玄武岩纤维与HTL生物油对含再生沥青混合料中低温断裂性能的协同增强机制研究

《Results in Engineering》：Evaluation of the impacts of basalt fibers and hydrothermal liquefaction bio-oil on the fracture properties of asphalt mixtures at intermediate and low temperatures

本研究针对高比例再生沥青路面（RAP）混合料因老化沥青（RAB）脆化导致的易开裂问题，系统评价了水热液化生物油（HTL bio-oil）与玄武岩纤维（BF）的协同改性效果。通过半圆弯曲（SCB）试验，发现25% HTL bio-oil与1.5% BF的组合（BB+1.5F）在25°C和-18°C下显著提升了断裂能（Gf）、断裂韧性（KIC）和柔度指数（FI），有效平衡了混合料的强度与延性。该策略为开发高性能、可持续的低碳路面材料提供了科学依据。

　　

道路，作为现代社会的血管，承载着经济发展的滚滚车轮。然而，随着交通量的激增和气候变化的加剧，沥青路面开裂——这一长期困扰道路工程师的“顽疾”——正日益凸显。尤其是在冬季严寒和反复交通荷载的共同作用下，路面裂缝如同蛛网般蔓延，不仅影响行车舒适性，更会引发结构性破坏，大大缩短道路使用寿命。据统计，开裂是导致沥青路面失效的主要原因之一，约占其服役期内全部损坏的30-40%。更令人头疼的是，为了节约资源和保护环境，道路建设中越来越多地使用再生沥青路面（RAP）材料。遗憾的是，RAP中的沥青结合料（RAB）在长期服役后已严重老化，变得又硬又脆，这使得含有高比例RAP的沥青混合料更容易开裂，形成了一个亟待解决的矛盾：如何在提高资源利用率的同时，确保路面的耐久性和抗裂能力？

传统的解决方案，如使用再生剂来“软化”老化沥青，或加入纤维进行物理增强，都取得了一定效果。但以往的研究多侧重于单一手段，或使用特定类型的生物油（如快速热解生物油）与常规纤维的组合。对于一种新兴的、由废弃咖啡渣等生物质通过水热液化（HTL）技术生产的生物油（HTL bio-oil），其与高性能玄武岩纤维（BF）在修复高RAP含量沥青混合料方面的协同效应，尤其是在模拟真实路面受力状态（如拉裂和拉剪复合）下的中低温（25°C和-18°C）断裂行为，尚缺乏系统深入的研究。这一知识空白限制了更可持续、更耐久的沥青路面技术的发展。

为了填补这一空白，来自伊朗阿米尔卡比尔理工大学的研究团队在《Results in Engineering》上发表了一项开创性研究。他们巧妙地设计了一种“双管齐下”的策略：一方面，利用HTL生物油作为再生剂，旨在恢复老化沥青的粘弹性，提升其柔韧性和能量耗散能力；另一方面，引入高强度、耐高温的玄武岩纤维，在混合料中形成三维加筋网络，以桥接微裂纹，分散应力，延缓裂缝扩展。研究人员系统探究了不同HTL生物油掺量（0%， 25%， 50% 占结合料总量）和不同玄武岩纤维掺量（0.5%， 1.0%， 1.5% 占集料重量）对含有50% RAB的沥青混合料断裂性能的影响。

为了开展这项研究，研究人员主要依赖于几种关键的实验技术方法。首先是材料制备与表征，包括利用高剪切混合器制备不同配比的改性沥青结合料，并对原材料（如HTL生物油、玄武岩纤维、RAB、集料）进行基本的物理和流变性能测试。其次是沥青混合料的设计与老化模拟，采用马歇尔配合比设计方法确定最佳沥青用量，并严格按照AASHTO R30规范对混合料进行短期和长期老化处理，以模拟施工过程及数年服务期内的老化状况。核心的力学性能评估则通过半圆弯曲（SCB）试验完成，该试验在25°C（中温）和-18°C（低温）下进行，并采用了两种加载模式（Mode I 纯张开型和 Mode II 拉剪复合型）以及三种不同切口深度（10， 20， 30 mm），以全面评估混合料在不同断裂严重程度下的抗裂性能。最后，通过对SCB试验获得的荷载-位移曲线进行分析，计算出一系列关键的断裂参数，如峰值荷载（P_max）、断裂能（G_f）、柔度指数（FI）、断裂韧性（K_IC）和损伤转变点（DTP）参数等，用以量化混合料的抗裂能力。本研究还结合了生命周期评估（LCA）和成本分析，对环境效益和经济性进行了初步探讨。

4.1. SCB试验结果（中温）

4.1.1. 荷载能力与能量吸收

在中温（25°C）条件下，SCB试验结果表明，HTL生物油和玄武岩纤维的加入显著改善了沥青混合料的断裂行为。荷载-位移曲线显示，与未添加生物油的BA系列混合料相比，含有25%和50% HTL生物油的BB和BC系列混合料表现出更平缓的峰后下降段和更大的极限位移（D_ult），说明其延性更好。峰值荷载（P_max）随着纤维掺量的增加（从0.5%到1.5%）而显著提高，其中BB+1.5F混合料（25%生物油，1.5%纤维）在各种切口深度和加载模式下均表现出最高的承载能力。断裂能（G_f）的计算结果进一步证实，生物油的加入，特别是与高掺量纤维结合时，极大地增强了混合料吸收能量的能力。例如，在Mode I加载、10 mm切口下，BC+1.5F混合料（50%生物油，1.5%纤维）的断裂能高达3923 J/m2，远高于对照组。这表明生物油通过恢复老化沥青的粘弹性，而纤维通过桥接和应力再分布，共同作用实现了能量的高效耗散。

4.1.2. 抗裂效能指数

抗裂效能指数（CRI，定义为G_f/P_max）用于衡量混合料在承受单位荷载时所吸收的断裂能，是评价韧性的重要指标。研究发现，CRI值随着生物油掺量的增加而显著提升。BC系列混合料（50%生物油）在所有测试条件下均显示出最高的CRI，表明其具有最优的韧性强度平衡。Mode II（拉剪复合）加载下的CRI值普遍高于Mode I（纯拉），说明剪切分量引入了额外的能量耗散机制。BB+1.5F混合料在两种模式下均表现出优异且均衡的CRI值，证明了25%生物油与1.5%纤维组合的有效性。

4.1.3. 延性与峰后行为

柔度指数（FI）是评价混合料延性和抗裂性能的另一关键参数，它综合考虑了断裂能和峰后曲线的斜率。结果明确显示，生物油的加入极大地提高了FI值。BC+1.5F混合料的FI值在所有组合中最高（Mode I下可达10.5），表明其具有极强的抵抗脆性破坏的能力。玄武岩纤维的加入进一步提升了FI，特别是在高掺量（1.5%）时，纤维形成的网络有效抑制了裂缝的快速扩展，使荷载缓慢下降，表现为更高的FI值。这表明生物油和纤维的协同作用显著改善了混合料的延展性和损伤容限。

4.1.4. 微裂纹演化与损伤转变

损伤转变点（DTP）参数（包括DTP时的荷载、位移和时间）用于分析微裂纹汇合形成宏观主裂缝的关键节点。研究表明，含有生物油和纤维的混合料，其DTP荷载和位移均显著高于未改性的混合料。例如，BC+1.5F混合料在Mode I加载下的DTP位移比BA+0.5F混合料高出约45-62%。更重要的是，达到DTP所需的时间也明显延长，BC+1.5F混合料的时间是BA+0.5F的2.1倍。这证实了改性剂通过增强粘弹性弛豫和纤维-基体界面摩擦滑移，有效延缓了微裂纹的生长速度，稳定了断裂过程区。

4.2. SCB试验结果（低温）

4.2.1. 断裂韧性

在低温（-18°C）条件下，沥青混合料表现为脆性断裂，断裂韧性（K_IC）是评价其抗低温开裂能力的关键指标。试验结果令人振奋：HTL生物油和玄武岩纤维的复合改性同样显著提高了混合料的低温断裂韧性。BC+1.5F混合料在Mode I和Mode II加载下均表现出最高的K_IC值，分别可达约0.9 MPa·m^1/2和1.1 MPa·m^1/2。这表明，即使在严寒条件下，高剂量的生物油也能通过其低温增塑作用，提高沥青胶结料的柔韧性，而玄武岩纤维则通过应力波衰减和裂纹尖端钝化机制，有效抑制了裂纹的快速失稳扩展。BB+1.5F混合料也表现出优异的性能，其K_IC值接近BC混合料，证明了中等生物油掺量（25%）与高纤维掺量（1.5%）组合的有效性。

5. 环境影响指数与成本指数

除了优异的力学性能，该研究的可持续性也通过生命周期评估（LCA）和成本分析得到了量化。与环境影响指数（EII）和成本指数（CI）。结果显示，最优的BB+1.5F混合料（25%生物油，1.5%纤维）与未再生化的50% RAB对照组相比，全球变暖潜能（GWP）降低了17%，累积能源需求（CED）降低了9%，整体EII为0.86（表示环境改善14%）。而其成本仅增加10%（CI=1.10）。将生物油掺量提升至50%（BC+1.5F），环境效益更佳（EII=0.78），成本增幅仍保持在可接受水平（CI=1.09）。这证明了该技术方案在提升性能的同时，兼具良好的环境效益和经济可行性。

6. 统计分析

t检验统计分析结果证实，纤维掺量（从0.5%增加到1.5%）、生物油掺量（从0%增加到25%或50%）以及加载模式（Mode I vs Mode II）对几乎所有断裂参数（峰值荷载、断裂能、柔度指数、极限位移、断裂韧性）的影响均具有统计学显著性（p值均小于0.05）。这为上述观察到的性能改善提供了坚实的统计学支持，明确了各因素独立且显著的贡献。

7. 结论

本研究成功验证了将水热液化（HTL）生物油与玄武岩纤维结合用于改性高比例RAP沥青混合料的可行性。研究结论明确指出：

1. 1.
   协同增强效应：HTL生物油和玄武岩纤维通过不同的机制协同作用，显著提升了沥青混合料在中低温度下的断裂性能。生物油主要起“化学”再生作用，恢复老化沥青的粘弹性和柔韧性；而玄武岩纤维则提供“物理”增强，通过桥接裂纹和分散应力来抑制裂缝扩展。
2. 2.
   性能最优组合：含有25% HTL生物油和1.5%玄武岩纤维的BB混合料展现出最佳的综合性能，在强度、韧性、延性和能量吸收能力之间取得了良好平衡。含有50%生物油的BC混合料则表现出极佳的低温变形能力。
3. 3.
   机理阐释：性能提升源于生物油诱导的分子流动性增加和粘弹性恢复，以及纤维形成的三维加筋网络带来的应力再分布和裂纹尖端屏蔽效应。
4. 4.
   可持续性与经济性：该技术方案不仅能大幅提升路面抗裂性，延长服务寿命，还能显著降低对原生沥青的依赖，减少温室气体排放和能源消耗，且成本增加可控，为实现可持续的道路基础设施建设提供了切实可行的策略。

这项研究为开发下一代高性能、长寿命、环境友好的沥青路面材料提供了重要的理论依据和实践指导。尽管实验室结果令人鼓舞，但未来的研究仍需通过实地试验段进行长期性能验证，并进一步探索材料在复杂环境（如水分、冻融循环）下的耐久性以及长期老化行为，以推动该技术的实际工程应用。