰胺高分子形式存在的蛋白質(zhì)。天然礦物纖維由纖維狀結(jié)構(gòu)的巖石獲得，主要由硅酸鹽等組成。

綜上，不同植物纖維主要的三種組成成分含量決定了纖維的物理力學(xué)特性。盡管天然植物纖維的力學(xué)性能相較其他纖維較低，但斷裂伸長(zhǎng)率大、抗延展能力強(qiáng)，LCF有潛力在某些工程復(fù)合材料應(yīng)用中取代合成纖維[13]。

1.2 纖維表面改性和添加方法

LCF因固有的極性和親水特性，存在與基體融合的相容性差(界面結(jié)合弱)、復(fù)合材料耐久性不佳等問(wèn)題。為解決天然植物纖維與基體之間相容性差和固有的高吸濕性問(wèn)題，通常使用化學(xué)處理、反應(yīng)性添加劑和偶聯(lián)劑對(duì)纖維進(jìn)行改性處理(取代或阻斷羥基)，降低其親水性和半纖維素及木質(zhì)素組分含量，以提高瀝青混合料的耐久性能[10，13]。然以上幾種方法均存在不同程度的化學(xué)污染，且副產(chǎn)品難以處理，不環(huán)保。近年來(lái)，真菌處理被認(rèn)為是一種很有前景的天然纖維表面改性方法，該生物處理方法環(huán)保、高效[10]。真菌處理即通過(guò)特定酶作用去除纖維表面的非纖維素成分(膠質(zhì)、蠟等)、木質(zhì)素，增加半纖維素的溶解度，以此提高天然纖維的抗拉強(qiáng)度和疏水性；此外，真菌會(huì)在纖維表面產(chǎn)生一個(gè)粗糙面，以便與基體形成強(qiáng)界面。

瀝青混合料中添加纖維的方法一般有兩種，即干法和濕法[14-15]。干法即先將纖維和礦料混合均勻，最后再添加瀝青拌和形成瀝青混合料。濕法按纖維添加的階段不同還可分為兩種，其一是先將纖維加入瀝青中通過(guò)高速剪切拌和機(jī)攪拌均勻，再加入到礦料中混合形成。該方法需要高速剪切拌和機(jī)，且拌和均勻性效果不顯著，纖維吸油大導(dǎo)致瀝青用量計(jì)算存在誤差，過(guò)程繁雜，相較干法而言無(wú)優(yōu)勢(shì)；其二則是將瀝青與礦料先均勻拌和，最后加入纖維。三種方法對(duì)比而言，干法添加工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，纖維團(tuán)聚最少，能更好地將纖維分布在混合物中，因此纖維瀝青混合料的現(xiàn)場(chǎng)工作常采用干法工藝。

2 纖維瀝青混合料增強(qiáng)機(jī)理

瀝青混合料是一種多相、多組分、多尺度的黏彈性材料，為深入分析纖維加入瀝青混合料的性能增強(qiáng)機(jī)理，研究者主要提出了結(jié)構(gòu)層次理論、復(fù)合材料理論、界面理論及斷裂力學(xué)理論等[16-17]，分析纖維改善瀝青混合料性能的機(jī)理。

結(jié)構(gòu)層次理論認(rèn)為材料可從宏觀、細(xì)觀和微觀層次進(jìn)行不同尺度的研究，每個(gè)層次對(duì)纖維瀝青混合料的假設(shè)不同。宏觀層次認(rèn)為纖維瀝青混合料具有均勻連續(xù)性，細(xì)觀層次認(rèn)為其是連續(xù)但不均勻的，微觀層次則認(rèn)為無(wú)連續(xù)性和均勻性。因?yàn)r青混合料的多相特點(diǎn)，復(fù)合材料理論認(rèn)為纖維作為其中一相，瀝青混合料的性能增強(qiáng)取決于相與相之間的作用效果(相容性)、各相的幾何特征及各相自身特性等[16]。由于纖維和基體的化學(xué)結(jié)構(gòu)不同，兩相耦合時(shí)相容性的好壞很大程度上決定了復(fù)合材料的性能。界面理論認(rèn)為復(fù)合材料的多相組合存在許多復(fù)雜的物理和化學(xué)變化，界面幾何特征受纖維材料特性、復(fù)合工藝等影響。界面作用主要有化學(xué)鍵合作用、浸潤(rùn)-吸附作用(物理吸附、化學(xué)吸附及選擇性吸附)、擴(kuò)散作用、靜電作用等[17]。斷裂力學(xué)理論認(rèn)為材料均存在不同程度的結(jié)構(gòu)缺陷或宏觀缺陷，特別是瀝青混合料內(nèi)部存在空隙、集料與瀝青界面存在微裂紋等缺陷，因此瀝青混合料在外力作用下裂紋進(jìn)行擴(kuò)展會(huì)最終導(dǎo)致開(kāi)裂破壞。纖維瀝青混合料斷裂過(guò)程會(huì)出現(xiàn)裂紋擴(kuò)展、集料-瀝青界面分離、纖維拔出、纖維拉斷等。基于斷裂破壞的分析模型最常見(jiàn)的是應(yīng)力強(qiáng)度因子模型和能量模型[17]，前者主要表征材料抵抗荷載的特性，而后者更關(guān)注材料破壞全過(guò)程的能量耗散情況。結(jié)合以上理論，纖維對(duì)瀝青混合料性能的增強(qiáng)作用具體可歸納為橋接阻裂作用、界面增強(qiáng)作用、穩(wěn)定作用及增韌阻裂作用。

2.1 橋接阻裂作用

瀝青混合料是以瀝青為唯一連續(xù)相存在的多相分散體系，瀝青破壞將打破整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定。但纖維在瀝青混合料中隨機(jī)分布，相互搭接形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，纖維網(wǎng)作為第二“連續(xù)相”能更好的保證結(jié)構(gòu)體系完整。當(dāng)纖維瀝青混合料受荷載作用時(shí)，纖維發(fā)揮了類似水泥混凝土中鋼筋的作用，在結(jié)構(gòu)裂尖處起到“加筋橋接”作用，能傳遞和消散部分應(yīng)力，減緩裂縫形成和擴(kuò)展，提高了材料的延性，改善了混合料抗裂性能。因此纖維增強(qiáng)瀝青混合料的效果取決于纖維/基體界面將應(yīng)力從基體傳遞到纖維的能力，應(yīng)力傳遞效率是決定瀝青混合料力學(xué)性能的主要因素。

2.2 界面增強(qiáng)作用

纖維因自身具有較大的比表面積對(duì)瀝青中的瀝青質(zhì)具有吸附作用，包括物理化學(xué)吸附和選擇性吸附[18-19]，這使得“結(jié)構(gòu)瀝青”增加、膜厚度增大，進(jìn)而提高了兩相(礦料相與纖維瀝青相)之間的界面效應(yīng)。一般來(lái)說(shuō)，由于纖維和瀝青存在一定惰性，且成分組成及化學(xué)結(jié)構(gòu)不同，化學(xué)吸附較少，因此主要是浸潤(rùn)物理吸附。瀝青和纖維的界面作用雖以物理吸附為主，但二者形成的強(qiáng)界面或界面增強(qiáng)作用，主要原因是瀝青質(zhì)中的活性官能團(tuán)與纖維表面極性基團(tuán)間強(qiáng)烈的化學(xué)吸引作用[20]。界面增強(qiáng)后表現(xiàn)為相界面間過(guò)渡平緩，相容性好，內(nèi)部形成了牢固的“結(jié)構(gòu)瀝青”界面層[17]。

2.3 穩(wěn)定作用

傳統(tǒng)瀝青混合料在高溫作用或油石比較大情況下，瀝青會(huì)在結(jié)構(gòu)內(nèi)流動(dòng)或產(chǎn)生析漏現(xiàn)象，導(dǎo)致高溫抗變形能力差，路面出現(xiàn)泛油現(xiàn)象。纖維在瀝青混合料中可形成縱橫交織的三維空間網(wǎng)絡(luò)，加之纖維與瀝青的吸附、擴(kuò)散與鍵合作用等，使得“結(jié)構(gòu)瀝青”增多，粘結(jié)強(qiáng)度增大，阻止了瀝青流動(dòng)、增加持油、減少析漏等作用。另外，形成的“結(jié)構(gòu)瀝青”界面層使纖維瀝青相與礦料相間的界面增強(qiáng)，結(jié)構(gòu)溫度穩(wěn)定性得到顯著提高，有效減少瀝青路面的泛油情況。

2.4 增韌阻裂作用

瀝青混合料的黏彈性特性使得其韌性會(huì)隨溫度變化而改變。低溫條件下，瀝青混合料在溫度應(yīng)力和荷載的耦合作用下，會(huì)因韌性不足易發(fā)生脆性斷裂。瀝青混合料在宏觀裂紋擴(kuò)展時(shí)，裂紋尖端產(chǎn)生的應(yīng)力集中因子大。但因纖維與瀝青基之間存在性質(zhì)差異，纖維-瀝青界面附近形成的殘余應(yīng)力-應(yīng)變場(chǎng)及顯微裂紋，可降低應(yīng)力集中因子，從而起到增韌的作用[21]。宏觀上看，由于纖維自身的彈性模量高、延伸性強(qiáng)，纖維的加入使瀝青混合料強(qiáng)度增強(qiáng)，變形能力提高，從而增強(qiáng)了瀝青混合料抗低溫開(kāi)裂能力[22]。另外，瀝青混合料由膠漿握裹、集料間的嵌擠作用形成抗拉強(qiáng)度，纖維的添加可進(jìn)一步提高膠漿握裹的能力，使應(yīng)力傳遞效率增加，從而提高瀝青混合料增韌阻裂效果。

整體而言，從纖維增強(qiáng)瀝青混合料的性能機(jī)理上分析，其應(yīng)用要尤其控制纖維的吸油率、長(zhǎng)徑比、抗拉強(qiáng)度等，從施工角度要保證其分散均勻性和安全性。

3 天然纖維瀝青混合料研究進(jìn)展

天然纖維應(yīng)用歷史悠久，其用作增強(qiáng)材料可追溯到埃及時(shí)期，像稻草和馬鬃等被用于泥磚的制作，早期中國(guó)和日本建筑中也常用稻草作為加固房屋的材料[23]。20世紀(jì)50年代末，纖維開(kāi)始用于瀝青路面材料的增強(qiáng)，最初目的是為了解決瀝青路面的反射裂縫問(wèn)題。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期發(fā)展，目前路用纖維種類繁多，各種纖維優(yōu)缺各異。然天然纖維作為一種可再生、綠色環(huán)保的無(wú)毒纖維，符合現(xiàn)在的綠色可持續(xù)發(fā)展要求，從降低能耗、健康環(huán)保等方面考慮，天然纖維具有良好的發(fā)展前景。天然纖維的種類、幾何特性(長(zhǎng)度、直徑)、基本技術(shù)性能(吸油率、吸水率)、取向與分布、與基體的界面結(jié)合強(qiáng)度(相容性)、摻量等因素均會(huì)影響瀝青混合料的路用性能[16-17]。路用天然纖維主要是植物纖維和礦物纖維。

3.1 植物纖維

植物纖維包括椰子、劍麻、棕櫚、黃麻、亞麻、稻草、竹子、甘蔗等[23]，具體可細(xì)分為木質(zhì)纖維、麻纖維(韌皮纖維和葉纖維)、禾本科莖稈纖維及種子纖維[10，24]。植物纖維親水且耐久性和熱穩(wěn)定性差等限制了植物纖維在熱拌瀝青混合料中的應(yīng)用，但隨著改性技術(shù)、溫拌和冷拌瀝青技術(shù)的發(fā)展，拓寬了植物纖維的應(yīng)用。植物纖維由于其纖維素含量最高，且纖維素提供了纖維強(qiáng)度、剛度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，因此本質(zhì)是纖維素纖維。纖維素纖維的表面積比礦物纖維和聚酯合成纖維的表面積大約10倍，吸油性好，對(duì)瀝青混合料起到吸附穩(wěn)定作用。

3.1.1 木質(zhì)纖維 木質(zhì)纖維是以木材為原料進(jìn)行化學(xué)或機(jī)械加工而成的植物纖維，以及以木質(zhì)纖維為主要成分的回收廢紙加工而成的植物纖維，因具有吸油能力強(qiáng)、化學(xué)穩(wěn)定好及價(jià)格低廉而被廣泛使用。木質(zhì)素纖維表面積大、表面粗糙、耐熱性高，用于瀝青混合料中最大的作用是吸收和穩(wěn)定瀝青。因?yàn)闉r青用量的多少與瀝青混合料使用性能直接相關(guān)，傳統(tǒng)瀝青路面富油易出現(xiàn)表面泛油、車轍和推移病害，因此工程中常使用木質(zhì)纖維吸收和穩(wěn)定瀝青，以保證瀝青路面路用性能。

Xiong[25]研究了木質(zhì)素纖維瀝青混合料高低溫性能。結(jié)果表明，木質(zhì)素纖維瀝青混合料的抗車轍能力略有提高，低溫抗裂性提高顯著。郭鵬[26]證明木質(zhì)素纖維摻入瀝青后，其車轍因子和疲勞性能得以提高，木質(zhì)素纖維SMA混合料的水穩(wěn)定性和高溫性能顯著提升。Luo[27]認(rèn)為瀝青混合料的低溫性能，很大程度上取決于纖維的類型和數(shù)量，木質(zhì)素纖維摻量為0.2%～0.4%為較佳范圍。建議今后將多種纖維同時(shí)摻入對(duì)瀝青混合料進(jìn)行改性，以同時(shí)提高瀝青混合料的高低溫性能、水穩(wěn)定性和疲勞性能。整體而言，木質(zhì)素纖維的吸油能力突出，增加了瀝青含量的吸收，有利于低溫抗裂。為促進(jìn)木質(zhì)纖維的應(yīng)用，最新的規(guī)范《瀝青路面用纖維》(JT/T 533—2020)對(duì)木質(zhì)纖維的技術(shù)要求、試驗(yàn)檢測(cè)方法等進(jìn)行了進(jìn)一步修改和完善。但路用木質(zhì)素纖維的原料多為原木(針葉林、闊葉林)，大規(guī)模使用會(huì)使森林資源減少，不符合可持續(xù)發(fā)展的原則，尋找其他綠色、可再生的植物纖維來(lái)替代是必要的。

3.1.2 麻纖維 麻纖維是經(jīng)各種麻類植物加工制備而成，包括雙子葉植物皮層纖維(韌皮纖維)和單子葉植物纖維(葉纖維)。麻纖維主要是韌皮纖維，其有較高的結(jié)晶度和取向度，斷裂伸長(zhǎng)率較低，初始模量大，對(duì)堿、酸敏感性相對(duì)低。韌皮纖維包括黃麻、亞麻、大麻和苧麻等，該類纖維是從各種植物的表皮中提取的，具有較高的抗拉強(qiáng)度；葉纖維包括劍麻、香蕉葉等。

Shanbara[5]在冷拌瀝青中添加大麻和黃麻纖維，結(jié)果顯示與不加纖維的混合料相比，冷拌瀝青混合料的間接拉伸剛度模量有顯著改善，提高了混合料抗裂縫延展的能力；另外，不同溫度(45 ℃和 60 ℃)下的永久變形遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的冷拌和熱拌瀝青混合料。由于纖維在瀝青混合料中形成三維空間網(wǎng)絡(luò)，加強(qiáng)了內(nèi)部骨架結(jié)構(gòu)，抗剪切和拉伸能力增強(qiáng)，且纖維能穩(wěn)定并使“結(jié)構(gòu)瀝青”增多，從而提高了瀝青混合料高溫抗車轍能力。Mansourian[28]、Aliha[9]證明溫拌瀝青混凝土(WMA)中添加黃麻纖維，可以改善其斷裂性能，顯著提升其低溫抗裂性能，且纖維的抗斷裂能力取決不同的斷裂模式以及纖維類型和摻量。Pirmohammad[29]認(rèn)為紅麻纖維和玄武巖纖維均能提高WMA的抗斷裂性能，且添加0.3%的紅麻纖維和玄武巖纖維對(duì)WMA混凝土的斷裂強(qiáng)度促進(jìn)作用最佳。在純Ⅰ型和Ⅰ型主導(dǎo)混合Ⅰ/Ⅱ模式下，紅麻纖維混合WMA的性能優(yōu)于玄武巖纖維混合WMA。相反，在純Ⅱ型或Ⅱ型主導(dǎo)混合Ⅰ/Ⅱ型加載時(shí)，玄武巖纖維對(duì)WMA混合物的斷裂強(qiáng)度的提高要比紅麻纖維大。綜上可知，纖維瀝青混合料的抗裂性能提升受斷裂模式影響。

陸宏新[30]認(rèn)為瀝青混合料中添加適量的劍麻纖維，可顯著提高瀝青混凝土的韌性和抗裂性，有效提高了瀝青混凝土的整體性能和強(qiáng)度，對(duì)路用性能有較好的促進(jìn)作用。Costa[31]在SMA混合料中添加了不同比例及不同長(zhǎng)度的香蕉纖維，結(jié)果表明摻量為0.3%、長(zhǎng)度為20 mm的香蕉纖維，SMA混合料力學(xué)性能和防析漏能力最優(yōu)。但香蕉纖維的加入降低了瀝青混合料的和易性，因此香蕉纖維的研究應(yīng)用需進(jìn)一步探索。

3.1.3 禾本科莖稈纖維 禾本科莖稈纖維分為竹類和禾草類，禾草類研究較多的是農(nóng)作物秸稈，如玉米秸稈、麥秸稈、甘蔗渣等。竹纖維是一種環(huán)保性纖維，具有低成本、可回收、可降解和可再生的特點(diǎn)。與使用最多的木質(zhì)素纖維相比，竹纖維表面粗糙，具有較高的吸油率和較低的吸水率，因而具有較好的吸附瀝青和抗水損能力。

Sheng[32]評(píng)價(jià)了竹纖維對(duì)AC和SMA瀝青混合料高低溫性能的影響，認(rèn)為竹纖維瀝青混合料與木質(zhì)素纖維和聚酯纖維瀝青混合料的性能相當(dāng)或更優(yōu)。Liu[33]發(fā)現(xiàn)竹纖維瀝青混合料表現(xiàn)出優(yōu)良的路用性能，且明顯優(yōu)于木質(zhì)素纖維(尤其是高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性)。李靜[34]研究了不同摻量、不同長(zhǎng)度的竹纖維對(duì)瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度和高低溫性能的影響規(guī)律，得出長(zhǎng)度越長(zhǎng)的竹纖維，其性能達(dá)峰值時(shí)纖維摻量值越靠前，摻量越小；但摻量過(guò)多時(shí)，性能反而下降，這是因?yàn)槔w維過(guò)多后，分散不均勻而產(chǎn)生團(tuán)聚，在混合料內(nèi)部形成了局部缺陷?；谛阅苄枨蠹敖?jīng)濟(jì)性分析，建議加入長(zhǎng)度較長(zhǎng)且適宜、摻量更低的纖維。纖維瀝青混合料耐久性研究方面，Xia[35]利用竹纖維、木質(zhì)纖維進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究了瀝青混合料耐久性能。結(jié)果表明，植物纖維的加入能有效提高瀝青混合料的耐久性。雖竹纖維瀝青混合料力學(xué)性能較木質(zhì)素瀝青混合料弱，但具有更優(yōu)、更穩(wěn)定的耐久性能。竹纖維可以提高混合料的柔韌性，延緩裂紋的發(fā)展，使混合料具有良好的疲勞耐久性。因此，進(jìn)一步改善竹纖維表面性質(zhì)，提高竹纖維在瀝青混合料中的分散性及相容性，保證其耐久性，可作為一種可行的木質(zhì)素纖維替代品。

中國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，每年的農(nóng)作物秸稈數(shù)量龐大，但大多沒(méi)有得到合理利用，造成資源浪費(fèi)。焚燒處理會(huì)釋放大量的CO、CO2和NO2，導(dǎo)致環(huán)境污染嚴(yán)重，因此有效利用農(nóng)作物秸稈是發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的必然要求。Chen[36]針對(duì)玉米秸稈纖維制備進(jìn)行了大量探索，并對(duì)玉米纖維瀝青膠漿性能進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，玉米秸稈纖維的加入使瀝青針入度降低、軟化點(diǎn)提高、復(fù)數(shù)模量提高、相位角降低，提升了其抗高溫變形及彈性恢復(fù)性能。與木質(zhì)素纖維和玄武巖纖維相比，玉米秸稈纖維在瀝青膠結(jié)料中的均勻性最好。另外，混合料性能研究還表明在一定范圍內(nèi)，隨著纖維長(zhǎng)度增加瀝青混合料強(qiáng)度隨之增加。若纖維過(guò)長(zhǎng)，在瀝青混合料攪拌過(guò)程中易打結(jié)，難以實(shí)現(xiàn)纖維的均勻分散，這反而會(huì)導(dǎo)致混合料強(qiáng)度降低，和易性變差，因此纖維的長(zhǎng)度和直徑顯著影響混合料強(qiáng)度及和易性。李振霞等[15]研究發(fā)現(xiàn)玉米秸稈纖維的加入，提高了瀝青混合料的路用性能，且與木質(zhì)素纖維瀝青混合料性能相當(dāng)，但性能更穩(wěn)定；玉米秸稈纖維微觀形貌還顯示其表面粗糙度和長(zhǎng)徑比更大，分散均勻性優(yōu)于木質(zhì)素纖維。

除玉米秸稈外，棉秸稈、麥秸稈纖維等也逐漸被用于瀝青混合料性能增強(qiáng)研究[37-38]。另外，蔗渣作為制糖廢棄物，產(chǎn)量巨大；與其他農(nóng)作物秸稈相比，蔗渣中半纖維素和纖維素含量較高，纖維產(chǎn)出率高[39]。研究發(fā)現(xiàn)，蔗渣纖維可提高瀝青結(jié)合料車轍因子，從而提高SMA混合料高溫抗車轍性能[39]。綜上而言，農(nóng)作物廢棄物纖維在瀝青混合料性能增強(qiáng)方面與木質(zhì)素纖維相當(dāng)或更優(yōu)，且價(jià)格低廉；既科學(xué)合理利用廢棄資源，又減少了環(huán)境污染。它作為一種新型的瀝青路面材料，具有非常好的應(yīng)用前景及社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

3.1.4 種子纖維 種子纖維是指一些植物種子表皮細(xì)胞生長(zhǎng)成的單細(xì)胞纖維，包括椰殼纖維、棉纖維等，其中椰殼纖維在瀝青混合料中研究相對(duì)較多。廢棄椰殼對(duì)環(huán)境污染大，制作成纖維應(yīng)用于瀝青路面是一個(gè)解決固廢物的思路。Shanbara[5]證明冷拌瀝青混合料(CMA)中添加天然椰殼纖維，由于纖維的高剛度和拉伸強(qiáng)度特性，CMA混合料的力學(xué)性能得到顯著提高，瀝青路面的高溫抗車轍能力、結(jié)構(gòu)抗損壞能力均會(huì)得到提升。纖維對(duì)瀝青有顯著的阻滯作用，增加瀝青與集料的整體性，提高了瀝青混合料路用性能。椰殼纖維還可提高改性瀝青路面的穩(wěn)定性、抗滑性等，但椰子纖維對(duì)提高改性瀝青混合料疲勞壽命的影響還需進(jìn)一步研究[5，40]。

綜上可知，植物纖維具有可再生性、成本低、不產(chǎn)生污染或毒素、生物降解性好、易于提取和高韌性的優(yōu)點(diǎn)。且植物纖維對(duì)瀝青混合料的性能增強(qiáng)均有一定貢獻(xiàn)，其表面積大，吸油性好，增加了混合料內(nèi)部的“結(jié)構(gòu)瀝青”，進(jìn)而提高了混合料的路用性能。但植物纖維在熱拌瀝青混合料中應(yīng)用，應(yīng)著重關(guān)注其耐熱性，確保使用安全且不會(huì)受熱熔解。隨著溫拌瀝青混合料及冷拌瀝青混合料技術(shù)的發(fā)展，更多的植物纖維可較好的應(yīng)用于瀝青路面。目前，木質(zhì)纖維研究應(yīng)用較成熟，但從保護(hù)資源和環(huán)境的角度出發(fā)，應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)其他植物纖維的研究，特別是使農(nóng)作物秸稈、甘蔗渣、椰殼等廢棄資源得到科學(xué)合理利用。另外，植物纖維仍存在親水、耐久性差、抗自然降解能力弱等缺點(diǎn)，解決其親水性、分散性、相容性和耐久性是將來(lái)研究的重難點(diǎn)內(nèi)容。

3.2 礦物纖維

天然礦物纖維最常見(jiàn)的有石棉纖維、水鎂石纖維和玄武巖纖維、陶瓷纖維等。石棉纖維價(jià)格便宜，應(yīng)用較早，但存在危害人體健康、環(huán)保差等問(wèn)題，現(xiàn)已禁止使用石棉纖維。

3.2.1 水鎂石纖維 水鎂石纖維的主要成分之一是氫氧化鎂(Mg(OH)2)，該纖維與極性相容的集料和填料混合，相容性好。Xiong[25]研究認(rèn)為，相較木質(zhì)素纖維，水鎂石纖維具有更好熱穩(wěn)定性和儲(chǔ)存穩(wěn)定性；與聚酯纖維和玄武巖纖維相比，具有更好的瀝青吸收穩(wěn)定效果，且水鎂石纖維瀝青混合料顯現(xiàn)出良好的抗剪切性能、高低溫性能和水穩(wěn)定性能。無(wú)機(jī)填料(煤矸石粉等)加入瀝青混合料作為增強(qiáng)材料研究頗多，熊銳[41]系統(tǒng)研究了水鎂石纖維與煤矸石粉混合后的復(fù)合改性瀝青膠漿及混合料的性能。結(jié)果表明，瀝青膠漿的車轍因子主要受填料的粒徑和比表面積影響，復(fù)合改性可明顯提高瀝青混合料的路用性能，尤其是高溫性能。水鎂石在美國(guó)、俄羅斯和中國(guó)儲(chǔ)量豐富，且價(jià)格可觀，可系統(tǒng)分析水鎂石纖維對(duì)不同瀝青混合料的性能影響。

3.2.2 玄武巖纖維 玄武巖纖維在目前路用礦物纖維中應(yīng)用最廣，是一種綠色環(huán)保的高性能纖維材料，由SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Fe2O3、TiO2等多種氧化物組成[42-44]。玄武巖纖維是以玄武巖為主材料，經(jīng)高溫熔融、高速離心旋轉(zhuǎn)、凈化加工及陽(yáng)離子浸潤(rùn)劑處理形成的絮狀纖維，或經(jīng)高溫熔融、拉絲、親油浸潤(rùn)劑處理及合股纏繞，并切短而成的束狀纖維，其生產(chǎn)工藝副產(chǎn)品少且無(wú)害、易降解，屬綠色、環(huán)保材料，被譽(yù)為“21世紀(jì)無(wú)污染綠色材料”[42]。玄武巖纖維具有高拉伸強(qiáng)度、高模量、耐腐蝕性強(qiáng)以及抗氧化能力強(qiáng)等特點(diǎn)[42]，多為增強(qiáng)纖維摻入瀝青混合料中以提高混合料的路用性能。玄武巖纖維表面光滑，粗糙度小，吸油性較其他纖維差，用于普通瀝青混合料吸附穩(wěn)定作用效果欠佳且不經(jīng)濟(jì)，而熱固性高性能環(huán)氧瀝青混合料等多要求使用玄武巖纖維改善其抗裂性能。

玄武巖纖維對(duì)混合料性能的增強(qiáng)能力受多種因素影響，如玄武巖纖維的長(zhǎng)度、抗拉強(qiáng)度、模量等物理指標(biāo)，纖維摻量、瀝青類型、瀝青混合料級(jí)配等[43]。現(xiàn)從宏觀實(shí)驗(yàn)上針對(duì)單一玄武巖纖維的摻量、長(zhǎng)度等對(duì)混合料性能的影響研究較多，且研究結(jié)果表明，玄武巖纖維改性瀝青混合料比其他纖維改性瀝青混合料具有更優(yōu)的性能，包括抗疲勞性能、耐高溫性能、低溫性能、水穩(wěn)定性和力學(xué)性能。目前《玄武巖纖維瀝青路面施工技術(shù)指南》、《玄武巖纖維瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》等明確了玄武巖纖維性能標(biāo)準(zhǔn)的要求和各種瀝青混合料級(jí)配的推薦纖維用量，促進(jìn)了玄武巖纖維的發(fā)展與應(yīng)用。

為進(jìn)一步增強(qiáng)瀝青混合料的整體性能，玄武巖纖維和其他材料復(fù)合改性增強(qiáng)得到重視。李立頂[43]利用動(dòng)態(tài)剪切流變(DSR)實(shí)驗(yàn)研究了硅藻土和玄武巖纖維復(fù)合改性對(duì)瀝青性能的影響。結(jié)果表明，復(fù)摻適量的硅藻土和玄武巖纖維可以顯著提升瀝青高溫性能，降低其溫度敏感性；同時(shí)，硅藻土與玄武巖纖維兩者之間被證明存在交互作用，且硅藻土摻量影響瀝青流變特性最顯著。朱春風(fēng)[44]先后采用不同材料(納米TiO2/CaCO3、硅藻土)與玄武巖纖維復(fù)摻，研究瀝青及瀝青混合料性能經(jīng)復(fù)合改性后的效果。結(jié)果均表明，兩種改性材料的改性效果具有疊加效應(yīng)，其中高溫性能和疲勞性能得到大幅提高。李震南等[45]研究了玄武巖瀝青膠漿與瀝青混合料低溫性能的相關(guān)性，并對(duì)纖維瀝青膠漿相態(tài)變化進(jìn)行測(cè)試，從微觀結(jié)構(gòu)上分析了玄武巖纖維混合料低溫性能改善機(jī)理。眾所周知，纖維長(zhǎng)度對(duì)混合料性能影響巨大，且最佳長(zhǎng)度與集料公稱最大粒徑相關(guān)。Lou[46]研究玄武巖纖維不同長(zhǎng)度組合對(duì)混合料性能的影響，探討最佳混合長(zhǎng)度對(duì)混合料形態(tài)參數(shù)的適應(yīng)性。結(jié)果表明，玄武巖纖維混合料的抗裂性能和疲勞性能受纖維長(zhǎng)度組合的變化極其敏感。在相同的摻量下，纖維適宜的長(zhǎng)度組合可進(jìn)一步提高HMA的綜合性能，如SUP-13用玄武巖纖維建議3 mm∶6 mm∶9 mm=1∶1∶1。

綜上，玄武巖纖維顯著增強(qiáng)了瀝青混合料的整體性能，同時(shí)玄武巖纖維因抗拉強(qiáng)度高，應(yīng)力傳遞效率好，約束了裂紋的擴(kuò)展，延緩裂紋擴(kuò)展速度，進(jìn)而提高了瀝青混合料的抗裂能力。后期可利用微觀分析方法，深入分析不同類型瀝青混合料裂縫產(chǎn)生和擴(kuò)展的時(shí)空特征，更好地分析不同因素對(duì)瀝青混合料抗裂性能的影響機(jī)理；加強(qiáng)多種纖維復(fù)摻的混合料性能研究，實(shí)現(xiàn)纖維性能的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，最大限度地提高混合料整體性能。

3.2.3 陶瓷纖維 陶瓷纖維是一種新型輕質(zhì)熱阻材料，因其主要成分之一的氧化鋁是瓷器的主要成分，故叫作陶瓷纖維。陶瓷纖維通過(guò)高溫熔融和吹煉高嶺土、氧化鋁和硅石制成，具有抗拉強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性好、耐化學(xué)腐蝕性強(qiáng)、價(jià)格低廉和綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。

Arabani[47]研究認(rèn)為陶瓷纖維可增強(qiáng)瀝青膠漿的抗高溫剪切變形能力，提高了瀝青混合料的抗車轍性能，減少了瀝青混合料的老化，從而提高其抗疲勞開(kāi)裂的能力。王修山[48]證明陶瓷纖維對(duì)瀝青混合料力學(xué)性能和高溫性能提升顯著，且摻量為 0.4%時(shí)效果最佳。 Yalghouzaghaj[49]利用SCB實(shí)驗(yàn)對(duì)陶瓷纖維瀝青混合料開(kāi)展了低溫性能研究，結(jié)果顯示摻量為0.4%的陶瓷纖維瀝青混合料，其荷載峰值、斷裂能和斷裂韌性均有顯著提高，陶瓷纖維的加入改善了瀝青混合料低溫性能。以上研究表明，新型陶瓷纖維用于瀝青混合料性能增強(qiáng)有一定的潛力，且價(jià)格方面較玄武巖纖維低廉，可全面深入研究以增加瀝青路用纖維的選擇。

綜上，礦物纖維具有抗拉強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，尤其玄武巖和陶瓷纖維還具有綠色環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。礦物纖維比聚合物纖維更環(huán)保，且強(qiáng)度優(yōu)于植物纖維[46]，但價(jià)格較其他纖維高，多用于高等級(jí)公路及抗裂要求較高的路面。

4 結(jié)語(yǔ)與展望

天然纖維具有可再生和綠色環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，可提高瀝青混合料整體性能，延長(zhǎng)道路使用壽命，其應(yīng)用有良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益及發(fā)展前景，對(duì)可持續(xù)性發(fā)展具有重大意義。本文系統(tǒng)歸納了路用天然纖維的研究進(jìn)展，各類天然纖維的特點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)總結(jié)如下：

(1)天然植物纖維表面積大、表面相對(duì)其他纖維粗糙，吸油性強(qiáng)，對(duì)瀝青混合料主要起持油、穩(wěn)定、防析漏及加筋的作用。然而，天然植物纖維存在相容性差、親水、熱穩(wěn)定性差等缺陷，后續(xù)可深入對(duì)植物纖維表面改性進(jìn)行研究以解決上述問(wèn)題。尤其在熱拌瀝青混合料應(yīng)用中要極其關(guān)注其耐熱性，保證施工安全。另外，為保護(hù)森林資源、減少污染、合理利用廢棄物，宜針對(duì)農(nóng)作物秸稈、蔗渣、椰殼等廢棄纖維和其他非木質(zhì)纖維瀝青混合料開(kāi)展系統(tǒng)深入的研究。

(2)礦物纖維抗拉強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性好，對(duì)瀝青混合料性能增強(qiáng)顯著。尤其玄武巖纖維抗拉強(qiáng)度高，承受和傳遞應(yīng)力效果好，延緩裂紋擴(kuò)展速度，提高了瀝青混合料的抗裂性能。但玄武巖纖維價(jià)格貴，因而可對(duì)陶瓷纖維等進(jìn)一步研究，為不同需求的瀝青路面提供更多選擇。

(3)玄武巖纖維具有高拉伸強(qiáng)度、高模量、耐腐蝕性強(qiáng)以及抗氧化能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為“21世紀(jì)無(wú)污染綠色材料”，屬高性能纖維。目前玄武巖纖維研究應(yīng)用較成熟，后續(xù)可進(jìn)一步研究玄武巖纖維與其他材料(纖維、無(wú)機(jī)填料、外加劑等)混合對(duì)瀝青混合料復(fù)合改性或復(fù)合增強(qiáng)的效果，形成材料的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)材料優(yōu)異性能的充分利用；最后，可結(jié)合數(shù)字圖像技術(shù)等，以多尺度分析和評(píng)價(jià)玄武巖纖維瀝青混合料的抗裂能力。