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))、開放交通快、養(yǎng)護維修容易、可再生利用等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用。截止到2020年末，我國高速公路總里程已超16萬km，其中90%的路面結(jié)構(gòu)是柔性路面[1]，美國更是高達95%[2]。然近年來，隨交通量及重載車輛的迅速增長，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瀝青進行改性，提高瀝青品質(zhì)以緩解瀝青路面的早期病害問題[3-4]。然而，因瀝青層的拉伸和剪切強度較弱，路面永久變形和開裂問題仍然存在[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；天然纖維包括動植物纖維和無機礦物纖維。與合成纖維相比，天然纖維具有可再生、低成本、節(jié)能環(huán)保無污染、安全無毒、生物可降解等優(yōu)點。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)用獨具相當(dāng)?shù)母偁巸?yōu)勢。目前天然纖維用于瀝青混合料增強方面的研究不系統(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機理及研究進展，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)或間斷的細絲組成的物質(zhì)，按來源可分為動物纖維、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定形纖維素強，也是材料本身抗拉強度和柔韌性的主要貢獻來源。半纖維素是一種多聚糖，由于其支鏈和無定形的本質(zhì)特征，化學(xué)性質(zhì)極不穩(wěn)定，對堿和酸溶解極其敏感[11]。半纖維素親水性比纖維素更強，且半纖維素會引起結(jié)晶纖維素鏈的纏結(jié)。因此，去除半纖維素，LCF吸水率降低、抗拉強度增加[10]。 木質(zhì)素是無定形的三維網(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的抗拉強度增加[10，12]。動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，但斷裂伸長率大、抗延展能力強，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題，通常使用化學(xué)處理、反應(yīng)性添加劑和偶聯(lián)劑對纖維進行改性處理(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，真菌處理被認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度和疏水性；此外，真菌會在纖維表面產(chǎn)生一個粗糙面，以便與基體形成強界面。

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高速剪切拌和機攪拌均勻，再加入到礦料中混合形成。該方法需要高速剪切拌和機，且拌和均勻性效果不顯著，纖維吸油大導(dǎo)致瀝青用量計算存在誤差，過程繁雜，相較干法而言無優(yōu)勢；其二則是將瀝青與礦料先均勻拌和，最后加入纖維。三種方法對比而言，干法添加工藝相對簡單，纖維團聚最少，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)場工作常采用干法工藝。

2 纖維瀝青混合料增強機理

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機理，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理。

結(jié)構(gòu)層次理論認為材料可從宏觀、細觀和微觀層次進行不同尺度的研究，每個層次對纖維瀝青混合料的假設(shè)不同。宏觀層次認為纖維瀝青混合料具有均勻連續(xù)性，細觀層次認為其是連續(xù)但不均勻的，微觀層次則認為無連續(xù)性和均勻性。因瀝青混合料的多相特點，復(fù)合材料理論認為纖維作為其中一相，瀝青混合料的性能增強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-吸附作用(物理吸附、化學(xué)吸附及選擇性吸附)、擴散作用、靜電作用等[17]。斷裂力學(xué)理論認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行擴展會最終導(dǎo)致開裂破壞。纖維瀝青混合料斷裂過程會出現(xiàn)裂紋擴展、集料-瀝青界面分離、纖維拔出、纖維拉斷等?；跀嗔哑茐牡姆治瞿Ｐ妥畛Ｒ姷氖菓?yīng)力強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)注材料破壞全過程的能量耗散情況。結(jié)合以上理論，纖維對瀝青混合料性能的增強作用具體可歸納為橋接阻裂作用、界面增強作用、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結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定。但纖維在瀝青混合料中隨機分布，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，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 界面增強作用

纖維因自身具有較大的比表面積對瀝青中的瀝青質(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)。一般來說，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，但二者形成的強界面或界面增強作用，主要原因是瀝青質(zhì)中的活性官能團與纖維表面極性基團間強烈的化學(xué)吸引作用[20]。界面增強后表現(xiàn)為相界面間過渡平緩，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，瀝青會在結(jié)構(gòu)內(nèi)流動或產(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、擴散與鍵合作用等，使得“結(jié)構(gòu)瀝青”增多，粘結(jié)強度增大，阻止了瀝青流動、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，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，會因韌性不足易發(fā)生脆性斷裂。瀝青混合料在宏觀裂紋擴展時，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，纖維的加入使瀝青混合料強度增強，變形能力提高，從而增強了瀝青混合料抗低溫開裂能力[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度，纖維的添加可進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，從纖維增強瀝青混合料的性能機理上分析，其應(yīng)用要尤其控制纖維的吸油率、長徑比、抗拉強度等，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展

天然纖維應(yīng)用歷史悠久，其用作增強材料可追溯到埃及時期，像稻草和馬鬃等被用于泥磚的制作，早期中國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，纖維開始用于瀝青路面材料的增強，最初目的是為了解決瀝青路面的反射裂縫問題。經(jīng)過長期發(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)合強度(相容性)、摻量等因素均會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行化學(xué)或機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、化學(xué)穩(wěn)定好及價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。因為瀝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摻入對瀝青混合料進行改性，以同時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)對木質(zhì)纖維的技術(shù)要求、試驗檢測方法等進行了進一步修改和完善。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，斷裂伸長率較低，初始模量大，對堿、酸敏感性相對低。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)，加強了內(nèi)部骨架結(jié)構(gòu)，抗剪切和拉伸能力增強，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WMA混凝土的斷裂強度促進作用最佳。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，玄武巖纖維對WMA混合物的斷裂強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度，對路用性能有較好的促進作用。Costa[31]在SMA混合料中添加了不同比例及不同長度的香蕉纖維，結(jié)果表明摻量為0.3%、長度為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。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]評價了竹纖維對AC和SMA瀝青混合料高低溫性能的影響，認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、不同長度的竹纖維對瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度和高低溫性能的影響規(guī)律，得出長度越長的竹纖維，其性能達峰值時纖維摻量值越靠前，摻量越小；但摻量過多時，性能反而下降，這是因為纖維過多后，分散不均勻而產(chǎn)生團聚，在混合料內(nèi)部形成了局部缺陷?；谛阅苄枨蠹敖?jīng)濟性分析，建議加入長度較長且適宜、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)纖維進行對比實驗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。

中國作為農(nóng)業(yè)大國，每年的農(nóng)作物秸稈數(shù)量龐大，但大多沒有得到合理利用，造成資源浪費。焚燒處理會釋放大量的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、建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的必然要求。Chen[36]針對玉米秸稈纖維制備進行了大量探索，并對玉米纖維瀝青膠漿性能進行了相關(guān)實驗。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)，隨著纖維長度增加瀝青混合料強度隨之增加。若纖維過長，在瀝青混合料攪拌過程中易打結(jié)，難以實現(xiàn)纖維的均勻分散，這反而會導(dǎo)致混合料強度降低，和易性變差，因此纖維的長度和直徑顯著影響混合料強度及和易性。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方面與木質(zhì)素纖維相當(dāng)或更優(yōu)，且價格低廉；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)用前景及社會經(jīng)濟效益。

3.1.4 種子纖維 種子纖維是指一些植物種子表皮細胞生長成的單細胞纖維，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較多。廢棄椰殼對環(huán)境污染大，制作成纖維應(yīng)用于瀝青路面是一個解決固廢物的思路。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)抗損壞能力均會得到提升。纖維對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，但椰子纖維對提高改性瀝青混合料疲勞壽命的影響還需進一步研究[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。且植物纖維對瀝青混合料的性能增強均有一定貢獻，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，但從保護資源和環(huán)境的角度出發(fā)，應(yīng)該加強對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，解決其親水性、分散性、相容性和耐久性是將來研究的重難點內(nèi)容。

3.2 礦物纖維

天然礦物纖維最常見的有石棉纖維、水鎂石纖維和玄武巖纖維、陶瓷纖維等。石棉纖維價格便宜，應(yīng)用較早，但存在危害人體健康、環(huán)保差等問題，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。無機填料(煤矸石粉等)加入瀝青混合料作為增強材料研究頗多，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、俄羅斯和中國儲量豐富，且價格可觀，可系統(tǒng)分析水鎂石纖維對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)、凈化加工及陽離子浸潤劑處理形成的絮狀纖維，或經(jīng)高溫熔融、拉絲、親油浸潤劑處理及合股纏繞，并切短而成的束狀纖維，其生產(chǎn)工藝副產(chǎn)品少且無害、易降解，屬綠色、環(huán)保材料，被譽為“21世紀(jì)無污染綠色材料”[42]。玄武巖纖維具有高拉伸強度、高模量、耐腐蝕性強以及抗氧化能力強等特點[42]，多為增強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，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。

玄武巖纖維對混合料性能的增強能力受多種因素影響，如玄武巖纖維的長度、抗拉強度、模量等物理指標(biāo)，纖維摻量、瀝青類型、瀝青混合料級配等[43]?，F(xiàn)從宏觀實驗上針對單一玄武巖纖維的摻量、長度等對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配的推薦纖維用量，促進了玄武巖纖維的發(fā)展與應(yīng)用。

為進一步增強瀝青混合料的整體性能，玄武巖纖維和其他材料復(fù)合改性增強得到重視。李立頂[43]利用動態(tài)剪切流變(DSR)實驗研究了硅藻土和玄武巖纖維復(fù)合改性對瀝青性能的影響。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，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，并對纖維瀝青膠漿相態(tài)變化進行測試，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理。眾所周知，纖維長度對混合料性能影響巨大，且最佳長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度組合對混合料性能的影響，探討最佳混合長度對混合料形態(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度組合的變化極其敏感。在相同的摻量下，纖維適宜的長度組合可進一步提高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了瀝青混合料的整體性能，同時玄武巖纖維因抗拉強度高，應(yīng)力傳遞效率好，約束了裂紋的擴展，延緩裂紋擴展速度，進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)生和擴展的時空特征，更好地分析不同因素對瀝青混合料抗裂性能的影響機理；加強多種纖維復(fù)摻的混合料性能研究，實現(xiàn)纖維性能的優(yōu)勢互補，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。陶瓷纖維通過高溫熔融和吹煉高嶺土、氧化鋁和硅石制成，具有抗拉強度高、熱穩(wěn)定性好、耐化學(xué)腐蝕性強、價格低廉和綠色環(huán)保等優(yōu)點。

Arabani[47]研究認為陶瓷纖維可增強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裂的能力。王修山[48]證明陶瓷纖維對瀝青混合料力學(xué)性能和高溫性能提升顯著，且摻量為 0.4%時效果最佳。 Yalghouzaghaj[49]利用SCB實驗對陶瓷纖維瀝青混合料開展了低溫性能研究，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有一定的潛力，且價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度高、化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好等特點，尤其玄武巖和陶瓷纖維還具有綠色環(huán)保的優(yōu)點。礦物纖維比聚合物纖維更環(huán)保，且強度優(yōu)于植物纖維[46]，但價格較其他纖維高，多用于高等級公路及抗裂要求較高的路面。

4 結(jié)語與展望

天然纖維具有可再生和綠色環(huán)保的優(yōu)點，可提高瀝青混合料整體性能，延長道路使用壽命，其應(yīng)用有良好的社會經(jīng)濟效益及發(fā)展前景，對可持續(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展，各類天然纖維的特點及發(fā)展趨勢總結(jié)如下：

(1)天然植物纖維表面積大、表面相對其他纖維粗糙，吸油性強，對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)可深入對植物纖維表面改性進行研究以解決上述問題。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，為保護森林資源、減少污染、合理利用廢棄物，宜針對農(nóng)作物秸稈、蔗渣、椰殼等廢棄纖維和其他非木質(zhì)纖維瀝青混合料開展系統(tǒng)深入的研究。

(2)礦物纖維抗拉強度高、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性好，對瀝青混合料性能增強顯著。尤其玄武巖纖維抗拉強度高，承受和傳遞應(yīng)力效果好，延緩裂紋擴展速度，提高了瀝青混合料的抗裂性能。但玄武巖纖維價格貴，因而可對陶瓷纖維等進一步研究，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度、高模量、耐腐蝕性強以及抗氧化能力強等優(yōu)點，被譽為“21世紀(jì)無污染綠色材料”，屬高性能纖維。目前玄武巖纖維研究應(yīng)用較成熟，后續(xù)可進一步研究玄武巖纖維與其他材料(纖維、無機填料、外加劑等)混合對瀝青混合料復(fù)合改性或復(fù)合增強的效果，形成材料的優(yōu)勢互補，實現(xiàn)對材料優(yōu)異性能的充分利用；最后，可結(jié)合數(shù)字圖像技術(shù)等，以多尺度分析和評價玄武巖纖維瀝青混合料的抗裂能力。