天然纤维沥青混合料研究与应用进展

陈飞，张林艳，李先延，徐默楠，刘维娟，布鹏，杨吉龙

(1.云南大学 建筑与规划学院，云南 昆明 650000；2.云南宾南高速公路有限公司，云南 大理 671000；3.云南省交通规划设计研究院有限公司，云南 昆明 650000)

沥青路面因具有良好的功能性能(抗滑降噪好、平整度优)、开放交通快、养护维修容易、可再生利用等优点被广泛应用。截止到2020年末，我国高速公路总里程已超16万km，其中90%的路面结构是柔性路面[1]，美国更是高达95%[2]。然近年来，随交通量及重载车辆的迅速增长，传统沥青混合料难以满足沥青路面的耐久性要求。在荷载与环境共同作用下，沥青路面易出现松散、车辙、开裂等早期病害，从而降低路面的使用寿命。

为提高沥青路面的耐久性，广大科技工作者主要致力于添加废橡胶粉、聚合物、天然橡胶和纳米材料等对沥青进行改性，提高沥青品质以缓解沥青路面的早期病害问题[3-4]。然而，因沥青层的拉伸和剪切强度较弱，路面永久变形和开裂问题仍然存在[5]。相关研究表明，纤维的加入可显著提高沥青混合料的低温抗裂性、高温稳定性及水稳定性等路用性能[6-7]，还可延缓路面反射裂缝[8]，有利于解决沥青路面早期病害问题。

目前，沥青路面用纤维可分为合成纤维(即人造纤维)与天然纤维[9]。合成纤维包括聚合物纤维、碳纤维、钢纤维和玻璃纤维等；天然纤维包括动植物纤维和无机矿物纤维。与合成纤维相比，天然纤维具有可再生、低成本、节能环保无污染、安全无毒、生物可降解等优点。在大力提倡绿色可持续发展的今天，天然纤维作为一种具有可持续发展潜力的生物可再生资源，其应用独具相当的竞争优势。目前天然纤维用于沥青混合料增强方面的研究不系统，且缺乏全面的总结。鉴于此，本文介绍了天然纤维的特性，系统总结了路用天然纤维沥青混合料性能增强机理及研究进展，分析了当下天然纤维沥青混合料研究应用中面临的问题并展望其前景。

1 天然纤维特性

1.1 天然纤维分类及组成

天然纤维是指由连续或间断的细丝组成的物质，按来源可分为动物纤维、植物纤维和矿物纤维[10]。植物纤维主要有秸秆纤维、韧皮纤维、叶纤维和木质纤维等，其主要组成为纤维素、半纤维素和木质素。

纤维素是纤维骨架结构的主要组成，提供了纤维的结构稳定性、强度和刚度，因此植物纤维本质上是木质纤维素纤维(LCF)。纤维素为多羟基的线型高聚物，其分子间形成的强氢键作用是LCF有较高极性和亲水性的原因。根据纤维素链的排列情况可分为结晶纤维素和无定形纤维素。有序排列的结晶纤维素抵抗水和其他化学作用的降解能力较无定形纤维素强，也是材料本身抗拉强度和柔韧性的主要贡献来源。半纤维素是一种多聚糖，由于其支链和无定形的本质特征，化学性质极不稳定，对碱和酸溶解极其敏感[11]。半纤维素亲水性比纤维素更强，且半纤维素会引起结晶纤维素链的缠结。因此，去除半纤维素，LCF吸水率降低、抗拉强度增加[10]。 木质素是无定形的三维网状芳香族高聚物，由碳碳键和醚键链接苯丙烷结构单元而成，每个聚合单元都含有羟基、甲氧基和羰基[11]。木质素赋予LCF结构刚性和脆性，并导致结晶纤维素链缠结。因此，脱木质素后，LCF的抗拉强度增加[10，12]。动物纤维主要是蚕丝和毛类纤维，其组成是以聚酰胺高分子形式存在的蛋白质。天然矿物纤维由纤维状结构的岩石获得，主要由硅酸盐等组成。

综上，不同植物纤维主要的三种组成成分含量决定了纤维的物理力学特性。尽管天然植物纤维的力学性能相较其他纤维较低，但断裂伸长率大、抗延展能力强，LCF有潜力在某些工程复合材料应用中取代合成纤维[13]。

1.2 纤维表面改性和添加方法

LCF因固有的极性和亲水特性，存在与基体融合的相容性差(界面结合弱)、复合材料耐久性不佳等问题。为解决天然植物纤维与基体之间相容性差和固有的高吸湿性问题，通常使用化学处理、反应性添加剂和偶联剂对纤维进行改性处理(取代或阻断羟基)，降低其亲水性和半纤维素及木质素组分含量，以提高沥青混合料的耐久性能[10，13]。然以上几种方法均存在不同程度的化学污染，且副产品难以处理，不环保。近年来，真菌处理被认为是一种很有前景的天然纤维表面改性方法，该生物处理方法环保、高效[10]。真菌处理即通过特定酶作用去除纤维表面的非纤维素成分(胶质、蜡等)、木质素，增加半纤维素的溶解度，以此提高天然纤维的抗拉强度和疏水性；此外，真菌会在纤维表面产生一个粗糙面，以便与基体形成强界面。

沥青混合料中添加纤维的方法一般有两种，即干法和湿法[14-15]。干法即先将纤维和矿料混合均匀，最后再添加沥青拌和形成沥青混合料。湿法按纤维添加的阶段不同还可分为两种，其一是先将纤维加入沥青中通过高速剪切拌和机搅拌均匀，再加入到矿料中混合形成。该方法需要高速剪切拌和机，且拌和均匀性效果不显著，纤维吸油大导致沥青用量计算存在误差，过程繁杂，相较干法而言无优势；其二则是将沥青与矿料先均匀拌和，最后加入纤维。三种方法对比而言，干法添加工艺相对简单，纤维团聚最少，能更好地将纤维分布在混合物中，因此纤维沥青混合料的现场工作常采用干法工艺。

2 纤维沥青混合料增强机理

沥青混合料是一种多相、多组分、多尺度的黏弹性材料，为深入分析纤维加入沥青混合料的性能增强机理，研究者主要提出了结构层次理论、复合材料理论、界面理论及断裂力学理论等[16-17]，分析纤维改善沥青混合料性能的机理。

结构层次理论认为材料可从宏观、细观和微观层次进行不同尺度的研究，每个层次对纤维沥青混合料的假设不同。宏观层次认为纤维沥青混合料具有均匀连续性，细观层次认为其是连续但不均匀的，微观层次则认为无连续性和均匀性。因沥青混合料的多相特点，复合材料理论认为纤维作为其中一相，沥青混合料的性能增强取决于相与相之间的作用效果(相容性)、各相的几何特征及各相自身特性等[16]。由于纤维和基体的化学结构不同，两相耦合时相容性的好坏很大程度上决定了复合材料的性能。界面理论认为复合材料的多相组合存在许多复杂的物理和化学变化，界面几何特征受纤维材料特性、复合工艺等影响。界面作用主要有化学键合作用、浸润-吸附作用(物理吸附、化学吸附及选择性吸附)、扩散作用、静电作用等[17]。断裂力学理论认为材料均存在不同程度的结构缺陷或宏观缺陷，特别是沥青混合料内部存在空隙、集料与沥青界面存在微裂纹等缺陷，因此沥青混合料在外力作用下裂纹进行扩展会最终导致开裂破坏。纤维沥青混合料断裂过程会出现裂纹扩展、集料-沥青界面分离、纤维拔出、纤维拉断等。基于断裂破坏的分析模型最常见的是应力强度因子模型和能量模型[17]，前者主要表征材料抵抗荷载的特性，而后者更关注材料破坏全过程的能量耗散情况。结合以上理论，纤维对沥青混合料性能的增强作用具体可归纳为桥接阻裂作用、界面增强作用、稳定作用及增韧阻裂作用。

2.1 桥接阻裂作用

沥青混合料是以沥青为唯一连续相存在的多相分散体系，沥青破坏将打破整个结构体系的稳定。但纤维在沥青混合料中随机分布，相互搭接形成空间网络结构，纤维网作为第二“连续相”能更好的保证结构体系完整。当纤维沥青混合料受荷载作用时，纤维发挥了类似水泥混凝土中钢筋的作用，在结构裂尖处起到“加筋桥接”作用，能传递和消散部分应力，减缓裂缝形成和扩展，提高了材料的延性，改善了混合料抗裂性能。因此纤维增强沥青混合料的效果取决于纤维/基体界面将应力从基体传递到纤维的能力，应力传递效率是决定沥青混合料力学性能的主要因素。

2.2 界面增强作用

纤维因自身具有较大的比表面积对沥青中的沥青质具有吸附作用，包括物理化学吸附和选择性吸附[18-19]，这使得“结构沥青”增加、膜厚度增大，进而提高了两相(矿料相与纤维沥青相)之间的界面效应。一般来说，由于纤维和沥青存在一定惰性，且成分组成及化学结构不同，化学吸附较少，因此主要是浸润物理吸附。沥青和纤维的界面作用虽以物理吸附为主，但二者形成的强界面或界面增强作用，主要原因是沥青质中的活性官能团与纤维表面极性基团间强烈的化学吸引作用[20]。界面增强后表现为相界面间过渡平缓，相容性好，内部形成了牢固的“结构沥青”界面层[17]。

2.3 稳定作用

传统沥青混合料在高温作用或油石比较大情况下，沥青会在结构内流动或产生析漏现象，导致高温抗变形能力差，路面出现泛油现象。纤维在沥青混合料中可形成纵横交织的三维空间网络，加之纤维与沥青的吸附、扩散与键合作用等，使得“结构沥青”增多，粘结强度增大，阻止了沥青流动、增加持油、减少析漏等作用。另外，形成的“结构沥青”界面层使纤维沥青相与矿料相间的界面增强，结构温度稳定性得到显著提高，有效减少沥青路面的泛油情况。

2.4 增韧阻裂作用

沥青混合料的黏弹性特性使得其韧性会随温度变化而改变。低温条件下，沥青混合料在温度应力和荷载的耦合作用下，会因韧性不足易发生脆性断裂。沥青混合料在宏观裂纹扩展时，裂纹尖端产生的应力集中因子大。但因纤维与沥青基之间存在性质差异，纤维-沥青界面附近形成的残余应力-应变场及显微裂纹，可降低应力集中因子，从而起到增韧的作用[21]。宏观上看，由于纤维自身的弹性模量高、延伸性强，纤维的加入使沥青混合料强度增强，变形能力提高，从而增强了沥青混合料抗低温开裂能力[22]。另外，沥青混合料由胶浆握裹、集料间的嵌挤作用形成抗拉强度，纤维的添加可进一步提高胶浆握裹的能力，使应力传递效率增加，从而提高沥青混合料增韧阻裂效果。

整体而言，从纤维增强沥青混合料的性能机理上分析，其应用要尤其控制纤维的吸油率、长径比、抗拉强度等，从施工角度要保证其分散均匀性和安全性。

3 天然纤维沥青混合料研究进展

天然纤维应用历史悠久，其用作增强材料可追溯到埃及时期，像稻草和马鬃等被用于泥砖的制作，早期中国和日本建筑中也常用稻草作为加固房屋的材料[23]。20世纪50年代末，纤维开始用于沥青路面材料的增强，最初目的是为了解决沥青路面的反射裂缝问题。经过长期发展，目前路用纤维种类繁多，各种纤维优缺各异。然天然纤维作为一种可再生、绿色环保的无毒纤维，符合现在的绿色可持续发展要求，从降低能耗、健康环保等方面考虑，天然纤维具有良好的发展前景。天然纤维的种类、几何特性(长度、直径)、基本技术性能(吸油率、吸水率)、取向与分布、与基体的界面结合强度(相容性)、掺量等因素均会影响沥青混合料的路用性能[16-17]。路用天然纤维主要是植物纤维和矿物纤维。

3.1 植物纤维

植物纤维包括椰子、剑麻、棕榈、黄麻、亚麻、稻草、竹子、甘蔗等[23]，具体可细分为木质纤维、麻纤维(韧皮纤维和叶纤维)、禾本科茎秆纤维及种子纤维[10，24]。植物纤维亲水且耐久性和热稳定性差等限制了植物纤维在热拌沥青混合料中的应用，但随着改性技术、温拌和冷拌沥青技术的发展，拓宽了植物纤维的应用。植物纤维由于其纤维素含量最高，且纤维素提供了纤维强度、刚度和结构稳定性，因此本质是纤维素纤维。纤维素纤维的表面积比矿物纤维和聚酯合成纤维的表面积大约10倍，吸油性好，对沥青混合料起到吸附稳定作用。

3.1.1 木质纤维 木质纤维是以木材为原料进行化学或机械加工而成的植物纤维，以及以木质纤维为主要成分的回收废纸加工而成的植物纤维，因具有吸油能力强、化学稳定好及价格低廉而被广泛使用。木质素纤维表面积大、表面粗糙、耐热性高，用于沥青混合料中最大的作用是吸收和稳定沥青。因为沥青用量的多少与沥青混合料使用性能直接相关，传统沥青路面富油易出现表面泛油、车辙和推移病害，因此工程中常使用木质纤维吸收和稳定沥青，以保证沥青路面路用性能。

Xiong[25]研究了木质素纤维沥青混合料高低温性能。结果表明，木质素纤维沥青混合料的抗车辙能力略有提高，低温抗裂性提高显著。郭鹏[26]证明木质素纤维掺入沥青后，其车辙因子和疲劳性能得以提高，木质素纤维SMA混合料的水稳定性和高温性能显著提升。Luo[27]认为沥青混合料的低温性能，很大程度上取决于纤维的类型和数量，木质素纤维掺量为0.2%～0.4%为较佳范围。建议今后将多种纤维同时掺入对沥青混合料进行改性，以同时提高沥青混合料的高低温性能、水稳定性和疲劳性能。整体而言，木质素纤维的吸油能力突出，增加了沥青含量的吸收，有利于低温抗裂。为促进木质纤维的应用，最新的规范《沥青路面用纤维》(JT/T 533—2020)对木质纤维的技术要求、试验检测方法等进行了进一步修改和完善。但路用木质素纤维的原料多为原木(针叶林、阔叶林)，大规模使用会使森林资源减少，不符合可持续发展的原则，寻找其他绿色、可再生的植物纤维来替代是必要的。

3.1.2 麻纤维 麻纤维是经各种麻类植物加工制备而成，包括双子叶植物皮层纤维(韧皮纤维)和单子叶植物纤维(叶纤维)。麻纤维主要是韧皮纤维，其有较高的结晶度和取向度，断裂伸长率较低，初始模量大，对碱、酸敏感性相对低。韧皮纤维包括黄麻、亚麻、大麻和苎麻等，该类纤维是从各种植物的表皮中提取的，具有较高的抗拉强度；叶纤维包括剑麻、香蕉叶等。

Shanbara[5]在冷拌沥青中添加大麻和黄麻纤维，结果显示与不加纤维的混合料相比，冷拌沥青混合料的间接拉伸刚度模量有显著改善，提高了混合料抗裂缝延展的能力；另外，不同温度(45 ℃和 60 ℃)下的永久变形远低于传统的冷拌和热拌沥青混合料。由于纤维在沥青混合料中形成三维空间网络，加强了内部骨架结构，抗剪切和拉伸能力增强，且纤维能稳定并使“结构沥青”增多，从而提高了沥青混合料高温抗车辙能力。Mansourian[28]、Aliha[9]证明温拌沥青混凝土(WMA)中添加黄麻纤维，可以改善其断裂性能，显著提升其低温抗裂性能，且纤维的抗断裂能力取决不同的断裂模式以及纤维类型和掺量。Pirmohammad[29]认为红麻纤维和玄武岩纤维均能提高WMA的抗断裂性能，且添加0.3%的红麻纤维和玄武岩纤维对WMA混凝土的断裂强度促进作用最佳。在纯Ⅰ型和Ⅰ型主导混合Ⅰ/Ⅱ模式下，红麻纤维混合WMA的性能优于玄武岩纤维混合WMA。相反，在纯Ⅱ型或Ⅱ型主导混合Ⅰ/Ⅱ型加载时，玄武岩纤维对WMA混合物的断裂强度的提高要比红麻纤维大。综上可知，纤维沥青混合料的抗裂性能提升受断裂模式影响。

陆宏新[30]认为沥青混合料中添加适量的剑麻纤维，可显著提高沥青混凝土的韧性和抗裂性，有效提高了沥青混凝土的整体性能和强度，对路用性能有较好的促进作用。Costa[31]在SMA混合料中添加了不同比例及不同长度的香蕉纤维，结果表明掺量为0.3%、长度为20 mm的香蕉纤维，SMA混合料力学性能和防析漏能力最优。但香蕉纤维的加入降低了沥青混合料的和易性，因此香蕉纤维的研究应用需进一步探索。

3.1.3 禾本科茎秆纤维 禾本科茎秆纤维分为竹类和禾草类，禾草类研究较多的是农作物秸秆，如玉米秸秆、麦秸秆、甘蔗渣等。竹纤维是一种环保性纤维，具有低成本、可回收、可降解和可再生的特点。与使用最多的木质素纤维相比，竹纤维表面粗糙，具有较高的吸油率和较低的吸水率，因而具有较好的吸附沥青和抗水损能力。

Sheng[32]评价了竹纤维对AC和SMA沥青混合料高低温性能的影响，认为竹纤维沥青混合料与木质素纤维和聚酯纤维沥青混合料的性能相当或更优。Liu[33]发现竹纤维沥青混合料表现出优良的路用性能，且明显优于木质素纤维(尤其是高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性)。李静[34]研究了不同掺量、不同长度的竹纤维对沥青混合料马歇尔稳定度和高低温性能的影响规律，得出长度越长的竹纤维，其性能达峰值时纤维掺量值越靠前，掺量越小；但掺量过多时，性能反而下降，这是因为纤维过多后，分散不均匀而产生团聚，在混合料内部形成了局部缺陷。基于性能需求及经济性分析，建议加入长度较长且适宜、掺量更低的纤维。纤维沥青混合料耐久性研究方面，Xia[35]利用竹纤维、木质纤维进行对比实验研究了沥青混合料耐久性能。结果表明，植物纤维的加入能有效提高沥青混合料的耐久性。虽竹纤维沥青混合料力学性能较木质素沥青混合料弱，但具有更优、更稳定的耐久性能。竹纤维可以提高混合料的柔韧性，延缓裂纹的发展，使混合料具有良好的疲劳耐久性。因此，进一步改善竹纤维表面性质，提高竹纤维在沥青混合料中的分散性及相容性，保证其耐久性，可作为一种可行的木质素纤维替代品。

中国作为农业大国，每年的农作物秸秆数量庞大，但大多没有得到合理利用，造成资源浪费。焚烧处理会释放大量的CO、CO2和NO2，导致环境污染严重，因此有效利用农作物秸秆是发展循环经济、建设资源节约型、环境友好型社会的必然要求。Chen[36]针对玉米秸秆纤维制备进行了大量探索，并对玉米纤维沥青胶浆性能进行了相关实验。结果表明，玉米秸秆纤维的加入使沥青针入度降低、软化点提高、复数模量提高、相位角降低，提升了其抗高温变形及弹性恢复性能。与木质素纤维和玄武岩纤维相比，玉米秸秆纤维在沥青胶结料中的均匀性最好。另外，混合料性能研究还表明在一定范围内，随着纤维长度增加沥青混合料强度随之增加。若纤维过长，在沥青混合料搅拌过程中易打结，难以实现纤维的均匀分散，这反而会导致混合料强度降低，和易性变差，因此纤维的长度和直径显著影响混合料强度及和易性。李振霞等[15]研究发现玉米秸秆纤维的加入，提高了沥青混合料的路用性能，且与木质素纤维沥青混合料性能相当，但性能更稳定；玉米秸秆纤维微观形貌还显示其表面粗糙度和长径比更大，分散均匀性优于木质素纤维。

除玉米秸秆外，棉秸秆、麦秸秆纤维等也逐渐被用于沥青混合料性能增强研究[37-38]。另外，蔗渣作为制糖废弃物，产量巨大；与其他农作物秸秆相比，蔗渣中半纤维素和纤维素含量较高，纤维产出率高[39]。研究发现，蔗渣纤维可提高沥青结合料车辙因子，从而提高SMA混合料高温抗车辙性能[39]。综上而言，农作物废弃物纤维在沥青混合料性能增强方面与木质素纤维相当或更优，且价格低廉；既科学合理利用废弃资源，又减少了环境污染。它作为一种新型的沥青路面材料，具有非常好的应用前景及社会经济效益。

3.1.4 种子纤维 种子纤维是指一些植物种子表皮细胞生长成的单细胞纤维，包括椰壳纤维、棉纤维等，其中椰壳纤维在沥青混合料中研究相对较多。废弃椰壳对环境污染大，制作成纤维应用于沥青路面是一个解决固废物的思路。Shanbara[5]证明冷拌沥青混合料(CMA)中添加天然椰壳纤维，由于纤维的高刚度和拉伸强度特性，CMA混合料的力学性能得到显著提高，沥青路面的高温抗车辙能力、结构抗损坏能力均会得到提升。纤维对沥青有显著的阻滞作用，增加沥青与集料的整体性，提高了沥青混合料路用性能。椰壳纤维还可提高改性沥青路面的稳定性、抗滑性等，但椰子纤维对提高改性沥青混合料疲劳寿命的影响还需进一步研究[5，40]。

综上可知，植物纤维具有可再生性、成本低、不产生污染或毒素、生物降解性好、易于提取和高韧性的优点。且植物纤维对沥青混合料的性能增强均有一定贡献，其表面积大，吸油性好，增加了混合料内部的“结构沥青”，进而提高了混合料的路用性能。但植物纤维在热拌沥青混合料中应用，应着重关注其耐热性，确保使用安全且不会受热熔解。随着温拌沥青混合料及冷拌沥青混合料技术的发展，更多的植物纤维可较好的应用于沥青路面。目前，木质纤维研究应用较成熟，但从保护资源和环境的角度出发，应该加强对其他植物纤维的研究，特别是使农作物秸秆、甘蔗渣、椰壳等废弃资源得到科学合理利用。另外，植物纤维仍存在亲水、耐久性差、抗自然降解能力弱等缺点，解决其亲水性、分散性、相容性和耐久性是将来研究的重难点内容。

3.2 矿物纤维

天然矿物纤维最常见的有石棉纤维、水镁石纤维和玄武岩纤维、陶瓷纤维等。石棉纤维价格便宜，应用较早，但存在危害人体健康、环保差等问题，现已禁止使用石棉纤维。

3.2.1 水镁石纤维 水镁石纤维的主要成分之一是氢氧化镁(Mg(OH)2)，该纤维与极性相容的集料和填料混合，相容性好。Xiong[25]研究认为，相较木质素纤维，水镁石纤维具有更好热稳定性和储存稳定性；与聚酯纤维和玄武岩纤维相比，具有更好的沥青吸收稳定效果，且水镁石纤维沥青混合料显现出良好的抗剪切性能、高低温性能和水稳定性能。无机填料(煤矸石粉等)加入沥青混合料作为增强材料研究颇多，熊锐[41]系统研究了水镁石纤维与煤矸石粉混合后的复合改性沥青胶浆及混合料的性能。结果表明，沥青胶浆的车辙因子主要受填料的粒径和比表面积影响，复合改性可明显提高沥青混合料的路用性能，尤其是高温性能。水镁石在美国、俄罗斯和中国储量丰富，且价格可观，可系统分析水镁石纤维对不同沥青混合料的性能影响。

3.2.2 玄武岩纤维 玄武岩纤维在目前路用矿物纤维中应用最广，是一种绿色环保的高性能纤维材料，由SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Fe2O3、TiO2等多种氧化物组成[42-44]。玄武岩纤维是以玄武岩为主材料，经高温熔融、高速离心旋转、净化加工及阳离子浸润剂处理形成的絮状纤维，或经高温熔融、拉丝、亲油浸润剂处理及合股缠绕，并切短而成的束状纤维，其生产工艺副产品少且无害、易降解，属绿色、环保材料，被誉为“21世纪无污染绿色材料”[42]。玄武岩纤维具有高拉伸强度、高模量、耐腐蚀性强以及抗氧化能力强等特点[42]，多为增强纤维掺入沥青混合料中以提高混合料的路用性能。玄武岩纤维表面光滑，粗糙度小，吸油性较其他纤维差，用于普通沥青混合料吸附稳定作用效果欠佳且不经济，而热固性高性能环氧沥青混合料等多要求使用玄武岩纤维改善其抗裂性能。

玄武岩纤维对混合料性能的增强能力受多种因素影响，如玄武岩纤维的长度、抗拉强度、模量等物理指标，纤维掺量、沥青类型、沥青混合料级配等[43]。现从宏观实验上针对单一玄武岩纤维的掺量、长度等对混合料性能的影响研究较多，且研究结果表明，玄武岩纤维改性沥青混合料比其他纤维改性沥青混合料具有更优的性能，包括抗疲劳性能、耐高温性能、低温性能、水稳定性和力学性能。目前《玄武岩纤维沥青路面施工技术指南》、《玄武岩纤维沥青路面施工技术规范》等明确了玄武岩纤维性能标准的要求和各种沥青混合料级配的推荐纤维用量，促进了玄武岩纤维的发展与应用。

为进一步增强沥青混合料的整体性能，玄武岩纤维和其他材料复合改性增强得到重视。李立顶[43]利用动态剪切流变(DSR)实验研究了硅藻土和玄武岩纤维复合改性对沥青性能的影响。结果表明，复掺适量的硅藻土和玄武岩纤维可以显著提升沥青高温性能，降低其温度敏感性；同时，硅藻土与玄武岩纤维两者之间被证明存在交互作用，且硅藻土掺量影响沥青流变特性最显著。朱春风[44]先后采用不同材料(纳米TiO2/CaCO3、硅藻土)与玄武岩纤维复掺，研究沥青及沥青混合料性能经复合改性后的效果。结果均表明，两种改性材料的改性效果具有叠加效应，其中高温性能和疲劳性能得到大幅提高。李震南等[45]研究了玄武岩沥青胶浆与沥青混合料低温性能的相关性，并对纤维沥青胶浆相态变化进行测试，从微观结构上分析了玄武岩纤维混合料低温性能改善机理。众所周知，纤维长度对混合料性能影响巨大，且最佳长度与集料公称最大粒径相关。Lou[46]研究玄武岩纤维不同长度组合对混合料性能的影响，探讨最佳混合长度对混合料形态参数的适应性。结果表明，玄武岩纤维混合料的抗裂性能和疲劳性能受纤维长度组合的变化极其敏感。在相同的掺量下，纤维适宜的长度组合可进一步提高HMA的综合性能，如SUP-13用玄武岩纤维建议3 mm∶6 mm∶9 mm=1∶1∶1。

综上，玄武岩纤维显著增强了沥青混合料的整体性能，同时玄武岩纤维因抗拉强度高，应力传递效率好，约束了裂纹的扩展，延缓裂纹扩展速度，进而提高了沥青混合料的抗裂能力。后期可利用微观分析方法，深入分析不同类型沥青混合料裂缝产生和扩展的时空特征，更好地分析不同因素对沥青混合料抗裂性能的影响机理；加强多种纤维复掺的混合料性能研究，实现纤维性能的优势互补，最大限度地提高混合料整体性能。

3.2.3 陶瓷纤维 陶瓷纤维是一种新型轻质热阻材料，因其主要成分之一的氧化铝是瓷器的主要成分，故叫作陶瓷纤维。陶瓷纤维通过高温熔融和吹炼高岭土、氧化铝和硅石制成，具有抗拉强度高、热稳定性好、耐化学腐蚀性强、价格低廉和绿色环保等优点。

Arabani[47]研究认为陶瓷纤维可增强沥青胶浆的抗高温剪切变形能力，提高了沥青混合料的抗车辙性能，减少了沥青混合料的老化，从而提高其抗疲劳开裂的能力。王修山[48]证明陶瓷纤维对沥青混合料力学性能和高温性能提升显著，且掺量为 0.4%时效果最佳。 Yalghouzaghaj[49]利用SCB实验对陶瓷纤维沥青混合料开展了低温性能研究，结果显示掺量为0.4%的陶瓷纤维沥青混合料，其荷载峰值、断裂能和断裂韧性均有显著提高，陶瓷纤维的加入改善了沥青混合料低温性能。以上研究表明，新型陶瓷纤维用于沥青混合料性能增强有一定的潜力，且价格方面较玄武岩纤维低廉，可全面深入研究以增加沥青路用纤维的选择。

综上，矿物纤维具有抗拉强度高、化学稳定性和热稳定性好等特点，尤其玄武岩和陶瓷纤维还具有绿色环保的优点。矿物纤维比聚合物纤维更环保，且强度优于植物纤维[46]，但价格较其他纤维高，多用于高等级公路及抗裂要求较高的路面。

4 结语与展望

天然纤维具有可再生和绿色环保的优点，可提高沥青混合料整体性能，延长道路使用寿命，其应用有良好的社会经济效益及发展前景，对可持续性发展具有重大意义。本文系统归纳了路用天然纤维的研究进展，各类天然纤维的特点及发展趋势总结如下：

(1)天然植物纤维表面积大、表面相对其他纤维粗糙，吸油性强，对沥青混合料主要起持油、稳定、防析漏及加筋的作用。然而，天然植物纤维存在相容性差、亲水、热稳定性差等缺陷，后续可深入对植物纤维表面改性进行研究以解决上述问题。尤其在热拌沥青混合料应用中要极其关注其耐热性，保证施工安全。另外，为保护森林资源、减少污染、合理利用废弃物，宜针对农作物秸秆、蔗渣、椰壳等废弃纤维和其他非木质纤维沥青混合料开展系统深入的研究。

(2)矿物纤维抗拉强度高、热稳定性和化学稳定性好，对沥青混合料性能增强显著。尤其玄武岩纤维抗拉强度高，承受和传递应力效果好，延缓裂纹扩展速度，提高了沥青混合料的抗裂性能。但玄武岩纤维价格贵，因而可对陶瓷纤维等进一步研究，为不同需求的沥青路面提供更多选择。

(3)玄武岩纤维具有高拉伸强度、高模量、耐腐蚀性强以及抗氧化能力强等优点，被誉为“21世纪无污染绿色材料”，属高性能纤维。目前玄武岩纤维研究应用较成熟，后续可进一步研究玄武岩纤维与其他材料(纤维、无机填料、外加剂等)混合对沥青混合料复合改性或复合增强的效果，形成材料的优势互补，实现对材料优异性能的充分利用；最后，可结合数字图像技术等，以多尺度分析和评价玄武岩纤维沥青混合料的抗裂能力。