混掺纤维改性沥青制备及增强增韧机理

Preparation of hybrid fiber-modified asphalt and reinforcement and toughening mechanism

摘要

为研究混掺纤维对沥青增强增韧的作用机理，制备了硫酸钙晶须与玄武岩纤维混掺纤维增强沥青材料。通过动态剪切流变仪温度扫描试验、多重应力蠕变恢复试验、扫描电镜测试等方法，分析了混掺纤维对沥青流变性能、微观结构等的影响。结果表明：硫酸钙晶须和玄武岩纤维均能显著提高沥青结合料的高温稳定性，其中硫酸钙晶须效果尤为突出；当硫酸钙晶须含量为5%且玄武岩纤维含量为1.0%时，混掺纤维改性沥青失效温度相较基质沥青提高约19.58%。然而，硫酸钙晶须不利于低温下的柔韧性表现，而适量添加玄武岩纤维则可有效缓解由硫酸钙晶须引起的过度硬化问题。此外，随着玄武岩纤维比例的增大，沥青的温度敏感度先上升后下降，在玄武岩纤维掺量为1%时达到最佳平衡点。扫描电镜分析证实硫酸钙晶须在沥青中具有良好的分散性和相容性，且玄武岩纤维在体系中主要起到增韧作用。

Abstract

To study the mechanism of hybrid fiber enhancement of asphalt toughening， calcium sulfate whisker and basalt fiber hybrid fiber reinforced asphalt materials were prepared. The temperature scanning test of dynamic shear rheometer， multiple stress creep recovery test， and scanning electron microscope test and other tests were conducted to analyze the the effects of hybrid fibers on asphalt rheological properties， microstructure， etc. The results show that both calcium sulfate whisker and basalt fiber can significantly improve the high-temperature stability of asphalt binder， and the effect of calcium sulfate whisker is especially prominent； when the content of calcium sulfate whisker is 5% and the content of basalt fiber is 1.0%， the failure temperature of hybrid fiber-modified asphalt is improved by about 19.58% compared with that of matrix asphalt. However， calcium sulfate whisker is detrimental to the flexibility performance at low temperatures， and the addition of basalt fiber can effectively alleviate the excessive hardening problem caused by calcium sulfate whisker. In addition， the temperature sensitivity of asphalt increased and then decreased with the increase of basalt fiber proportion， and reached the optimal equilibrium point when the basalt fiber doping was 1%. Scanning electron microscope analysis confirmed that calcium sulfate whisker had good dispersion and compatibility in asphalt， and that basalt fiber mainly played the role of toughening in the system.

Graphical abstract

关键词

道路工程 / 改性沥青 / 硫酸钙晶须 / 玄武岩纤维 / 混掺纤维 / 流变性能

Key words

road engineering / modified asphalt / calcium sulfate whisker / basalt fiber / hybrid fiber / rheological property

0 引 言

我国公路行业快速发展，车辆轴载和交通流量的增加导致沥青路面的服务质量和耐久性下降^［1，2］。20世纪末，纤维沥青混凝土的出现为改善路面性能提供了新思路。纤维外掺剂能提升沥青路面的高低温及疲劳性能^［3-5］，但单一纤维难以兼顾不同研究尺度，且同尺度复合纤维缺乏互补性，改性效果不理想，影响工程质量。因此，研发高强、高韧性的混掺纤维沥青混凝土路面材料，是实现沥青路面可持续服役的迫切需求。

路面损伤存在微纳米、毫米、厘米等不同层次的研究尺度^［6］，在交通荷载和环境因素影响下，微细观裂缝逐渐交叉延伸贯通，发展成宏观裂缝^［7］。同样的，纤维沥青混凝土中也存在这一过程，然而单一尺度的纤维难以抑制整个过程中的裂缝发展，因此，如何发挥纤维在各个尺度的阻裂作用成为提升纤维沥青混凝土强度和韧性的关键^［8］。

硫酸钙晶须（Calcium sulfate whisker，CSW）是近年来兴起的一种由化学石膏或工业废石膏制备的微米级纤维状材料^［9］，具有强度和模量高、长径比大、热稳定性和分散性较好等优点，可以有效提高沥青混合料的高温稳定性、水稳定性和抗疲劳性能^{［10，11］}。CSW近年来被广泛应用于复合材料工程领域，但在沥青路面工程领域的应用研究仍处于初期阶段^［12-16］。为探究CSW对沥青流变性能和沥青混合料路用性能的影响，Fan等^{［17，18］}采用动态剪切流变仪（Dynamic shear rheometer，DSR）和热重分析对CSW改性沥青的高温流变性能和热稳定性进行研究，其认为CSW能提高沥青的抗车辙性能和热稳定性，但是CSW在一定程度上降低了沥青的低温抗裂性能。

玄武岩纤维（Basalt fiber，BF）作为毫米级纤维增强材料，以天然玄武岩为原料加工而成^［19］，相比常见的高分子纤维（如聚酯纤维、聚丙烯纤维等），具有更高的抗拉强度、弹性模量和抗高温卷曲能力^［20］，相比木质素纤维具有更好的热稳定性和耐腐蚀性^［21］，在工程应用中能够显著减少沥青路面的低温开裂、水损害、疲劳开裂等病害^{［22，23］}。虽然玄武岩纤维能够提高沥青材料的多项性能，但BF在沥青高温黏弹性变化时限制其变形的能力较差，无法较大程度上改善沥青混合料的高温性能^［24］。Wang等^［25］制备BF改性沥青，并采用直接拉伸试验和循环拉伸疲劳试验评价了BF对沥青抗拉强度和抗疲劳性能的增强作用，发现BF可减轻临界区域的应力集中，减轻循环加载引起的疲劳损伤。Wu等^［26］采用扫描电镜（Scanning electron microscopy，SEM）技术，研究了微观结构中BF对沥青砂浆性能的影响，发现BF在沥青中可形成三维网状结构，这种结构有利于形成较厚的沥青膜，减少沥青离析。Gu等^［27］研究了不同分散状态的BF改性沥青流变性能，发现束状BF的沥青在高温条件下表现出优异的流变性能，纤维掺量为2%、纤维长度为9 mm时表现最佳。

综上所述，纤维沥青混合料中纤维之间的增强效果不一，而单一纤维难以兼顾所有路面服役阶段的常见病害^［28］。现阶段，混掺纤维沥青混合料的研究思路已经较为常见，但仍多集中于不同类型、相同尺度的纤维组合研究，鲜有文献从不同类型、不同尺度的纤维组合增强沥青混合料这一角度入手，研究混掺纤维沥青混凝土的改性机理和性能增强^［29-31］。基于此，本文基于混掺纤维的概念，掺加BF和CSW作为不同尺度、不同类型的纤维材料组成多相复合纤维增强材料，期望能够克服单一纤维材料改性效果不佳的缺点，发挥多种纤维之间的协同改性作用^［32-34］。采用动态流变剪切仪温度扫描试验、多重应力蠕变恢复（Multiple stress creep‑recovery，MSCR）试验、频率扫描试验、低温弯曲蠕变（Bending beam rheometer，BBR）试验以及SEM测试等方法，得到两种纤维的最佳掺量，并系统分析了CSW和BF对沥青流变特性及微观结构的作用机制。

1 材料与试验

1.1　原材料

本文原材料主要包括沥青、硫酸钙晶须和玄武岩纤维。采用东海90#基质沥青，依照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）^［35］测试沥青的主要技术指标，结果如表1所示。

CSW是由化学石膏或工业废石膏制备的一种微米级纤维状粉末，可按CSW结合水的含量分为3种：二水CSW、半水CSW和无水CSW，由于二水CSW和半水CSW在高温沥青中会失水，减弱CSW与沥青的界面黏附，影响改性沥青黏弹性能^［36］，因此，选择产自江西峰竺新材料科技有限公司的无水CSW，基本物理指标如表2所示。

BF按分散情况可分为束状BF和絮状BF，其中短切束状BF作为近些年来兴起的毫米级纤维增强材料，是由连续BF按固定长度切断成型的短切纤维，具有高抗拉强度、出色的热稳定性、优异的耐腐蚀性和良好的表面浸润性等优点。本文采用常州市博超工程材料有限公司生产的经硅烷偶联剂表面处理后的短切BF，其技术指标如表3所示。

1.2　材料制备

1.2.1　硫酸钙晶须预处理

现有研究表明^{［37，38］}，KH-550（γ-氨丙基三乙氧基硅烷）对无水CSW进行表面改性可改善CSW与沥青的相容性，增强CSW表面粗糙度和接触角。基于此，采用KH-550偶联剂溶液对CSW进行表面处理，处理步骤如下：①常温下，按m_KH550∶m_无水乙醇∶m_蒸馏水=1∶10∶30的比例配置KH550溶液，搅拌后静置0.5 h，使水解基团水解生成硅醇。②将CSW缓慢多次添加到步骤①的溶液中，搅拌20 min后静置50 min。③倒出残留的KH550溶液，并利用蒸馏水对析出的CSW表面进行冲洗。④将提取出的CSW滤饼在90 °C真空干燥箱中干燥48 h。⑤破碎CSW滤饼，通过0.3 mm标准筛进行筛分，得到表面改性后CSW，并干燥储存。

1.2.2　沥青试样的制备

采用机械搅拌法制备混掺纤维改性沥青，前期试验过程中发现，电动搅拌器转速设置为300~500 r/min、油浴温度为165 °C、BF掺量小于1.5%时BF的分散较为均匀，且不易缠绕并与CSW聚团发生离析，故采用恒温油浴锅和JJ-1型叶片式增力电动搅拌器制备混掺纤维改性沥青。制备的改性沥青种类如表4所示。其中，DH-90#为普通的基质沥青；0%BF为仅添加矿粉未进行纤维改性的基质沥青。制备步骤如下所示：①将基质沥青加热至165 °C，采用不锈钢杯称量300 g沥青，置于油浴锅中均匀加热。②开启电动搅拌器，转速为100 r/min，将不同掺量的CSW与BF加入到基质沥青中，先加入CSW，搅拌5 min后再加入BF。③提高转速至400 r/min，继续搅拌25 min。④室温下静置冷却。

1.3　试验方法

1.3.1　温度扫描试验

为探究混掺纤维改性沥青流变特性与温度之间的关系，采用DSR试验中的温度扫描模式，测量不同沥青的复数剪切模量G^* 和相位角δ，并基于计算得到的车辙因子（G^*/sinδ）评价沥青试样的高温抗变形能力。测试温度为30~85 °C，应变值为0.9 %，频率为10 rad/s。

1.3.2　多重应力蠕变恢复试验

为模拟路面荷载反复加载和卸载的过程，采用MSCR试验，测定沥青在0.1 kPa和3.2 kPa应力水平下的蠕变恢复率R和不可恢复蠕变柔量J_nr，用于评价混掺纤维改性沥青的高温抗变形性能。试验温度设置为58 °C。

1.3.3　频率扫描试验

频率扫描试验适用于研究处于线黏弹性状态的材料在可变频率荷载下的线黏弹性响应，能够模拟车辆不同行驶速度对路面作用的动态荷载。其中，低频荷载模拟车辆行驶较慢的路面状态；高频荷载模拟车辆速度较快、交通流较大的路面状态。频率扫描试验测试温度包括28、40、52、64和76 °C，频率为0.1~10 Hz，分别记录复数剪切模量、相位角与频率之间的关系曲线。

1.3.4　低温蠕变性能测试

采用Cannon生产的弯曲梁流变仪对6种沥青材料的低温弯曲蠕变性能进行测试，制备长度为（127±2.0） mm、高度为（6.35±0.05） mm、宽度为（12.70 ±0.05） mm的沥青试样，并分别在-18 °C、-12 °C、-6 °C温度条件下，施加恒定应力240 s，记录60 s时沥青的弯曲蠕变劲度模量S值和蠕变速率m值作为改性沥青低温流变性能的评价指标。

1.3.5　扫描电镜测试

为探究CSW和BF在沥青中的分布和作用机理，采用ZEISS EVO 10 场发射扫描电子显微镜（SEM）观测改性沥青的表面形貌。试样制备方法为：将低温冻断的CSW改性沥青和BF改性沥青试样冻断截面进行喷金处理，随后置于SEM下进行观测。

2 结果与分析

2.1　高温流变性能

2.1.1　温度扫描试验

采用DSR试验温度扫描模式对不同沥青试样的复数剪切模量G^* 和相位角δ进行测量，试验结果如图1所示（彩图参见电子版，后文同）。由图1可见，G^* 随温度的升高而逐渐下降，基质沥青的复数剪切模量最小。在纤维改性沥青试样中，5%CSW+1.0%BF改性沥青的复数剪切模量最大，1%BF改性沥青最小，这说明CSW可明显提高沥青的高温稳定性，而单一BF在高温条件下对沥青的改性效果并不好。相位角可以评价沥青材料应变相对于应力的时间滞后性，其值越小，材料在荷载作用下的剪切应变响应越及时，表明材料的抗变形能力强，弹性成分多，黏性成分少。由图1（b）可见，各种沥青材料的相位角随温度的升高而逐渐增大，其中0%BF沥青、5%CSW改性沥青、1%BF改性沥青、5%CSW+1.6%BF改性沥青的曲线比较趋近，相位角相差不大。此外，在65 ℃高温后，5%CSW+1.6%BF改性沥青的相位角曲线明显趋缓，这说明CSW和BF混掺改性后的沥青高温抗变形性能更强。

车辙因子（G^*/sinδ）越大，抗车辙能力越强，图2显示车辙因子整体上随温度的升高而降低，车辙因子的变化趋势曲线与复数剪切模量曲线基本相同。各种沥青按照沥青车辙因子由低到高进行排序为：基质沥青、0%BF沥青、1%BF改性沥青、5%CSW改性沥青、CSW-BF改性沥青。其中，5%CSW+1.0%BF改性沥青的车辙因子最大，5%CSW+0.4%BF和5%CSW+1.6%BF相差不大，说明5%CSW+1.0%BF掺量下的改性沥青高温性能最好。这是由于，BF均匀分散与沥青中形成纤维-沥青网络结构，提高了沥青的整体黏弹性，同时微米级尺寸的CSW能够很好地填充基质沥青中的微小空隙，增加材料的致密性和刚度，从而减少剪切变形和高温流动性，最终使得改性沥青的抗车辙能力明显增强。

战略公路研究计划（Strategic highway research program，SHRP）将车辙因子G^*/sinδ≥1 kPa时所对应的温度作为失效温度，失效温度越高，证明沥青高温性能越好。读取图2中各曲线的失效温度，结果如下所示：DH-90、0%BF、5%CSW、1.0%BF、5%CSW+0.4%BF、5%CSW+1.0%BF、5%CSW+1.6%BF沥青的失效温度分别为69.55、77.49、79.70、78.72、80.81、83.17、82.46 °C。

不同沥青的失效温度介于69.55~83.17 °C之间，其中CSW改性沥青的高温性能增强作用更加明显；而CSW-BF改性沥青将两者优势复合叠加，CSW的颗粒增强，改善了沥青基体成分比例，BF的物理改性，进一步提高了失效温度，达到83.17 °C，较基质沥青提升了约19.58%。由此可见，纤维改性沥青的高温韧性改善明显，其中5%CSW+1.0%BF混掺纤维改性沥青的增强效果最佳，这也说明了BF掺量存在最佳值。

2.1.2　MSCR多重应力蠕变试验

图3为不同荷载下沥青剪切应变随时间的变化曲线，前、后各100 s应力水平分别为0.1 kPa和3.2 kPa，可见在剪切应力循环荷载下，应变不断累积增大。CSW和BF的掺入提高了材料的劲度，抗剪切性能明显增强。CSW-BF改性沥青剪切应变进一步降低，1.0%BF掺量的改性沥青剪切应变降低幅度最大。3.2 kPa时，剪切应变随时间变化曲线的趋势基本一致，但随着应力水平的提高，试样剪切应变明显变大，表明沥青材料在重载交通循环荷载作用下，更容易产生永久变形。

不同种类沥青的蠕变恢复率和不可恢复蠕变柔量如图4所示，可见两种不同应力水平下，R值与J_nr值变化趋势基本相同。随着剪切应力的增大，试样R值显著减小，J_nr值增大，沥青高温抵抗永久变形能力降低。加入CSW与BF后，R值增大，J_nr值减小，表明加入纤维明显提升了沥青材料中弹性成分比例，减少了沥青在高温下的塑性变形，使其表现出更强的弹性恢复能力。5%CSW+1.0%BF改性沥青的R值最大，J_nr值最小，这是因为BF在沥青基质中相互搭接形成均匀分散的空间网络结构，并且CSW作为高强度微米级填充颗粒，可以提高沥青材料的致密度，应力传递效率极大增加，材料在卸载后能够更快地回弹，这两方面因素使得混掺纤维改性沥青的结构稳定性增强，最终表现在高温情况下沥青路面抗永久变形能力大幅提升。5%CSW+1.6%BF的R值略微降低，J_nr值升高，这是由于纤维在沥青中分布交叉不均并没有形成空间网状结构，沥青软化点较低，使过多的纤维缠绕离析，反而降低其弹性模量。

2.1.3　温度敏感性分析

采用针入度指数PI评价沥青温度敏感性会在较低温度下容易受人为影响导致针入度读数的偶然误差偏大，无法保证针入度试验结果的准确性，因此本文采用黏温指数VTS评价不同种沥青的感温性，VTS计算方法为：

\mathrm{V}\mathrm{T}\mathrm{S}=\frac{\mathrm{l}\mathrm{g}(\mathrm{l}\mathrm{g}{\eta }_{T_{\mathrm{2}}}-\mathrm{l}\mathrm{g}{\eta }_{T_{\mathrm{1}}})}{\mathrm{l}\mathrm{g}{T}_{\mathrm{2}}-\mathrm{l}\mathrm{g}{T}_{\mathrm{1}}}（1）

式中：T_{\mathrm{1}}、T_{\mathrm{2}}分别为两个不同点处温度，°C；{\eta }_{T_{\mathrm{1}}}、{\eta }_{T_{\mathrm{2}}}分别为对应温度下的动力黏度，Pa∙s；\mathrm{V}\mathrm{T}\mathrm{S}为黏温指数，无量纲。

采用DSR试验得出的复数剪切模量G^*，可计算得出复数黏度η^* 与温度的关系。但DSR试验中沥青材料表现出非典型的牛顿流体状态，因此有必要对动力黏度计算公式的相关系数进行修正。考虑到摄氏温度的黏温曲线模型区分度不够，可将摄氏温度换算为兰金氏温度^［39］，计算公式如下所示：

{\eta }^{*}=\frac{{(\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\delta )}^{-\mathrm{4.8628}}{G}^{*}}{w}（2）

\mathrm{兰金}\mathrm{氏温}\mathrm{度}=\left(\mathrm{摄氏}\mathrm{度}+\mathrm{273.15}\right)\times \frac{\mathrm{9}}{\mathrm{5}}（3）

式中：{\eta }^{\mathrm{*}}为复数黏度，Pa∙s；G^{\mathrm{*}}为复数剪切模量，MPa；w为角频率，rad/s；\delta为相位角，（°）。

首先，采用温度扫描对不同沥青材料进行测试，得到温度、剪切模量、相位角等参数，换算温度模型后，采用双对数拟合对复数黏度值与兰金氏温度关系曲线进行优化，曲线斜率即为VTS。在此，仅举例基质沥青的等效黏度计算方法，基质沥青的黏温参数结果如表5所示，根据表5数据可拟合得到斜率，即基质沥青的VTS。同上，最终计算得到DH-90、0%BF、5%CSW、1.0%BF、5%CSW+0.4%BF、5%CSW+1.0%BF、5%CSW+1.6%BF沥青的VTS分别为-7.08、-6.26、-6.05、-6.12、-5.95、-5.81、-5.90。

VTS的绝对值越小，说明沥青材料温度敏感性越小，流变性能越强，高温不易变软变黏，低温不易变硬变脆，路面服役早期裂缝、车辙病害现象较少。由上文描述可知，加入矿粉的0%BF沥青、CSW改性沥青和BF改性沥青的VTS绝对值都有所降低，说明改性材料在沥青中吸附轻质组分，均匀分散，增加了更多分散相，降低了沥青材料的黏性和温度敏感性。CSW-BF改性沥青综合了CSW和BF两者优点，进一步降低了黏温指数，这是因为CSW-BF作为沥青增强相能够形成均匀空间网络结构，同时填充沥青材料的微观空隙，应力分散能力得到增强，自由体积变化得以限制，最终使得沥青材料温度敏感性变小，表现出更稳定的流变特性。但CSW-BF改性沥青中BF加入过多，反而增加了材料温度敏感性，这是由于BF掺量过多导致纤维之间缠绕成团，不均匀性增加，破坏沥青基质的连续性，同时BF本身为刚性增强相，掺加过量会导致材料的整体刚度增加、低温脆性增强，使得高温稳定性和低温抗裂性能变差。

2.2　极限黏弹性能

频率扫描试验结果如图5所示。复数剪切模量的增大和相位角的减小，反映出各种沥青材料的黏弹性能发生变化，即黏性降低、弹性增强。在较低频率时，不同沥青材料的复数剪切模量与相位角差异较大，随着频率的增大差距逐渐缩小。在低频率荷载作用下，以较低频率荷载模拟路面状态，以表现车辆荷载作用时间较长、环境温度较高的使用情况，此时低频剪切模量越大，相位角越小，沥青材料高温稳定性越好。0%BF改性沥青的复数剪切模量最小，相位角最大，表明0%BF改性沥青的高温稳定性较差，永久变形量较大；5%CSW+1.0%BF改性沥青的沥青复数剪切模量最大，相位角最小，说明5%CSW+1%BF掺量的改性沥青表现出高弹性，即便在较高温度和较长时间的荷载作用下依然能够保持良好的抗永久变形能力；其余改性沥青的复数剪切模量差距不大，相位角差异较为明显，不同沥青材料的相位角由高到低排序为：0%BF、5%CSW、5%CSW+0.4%BF、5%CSW+1.6%BF、1.0%BF、5%CSW+1.0%BF。高频率荷载作用时，不同沥青材料的剪切模量和相位角变化趋势与低频荷载时没有明显差异，其中1.0%BF、5%CSW+1.0%BF与5%CSW+1.6%BF的改性沥青材料在由低频向高频转变过程中，复数剪切模量逐渐变小，相位角逐渐变大，5%CSW与其趋势相反，表明在车速较快的低温环境下，BF改性沥青的增韧效果逐渐显现，沥青力学特性由弹性向黏性转变，CSW则对沥青的低温性能不利。

2.3　低温蠕变性能

BBR试验测试结果如图6和图7所示。由图6可见，S值随温度的降低而逐渐下降，说明温度降低后沥青材料表现为弹性和脆性。S值由低到高排序分别为：DH-90、0%BF、1.0%BF、5%CSW+0.4%BF、5%CSW+1.0%BF、5%CSW。对比加入CSW前、后沥青的蠕变劲度，可见CSW的吸附作用降低了沥青材料低温时的黏性，单位面积截面的材料弯拉应力明显提升，增大了路面沥青材料的温缩开裂概率。对比两种材料改性沥青的S值可以发现，BF改性沥青的劲度模量提升作用更小，说明BF改性沥青的低温性能更好。对比两种CSW-BF改性沥青的S值，BF掺量增加，沥青的S值有所提升，但增长幅度不是很大，这是因为过量的BF会在沥青中缠绕成团，无法形成均匀的网络结构，应力分散效果变差，易在纤维-沥青界面薄弱区域产生应力集中，影响低温性能。

由图7可知，各种沥青的弯曲蠕变速率m值都与温度呈正比，变化趋势与S值相反，表明温度降低后，沥青材料的应力松弛能力下降，松弛模量减小，发生脆断的可能性变大，材料低温流变性能变差。m值由高到低排序分别为：DH-90、 0%BF、1.0%BF、5%CSW+0.4%BF、 5%CSW+1.0%BF、5%CSW。由于CSW会降低沥青材料的蠕变性能，表现出高弹性的力学特性，小梁弯曲挠度随时间变化不大，蠕变速率较小，更容易产生脆性断裂。相比而言，BF对沥青的低温性能影响较小。

根据Superpave规范（AASHTO M 320-23）对S值和m值的规定，尽管CSW和BF的加入使S值增加、m值降低，但-12 °C时沥青的S和m值均满足规范要求，-18 °C时除去CSW改性沥青外，弯曲蠕变速率m值都大于0.3，满足规范要求，说明尽管混掺纤维改性沥青的低温性能有所降低，但仍在规范允许范围内，且其在高温性能方面具有突出表现，依旧存在较大应用空间。

2.4　微观形貌特征

图8分别为500倍和2 000倍放大倍数下CSW改性沥青截面的微观形貌，发现CSW与沥青的相容性较好，其在改性沥青截面中呈现出均匀分布情况，并且CSW所在截面相较于未显露部位出现了粗糙、褶皱等不规则的截面状态。分析认为，CSW的表面改性可以降低其表面能，提高两相材料间的摩擦力和黏结强度，增强CSW无机材料与沥青有机材料的界面黏附。CSW改性沥青中，微米级的CSW颗粒较为均匀地分散在沥青基体中，表面吸附沥青轻质组分，形成颗粒胶团，吸附充分的胶团相互之间距离较近，限制了沥青基体的移动，从而提高了改性沥青的弹性，但CSW过脆，无法发挥类似于宏观纤维的增韧效果，会不可避免地损失一部分沥青的低温延展性。

图9分别为500倍和70倍放大倍数下BF改性沥青截面的微观形貌，可以发现，BF纤维表面分布着不规则的突起和附着物，增大了纤维的比表面积，吸附了更多的沥青轻质组分，在复合材料界面形成了良好的过渡层，提高了沥青的内部黏结力。BF之间的相互搭接形成了纤维沥青的三维网状骨架，可以通过分散荷载的方式避免沥青内部应力集中，从而提高材料的黏韧性。反之，三维网状结构的形成也限制了结构内部的沥青组分移动，使沥青材料向凝胶态转变，降低沥青的塑性和低温性能。

3 结 论

本文主要对不同尺度CSW和BF改性沥青的流变性能和微观特征做了对比分析，重点研究了沥青在高低温条件下的流变性能、温度敏感性及其在极限条件下的黏弹特性，并对混掺纤维改性沥青的微观形貌进行了分析，主要结论如下：①高温流变性能试验表明CSW与BF能够提高沥青的高温稳定性，CSW-BF改性沥青中，两种材料优势互补，高温稳定性进一步提高，其中1.0%BF掺量组合高温性能最好。②频率扫描试验表明，以较低频率荷载模拟路面车速较慢或高温状态时，CSW和BF都能够提高沥青的弹性，以较高频率荷载模拟路面车速较快或低温状态时，掺CSW改性沥青的低温性能都出现不同程度的下降，掺BF改性沥青的低温增韧效果则逐渐显现。③低温蠕变性能试验表明，CSW会显著降低沥青的低温性能，BF对沥青低温蠕变性能影响不明显，混掺纤维改性沥青随BF掺量增大，S值升高，m值降低，但变化幅度不大，依旧满足规范要求。④微观形貌表明，CSW在混掺沥青体系中主要起到颗粒增强作用，BF起到增强、增韧作用。

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基金资助

国家自然科学基金项目(52478433)

山东省交通运输厅科技计划项目(2022B56)