随着中国交通量的快速增长，大量沥青路面出现车辙、裂缝、坑槽等病害，人们对道路的养护需求日益增大^[1-2]。水性环氧乳化沥青混合料因其具有施工方便、绿色环保、高温稳定性好、耐磨耗性好等优势，被广泛应用于道路养护工程^[3]。水性环氧树脂是一种液相体系材料，与普通环氧树脂相比，水性环氧树脂更易溶于水。当其与固化剂混合后，会发生交联反应，形成热固性材料^[4]。将水性环氧树脂作为改性剂使用，能够显著提高热塑性乳化沥青混合料的高温稳定性，并具有很好的抗水损害性能，延长使用寿命^[5-6]。同时，水性环氧树脂体系固化后的产物具有特殊的三维交联网状结构，这会限制沥青分子的运动，使改性后的混合料偏脆，容易遭受脆性破坏^[7]。因此，在实际使用中经常需要添加增韧剂或尝试以其他改性剂配合水性环氧树脂体系对乳化沥青混合料进行复合改性。目前已有的研究主要使用聚苯乙烯丁二烯共聚物或苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物进行复合改性^[8]。但由于该复配改性工艺存在着成本昂贵、乳化困难等缺陷，如今急需一种能够同时具备高温稳定性和低温抗裂性的新型改性乳化沥青材料^[9]。

自20世纪50年代以来，纤维材料一直是国内外道路工作研究者们关注的重点，目前纤维在热拌沥青混合料中的应用已经较为成熟^[10]。由于纤维自身具有稳定的三维网络结构和较强的抗拉强度^[11]，添加纤维能够提升沥青的附着能力、坚韧程度和扩张力^[12]，故纤维材料是一类可以改善沥青混合料路用性能的增强型材料。木质素纤维是一种有机纤维，由天然木材经过机械或化学加工处理得到，其形态通常呈絮状。工程中常用木质素纤维来吸收和稳定沥青，因其具有价格低廉、耐热性好以及吸油性好等优点被广泛应用^[13]。聚酯纤维是一种合成纤维，在保持较高吸油率的同时还表现出相对较低的吸水率^[14]，相较于木质素纤维，聚酯纤维具有更优异的吸附沥青和抗水损害能力^[15]。玄武岩纤维是一种由天然玄武岩熔融后拉制而成的高模量无机环保材料^[16]，通常呈褐色。玄武岩纤维的吸油和吸水性都不高^[17]，由于其抗拉伸强度和应力传递效率高^[18]，因此它能够有效地提升混合料的抗裂性和稳定性^[19-20]。

基于此，本研究以20%的水性环氧树脂改性乳化沥青混合料作为空白组，在此基础上分别添加0.2%，0.4%，0.6%掺量的木质素纤维、聚酯纤维、玄武岩纤维，制备复配改性沥青混合料。根据各种试验评价指标，探究不同种类和掺量的纤维对水性环氧树脂乳化沥青混合料路用性能的影响规律。

本研究选用了70^#基质沥青来自制乳化沥青，利用单循环式乳化沥青胶体磨制备的阳离子乳化沥青固含量为64%，基本性能详见表 1。水性环氧树脂体系包括A组分和B组分，其中A组分是水性环氧树脂，B组分是固化剂。表 2展示了水性环氧树脂的物理性能。本研究选用的3种纤维材料分别为木质素纤维、聚酯纤维和玄武岩纤维，性能参数如表 3所示。

本研究选用的粗细集料为石灰岩，其中填料包括水泥和矿粉。矿粉是经过磨粉机细加工白云石产生的，水泥是P.O 42.5标号的普通硅酸盐水泥，水泥的掺量为集料质量的1.5%。为了延缓超薄磨耗层的水损害问题，本研究选择了密集配设计的UWM-10(空隙率仅为4.0%)作为本研究磨耗层级配^[21]，该级配各个筛孔尺寸矿料通过率如表 4所示，级配曲线图如图 1所示。

图 1 超薄磨耗层级配曲线 Fig. 1 Gradation curves of ultra-thin wearing course

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随着各类纤维的添加，混合料的比表面积也在增加。同时，纤维的黏附性使得其对沥青分子的吸附量也在增大，因此最佳乳液用量也随之增加。本研究通过修正的马歇尔试验得到木质素纤维、聚酯纤维、玄武岩纤维在0，0.2%，0.4%，0.6%掺量下对应混合料的最佳乳液含量，如表 5所示。

制备水性环氧乳化沥青的步骤如下。首先将A组分和乳化沥青按质量比例1∶5加入烧杯中，对混合物进行5 min的500 r/min转速物理搅拌。然后在A组分和乳化沥青混合物中，将B组分加入，并以500 r/min的转速进行物理搅拌5 min，其中A组分与B组分的质量比是10∶1。最后为了排除操作流程对乳化沥青性能的影响，对不含水性环氧树脂体系的乳化沥青进行上述操作，并将其作为空白样本。

为保证纤维分散均匀性，拌和纤维-水性环氧乳化沥青混合料的步骤如下。首先将粗细集料和定量纤维倒入搅拌机中，在常温下干拌50 s，使纤维在矿料中分散均匀。然后按照指定的掺配比例加入外掺水和预先制备好的沥青乳液，并进行搅拌50 s。最后将对应量的矿粉和水泥加入混合料中，再搅拌50 s，使混合料呈均匀褐色。确定混合料搅拌均匀并且乳化沥青没有提前破乳，即得改性乳化沥青混合料。

修正的马歇尔试验的试件成型方式是考虑到乳化沥青混合料中含有水分，在压实、养护过程中需要经历破乳过程，因此考虑进行二次压实^[22]。本研究中马歇尔试件的制备方法是将试件两面击实75次，然后这个过程分为两次进行, 即在室温下进行50次双面击实，然后将其放于110 ℃烘箱中静置24 h，再进行25次双面击实，最后在室温下静置24 h后脱模^[23]。

旋压试件成型的步骤如下。将混合料放入旋转压实仪中进行成型，所得试件尺寸为φ150 mm×150 mm。然后将其放于110 ℃的烘箱中静置24 h，在室温下静置24 h后，通过钻芯设备获取尺寸为φ100 mm×150 mm的芯样试件。

根据以上确定的击实和养生方式，将马歇尔试件在60 ℃水浴中保温30~40 min后，放置在稳定度模具中，按照50 mm/min的加载速率进行试验，得到试件在破坏过程中的最大荷载和相应变形，具体试验依据《公路工程沥青及混合料试验规程》(JTG E20—2011)以下简称《规程》中T0709方法进行。

将旋压、养护和切割好的φ100 mm×150 mm的芯样试件放在50 ℃环境箱中保温4 h以上，测试过程中采用应力控制模式，加载应力水平设定为400 kPa，加载持续时间设定为3 600 s，得到混合料试件蠕变变形随时间的变化趋势^[24]。

在进行低温劈裂试验时，将试件放在―10 ℃环境箱中保温6 h以上，保温完成后在1 mm/min的加载速度下进行劈裂试验，获得试件破坏过程中的最大劈裂荷载及对应的水平变形，具体试验依据《规程》中T0716方法进行。

在实施冻融处理时，首先对经过双面击实50次并经过养护后的马歇尔试件采用真空饱水法进行处理，然后将处理后的试件密封置于―18 ℃的环境箱中保温16 h，接着立即将试件放置于60 ℃的水浴中进行保温2 h，即可完成整个冻融处理过程。在25 ℃的水浴中保温不少于2 h后，按照50 mm/min的加载速率进行劈裂试验，获得试件冻融处理前后的劈裂强度及其比值。具体试验依据《规程》的T0729方法进行。

按照《规程》中T0738方法的具体要求，将制备好的φ100 mm×150 mm芯样试件放置在环境箱中，保温时间不少于4 h，设定最大荷载幅值为200 kPa，然后按照不同的试验温度(10，20，35 ℃和50 ℃)以及加载频率(0.1，0.5, 1, 5，10 Hz和25 Hz)进行动态模量试验。

根据EN12697—24E中的变形法，对制备好的芯样试件进行再次切割，得到φ100 mm×40 mm试件。将试件放在25 ℃环境箱中保温4 h以上，设定最大循环水平应力比为2，以确定混合料试件在特定应力水平下的水平初应变和疲劳寿命。

沥青混合料的性能与温度密切相关，高温下混合料的塑性增加、韧性减小，在车辆重载作用下路面易发生车辙、拥包等病害^[25]。马歇尔稳定度试验可以反映沥青混合料的抵抗高温车辙的能力，本研究对纤维掺量为0，0.2%，0.4%，0.6%的水性环氧乳化沥青混合料开展了马歇尔稳定度试验，试验结果见图 2。从图 2(a)可以看出，在木质素纤维、聚酯纤维和玄武岩纤维的掺量分别为0.2%，0.4%，0.4%时，纤维改性混合料试件的稳定度最大，此时3种改性混合料的稳定度差异不明显，与空白组水性环氧乳化沥青混合料相比，分别减少了0.22 kN，增加了0.61 kN，增加了0.04 kN。与此同时，纤维改性后混合料的流值分别增大了40.0%，43.4%，66.4%。纤维的种类、长度和分散均匀性与纤维改性混合料的稳定度密切相关，当纤维掺量超过其合理范围时，会导致稳定度降低。纤维掺量过大时，其分散均匀性下降，未分散的纤维结团成束后，混合料内部的黏结力下降，此时的纤维材料难以起到稳定和加筋作用。从图 2(b)还可以观察到，随着3种纤维的添加，混合料的流值均有明显增大，并且随着纤维掺量的增加，流值呈现持续增大的趋势。由于木质素纤维和聚酯纤维具有较强的吸油性，在一定程度减缓了集料间的相对滑动，因此两者对增大混合料流值的效果不及玄武岩纤维。

图 2 马歇尔稳定度试验结果 Fig. 2 Results of Marshall stability test

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为探究纤维改性后的水性环氧乳化沥青混合料在高温条件下的黏弹特性，本研究对10种混合料开展了单轴压缩蠕变试验，结果如图 3所示。从图 3可观察到，当控制温度和加载应力保持不变时，随着加载时间的增长，混合料试件的蠕变变形量呈现出双阶段增长的趋势，即先快速增加，然后缓慢增加，这表明试件都具备典型的黏弹特性。试验过程中有4组混合料试件的抗蠕变变形能力有限，随着加载时间的增长，它们进入了第3个蠕变阶段，应变速率迅速增加，表明其结构内部遭受破坏。蠕变变形量越小，证明混合料试件的高温抗塑性变形能力越强。根据图 3显示，在木质素纤维、聚酯纤维和玄武岩纤维的掺量分别为0.4%，0.2%，0.4%时，纤维改性混合料的蠕变变形量最小，与空白组水性环氧乳化沥青混合料相比，3种纤维改性混合料的蠕变变形量分别增大了0.451, 0.556 mm和0.786 mm。其中3种掺量下的聚酯纤维改性混合料在持续3 600 s的加载应力水平下均能保持结构不受破坏。在水性环氧树脂体系的固化特性作用下，空白组混合料向热固性方向发展。在该试验中空白组试件的蠕变变形量较小，表现出明显的脆性状态。

图 3 单轴压缩蠕变试验结果 Fig. 3 Results of uniaxial compression creep test

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沥青在低温环境下具有变硬变脆的特性，这使得冬季沥青路面在受到自身温缩作用和车辆荷载的双重影响下容易出现开裂现象^[26]。本研究对10种混合料开展了低温劈裂试验，并以劈裂抗拉强度和破坏抗拉应变为评价指标，对纤维改性水性环氧乳化沥青混合料的低温性能进行了综合评价，试验结果详见图 4。

图 4 低温劈裂试验结果 Fig. 4 Results of low-temperature splitting test

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从图 4(a)可见，随着纤维的掺入，混合料的劈裂强度有所减小，同时破坏拉伸应变明显增加。纤维掺量对纤维改性混合料的性能有影响。在木质素纤维、聚酯纤维和玄武岩纤维的掺量为0.4%时，纤维改性混合料试件的劈裂强度最大，且相比于空白组试件，分别减小了0.116, 0.077, 0.191 MPa。而0.6 %掺量的聚酯纤维和玄武岩纤维使得混合料的分散性变差，形成了力学薄弱点，从而导致了其低温劈裂强度的显著降低。与此同时，从图 4(b)可以观察到，伴随着0.4 %掺量的纤维改性，混合料的破坏拉伸应变有了更理想的提升，分别增大了1 096，983，1 444 με。水性环氧树脂体系的添加能够提高乳化沥青混合料的劈裂强度，然而，由于该体系在固化后形成的特有三维交联网状结构限制了沥青分子的运动，导致改性混合料偏脆性。掺加纤维增韧后，混合料的垂直变形能力显著增强。相比于劈裂强度，破坏拉伸应变是低温性能评价中更为重要的指标，故3种纤维改性混合料的低温抗裂性能排序为玄武岩纤维＞木质素纤维＞聚酯纤维。适当的纤维掺入使得混合料的最佳乳液含量增加，从而增大混合料的延展能力，同时纤维的加筋作用使混合料具备良好的柔韧性，这两个因素的共同作用，大大提高了水性环氧乳化沥青混合料的低温稳定性^[27]。

水是危害沥青路面的主要自然因素之一，水分逐渐渗入沥青混合料结构会导致沥青膜的剥落和脱离，使得路面出现坑槽等病害，严重影响其耐久性^[28]。本研究对10种混合料开展了冻融劈裂试验，以冻融劈裂抗拉强度比作为评价指标，验证混合料试件的抗水损害能力，试验结果见图 5。对于不添加纤维的空白组水性环氧乳化沥青混合料，其冻融劈裂强度比达到了82.32%，符合规范对于改性沥青混合料TSR不低于80%的要求。对于添加纤维的混合料，虽然在冻融前它的劈裂强度与空白组相比变化较小，然而在经过冻融过程后，添加纤维的混合料劈裂强度值减少更缓慢。从图 5(d)可以观察到，在木质素纤维、聚酯纤维和玄武岩纤维的掺量分别为0.2%，0.2%，0.4%时，纤维改性混合料试件的TSR最大，相比于空白组混合料，其冻融劈裂抗拉强度比分别增加了1.90%，4.08%，6.67%，这也表明纤维的添加能够增强混合料的抗水损害性能。在不考虑纤维吸湿性的情况下，纤维材料的添加会导致混合料最佳乳液含量的增加，进而使得集料表面的沥青膜更厚，增强了集料之间的黏结力，最终减少了水对沥青混合料的侵蚀破坏作用。由于玄武岩纤维的吸湿率小于0.1%，因此与其他两种纤维材料相比，玄武岩纤维对水性环氧乳化沥青混合料水敏感性具有更明显的降低效果，对其抵抗水损害性能的改善效果也更为明显。

图 5 冻融劈裂试验结果 Fig. 5 Results of freeze-thaw splitting test

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动态模量试验能真实模拟沥青路面在车辆行车荷载作用下的受力特性，加载频率与车速相关，加载频率越大代表车速越快，故该试验对于评价沥青混合料在使用期间的力学性能具有重要意义^[24]。本研究对10种混合料开展了动态模量试验，并得出其动态模量随温度和加载频率变化的趋势，试验结果可见于图 6。从图中可以看出，随着温度的升高，10种混合料的动态模量逐渐减小，随着加载频率的增加，动态模量也逐渐增大，然而当加载频率增加到10~25 Hz时，动态模量的增大速率变缓。由于3种纤维材料的特点不同，随着不同纤维的添加，水性环氧乳化沥青混合料的动态模量也有相应变化。从图 6(a)可看到，当木质素纤维掺量为0.4%时，能在降低10 ℃时混合料动态模量的同时增加50 ℃时的动态模量。表明添加木质素纤维可调节水性环氧乳化沥青混合料的温度敏感性，减缓温度变化对其动态模量产生影响。从图 6(b)可看到，添加聚酯纤维能降低水性环氧乳化沥青混合料10~50 ℃各温度区间的动态模量，表明改性后的混合料具有更高的柔性。此外，随着聚酯纤维掺量的增加，混合料试件的动态模量逐步减小。从图 6(c)可看到，在10 ℃下，添加玄武岩纤维的混合料动态模量比空白组和其他两种纤维改性组都要大，这表明添加玄武岩纤维能够有效地增强混合料在低温动荷载作用下的抗变形能力。这是因为玄武岩纤维的弹性模量与集料更加接近，能够与集料协同变形。

图 6 各温度及加载频率下的动态模量 Fig. 6 Dynamic modulus at different temperatures and loading frequencies

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沥青路面服役期间会受到车辆荷载的反复作用，由于塑性变形不断积累，最终将导致路面出现疲劳裂缝^[29]。本研究对10种混合料开展了间接拉伸疲劳试验，为满足间接拉伸疲劳试验中70~400 με的水平初应变范围要求，将试验加载应力水平设定为500~800 kPa，试验结果列于表 6。通过试验结果中疲劳寿命和应力水平的关系，进行函数非线性拟合得到它们之间的特定函数关系式，其中R²≥0.976，表明拟合效果较好，应力水平-疲劳寿命拟合图如图 7所示。从拟合图中可以观察到，在双对数坐标下，混合料试件的疲劳寿命和应力水平之间存在着明显的线性关系。从表 6可以看出，在相同加载应力水平下，随着纤维掺量的增加，混合料的水平初应变逐步增大。与木质素纤维和聚酯纤维相比，玄武岩纤维的水平初应变增大的速率较慢。不同疲劳拟合曲线反映了各混合料试件抗疲劳性能的水平，线位越高则表示抗疲劳性能越强，将3种纤维改善混合料抗疲劳能力的效果排序为玄武岩纤维＞木质素纤维＞聚酯纤维。同时，应力水平-疲劳寿命拟合曲线的斜率越大，说明该试件的疲劳寿命对加载应力水平的变化更敏感。随着纤维掺量的增加，纤维改性水性环氧乳化沥青混合料的疲劳拟合曲线斜率逐渐减小。这表明纤维能够降低混合料在加载应变水平变化下疲劳寿命的敏感性。其中，聚酯纤维对混合料的敏感性改性效果最为显著。随着3种纤维的适量加入，改性混合料的疲劳寿命有了不同程度的增加，其中，0.4%掺量的玄武岩纤维对混合料疲劳寿命的增加效果最为显著。纤维在混合料中以三维随机分布的方式存在，纤维之间的相互搭接使其在沥青混合料中具有加筋和卸荷的效果，从而增强了混合料内部结构的稳定性^[30-31]。

图 7 应力水平-疲劳寿命拟合结果 Fig. 7 Fitting results of stress level and fatigue life

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本研究根据各种试验评价指标，探究了3种纤维的3种掺量对水性环氧乳化沥青混合料的路用性能影响。主要结论如下：

(1) 水性环氧乳化沥青混合料具有优越的高温性能，但在低温和疲劳方面存在不足。通过添加纤维可以增强沥青的附着能力、坚韧程度和扩张力，从而提高混合料的柔韧性和延展性，并有效改善混合料的低温抗裂性能和疲劳性能。

(2) 纤维的添加会增大乳化沥青混合料的最佳乳液含量，加强集料间的黏结力。由于吸湿率较小，玄武岩纤维对水性环氧乳化沥青混合料的水稳定性有着显著的改善效果。

(3) 通过动态模量试验，验证了3种纤维材料的不同特点。木质素纤维可以降低混合料的温度敏感性，聚酯纤维能够提高混合料的柔韧性，而玄武岩纤维能够增强混合料在低温环境下的抗变形能力。

(4) 通过综合评价，确定了木质素纤维、聚酯纤维和玄武岩纤维的推荐掺量分别为0.2%，0.2%和0.4%。