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        聚酯纖維用于環(huán)氧樹脂瀝青混合料增柔及增韌技術(shù)研究

        2022-07-06 08:51:50顧曉燕高劍飛李惠翔
        中外公路 2022年3期
        關(guān)鍵詞:聚酯纖維環(huán)氧環(huán)氧樹脂

        顧曉燕, 高劍飛, 李惠翔

        (1.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 四川 崇州 611230; 2.青海省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司, 青海 西寧 810012)

        環(huán)氧樹脂分子中有兩個(gè)或以上環(huán)氧基,在固化劑的作用下,與環(huán)氧基反應(yīng)生成三維交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),其中骨架為脂肪族、芳香族等。環(huán)氧樹脂具有很高的強(qiáng)度、機(jī)械性能、黏結(jié)性能、固化后收縮率低的特點(diǎn),被廣泛用于航空、工業(yè)、交通行業(yè),但環(huán)氧樹脂先天的脆性高、柔性低、韌性低的特點(diǎn),使其不能在需求耐久性高的環(huán)境、區(qū)域、行業(yè)使用。20世紀(jì)60年代,研究人員在環(huán)氧樹脂中加入丁腈橡膠對環(huán)氧樹脂進(jìn)行改性[1]。后來為提高強(qiáng)度及模量,研究人員逐步采用玻璃微珠、CaCO3、Al2O3等高強(qiáng)度的無機(jī)基體材料改性環(huán)氧樹脂,可以起到增韌、提高模量的效果[2]。1999年后Boogh等開始研究超支化大分子應(yīng)用于環(huán)氧樹脂的改性,結(jié)果顯示使用較少的超支化聚合物可以對環(huán)氧樹脂起到增韌的效果,且強(qiáng)度和模量不發(fā)生明顯下降[3]。在鋼橋面鋪裝時(shí),為使環(huán)氧樹脂與橋面產(chǎn)生相同的撓度且不產(chǎn)生拉裂變形破壞、疲勞破壞,在環(huán)氧樹脂中加入橡膠粉,提高環(huán)氧樹脂的柔性,但在橋面使用過程中,還存在疲勞性破環(huán)的裂縫,近年來疲勞性裂縫控制受到研究人員的高度重視[4]。該文在環(huán)氧樹脂瀝青柔性的基礎(chǔ)上,加入聚酯纖維,借助低溫彎曲試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn),研究聚酯纖維對環(huán)氧樹脂瀝青柔性、韌性的提升效果,分析聚酯纖維對其的改性機(jī)理,提出合理的聚酯纖維摻量。

        1 聚酯纖維的增柔及增韌機(jī)理

        環(huán)氧樹脂具有先天的脆性高、柔性低、韌性低的特點(diǎn),拌和的環(huán)氧樹脂瀝青混合料繼承了環(huán)氧樹脂的特性。所以,拌和的混合料無法滿足混合料的低溫及抗疲勞性能。為此,環(huán)氧樹脂混合料中加入增韌、增柔的材料是環(huán)氧樹脂瀝青混合料使用的必經(jīng)之路。① 聚酯纖維加入后,聚酯纖維在環(huán)氧瀝青中充分分散,在纖維大比表面積的作用下,瀝青中輕質(zhì)組分被纖維充分吸收,增強(qiáng)了環(huán)氧瀝青膠漿的黏度,降低了瀝青膠漿的溫度敏感性;② 聚酯纖維表面并非平滑,在電鏡下,聚酯纖維表面有凹槽和凸起,在環(huán)氧瀝青的包裹下,起到了明顯的錨固、嵌鎖作用,使其與瀝青結(jié)合更為牢固,膠結(jié)料脆性斷裂更加困難,柔韌性能提高;③ 聚酯纖維在環(huán)氧瀝青中相互交錯(cuò),相互搭接,形成三維加筋網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),起到了橋接組裂作用,在瀝青銀紋的形成及擴(kuò)散方面起到明顯的抑制作用,表現(xiàn)為混合料低溫、高溫柔性、韌性方面性能提升效果更為顯著。

        2 環(huán)氧瀝青混合料柔性、韌性評價(jià)方法

        2.1 柔性評價(jià)方法

        柔性用于反映環(huán)氧瀝青混合料在外荷載、一定溫度范圍內(nèi)的變形能力,瀝青對溫度較為敏感,研究低溫條件下,改性環(huán)氧瀝青混合料的柔性具有很強(qiáng)的代表性[5]。該文選用JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中的低溫彎曲試驗(yàn)方法評價(jià)摻聚酯纖維環(huán)氧樹脂瀝青混合料的抵抗彎曲性能。小梁試件采用車轍板試件切割而成,尺寸為250 mm×35 mm×30 mm,試驗(yàn)溫度(-10±0.5) ℃,加載速率50 mm/min,通過低溫彎曲試驗(yàn),建立低溫彎曲試驗(yàn)荷載-撓度曲線圖,最終計(jì)算小梁的抗彎拉強(qiáng)度、最大彎拉應(yīng)變、彎曲勁度模量。

        2.2 韌性評價(jià)方法

        瀝青混合料的韌性可以反映在重復(fù)荷載作用下,抵抗重復(fù)變形的能力,韌性越高,疲勞試驗(yàn)時(shí),疲勞次數(shù)FN越大[6]。該文采用四分點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)評價(jià)摻聚酯纖維的環(huán)氧樹脂瀝青混合料的韌性提升程度,解決環(huán)氧樹脂用于橋面鋪裝時(shí),與橋面韌性不一致,產(chǎn)生的剪切性層間拉裂等病害。試驗(yàn)采用380 mm×50 mm×63.5 mm小梁試件,試驗(yàn)過程采用應(yīng)力控制模式[7-11],試驗(yàn)溫度15 ℃,加載頻率10 Hz,最終選擇FN評價(jià)摻聚酯纖維的環(huán)氧樹脂瀝青混合料的韌性性能。

        3 原材料及配合比設(shè)計(jì)

        環(huán)氧樹脂、聚酯纖維、集料及礦粉均為石灰?guī)r基,油石比6.1%,瀝青為70#普通瀝青。聚酯纖維技術(shù)指標(biāo)見表1,合成級配見表2,纖維環(huán)氧樹脂瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果見表3。

        表1 聚酯纖維的技術(shù)指標(biāo)

        表2 合成級配

        表3 纖維環(huán)氧樹脂瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

        聚酯纖維改性環(huán)氧瀝青混合料拌和流程為:室內(nèi)先將集料加入拌和鍋,然后加入固定量的聚酯纖維,干拌30 s,再加入環(huán)氧瀝青拌和90 s,最后加入礦粉拌和90 s即可;拌和站施工時(shí),聚酯纖維加入后與集料干拌時(shí)間延長5~10 s,濕拌時(shí)間延長5~15 s,以保證混合料中纖維、瀝青、集料拌和均勻。

        添加相對較多的聚酯纖維后,纖維對瀝青的吸附能力變強(qiáng),使得被吸附后的瀝青針入度變小,軟化點(diǎn)提高,相同成型溫度下,成型相對越來越困難,試件空隙率逐漸增加。

        4 聚酯纖維對環(huán)氧樹脂瀝青混合料的柔性改性效果

        為使環(huán)氧樹脂瀝青混合料柔性表現(xiàn)得較為明顯,不出現(xiàn)脆性斷裂,該文在環(huán)氧樹脂中添加不同用量的聚酯纖維,采用聚酯纖維纖細(xì)、加筋和阻裂的作用,提升和改善環(huán)氧樹脂瀝青混合料的柔性,低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果見表4。

        表4 纖維瀝青混合料低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

        從表4可知:添加聚酯纖維后,環(huán)氧樹脂瀝青混凝土的小梁試件跨中撓度逐漸增大,逐漸表現(xiàn)出柔性的一面。隨聚酯纖維用量的增加,破壞應(yīng)變、彎拉強(qiáng)度出現(xiàn)先逐漸增大后減小的趨勢,表明纖維在改變環(huán)氧樹脂瀝青混凝土的脆性斷裂方面提升效果明顯,但當(dāng)纖維摻量超過0.3%時(shí),破壞應(yīng)變出現(xiàn)急劇下降的趨勢。主要原因?yàn)椋壕埘ダw維在環(huán)氧樹脂中呈現(xiàn)的三維分布狀態(tài)已飽和,過多的纖維加入后,纖維無法均勻分散,最終呈現(xiàn)一束一束的分布狀態(tài),在環(huán)氧樹脂瀝青混凝土中反而起到隔離瀝青裹覆,產(chǎn)生黏結(jié)空位的現(xiàn)象。所以,環(huán)氧樹脂瀝青混凝土中添加0.3%聚酯纖維增柔效果最好。

        5 聚酯纖維對環(huán)氧樹脂瀝青混合料的韌性改性效果

        采用應(yīng)力控制模式,研究不同劑量的聚酯纖維對環(huán)氧樹脂瀝青混合料韌性的提升能力,試驗(yàn)結(jié)果見表5。

        表5 聚酯纖維環(huán)氧樹脂瀝青混合料疲勞試驗(yàn)結(jié)果

        續(xù)表5

        從表5可知:

        (1) 隨著聚酯纖維摻量的增大,相同應(yīng)力水平下疲勞次數(shù)呈較大幅度的增加,并且增加幅度不盡相同。

        (2) 聚酯纖維摻量存在最佳摻量0.3%,當(dāng)摻量超過最佳值0.3%時(shí),疲勞次數(shù)大幅度下降。

        (3) 從回歸方程可知,系數(shù)K值越大,N值越小,疲勞次數(shù)越大,此時(shí)的疲勞壽命隨荷載增大衰減越小,表明聚酯纖維摻量為0.3%時(shí),聚酯纖維環(huán)氧樹脂瀝青混合料的疲勞性能達(dá)到最優(yōu)。

        聚酯纖維加入環(huán)氧樹脂瀝青混合料中,使環(huán)氧樹脂瀝青混合料表現(xiàn)出明顯的韌性性能,主要原因?yàn)樵陔婄R下可以看到聚酯纖維表面并非光滑表面,而具有明顯凹凸不平的表面,斷面部分呈現(xiàn)扁平狀或凹陷狀,以上形狀很大程度增加了纖維與瀝青的接觸面積,進(jìn)而使瀝青中的輕質(zhì)組分得到更大程度的吸收,瀝青的黏稠度、軟化點(diǎn)得到進(jìn)一步提高;此外,合理劑量的纖維在瀝青混合料中起到加筋、束縛、限位的作用,使瀝青混合料中集料在高溫下相對位置不能隨意改變,保證了混合料集料位置的相對穩(wěn)定;最后,依據(jù)材料破壞銀紋理論,材料破壞前先出現(xiàn)細(xì)小的銀紋,但銀紋內(nèi)部并非空隙,而是空隙中存在銀紋質(zhì)相連,當(dāng)銀紋逐漸受力變粗時(shí),銀紋質(zhì)斷裂,才形成了裂縫,當(dāng)添加聚酯纖維后,聚酯纖維充當(dāng)了銀紋質(zhì)牽引,當(dāng)銀紋繼續(xù)發(fā)展,銀紋尖端向前拓展和銀紋寬度增加被有效鎖定,從而使瀝青混合料的韌性得到大幅度的提升。

        6 結(jié)論

        (1) 添加聚酯纖維對環(huán)氧樹脂瀝青混合料的柔性、韌性提升較為明顯。

        (2) 聚酯纖維摻量小于0.3%時(shí),隨聚酯纖維摻量的增加,環(huán)氧樹脂瀝青混合料的低溫彎曲、疲勞性能逐漸提高;當(dāng)摻量超過0.3%時(shí),低溫彎曲性能、疲勞次數(shù)極速下降;摻量到0.4%時(shí),性能與未摻相當(dāng)。所以,聚酯纖維摻量為0.3%時(shí),環(huán)氧樹脂瀝青混合料的柔性和韌性最優(yōu)。

        (3) 聚酯纖維在環(huán)氧樹脂瀝青混合料中以瀝青輕質(zhì)組分吸附、三維網(wǎng)狀內(nèi)部加筋、限位方式提升混合料的柔、韌性,同時(shí)與瀝青產(chǎn)生的銀紋質(zhì)共同協(xié)助,鎖定銀紋尖端向前拓展和銀紋寬度增加,大幅度提升了環(huán)氧樹脂瀝青混合料的韌性性能。

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