随着经济的日益发展，我国道路运输行业正在转型升级，以适应高速重载交通的趋势，这对沥青路面的力学性能和耐久性能提出了更高的要求。沥青混合料中掺入纤维提高其工作性能已成为一种行之有效的解决办法^[1-4]，且得到了越来越多的关注。与其他纤维相比，玄武岩纤维的力学性能优异，化学性能稳定，耐高温性能良好^[5]，且作为一种绿色环保的材料逐渐得到应用。玄武岩纤维增强沥青混合料不仅可抑制路面裂缝，显著提高路用性能，延长道路寿命^[6-10]，而且施工工艺简单，经济效益好，有着优良的应用前景。

目前关于玄武岩纤维增强沥青混合料的研究大部分集中在纤维沥青混合料的路用性能和破坏特性。考虑到沥青胶浆的性能对沥青混合料的工作性能起关键性作用，不少学者也关注到纤维对沥青胶浆性能的增强特性。Kou等^[11]将短切玄武岩纤维掺入到SBS改性沥青制备纤维增强沥青进行动态剪切流变试验，发现玄武岩纤维可提高纤维增强沥青的高温稳定性和变形恢复能力，从而增强抗车辙性能。俞红光等^[12]通过弯曲流变试验和拉伸性能试验，发现玄武岩纤维能够提高沥青胶浆的低温性能和劲度。郭寅川等^[13]通过低温拉伸试验，发现随着玄武岩纤维长度的增加，纤维沥青胶浆的低温拉伸断裂能不断提高，较长的玄武岩纤维增强沥青胶浆的韧性效果更好。张小元等^[14]研究表明，纤维的掺入可显著提高沥青胶浆的高低温性能，其提升效果与纤维掺量有关，且玄武岩纤维效果优于聚酯纤维。覃潇等^[15]通过板带拉伸试验，发现纤维增强沥青胶浆的抗裂性能得到明显改善。Wu等^[16]利用扫描电镜分析了玄武岩纤维与沥青之间的相互作用机制，指出纤维与沥青的相互作用主要是纤维与沥青的黏结吸附作用及机械锚固作用。

沥青道路车辙破坏的主要原因是沥青混合料的剪切破坏^[17]，而沥青胶浆的抗剪性能会直接影响沥青混合料的抗剪性能^[18]。本研究基于室内试验来探讨玄武岩短切纤维对沥青胶浆抗剪切性能的影响，为进一步探讨玄武岩纤维对沥青混合料的影响提供基础。

试验所用沥青为SBS改性沥青，其主要技术指标见表 1。玄武岩纤维为长度分别为3，6，9 mm的短切纤维，如图 1所示，其基本物理力学参数见表 2。

图 1 玄武岩纤维 Fig. 1 Basalt fiber

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本研究借鉴土体直剪试验的方法开展沥青胶浆的直剪试验，并计算其抗剪强度参数。按照摩尔-库伦强度理论，其剪切强度为：

(1)

式中，τ_f为剪切强度；c为黏聚力；φ为内摩擦角；σ为剪切面上的正应力。

试验参照《公路土工试验规程》(JTG E40—2017)的规定。试件直径为61.8 mm，高度为20 mm。为分析纤维长度及掺量对沥青胶浆抗剪强度的影响，纤维长度采用3，6，9 mm 3种情况，纤维掺量按沥青胶浆的质量百分比采用2%，4%，6% 3种，并考虑未掺入纤维的情况，共制备10组试样。直剪试验的垂直压力分别为25，50，75，100 kPa，剪切速率为1.4 mm/min。在每种条件下开展3个试样的平行试验，共制备120个试件。

先将沥青与玄武岩纤维使用烘箱加热至165 ℃左右，1次称取200 g沥青到不锈钢碗中，随后在沥青中加入对应掺量质量的玄武岩纤维，放在电炉上加热用玻璃棒快速搅拌至纤维无结团状态，随后趁热倒入内径61.8 mm，高度20 mm的环刀内制作直剪试件。浇注试件成型后静置冷却至室温(至少12 h)，随后用热刮刀刮去试件表面多余部分。

沥青材料对温度敏感，温度的变化会对试验数据造成误差。试验前将冷却好的试件置于15 ℃恒温水浴中保温(至少4 h)，然后使用应变式直剪仪进行直剪试验。试样剪切过程中，当百分表指针稳定或后退时为破坏标志，当剪切位移为4 mm时停止试验。

基于直剪试验结果绘制沥青胶浆的剪应力-剪切位移关系曲线。限于篇幅，本研究只给出部分典型试验结果。图 2为纤维长度为9 mm不同纤维掺量试件的剪应力-剪切位移关系曲线，图 3为纤维掺量为4%不同纤维长度试件的剪应力-剪切位移关系曲线。可以看出，随着剪切位移的增大，剪应力逐渐增大，在剪切位移较小时，剪应力增加加快；随着位移的增大，剪应力增加幅度越来越小，但曲线没有明显峰值。借鉴相关规范^[19]，本次试验选取剪切位移为4 mm处的剪应力为抗剪强度，结果见表 3。

图 2 9 mm纤维长度试件剪应力-剪切位移曲线 Fig. 2 Curves of shear stress vs. shear displacement of specimens with 9 mm fiber length

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图 3 4%纤维掺量试件剪应力-剪切位移关系曲线 Fig. 3 Curves of shear stress vs. shear displacement of specimens with 4% fiber content

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抗剪强度与纤维长度的关系曲线如图 4所示。从图 4可以看出，玄武岩纤维的掺入可显著提升沥青胶浆的抗剪强度，不同纤维长度对抗剪强度的提高效果不同。

图 4 抗剪强度与纤维长度的关系 Fig. 4 Relationships between shear strength and fiber length

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在本研究试验的纤维长度范围内，在相同垂直压力与纤维掺量条件下，试样的抗剪强度均随纤维长度的增大而增大。以垂直压力100 kPa、掺量2%的情况为例，纤维长度从3 mm增加到6 mm和9 mm时，抗剪强度从未掺纤维时的15.17 kPa增加到18.8，22.20，26.96 kPa，增幅分别为23.9%，46.3%，77.7%。由此可见，在纤维掺量相同的情况下，纤维长度越长对沥青胶浆抗剪强度的提升效果越好。这主要是因为在剪切过程中，发生剪切位移后，对于长度较短的纤维，有一部分容易被拔出不能提供剪切阻力；在试验剪切位移范围内(试验位移量最大4 mm)，纤维越长被包裹在沥青中越难被拔出，可延缓剪切裂纹的发展，从而增强沥青胶浆的抗剪性能。

图 5给出了抗剪强度与纤维掺量的关系。从图 5可以看出，在垂直压力相同时，当纤维长度为3 mm和6 mm时，随着纤维掺量的增加，沥青胶浆的抗剪强度持续增加。而长度为9 mm时，沥青胶浆的抗剪强度在掺量为4%时达到最大，当掺量增大到6%时，其抗剪强度反而下降，说明掺量4%是纤维长度为9 mm时的最优掺量。在垂直压力100 kPa条件下，抗剪强度为42.17 kPa，相较于未掺纤维时提升了183.2%。当玄武岩纤维长度较长时，并非纤维掺量越大对沥青胶浆抗剪性能的提升效果越好。主要原因在于玄武岩纤维掺量过高、长度过长导致纤维在沥青胶浆中很难搅拌均匀，纤维在沥青胶浆中会出现局部抱团堆积、相互缠绕的现象，进而形成局部薄弱面导致试样整体抗剪强度下降。

图 5 抗剪强度与纤维掺量的关系 Fig. 5 Relationships between shear strength and fiber content

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黏聚力和内摩擦角是抗剪强度的2个重要参数。按照式(1)计算抗剪强度参数黏聚力和内摩擦角，并绘制纤维掺量和纤维长度与黏聚力、内摩擦角的关系曲线，如图 6~7所示。

图 6 纤维掺量与黏聚力及内摩擦角关系曲线 Fig. 6 Curves of fiber content with cohesion and internal friction angle

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图 7 纤维长度与黏聚力及内摩擦角关系曲线 Fig. 7 Curves of fiber length with cohesion and internal friction angle

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添加玄武岩纤维的沥青胶浆的黏聚力和内摩擦角均大于未掺纤维的沥青胶浆。不同长度和掺量的纤维对黏聚力和内摩擦角的提升幅度也不相同。由图 6可以看出，纤维长度为3 mm和6 mm时，黏聚力随着纤维掺量的增大而增大。纤维长度为9 mm时，黏聚力呈现先增大后减小的趋势，在4%掺量达到最大。而不同纤维长度下，内摩擦角均随着纤维掺量的增加而增大。

由图 7可知，相同纤维掺量下，掺量为2%和4%时，黏聚力随纤维长度的增大而递增；掺量为6%时，黏聚力先增后减，最大值出现在纤维长度6 mm处；而内摩擦角随着纤维长度的增加均增大。

纤维掺入后与沥青浸润，使接触面粗糙程度变大，使内摩擦角变大，纤维掺量和长度都有利于促进增大内摩擦角。纤维掺量增大使纤维在沥青中接触点变多，直剪试验时纤维也将承担部分剪切面上的剪应力，表现为黏聚力增大，但当纤维长度过长且掺量过大时，部分纤维在沥青中聚集成团，定向分布增多而乱向分布减少，纤维与纤维之间的接触变多，而纤维与沥青之间的接触变少，反而导致了黏聚力的下降。

为了更好地对比观察纤维在破坏面中的形态，选取剪切破坏后的试样，沿既有形成的剪切面将试样截开，部分典型的照片如图 8所示。

图 8 试样剪切破坏面形貌 Fig. 8 Morphology of shear failure surface of specimens

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由图 8(a)可以看出，未掺纤维试样的破坏面较为平整光滑，而掺入纤维试样的破坏面变得更为粗糙。图 8(b)中由于纤维长度较短，大量离散的纤维像“树根”状嵌入到沥青中，被沥青完全包裹后端部形成凸起。图 8(d)为9 mm纤维，长度较长，在破坏面纵横交错的现象更为明显。玄武岩纤维的亲脂性良好，在沥青中经过搅拌分散，嵌入在沥青中，通过吸附自身周围的沥青形成以纤维为中心的圆锥形状。在纤维沥青胶浆试件破坏面上，外力作用使嵌入沥青中的纤维有被拉出的趋势，由于纤维被沥青包裹，纤维在被拉出的同时，附着在纤维上的沥青也随之被拉出。

玄武岩纤维与沥青的主要连接方式是机械锚固和润湿吸附，二者相容性较好，沥青充分裹覆纤维，离散的纤维像“树根”状嵌入到沥青中，形成比自身结构更加稳定的混合体系，具有较好的整体性。试样在剪切过程中会产生变形和裂纹，纤维改善沥青胶浆的抗剪性能主要是通过约束剪切裂纹扩展来实现的。纤维对沥青胶浆抗剪性能的增强示意图见图 9。纤维沥青胶浆试样在剪切中，由于纤维有较高的抗拉强度，在沥青中不会被拉断，主要是发生滑移现象。在剪切力的作用下，纤维与沥青有相互错动的趋势进而产生摩擦阻力，纤维承受拉力并分担部分外荷载。沥青中纤维被拉动或拔出时，既要克服纤维与沥青的化学黏结力，还要克服纤维与沥青的摩擦阻力，此时的纤维很难被拔出，从而限制剪切裂纹的形成与扩展，直到纤维被拉出。同时，纤维被沥青紧紧包裹，这使得纤维在被拉出的过程中通过纤维与沥青胶浆基体之间的摩擦和滑移会消耗更多的破坏能量，从而延缓试样剪切界面的扩展，增强沥青胶浆的抗剪性能。

图 9 纤维对沥青胶浆抗剪性能增强示意图 Fig. 9 Schematic diagram of shear properties of asphalt mortar enhanced by fiber

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(1) 玄武岩纤维的掺入对沥青胶浆的剪切强度提升效果显著。其中纤维长度为3 mm和6 mm时，抗剪强度随纤维掺量的增大而增大；纤维长度为9 mm时，抗剪强度先增后减，在掺量4%时达到最大。

(2) 玄武岩纤维对沥青胶浆抗剪强度提升的原因在于其强度参数黏聚力和内摩擦角均有增大。纤维长度为3 mm和6 mm时，沥青胶浆的黏聚力均随着纤维长度和掺量的增加而增大；纤维长度为9 mm时，掺量为4%时黏聚力提升最大。内摩擦角则随着纤维长度和掺量的增加而增大。

(3) 玄武岩纤维分散在沥青中且与沥青黏结良好，发生剪切破坏时，剪切作用面的纤维对剪切微裂纹起到阻裂作用，延缓了剪切裂纹的形成与扩展，从而增强了沥青胶浆的抗剪性能。