废弃玄武岩纤维特征参数协同调控沥青混合料多温域性能的机理与优化

为提升沥青路面可持续性，研究人员通过动态蠕变、循环疲劳及低温约束试验，系统探究废弃短切玄武岩纤维（WCBF）长度（3/6/12 mm）和直径（7/16/25 μm）对沥青混合料（AM）高、中、低温性能的协同调控机制。结果表明：BF-6-7纤维可全域优化性能，纤维比表面积主导单丝分散与界面黏附，空间网络应力传递及黏弹组分比例是关键调控因素，为工业废纤高效利用提供技术支撑。

　　

论文解读

研究背景：破解路面材料可持续性难题

随着全球交通基础设施规模持续扩张，如何在保障路面性能的同时兼顾成本效益与环境可持续性，成为工程领域的核心挑战。传统沥青改性剂如聚合物、橡胶颗粒虽能提升部分性能，却存在耐久性不足、微塑料污染、老化加速等问题；天然纤维易受潮，合成纤维成本高昂。玄武岩纤维（BF）因其无机环保特性、高弹性模量及优异热稳定性崭露头角，但其废弃短切纤维（WCBF）的精细化利用仍待突破——既往研究多聚焦单一温度域或孤立参数，缺乏对纤维长度与直径在多温域性能中协同机制的定量解析。

为此，南通同沙沥青技术有限公司联合研究团队在《F》发表论文，首次通过跨温域系统试验揭示WCBF特征参数对沥青混合料（AM）性能的耦合作用规律，提出"比表面积-空间网络-黏弹调控"三位一体优化模型，为废弃资源高值化利用提供新路径。

关键技术方法

研究采用三阶段试验体系：(1) 单轴动态蠕变试验评价高温抗变形性；(2) 直接拉伸循环疲劳试验分析中温疲劳行为；(3) 热应力约束试件试验（TSRST）表征低温抗裂性。结合动态模量分析解析黏弹响应，运用等截面理论量化纤维惯性矩对力学传递的影响。实验涵盖9组WCBF参数组合（长度：3/6/12 mm；直径：7/16/25 μm），以BF-X-Y编码标记样本（如BF-6-7）。

研究结果与发现

1. 高温域性能：纤维尺寸的"黄金平衡点"

动态蠕变试验表明，WCBF可显著降低沥青混合料累积应变并提升流变次数（图10-11）。当纤维直径固定时，抗变形能力随长度增长呈先升后降趋势：6 mm纤维因充分形成三维网络结构，比3 mm纤维提升荷载分散效率；但12 mm纤维因缠结缺陷导致效果衰退。直径减小则惯性矩增大（等截面理论），BF-7μm较BF-25μm流变次数提高41.2%，证实细径纤维更有效抵抗剪切变形。

2. 中温域性能：疲劳寿命的"界面调控法则"

循环疲劳试验揭示纤维长度与疲劳寿命的非线性关系（图12）。BF-6-7组合的疲劳寿命达基准组2.3倍，归因于其最佳比表面积（SSA=4Y/X）保障单丝分散与沥青-纤维界面黏附强度。过短纤维（3 mm）难以构建连续应力网络；过长纤维（12 mm）引发局部应力集中加速破坏。动态模量谱显示中长纤维（6 mm）可优化黏弹组分比例，延迟微裂纹扩展。

3. 低温域性能：抗裂韧性的"空间网络效应"

TSRST测试中（图13），BF-6-7的断裂温度低至-31.4℃，较基准组降低8.2℃。纤维直径缩减大幅提升低温韧性：7μm纤维通过增大截面惯性矩（I∝d⁴）强化应力传递，而16/25μm纤维因刚度过高削弱形变协调能力。空间网络分析表明，6 mm长度使纤维间距接近临界值（≈0.8 mm），有效桥接低温收缩裂缝。

结论与意义

该研究首次建立WCBF特征参数（长度X、直径Y）与沥青混合料多温域性能的定量关联模型，揭示核心调控机制：

1. 比表面积主导界面效应：SSA=4Y/X决定单丝分散度与黏附强度；
2. 空间网络构建效率：6 mm长度实现应力传递与缺陷控制平衡；
3. 黏弹组分比例优化：中长纤维调节沥青胶浆储能模量/损耗模量比值；
4. 惯性矩的力学杠杆：直径缩减（7μm）通过I∝d⁴显著增强抗变形能力。

BF-6-7（6 mm长，7 μm径）被确认为全域最优参数组合，其高温流变次数、中温疲劳寿命、低温断裂温度分别达峰值。该成果突破传统纤维改性"经验主导"局限，提出基于特征参数协同调控的废纤再生技术路径，为绿色路面工程提供理论工具与设计范式。据测算，若推广WCBF改性技术，每公里路面可消纳1.2吨工业废纤，降低碳排放18.7吨，兼具显著环境与经济效益。