植物纤维增强沥青基道路材料研究进展

Progress in Plant Fiber Reinforced Asphalt Pavement Materials

摘要

沥青路面受到外部荷载和环境等因素作用，易出现各种病害，进而降低路面使用寿命，危及行车安全。植物纤维具有轻质高强及量大价廉等优势，作为沥青混合料的可再生增强材料能有效提高其力学性能，减少沥青路面的开裂和骨料松动。为此，介绍了植物纤维的分类及物理性能，归纳了纤维的表面处理方法及降低植物纤维亲水性、改善纤维与沥青界面结合的技术途径；总结了植物纤维增强沥青结合料的高低温流变特性、疲劳性能以及沥青混合料的制备工艺与路用性能方面的研究成果。展望了未来可结合智能配比优化、多尺度界面机理研究及工程标准化体系建设，协同推进植物纤维增强沥青基道路材料的高性能化、功能化与绿色可持续发展。

Abstract

Asphalt pavements often deteriorate under traffic loads and environmental factors， which shortens their service life and jeopardizes road safety. Plant fibers， which are lightweight， high-strength， abundant， and low-cost， serve as sustainable reinforcements in asphalt mixtures. They improve mechanical performance while reducing cracking and aggregate displacement. This paper introduces the classification and physical properties of plant fibers， summarizes surface treatment methods to address their hydrophilicity and improve fiber-asphalt interfacial bonding， and reviews the rheological properties at high and low temperature， fatigue resistance of plant fiber-reinforced asphalt binders， as well as the preparation techniques and pavement performance of asphalt mixtures. Future research should integrate intelligent mix design optimization， multi-scale interfacial mechanism studies， and standardized engineering systems to synergistically advance the high performance， functionalization， and green sustainable development of plant fiber-reinforced asphalt pavement materials.

Graphical abstract

关键词

植物纤维 / 表面处理 / 沥青混合料 / 力学性能 / 路用性能 / 流变性能 / 耐久性 / 界面增强

Key words

Plant fiber / surface treatment / asphalt mixtures / mechanical properties / road performance / rheological properties / durability / interface enhancement

0 引言

截至2024年末，我国公路里程达544.1万km，其中沥青路面里程超过150万km。沥青路面施工便捷、维护成本低、行车舒适性好^［1］；但在交通荷载的反复作用下，沥青路面易出现车辙、裂缝和松散等状况，从而降低使用寿命^［2］。此外，气候变化和温度波动尤其是极端气候条件对沥青路面的耐久性会造成严重影响^［3］。在沥青混合料中添加纤维增强体，发挥纤维的联结、加筋和阻断裂缝的作用，可显著提高路面的抗裂性能和使用寿命^［4］。纤维增强沥青混合料的研究起始于20世纪50年代。Zube^［5］研究发现，铺设金属丝网能有效防止路面的反射裂缝并减少覆盖层厚度，且钢纤维与沥青混合料具有良好的相容性。我国在纤维增强沥青路面材料的研究起步于20世纪90年代。李立寒^［6］研究表明，聚酯纤维可有效提高沥青混合料的韧性和水稳定性。常用的纤维增强材料可分为合成纤维和天然纤维。合成纤维强度高、易分散、延展性和耐久性好，在路面应用方面较为成熟，但其广泛使用严重依赖石化原料，带来环境负担与污染问题^［7］。植物纤维作为一种典型的天然纤维，其来源广泛、成本低廉且具有可生物降解等优异特性，在沥青路面材料的应用中展现出广阔的发展前景^［8］。然而，植物纤维表面含有大量羟基且具有强亲水性，与沥青的界面相容性差。通常对纤维表面进行改性，并增加纤维表面粗糙度和比表面积，可增强纤维对沥青的吸附作用，提高纤维在沥青混合料中的分布均匀性，促使其相互交织形成三维网络结构，进而有效提升沥青路面的路用性能和耐久性^［9］。近年来，植物纤维在沥青混合料中的应用研究取得显著进展，但仍存在2个主要不足：1）现有研究对新成果缺乏系统性梳理与归纳；2）针对沥青材料适用的植物纤维分类方法、基本特性及其对沥青材料性能的影响等基础性问题，仍缺乏全面、清晰的分析。为此，本研究概述了植物纤维的分类、物理力学性能及表面改性方法，综述了植物纤维对沥青结合料及混合料的高低温性能、抗疲劳性能及水稳性的增强作用，力图为植物纤维在沥青混合料中的合理应用提供指导。

1 植物纤维分类与性能

植物纤维通常从植物的茎、叶、种子和果实中提取，其主要化学成分包括纤维素、半纤维素和木质素。不同植物纤维成分比例的差异导致其物理化学性质的多样性，应用于沥青混合料中也表现出不同的增强效果。按来源分类，可将植物纤维分为木质纤维和非木质纤维。木质纤维主要来源于针叶材（软木）和阔叶材（硬木）的木质部；非木质纤维大体上可分为4类：茎纤维、韧皮纤维、种子纤维和叶纤维。不同植物纤维的物理力学性能各异，见表1。

木质纤维：应用于沥青及其混合料的木质纤维一般来源于天然木材或造纸工业副产品的絮状纤维，经过一系列的化学处理后，可满足不同应用需求。传统沥青易受热和氧化作用而发生老化，导致性能下降。采用木质素改性沥青，可显著提升其抗老化性能^［19］。通过改性木质素制备的生物沥青可应用于防水涂料，热老化和紫外线老化试验表明，添加改性木质素显著提高了涂层在老化过程中的剥离强度保持力^［20］。

韧皮纤维：韧皮纤维从植物茎外皮中提取，主要包括黄麻、大麻、亚麻和苎麻等纤维，其抗拉强度高。麻纤维种植面积广、产量大且价格低廉。黄麻纤维在沥青材料中的应用最具代表性。研究发现，添加少量黄麻（0.5%~1.0%）即可有效提高沥青混合料的稳定度和抗车辙性能^［21］，其不仅可用于增强传统的热拌沥青混合料，还能适配温拌沥青和冷拌沥青等材料体系^［22］。Buritatum等^［23］将大麻纤维用于增强100%旧料掺量的再生沥青混合料，研究表明再生混合料适用于低交通量道路。

种子纤维：种子纤维是从植物种子表皮细胞中生长的单细胞纤维，包括椰壳纤维、木棉纤维和棉纤维等。Khan等^［24］采用响应面法结合中心复合设计对椰壳纤维改性沥青混合料进行多参数优化设计，研究选取纤维掺量（0.28%）、纤维长度（13 mm）和沥青用量（4.16%）为关键变量，以马歇尔稳定度和流值为响应指标，建立了工艺参数与路用性能的量化关系。试验结果表明，该优化配比不仅满足规范要求，更使混合料的抗变形能力和力学性能得到显著提升。木棉纤维作为沥青增强材料可有效改善基体微观结构，并可延缓沥青的老化^［25］，但木棉纤维较强的吸湿性及其与沥青基体间的弱界面结合力，制约了木棉纤维/沥青混合料的整体性能表现。

叶纤维：叶纤维是草本单子叶植物叶片上的维管束纤维，主要包括剑麻纤维和车前草纤维等。Hu等^［26］系统研究了成型工艺参数对剑麻纤维水泥乳化沥青混合料路用性能的影响机制；通过低温劈裂强度、高温稳定性、水稳定性及弯曲强度等多维度性能测试体系，确立了工艺参数与混合料性能的量化关系，基于灰色关联理论分析，研究揭示了不同成型工艺与混合料关键性能指标间的关联性，最终确定了最优工艺参数组合。

茎纤维：茎纤维从植物茎秆中提取，包括竹纤维、甘蔗渣纤维和小麦秸秆纤维等。随着竹产业的发展，产生了大量竹加工剩余物。研究者将竹纤维用于沥青改性发现，掺加竹纤维显著改善了沥青的力学性能和高温性能^［27］。甘蔗渣纤维具有优异的湿热稳定性，适合作为热拌沥青混合料的增强材料，可有效抑制沥青的流失现象，提升路面耐久性和使用性能^［28］。

2 植物纤维改性

除了植物纤维本征的物理特性（如直径、长度、强度和伸长率等）外，其化学特性也是决定纤维增强沥青混合料路用性能的关键因素。纤维素作为植物纤维增强体的主要强度组分，是由含有多个羟基的D-葡萄糖单元通过β-1，4-糖苷键连接而成的高分子聚合物^［17］。这些亲水性羟基的存在使纤维素表现出显著的极性特征，沥青的主要成分（沥青质、芳香分、油分和胶质等）属于非极性有机物，具有典型的疏水特性。这种极性与非极性之间的本质差异导致植物纤维与沥青基体之间界面相容性较差，进而影响界面结合强度。采用纤维表面改性技术，可降低纤维表面极性，提高纤维表面粗糙度及其与沥青基体的界面相容性^［29］。纤维改性方法可分为物理改性与化学改性，如图1所示。

2.1 物理改性

物理改性在不改变纤维化学结构的前提下，通过改变纤维表面物理特性而改变其结构、粗糙度等，使纤维表面与沥青间的结合力增强。常用的物理改性方法有热处理和等离子处理等。

2.1.1 热处理法

热处理可使纤维表面自由水、内部吸附水或结构水发生分解，并改变其内部晶体结构或物理构造，使植物纤维表面的羟基含量减少，有利于与基体的黏结。Sheng等^［30］通过监测竹纤维在不同温度下的质量损失发现，竹纤维在180 ℃以下质量损失仅为5%，表现出良好的热稳定性；通过加热处理竹纤维，竹纤维在高温下游离水被除去，使其与沥青的黏附性得以改善。

2.1.2 等离子处理法

植物纤维表面等离子体处理技术主要分为冷等离子体处理和热等离子体处理两大类。其中，冷等离子体处理技术因其独特的优势而备受关注：首先，该技术具有广泛的适用性，可处理绝大多数材料表面；其次，其工作温度适中，能有效避免高温对植物纤维的热损伤；再次，处理过程采用干式工艺，无须使用溶剂，更加环保^［31］。植物纤维在等离子体活性粒子的冲击下，会发生物理或者化学变化。Macedo等^［32］研究发现，木棉纤维经过等离子体处理60 min后，纤维表面羟基和羰基含量发生了变化；纤维表面的部分脂肪酸和蜡质被除去，纤维表面粗糙度增加，从而提高了纤维与聚合物基体的机械互锁能力。等离子体技术可用于直接处理沥青基质，也可预处理纤维后用于增强基体，但针对纤维增强沥青体系的研究仍少见报道。

尽管热处理及等离子处理等物理改性技术在纤维增强聚合物复合材料中应用广泛，但由于设备成本高、能耗大等局限性，这些方法在纤维增强沥青混合料领域的研究仍处于起步阶段。

2.2 化学改性

化学方法可改变纤维表面分子结构或引入特定官能团，优化其物理化学性质或赋予其新的功能特性，进而改善纤维与沥青的界面相容性。根据植物纤维固有特性（如纤维素含量、结晶度等）以及沥青混合料的性能要求和具体应用场景，需选择有针对性的改性方法。常用的表面化学改性技术主要包括碱处理、偶联剂改性、接枝共聚及其组合处理方法。

2.2.1 碱处理

碱处理是应用最广泛的预处理方法之一。通过氢氧化钠等碱性溶液去除纤维表面的木质素和半纤维素等成分，可显著提高纤维表面粗糙度，增强其与沥青基体的机械咬合作用^［33］。另外，碱处理促使纤维束解离成更细的单丝纤维。这种形态改变使得纤维直径减小，长径比增大，从而增大了纤维与基体的有效接触面积，为界面性能的改善提供了有利条件。Xiang等^［34］采用碱处理竹纤维，傅里叶红外光谱（FT-IR）分析表明，碱处理成功去除了竹纤维中的木质素和半纤维素，竹纤维经碱处理后的最大拉拔力比对照的提高了10.9%。Katragadda等^［35］采用碱处理葡萄藤茎纤维，通过原子力显微镜表征发现，纤维的平均粗糙度从0.194 nm增加到2.969 nm，纤维与基体的结合性能提升；FT-IR、核磁共振（NMR）和X射线衍射（XRD）分析表明，处理后的纤维中其半纤维素被成功去除；改性使纤维的抗拉强度从315.5 MPa提高到376.4 MPa，纤维模量从6 GPa提高到8 GPa。Fang等^［36］研究发现，竹纤维经5%的碱性溶液处理后，非纤维素成分减少，纤维素结晶度增加，其热稳定性和纤维表面粗糙度提高。Chilukoti等^［37］通过对棕榈纤维进行碱预处理发现，纤维表面杂质被去除，纤维拉伸强度从54.08 MPa提高到63.43 MPa，断裂伸长率从30.23%增加到38.35%。

2.2.2 偶联剂处理

偶联剂的多官能团可与纤维表面的活性基团形成化学键结合，并扩散到复合材料的界面区中，从而提高其性能^［38］。通过FT-IR、X射线光电子能谱（XPS）等表征手段，可观察纤维表面的官能团、元素化学状态和含量变化，以此验证偶联剂是否成功接枝到纤维上。通过扫描电镜（SEM）观察纤维表面形貌变化，可直观地判断偶联剂的接枝效果，通常纤维经偶联剂改性后表面会形成一层薄膜并覆盖在纤维表面^［39］。Zhang等^［40］采用硅烷偶联剂对木纤维进行改性，通过SEM观察发现改性后的木纤维表面变得粗糙，形成了许多孔隙和不规则结构。改性后的纤维在沥青胶浆中的分散性和界面黏附性明显改善。硅烷偶联剂是目前应用最为广泛的界面改性剂之一，其他类型的偶联剂（如钛酸酯、铝酸酯和马来酸酐接枝聚合物等）具有巨大的应用潜力。

2.2.3 接枝共聚

接枝共聚可在不完全破坏纤维素固有特性的前提下赋予其新的功能，其反应特征是单体通过聚合反应生成高分子链，然后经共价键接枝到纤维素大分子上，形成纤维素接枝共聚物^［41］。Yu等^［42］利用三聚氰胺-甲醛（melamine-formaldehyde，MF）共聚物改性竹纤维，MF共聚物与竹纤维表面羟基发生化学反应形成共价键结合，使竹纤维表面亲水性降低，从而提高了其与沥青基体的相容性。Wang等^［43］使用酚醛树脂共聚物对竹纤维和玉米秸秆纤维进行表面改性，改性后的纤维在沥青混合料中起到桥接作用，抗开裂性能显著提高。Zheng等^［44］通过丙烯酸环氧大豆油（acrylated epoxidized soybean oil，AESO）和4，4-亚甲基二苯基二异氰酸酯协同改性竹纤维。研究发现，其明显改善了竹纤维与沥青间的界面黏附性。Wu等^［45］使用抗车辙剂（anti-rutting agent，ARA）改性木质素纤维，FT-IR分析表明ARA的氨基能与沥青发生化学作用，沥青混合料性能因而显著增强。

2.2.4 组合处理

碱处理、偶联剂及接枝改性可组合应用于植物纤维的处理。Zhang等^［46］用NaOH对竹笋壳进行处理，再通过硅烷偶联剂KH570和纳米硅溶胶进一步改性，促进了纳米二氧化硅在纤维表面的接枝，结果显示纤维与沥青基体之间的界面结合得以改善。李祖仲等^［47］分别通过碱与硅烷和碱与乙酸酐对甘蔗渣纤维进行表面化学处理，改性后纤维的吸油率提高10.9%以上，纤维热解温度升高，热解速率变小，改性甘蔗渣纤维增强的沥青混合料力学性能显著提升。

3 纤维增强沥青及其混合料

3.1 纤维增强沥青

软化点、针入度和延度是沥青的3项基本物理性能指标，其分别反映沥青在高温、中温和低温环境下的行为特性，是研究沥青材料热稳定性、塑性及柔韧性的重要参数。利用动态剪切试验（dynamic shear rheological test，DSR）得到的车辙因子（G^*/sin δ）是衡量沥青高温稳定性的重要指标，其反映了沥青在高温下的抗变形能力。弯曲梁流变仪试验（bending beam rheometer，BBR）得到的蠕变劲度（S）和蠕变速率（m）可评价沥青的低温性能。

3.1.1 沥青的基本性能

针入度是衡量沥青在一定条件下抵抗剪切变形能力的指标，针入度值越小，表明沥青的剪切强度越高，抗剪切变形能力越强。在沥青中加入不同植物纤维可以显著提高沥青的剪切强度，其中玉米秸秆纤维和甘蔗渣纤维的效果最为显著^［48］。Bellatrache等^［49］通过在沥青中添加枣椰纤维（占沥青总质量的6%）研究发现，沥青的软化点从55.2 ℃提到57.0 ℃，针入度从41 mm降至33 mm，表明掺加纤维增强了沥青硬度，从而提高沥青的高温稳定性和抗变形能力。研究表明，随着椰子纤维（0.5%、0.75%、1.0%）掺量的增加，沥青的针入度呈下降趋势^［50］。当玉米秸秆纤维掺量为3%时，沥青的针入度下降幅度最大，而软化点和延度增幅最大^［51］，在实际工程应用中，玉米秸秆纤维最大掺量应不超过5%，以避免沥青稠度过大和低温性能下降。

3.1.2 车辙因子

车辙因子是复数剪切模量（G^*）与相位角（δ）的比值，通常用于评价沥青的抗车辙能力。G^*代表材料的刚度，而δ反映了材料的弹性和黏性成分比例。车辙因子高表明沥青在高温下抵抗变形的能力强，即抗车辙性能更优越。Xie等^［52］研究表明，经过化学改性的甘蔗渣纤维能显著提高沥青的车辙因子，纤维增强沥青64 ℃时的车辙因子比基质沥青的提高了47.53倍。Jia等^［8］研究发现，掺入0.3%竹纤维的沥青混合料在不同温度下动态模量均增加，相位角减小，表明其弹性增强，黏性减弱，竹纤维增强沥青在20 ℃时的车辙因子比基质沥青的提高了32.10倍。Yu等^［53］研究发现，掺加2%经过乙酸改性的棉秸秆纤维，沥青的车辙因子比基质沥青提高了47.53倍，由此可见，植物纤维增强的沥青车辙因子明显高于基质沥青的。这归因于纤维在沥青中的交联缠结，可形成三维空间网络结构，从而增强其抗变形能力。另外，纤维表面可吸附大量沥青，形成稳定的结构层，使纤维增强沥青在高温下更稳定^［54］。

3.1.3 蠕变劲度和蠕变速率

弯曲梁流变仪可测试沥青的蠕变劲度和蠕变速率，其综合反映了沥青在低温下的抗裂性能。低的蠕变劲度（S）和高的蠕变速率（m）意味着更好的低温抗裂能力。较低的S表示沥青在低温条件下的劲度较低，即更柔软、更具变形能力，这种较低的劲度有助于沥青在低温环境中适应温度变化，缓解应力集中，进而减少低温开裂的可能性。蠕变速率高意味着更快的应力释放速率，即抗循环加载应力强，从而延缓开裂。Cao等^［55］研究发现，与90号基质沥青相比，3%秸秆纤维增强的沥青在-6、-12、-18 ℃时的蠕变模量分别降低了47.5%、41.5%、12.7%。在沥青中加入纤维，有助于荷载从基体传递给纤维，提高沥青在低温下的抗裂能力，如图2（a）和图2（b）所示。Wang等^［56］研究表明，木质纤维增强沥青在-12 ℃和-18 ℃时有更好的低温抗裂性能，改性沥青的蠕变劲度和蠕变速率的变化有助于提高沥青路面的抗裂性能。不同纤维类型对沥青低温性能的影响存在一定差异性。植物纤维对沥青轻组分表现出显著的吸附作用，导致沥青中硬质组分比例相对增加，从而使沥青脆性增大，而部分植物纤维的管腔结构可进一步强化其对沥青轻组分的吸附能力。此外，研究还发现，植物纤维会显著降低沥青的应力松弛能力，进而对其低温蠕变性能产生负面影响^［48］，如图2（c）—图2（g）所示。

3.1.4 沥青的抗疲劳性能

植物纤维增强沥青在荷载、温度等条件下抵抗疲劳开裂的能力是其路面应用的重要性能。基于DSR中的线性振幅扫描（linear amplitude sweep，LAS）是目前评估沥青抗疲劳性能最常见的方法。LAS试验旨在评估沥青在循环加载下的疲劳性能，由频率扫描和振幅扫描2阶段组成，通过简化黏弹性连续损伤理论模型分析LAS测试数据，以|G^* |sin δ降低35%作为评估沥青疲劳寿命的标准。Xie等^［57］研究表明，随纤维掺量的增加，植物纤维增强沥青的抗疲劳性能及疲劳寿命降低。Chilukoti等^［37］研究表明，添加木棉纤维对沥青有负面影响，随着木棉纤维掺量增加，沥青疲劳寿命下降，这可能是纤维在沥青中分布不均匀所致，另外纤维粒径较短导致应力集中和表面损伤，也会降低沥青的承载能力^［58］。

3.2 纤维增强沥青混合料

3.2.1 制备工艺

纤维增强沥青混合料主要由骨料、矿粉、新沥青和纤维等组成，其配合比设计是影响沥青混合料性能的重要因素。添加纤维但未增加沥青含量，将导致沥青填充的空隙减少^［59］，进而降低沥青混合料的性能^［60］。沥青混合料中添加纤维的方法一般有干法和湿法^［61］。干法即将纤维、集料和填料置于搅拌锅中混合，通过骨料搅拌将纤维均匀分散^［62］。Yan等^［63］首先将竹纤维（竹纤维掺量为沥青混合料总质量的0.2%）与集料混合搅拌1 min，然后将沥青倒入并与竹纤维/集料混合搅拌2 min，获得混合料。湿法工艺是通过高速剪切拌和机将纤维与沥青混合，然后与矿料混合形成纤维沥青混合料。这种方法依赖于高速剪切拌和机，且混合均匀性不足，纤维的吸油性大可能导致沥青用量的计算出现误差，使得整个制备流程复杂。干法工艺更为简单，能减少纤维团聚，也能更有效地分散纤维。

3.2.2 高温稳定性和低温抗裂性

不同纤维对沥青混合料高低温性能的影响有明显的区别。Liu等^［64］进行了木质纤维、竹纤维增强沥青混合料的车辙试验与三点弯曲梁试验。研究发现，与未掺加纤维的沥青混合料相比，木质纤维、竹纤维沥青混合料的动稳定度分别提高了57.6%和66.6%，竹纤维沥青混合料的最大弯拉应变（bending strain，ε_B）值和弯曲刚度模量（bending stiffness modulus，MB）值比未添加纤维的沥青混合料分别提高了11.7%和11.6%，木质纤维沥青混合料的ε_B和MB值分别提高了7.3%和8.4%；因此，竹纤维沥青混合料低温抗裂性能优于木质素纤维沥青混合料。Jia等^［8］基于应力扫描车辙测试（stress sweep rutting，SSR）的研究表明，添加竹纤维的沥青混合料在20 ℃时的永久变形显著低于未添加竹纤维的沥青混合料，但在40 ℃时差异不明显；竹纤维能更有效抵抗中温下的永久变形，但其高温下的效果不明显；另外，不同改性纤维对沥青混合料性能的影响也略有差别。Xie等^［52］通过不同的改性剂对纤维进行改性的研究发现，沥青混合料的性能略有差异，如图3所示。

3.2.3 水稳定性

沥青混合料湿损的发生与多种因素相关，包括沥青与骨料之间的黏附性、沥青化学组成、骨料性质和环境条件（如温度和湿度）等。在这些因素共同作用下，水分的浸入导致沥青混合料路面性能下降。马歇尔浸水试验通过计算浸水残余马歇尔稳定度比（Marshall stability ratio，MSR）以评价沥青混合料的水稳定性。Wu等^［45］研究不同纤维掺量、不同级配的沥青混合料发现，在密级配混合料中竹纤维掺量为0.2%时，马歇尔稳定性比和抗拉强度比达到峰值。Wang等^［66］研究发现，与未掺纤维的沥青混合料相比，掺加0.2%改性玉米秸秆纤维的沥青混合料浸水残留稳定度和冻融劈裂强度比分别提高了7.65%和15%；纤维的加入显著提高了沥青混合料的水稳性与耐久性，如图4所示。研究表明，沥青路面水损害的发生主要源于以下机理：水分侵入混合料内部后，在集料与沥青界面处形成水膜，导致界面黏结性能显著劣化，进而引发混合料整体强度和稳定性的下降。值得注意的是，在交通荷载的反复剪切作用下，这种界面劣化过程会被加速，最终表现为集料剥落和伴随裂缝扩展的严重水损害现象^［48］。植物纤维的掺入可通过以下2种机制有效缓解水损害：1）提高沥青胶浆的黏稠度，增强其与集料的界面黏结性能；2）通过纤维桥接作用吸收和分散裂缝尖端应力，抑制裂缝的萌生与扩展^［48］。上述协同作用使得纤维增强沥青混合料的抗水损害性能显著改善。

3.2.4 沥青混合料的抗疲劳性能

在沥青混合料中添加纤维可提高沥青路面疲劳寿命。Jia等^［66］通过循环疲劳测试发现，竹纤维沥青混合料在长期老化条件下展现出更好的疲劳寿命；竹纤维增强的热拌沥青混合料的疲劳寿命与聚酯纤维沥青混合料相当，如图5所示。Cheng等^［67］研究发现，秸秆纤维沥青混合料的最佳工艺参数为：纤维长度9 mm，掺量4%，油石比5.16%，这种最佳配比可使沥青混合料的疲劳性能得到最大提升。Zulkafli等^［50］在沥青混合料中掺加0.5%、0.75%和1.0%的椰壳纤维，研究发现，随椰壳纤维掺量增加，混合料的应变先升高后下降；椰壳纤维掺量为1.0%时，沥青混合料在实际应用中的性能提高，可抵抗来自车辆的高重复交通荷载，如图6所示。纤维的加入可吸收施加于沥青混合料的部分剪切力，提高混合料的延展性和抗拉强度，防止微裂缝的扩展，进而提高沥青混合料的抗疲劳性能^［68］。

3.2.5 其他耐久性能

紫外老化是造成沥青路面长期病害之一，目前关于植物纤维对沥青材料抗紫外老化性能影响的研究相对匮乏。这一现象可能主要源于以下2方面原因：其一，植物纤维本身在沥青基体中主要起到物理增强作用，而不直接参与基体的光氧化老化过程；其二，植物纤维对沥青基体的紫外屏蔽效应较为有限，因此对材料整体抗紫外老化性能的改善作用不明显。未来研究或可利用植物纤维的改性处理（如表面涂层、复合紫外吸收剂等），探索其在提升沥青路面抗紫外老化性能方面的潜在机制与应用价值。然而，对于沥青路面在特殊环境（如化学腐蚀或微生物作用）下的耐久性表现，植物纤维的生物可降解特性可能成为制约其工程应用的关键因素。这一潜在缺陷或可通过纤维表面改性技术（如疏水处理、抗菌涂层等）加以改善，相关改性机理与长期性能验证应在后续研究中重点关注。

4 结论与展望

植物纤维具有较高的比强度和比模量，同时具备原料来源广泛、可再生、绿色低碳及价廉的优势。植物纤维作为沥青基材料的绿色增强体，具有良好的经济效益、生态效益和社会效益。本研究系统归纳了植物纤维分类、性质特点、表面处理方法及其增强沥青与混合料的研究进展，总结了材料特点及发展趋势，主要论点及对未来研究与应用的方向展望如下。

1）植物纤维主要化学组分为纤维素、半纤维素和木质素，其表面富含羟基而表现出强亲水性，与沥青基体的相容性差、界面结合力弱。通过物理和化学方法对植物纤维表面进行改性，能有效降低其亲水性，提高与沥青的界面结合能力。

2）在沥青中添加植物纤维，可显著提高沥青的高温抗变形能力和低温抗裂性。目前纤维增强沥青混合料的制备工艺以干法为主，该方法更利于纤维均匀分散，有效减少纤维团聚现象。在实际应用中，需要根据道路自然地理条件和交通荷载特点，进一步优化植物纤维增强沥青混合料的生产工艺参数，以提高工程适用性和经济效益。植物纤维的掺入不仅能改善沥青混合料的高温稳定性和低温抗裂性，还能显著提升其水稳定性和耐久性。

3）展望未来研究，分子动力学模拟技术可在植物纤维增强沥青基道路材料领域发挥重要作用。作为沥青材料分子设计与性能优化的重要研究手段，该技术可通过构建植物纤维与沥青四组分多尺度模型，系统模拟不同环境下的界面相互作用行为，深入探究植物纤维与沥青的界面结合机制与失效机理。这些研究成果将为开发新型界面改性方法提供理论依据，以期显著提升复合材料的界面相容性与服役性能。

4）推动植物纤维增强沥青基道路材料技术的可持续发展，开发低能耗、低排放的纤维改性（如低温等离子体处理、生物酶改性）和混合料制备工艺，推动行业绿色转型；制定植物纤维沥青混合料的材料标准、施工规范及评价体系，促进工程应用规范化。

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基金资助

福建省交通规划设计院有限公司、福州市规划设计研究院集团有限公司项目(2022S010)

福建省高校产学合作重大项目(2022H6022)