沥青是一种由原油开采分馏而来的副产物。因其出色的黏附特性而被广泛用于路面施工中，国内90%以上的高等级路面采用沥青路面^[1-2]。沥青路面在受到反复的交通荷载、雨、阳光、化学物质等环境综合作用后，沥青各项性能会逐渐劣化。为减少因沥青混合料性能不足而造成的路面早期损伤，延长沥青路面的使用寿命，通常采用纤维改性沥青混合料提高其复杂环境下的长期服役性能^[3-4]。晶须是在特殊环境下生成的高纯纤维状单晶，其结构完整，缺陷少，具有良好的物理、力学性能，在复合材料、土木工程、建筑结构等领域均得到了广泛应用^[5]。

碳酸钙晶须(CCW)由石灰石制备，具有成本低，制备工艺简单等特点^[6-8]。许多学者将CCW作为复合材料中的增强纤维进行研究。曹明莉等^[9]采用CCW增强水泥砂浆，发现随着晶须含量的增大，砂浆黏度和拌和物滞回环的面积均逐渐增大。李明等^[10]将CCW掺入水泥混凝土中进行一系列力学测试，结果表明10%的晶须含量提高了混凝土28 d抗压强度33.34%，抗折强度45%。龙辉等^[11]发现适当CCW掺入可以有效提高碱激发材料的抗压和抗弯强度。此外，陈晰等^[12]发现经过偶联剂处理后的CCW可以提高复合材料的热稳定性。Zhang等^[13]研究发现，在高模量沥青混合料中使用CCW可以有效提高混合材料的高温稳定性、水稳定性和抗疲劳性能，但未对改性机理进行探讨。虽然木质素、玄武岩等纤维通常可以提高沥青混合料的强度、耐久性和抗裂性能^[14-15]，但因晶须纤维与普通纤维间存在一定差异，其能否应用于改性沥青的制备中发挥类似的纤维补强增韧作用，仍有待进一步研究。

鉴于此，本研究对CCW改性沥青及沥青混合料的性能进行研究。通过常规性能试验和流变试验对不同掺量CCW改性沥青性能进行评价，采用车辙试验、三点弯曲试验、冻融劈裂试验对不同掺量CCW混合料的路用性能评价，对比分析了不同CCW掺量对沥青及沥青混合料性能的影响。根据上述试验结果，确定了沥青混合料中CCW的最佳掺量，并在最佳掺量下对CCW沥青混合料的疲劳性能进行研究，为今后CCW在沥青领域的应用提供借鉴。

本研究选用SK-90沥青，根据JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(以下简称《规程》)测定其基本性能指标，如表 1所示。碳酸钙晶须(CCW)为白色蓬松粉末，品质稳定，具有纤维材料表观形貌和微观形貌分别见图 1(a)和图 1(b)。从图 1(b)可以观察到CCW通常为针棒状，以单晶形式生长，具有明显的棱角特性。CCW晶须的基本特性如表 2所示，其直径和长度能在一定范围内保持稳定。集料选用石灰石，其基本性能如表 3所示。

图 1 CCW形貌 Fig. 1 Morphology of CCW

图选项

将基质沥青放入160 ℃烘箱中加热至流动状态，在165~170 ℃的温度下分别加入0.5%，1%，1.5%和2%的CCW，并在4 000 r/min的高速剪切下改性40 min以获得均匀分布的CCW改性沥青。

采用AC-13密集配沥青混合料，集料级配如图 2所示。沥青采用CCW改性沥青(CCW掺量：0，0.5%，1%，1.5%和2%)。根据《公路沥青施工技术规范》(JTG F40—2004)^[16]要求，通过马歇尔试验确定5组沥青混合料的油石比分别为4.6%，4.6%，4.7%，4.7%和4.8%。

图 2 沥青混合料级配曲线 Fig. 2 Gradation curves of asphalt mixture

图选项

所有测试均进行3组平行试验以保证结果的准确性和可重复性。

根据《规程》，采用FY-2801A型针入度仪(产地河北)，LYY-8型延度仪(产地河北)和SYD-2806型软化点仪(产地河北)分别测定不同CCW掺量改性沥青的针入度、延度及软化点。

对不同CCW掺量改性沥青分别采用85型旋转薄膜烘箱老化(RTFO，产地河北)和Prentex Moderl 9500压力容器老化(PAV，产地美国)。通过SmartPave-102型动态剪切流变仪(产地奥地利)对不同CCW掺量改性沥青试样进行老化前、短期老化和长期老化后的温度扫描。试验频率为10 rad/s，温度范围为46~70 ℃，每间隔6 ℃进行一次测试，应变控制为1%，使沥青处于线性黏弹(LVE)范围内。

根据《规程》，对不同CCW掺量改性沥青制备混合料进行车辙试验(HYCZ-6型车辙仪，产地河北)、三点弯曲试验(CMT5105型微机控制电子试验机，产地美国)和冻融劈裂试验以评价改性沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性与水稳定性。

利用万能试验机(UTM-130，产地意大利)采用四点弯曲使用偏正弦加载波形对沥青混合料疲劳性能进行测试。本试验在相同条件下，每组进行平行试验4次；平行试验采用4根梁形试件(由试验室轮碾成型的400 mm×300 mm×75 mm沥青混合料板块试件切割制得)，小梁尺寸为(380±5) mm×(63.5±5) mm×(50±5) mm。在疲劳试验中，设置0.1，0.2，0.3，0.4这4种应力比，与其对应具体应力分别是0.25, 0.53, 0.79, 1.05 MPa。

表 4为不同CCW掺量下改性沥青的常规性能结果。从针入度结果中可以看出，随着CCW掺量增加，沥青针入度逐渐降低，尤其在0~1%CCW掺量阶段下降低明显，而1%~2%CCW改性沥青的针入度相对平稳。这表明少量CCW的加入会大幅增加改性沥青体系的硬度，而在CCW含量超过1%以后，改性沥青体系相对稳定。此外，CCW的掺入提高了沥青的软化点，改善了沥青高温性能。当CCW掺量大于0.5%后，沥青的感温性能逐渐趋于稳定，软化点较基质沥青提高1~2 ℃。CCW可以降低改性沥青的延度，且随掺量增加沥青延度持续降低；掺量大于1%后，改性沥青的延度相对平稳。在整个过程中未观察到CCW改性剂在沥青中的上升或下降现象。

图 3为3种老化状态下CCW改性沥青的温度扫描结果。基质沥青与CCW改性沥青的复数模量(G^*)均随测试温度的升高而降低，而相位角(δ)则随测试温度的升高而增大，沥青随温度升高逐渐从高弹态转变为黏流态。在未老化阶段，见图 3(a)，CCW的掺入会导致改性沥青G^*的显著增加，而δ显著降低。

图 3 不同状态下CCW改性沥青的复数模量与相位角 Fig. 3 Complex modulus and phase angle of CCW modified asphalt in different states

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图 3(b)和图 3(c)分别为CCW改性沥青在短期老化和长期老化作用下的流变参数结果图。在老化作用下，CCW改性沥青的G^*增加，沥青逐渐变硬。在测试温度内52 ℃及以下为低温范围，52~64 ℃范围内为中温范围，64 ℃以上为高温范围。在中温范围内沥青的δ随老化作用逐渐降低，降低幅度为7%左右，而在64 ℃以上的高温范围差异减小，降低幅度为4.4%左右。不同老化程度后CCW改性沥青的G^*曲线产生差异较大，而未老化CCW改性沥青的G^*曲线相对集中，表明CCW掺量会影响CCW改性沥青的老化性能，但对未老化沥青的流变特性影响不大。

图 4为不同老化状态下CCW改性沥青的车辙因子(G^*/sin δ)结果图。G^*/sin δ可以反映沥青的抗永久变形能力。在试验温度范围内，CCW改性沥青的G^*/sin δ随着温度的升高而迅速下降。同基质沥青相比，不同老化程度下CCW改性沥青的车辙因子(G^*/sin δ)均有增大。

图 4 不同状态下CCW改性沥青的车辙因子 Fig. 4 Rutting factors of CCW modified asphalt in different states

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JTGE20—2011中T0628规定，未老化阶段沥青的G^*/sin δ不得低于1.0 kPa，短期老化后沥青的G^*/sin δ不得低于2.2 kPa。根据规范本研究所用的SK-90基质沥青PG分级为58 ℃，而1.5%和2.0%CCW含量的改性沥青PG分级上升到64 ℃。

为了进一步量化CCW改性沥青老化前后的流变指标差异，引入车辙因子老化指数(RFI)进行分析，如式(1)所示。

(1)

以64 ℃为例计算不同CCW掺量沥青分别在短期老化和长期老化下的RFI，结果如表 5所示^[15]。0.5%，1.0%，1.5%和2.0%CCW掺量的改性沥青RFI值在短期老化后分别较基质沥青降低了20.1%，24.3%，26.0和27.9%，在长期老化后较基质沥青分别降低了23.1%，27.0%，31.2%和35.1%。随着CCW掺量的增加，CCW改性沥青的RFI值越接近1，老化前后车辙因子变化越小。

在0.7 MPa胎压和60 ℃温度条件下对5种CCW掺量的沥青混合料进行车辙试验，结果如图 5所示。通常情况下，沥青混合料的动稳定度越大，抗车辙能力越强，高温稳定性也越好。可以看出随着CCW含量增加，沥青混合的动稳定度逐渐上升，0.5%，1%，1.5%和2%CCW掺量下的沥青混合料动稳定度较基质沥青分别提高了19.2%，33.7%，37.2%和41.5%。这表明CCW的掺入可以有效提高沥青混合料的高温稳定性，在混合料中起到了“加筋”作用，且在硫酸钙晶须的相关研究中也有存在类似结果^[17]。CCW对沥青的吸收作用降低了自由沥青含量，从而提高了沥青与集料间的黏结强度。

图 5 不同CCW含量下沥青混合料的动稳定度 Fig. 5 Dynamic stabilities of asphalt mixture with different CCW contents

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采用《规程》(T0715)标准^[18]进行三点弯曲试验，用以评价CCW对沥青混合料低温开裂性能的影响。小梁跨度为200 mm。梁的中点受力，测试条件为：施加荷载速度为50 mm/min，测试温度为-10 ℃，结果如图 6所示。从图 6可以看出，随着CCW含量的增加，弯拉强度和弯拉应变呈先上升后下降的趋势。这说明适当的CCW掺量可以提高沥青混合料的低温性能。当CCW含量为1%和1.5%时，混合料的抗弯拉强度和弯曲应变均表现为性能良好。沥青混合料的抗弯刚度模量呈现先下降后增长的趋势。适当CCW掺量下沥青混合料的最大弯拉应变增大表明CCW能提高沥青混合料的韧性以及增强其低温抗裂性。

图 6 不同CCW含量下沥青混合料的低温测试结果 Fig. 6 Low temperature test results of asphalt mixture with different CCW contents

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与不含纤维的沥青混合料相比，1%和1.5%CCW掺量的沥青混合料抗弯拉强度, 最大弯拉应变分别提高了17.8%，14.7%及18%，20.2%。针状, 棒状形态的CCW具有桥接的作用，能对集料与沥青界面处的薄弱区域进行加固，这与大多数纤维增强沥青混合料的作用机理一致^[19]。总体上，适当含量的CCW可以提高沥青混合料的低温性能，但提升幅度不大，且CCW为晶须类材料，长度远低于纤维类材料，提升效果不明显^[20]。

采用《规程》(T0729)冻融劈裂试验结果作为评价CCW改性沥青混合料水稳性的指标。成型不同CCW掺量的沥青混合料冻融劈裂试验试件6个，均匀分为冻融组和未冻融组(对比组)。采用马歇尔稳定度试验仪进行单个试件的劈裂抗拉强度测试。

5种不同CCW含量下沥青混合料的冻融劈裂试验强度比(TSR)如图 7所示。CCW改性沥青混合料的TSR较未改性沥青混合料均有不同程度的提高，说明CCW可以提高沥青混合料的劈裂抗拉强度和水稳性。0.5%，1%，1.5%和2%CCW掺量下沥青混合料的TSR较未改性分别提高了4.5%，6.6%，10.8%和5.5%。TSR随CCW掺量的增加呈先增大后减小的趋势，这与其低温抗裂性能的结果一致，当CCW掺量为1.5%时，混合料的TSR提高显著。分析原因为：在冻融循环过程中，CCW增加了沥青的界面粗糙度，进而增加了沥青界面的黏结能力，致使CCW加筋的沥青混合料具有较高的冻融劈裂比和良好的抗水损伤性能。

图 7 不同CCW含量下沥青混合料的TSR Fig. 7 TSR of asphalt mixture with different CCW contents

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不同CCW含量下沥青混合料的疲劳性能如图 8所示。由图 8可知，CCW对沥青混合料的疲劳性能有一定提升作用。1.5%CCW含量以下，沥青混合料的耐疲劳性能随CCW掺量的增加而逐渐增强，1.5%和2.0%CCW含量的试验结果相近，1.5%CCW含量下沥青混合料的疲劳性能最优。结合CCW沥青混合料的低温及水稳性能认为：CCW最佳掺量为1.5%。从图中结果可知，CCW沥青混合料在不同应力比下的疲劳次数均高于常规沥青混合料，CCW对沥青混合料的疲劳性能有积极影响。这说明晶须在沥青混合料中的作用类似纤维，有着加筋、阻裂以及增加疲劳寿命的效果。

图 8 不同应力比下2种混合料的疲劳性能 Fig. 8 Fatigue properties of 2 types of mixtures under different stresses

图选项

根据图 8中的疲劳试验结果，表 6详细对比了不同应力水平下不含CCW沥青混合料和1.5%CCW含量沥青混合料的疲劳性能。从表 6可以发现，在应力比为0.1时，CCW沥青混合料的疲劳次数增加幅度仅为7.9%，表明在低应力比下CCW对沥青混合料疲劳寿命的增加幅度不大。而随着应力比的持续增加，CCW对疲劳寿命的增加幅度也在提升，逐步变为28.2%，54.9%和45.8%。常规沥青混合料的疲劳寿命较短，其对应力比的变化更为敏感；CCW增强沥青混合料在实际使用过程中可延长沥青混合料的使用寿命。分析原因为：CCW具有抗拉强度高的特点，其加筋桥接作用可以有效控制裂纹发展。同时，CCW晶须的长度明显短于纤维类材料，可以起到一定的填充作用，从而减少了混合料中的自由沥青含量，进而填充裂纹，起到修补作用。

本研究对不同掺量下CCW改性沥青及沥青混合料的性能进行了试验研究，结论如下：

(1) 随着CCW掺量增加，改性沥青的软化点逐渐增加，针入度和延度逐渐降低。CCW能够提高沥青的软化点，但因其属于刚性材料，弹性不足，降低了沥青的延展性能。

(2) 随着CCW掺入，改性沥青的复数模量和车辙因子逐渐增加，CCW能够提高沥青的高温流变特性，1.5%和2.0%掺量的CCW可以提高沥青的PG分级。在同一温度下，CCW改性沥青的RFI值显著低于基质沥青。

(3) 适量CCW的掺入提高了沥青的抗车辙性能。这对沥青混合料在高温条件下的易变形具有一定缓解作用。CCW的最佳掺量为1.5%，在此掺量下，改性沥青混合料的动稳定度, 抗弯抗拉强度和冻融劈裂强度比分别提高37.2%，18.0%和10.8%。

(4) 在应力比较高的水平下，1.5%含量的CCW改性沥青混合料的疲劳寿命显著高于常规沥青混合料。CCW具有高抗拉强度和较短的晶须长度，使得其可以在沥青混合料中起加筋填充作用，从而控制微裂纹延展，能有效延长沥青混合料寿命。