白文君 孔 林 徐 浩

(南寧市建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司1) 南寧 530002) (重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院2) 重慶 400074)

0 引 言

乳化瀝青廠拌冷再生技術(shù)由于節(jié)能環(huán)保，能夠大批量利用舊瀝青路面材料等特點(diǎn)，是國(guó)內(nèi)外道路工程領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[1-2].但乳化瀝青冷再生技術(shù)存在粘黏性能差、界面結(jié)合能力較弱等問(wèn)題，目前多用于路面基層或低等級(jí)公路的下面層[3].乳化瀝青性能是影響乳化瀝青冷再生混合料性能的重要因素，為進(jìn)一步提高乳化瀝青混合料的應(yīng)用層位及路用性能，需要提升其綜合性能[4].

玄武巖纖維(BF)具有模量高，抗沖擊性好，耐堿耐酸性優(yōu)良、高耐久性等優(yōu)點(diǎn)，由于其良好的增強(qiáng)增韌效應(yīng)使其在瀝青混凝土和水泥混凝土中都得到了極為廣泛的應(yīng)用[5].目前已有學(xué)者通過(guò)添加玄武巖纖維對(duì)乳化瀝青混合料綜合性能進(jìn)行提升[6].

但BF表面較為光滑，與基體材料之間的附著力差，對(duì)乳化瀝青性能的增強(qiáng)效果有局限性[7].因此，需要用硅烷偶聯(lián)劑對(duì)BF進(jìn)行表面改性處理，使其增強(qiáng)表面粗糙度，創(chuàng)造特定的官能團(tuán)，以促進(jìn)與乳化瀝青基體的結(jié)合，提高兩者的界面結(jié)合性能.Iorio等[8]對(duì)BF表面進(jìn)行改性，以改善水泥基復(fù)合材料中玄武巖/水泥界面.發(fā)現(xiàn)接枝到纖維表面的聚合物具有增強(qiáng)水泥界面結(jié)合力的特征.Maria等[9]研究了玄武巖纖維在瀝青混合料中斷裂與損傷機(jī)制的作用效果，發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維可以增強(qiáng)瀝青混合料的抗裂性能.Cagrialp等[10]通過(guò)硅烷偶聯(lián)劑(3-氨基丙基)浸潤(rùn)玄武巖纖維，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的拉伸性能，彎曲性能抗沖擊性能均有不同程度的提高.張運(yùn)華等[11]采用改性劑對(duì)玄武巖纖維進(jìn)行表面粗糙處理，改善了瀝青混合料土路面中瀝青和集料之間的黏附性.已有研究多集中于對(duì)改性后玄武巖纖維應(yīng)用于水泥基材料和熱拌瀝青混合料的性能研究，而針對(duì)硅烷偶聯(lián)劑改性纖維對(duì)乳化瀝青界面結(jié)合能力的研究相對(duì)不足.

玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的破壞通常表現(xiàn)為纖維在基體中產(chǎn)生拔出、脫落、滑移等界面破壞.由斷裂力學(xué)的角度，纖維復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞壽命取決于纖維傳遞外部荷載到乳化瀝青基體的能力.偶聯(lián)改性纖維通過(guò)添加纖維表面的化學(xué)鍵和粗糙程度改善纖維-乳化瀝青基體的界面結(jié)合強(qiáng)度.纖維與乳化瀝青界面結(jié)合效果與乳化瀝青混合料的力學(xué)性能息息相關(guān).

文中引入纖維作為增強(qiáng)相，采用硅烷偶聯(lián)劑對(duì)玄武巖纖維進(jìn)行表面處理，探究MBF、BF摻量對(duì)乳化瀝青抗剪切能力的影響，通過(guò)網(wǎng)籃吸附試驗(yàn)、表面能接觸角試驗(yàn)分析硅烷偶聯(lián)改性纖維對(duì)乳化瀝青界面結(jié)合能力的改善作用，研究纖維對(duì)乳化瀝青的增強(qiáng)機(jī)理.

1 原材料及試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 乳化瀝青

選用AH-70基質(zhì)瀝青，白色膏狀的陽(yáng)離子乳化劑，pH調(diào)節(jié)劑和穩(wěn)定劑分別選用鹽酸、聚乙烯醇(PVA)和無(wú)水氯化鈣按質(zhì)量比1∶1復(fù)合.自制陽(yáng)離子乳化瀝青的基本參數(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1.

表1 乳化瀝青物理指標(biāo)

1.2 纖維

選用江西某公司提供的短切玄武巖纖維(Basalt fiber, BF)，其性能指標(biāo)見(jiàn)表2.

表2 纖維技術(shù)指標(biāo)

1.3 硅烷偶聯(lián)劑(KH550)

選取硅烷偶聯(lián)劑(γ-氨丙基三乙氧基硅烷，分子式H2NCH2CH2CH2Si(OC2H5)3)為廣州某公司提供，其性能技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表3.

表3 硅烷偶聯(lián)劑性能指標(biāo)

硅烷偶聯(lián)劑一般含有兩個(gè)有機(jī)硅官能團(tuán)(有機(jī)官能團(tuán)Y-Si-可水解的無(wú)機(jī)基團(tuán)X)，水解成硅烷醇基與玄武巖纖維表面的基團(tuán)反應(yīng)生成硅烷醇鍵，同時(shí)相鄰的硅烷醇基彼此固化生成Si—O—Si鍵形成致密的硅烷網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).這些官能團(tuán)的存在導(dǎo)致了纖維表面獲得不同的分子結(jié)構(gòu)和官能團(tuán)，極大的提高了玄武巖纖維的表面活性.

1.4 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1) 硅烷偶聯(lián)改性纖維(MBF)的制備 將無(wú)水乙醇∶蒸餾水以質(zhì)量比95∶5的比例配制有機(jī)溶劑.將玄武巖纖維250 ℃保溫50 min進(jìn)行預(yù)處理，去除玄武纖維雜質(zhì)和浸潤(rùn)劑.將硅烷偶聯(lián)劑配制為質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%的KH550溶液.按照3∶10的浴比，分別將玄武巖纖維浸潤(rùn)時(shí)間為60 min.待到設(shè)計(jì)浸潤(rùn)時(shí)間后將處理后的BF放入150 ℃烘箱進(jìn)行干燥處理，使硅烷偶聯(lián)劑充分與BF表面反應(yīng)形成偶聯(lián)劑層，形成偶聯(lián)改性玄武巖纖維(modified basalt fiber, MBF)，試驗(yàn)過(guò)程見(jiàn)圖1.

圖1 MBF制備流程圖

2) 錐入度試驗(yàn) 設(shè)計(jì)錐體沉降試驗(yàn)(SC-145砂漿稠度儀)，采用錐入度試驗(yàn)對(duì)MBF、BF乳化瀝青的進(jìn)行測(cè)試.制備了不同摻量的MBF、BF乳化瀝青，通過(guò)錐入度試驗(yàn)探究MBF、BF摻量對(duì)乳化瀝青剪切能力的影響.標(biāo)準(zhǔn)錐的重量為(500±05) g.試驗(yàn)開(kāi)始前將試件浸泡在(25±0.5) ℃養(yǎng)護(hù)1.5 h，與針入度試驗(yàn)流程一致，測(cè)量錐體在第10 s保持穩(wěn)定后的貫入深度.抗剪強(qiáng)度τf計(jì)算公式為[12]

(1)

式中：τf為剪切強(qiáng)度，kPa；G為圓錐體重量，N；h為錐體貫入深度，mm；α為錐頭角度,30°.

3) 表面自由能測(cè)試 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的性能在很大程度上取決于基體和纖維表面之間粘附相互作用的性質(zhì)和強(qiáng)度.纖維表面能的試驗(yàn)結(jié)果，極大的反應(yīng)了纖維與乳化瀝青的界面結(jié)合能力.接觸角試驗(yàn)可以反應(yīng)玄武巖纖維的表面改性效果.

接觸角示意圖見(jiàn)圖2.

Θ-固、液、氣三相接觸浸潤(rùn)狀態(tài)圖2 液體在固體表面接觸角示意圖

固體表面平衡狀態(tài)下的接觸角和界面張力之間滿足Young-Dupre方程，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，固體和液體的界面黏附功符合為

Wa=γl(1+cosθ)

(2)

玄武巖纖維和瀝青表面能的極性和非極性成分為

(3)

將式(2)和式(3)結(jié)合可得出固-液粘附功Wa，為

(4)

部分試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3.

圖3 甘油測(cè)試結(jié)果

2 硅烷偶聯(lián)改性纖維乳化瀝青界面結(jié)合性能分析

2.1 偶聯(lián)改性纖維摻量確定

每種摻量取三個(gè)平行試件結(jié)果平均值，錐入度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4.

表4 MBF-SBR蒸發(fā)殘留物錐入度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表4可知：隨著MBF和BF摻量的增加，乳化瀝青的錐入度值在逐漸下降，剪切強(qiáng)度逐漸升高.當(dāng)MBF摻量從0%增加至2.5%時(shí)，錐入度深度由32.4下降至8.1 mm，剪切強(qiáng)度由5.18增加至82.88 kPa.硅烷偶聯(lián)改性過(guò)后，將提高M(jìn)BF乳化瀝青基體的黏滯性，抗變形能力進(jìn)一步增強(qiáng).分析認(rèn)為，MBF由于自身高模量和斷裂延伸率等特征，通過(guò)增強(qiáng)和增韌作用提高了乳化瀝青基體的抗剪切能力.通過(guò)在乳化瀝青基體中形成的三維空間網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)受到外部荷載時(shí)，MBF可以吸收部分剪力，阻止裂瀝青在外部作用下的相對(duì)滑移.K.A.Liebinjier提出的理論模型表明，當(dāng)瀝青和填料(或纖維)混合時(shí)，填料(或纖維)表面的瀝青化學(xué)成分發(fā)生重排，并形成一層擴(kuò)散溶劑化膜.內(nèi)部瀝青被稱(chēng)為“結(jié)構(gòu)瀝青”，外部瀝青被稱(chēng)為“游離瀝青”.MBF由于其較大的表面積和粗糙的表面紋理，可以吸附乳化瀝青蒸發(fā)殘留物中的輕質(zhì)組分，使得結(jié)構(gòu)瀝青含量增加，從而獲得更高的稠度，進(jìn)一步提高乳化瀝青基體的彈性模量.

2.2 網(wǎng)籃吸附試驗(yàn)

網(wǎng)籃吸持性試驗(yàn)可以通過(guò)稱(chēng)量纖維乳化瀝青的平均吸附質(zhì)量，評(píng)價(jià)不同種類(lèi)纖維對(duì)乳化瀝青的吸附能力.操作過(guò)程為：取兩份等質(zhì)量(5.000±0.010)g的原樣纖維和偶聯(lián)改性纖維，放置于乳化瀝青乳液中30 min，并用玻璃棒充分?jǐn)嚢?，確保纖維與乳化瀝青充分吸附.將吸附后的纖維放于0.25 mm試驗(yàn)網(wǎng)篩靜置5 min，其中一組在25 ℃下稱(chēng)取纖維乳化瀝青的總質(zhì)量.另一組在60 ℃烘箱內(nèi)使乳化瀝青完全破乳稱(chēng)取纖維乳化瀝青的總質(zhì)量.分別計(jì)算纖維單位質(zhì)量下乳化瀝青的吸附率.試件結(jié)果見(jiàn)圖4.為減少稱(chēng)量引起的實(shí)驗(yàn)誤差，對(duì)每個(gè)樣品進(jìn)行三組平行實(shí)驗(yàn).

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：MBF具有更好的瀝青吸持能力，能夠提高乳化瀝青基體的穩(wěn)定性.分析認(rèn)為，MBF比BF具有更粗糙的表面紋理，在乳化瀝青中的分散性更好，與乳化瀝青的接觸面積更大.使得纖維和乳化瀝青之間產(chǎn)生較強(qiáng)的界面作用，纖維表面的的瀝青膜厚度增加.網(wǎng)籃吸持試驗(yàn)可以從宏觀角度對(duì)比BF和改性MBF對(duì)乳化瀝青的吸附能力，可以避免乳化瀝青混合料在拌和和運(yùn)輸過(guò)程中出現(xiàn)離析和泛油問(wèn)題.

2.3 表面自由能測(cè)試

選取蒸餾水、乙二醇、甘油、甲酰胺作為液體探針，其中瀝青樣品使用甘油和甲酰胺，玄武巖纖維樣品使用蒸餾水和乙二醇.其表面能見(jiàn)表5.

表5 液體探針表面能及組分 單位：MJ/m2

通過(guò)懸滴法測(cè)試乳化瀝青(破乳后)的接觸角，采用吊片法測(cè)量纖維和改性纖維的接觸角[13-15].通過(guò)接觸角測(cè)量，觀察硅烷偶聯(lián)劑對(duì)纖維表面自由能變化的影響.為減小試驗(yàn)誤差，每種試件取三組平行試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6.根據(jù)接觸角試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算各種瀝青的表面能及其成分，見(jiàn)表7.

由表6可知：以蒸餾水為液體探針時(shí)，玄武巖纖維的平均接觸角在72.6°，偶聯(lián)改性纖維的接觸角在47.9°.表面自由能由33.03增加到48.32 MJ/m2.平均非極性分量從10.12增加到15.55 mj/m2，平均極性分量從22.91增加到32.77 MJ/m2.硅烷偶聯(lián)劑處理后纖維的表面能和極性組分顯著增加.根據(jù)Cassie-Baxter模型理論，固體表面的潤(rùn)濕性由其表面能和微觀結(jié)構(gòu)決定.固體表面能越小，液體在固體表面的接觸角越大，固體被液體潤(rùn)濕的可能性越小.硅烷偶聯(lián)劑具有氨基等極性官能團(tuán)分子鏈，表面接枝BF后引起極性組分的升高，有助于提高玄武巖纖維的性能.

表6 纖維表面能及組分構(gòu)成

表7 乳化瀝青表面能及組分構(gòu)成

由表7可知：乳化瀝青(破乳后)的平均表面自由能為22.21 MJ/m2，極性分量為2.86 MJ/m2，基體性質(zhì)偏向非極性材料.由界面滲透學(xué)說(shuō)可知，表面能較高的玄武巖纖維更容易浸潤(rùn)乳化瀝青.硅烷偶聯(lián)劑處理玄武巖纖維具有更強(qiáng)的纖維-基體附著力.分析認(rèn)為，纖維自身是多種物質(zhì)的復(fù)雜混合物，表面能改變的原因是玄武巖纖維表面官能團(tuán)和化學(xué)基團(tuán)的變化.硅烷偶聯(lián)劑兩側(cè)含有不同性質(zhì)官能團(tuán)，其中一側(cè)與玄武巖纖維表面固化接枝，另一側(cè)與乳化瀝青基體相結(jié)合，起到橋接的作用，從而提高瀝青與玄武巖纖維的結(jié)合程度.硅烷偶聯(lián)劑原有的-Si(OC2H5)3水解成為-Si(OH)3基.與玄武巖纖維表面的-OH發(fā)生反應(yīng).硅烷偶聯(lián)劑另一端含有極性官能團(tuán)2HN(CH2)3-也被接枝到玄武巖纖維表面.極性官能團(tuán)鏈氨基的引入，導(dǎo)致MBF的接觸角下降，表面自由能升高，促進(jìn)了纖維與乳化瀝青的黏附力.

BF-EA和MBF-EA界面的黏附功根據(jù)式(4)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5.

圖5 纖維乳化瀝青粘附功

由圖5可知：BF與乳化瀝青(破乳后)的粘附功為44.17 MJ/m2，而最佳硅烷偶聯(lián)劑濃度和浸潤(rùn)時(shí)間處理后MBF與乳化瀝青(破乳后)的粘附功為54.04 MJ/m2，較BF-EA體系增長(zhǎng)了9.87%.分析認(rèn)為，原樣玄武巖纖維表面較為光滑，無(wú)表面突起，與乳化瀝青基粘結(jié)性能較差，在實(shí)際作用過(guò)程中容易造成滑出、剝落等不利影響，無(wú)法完全發(fā)揮纖維在乳化瀝青基體中的“橋接”增韌作用.而經(jīng)過(guò)最佳改性濃度與處理時(shí)間的玄武巖纖維具有塊狀、條狀、球狀和鱗片狀凸起.硅烷偶聯(lián)劑層在玄武巖纖維上以液滴狀分布，說(shuō)明硅烷偶聯(lián)劑與纖維表面發(fā)生了聚合反應(yīng)，使其表面粗糙程度增加.同時(shí)，界面結(jié)合力對(duì)乳化瀝青混合料力學(xué)性能的影響十分顯著，硅烷膜也增強(qiáng)了纖維與乳化瀝青基體的咬合力，使其在斷裂時(shí)更不易整體脫落，增加玄武巖纖維與乳化瀝青混合料的摩擦效果，從而起到提高混合料界面結(jié)合性能的作用.從粘附功指標(biāo)分析，MBF由于更粗糙的表面紋理和活性的硅烷偶聯(lián)基團(tuán)，能夠增強(qiáng)纖維與乳化瀝青基體粘附力，從而阻止纖維與瀝青體的相對(duì)滑移，提高纖維在界面結(jié)合區(qū)域的吸附穩(wěn)定作用，避免界面粘結(jié)失效.

3 結(jié) 束 語(yǔ)

1) 錐入度試驗(yàn)表明，隨著MBF和BF摻量的增加，乳化瀝青的錐入度值在逐漸下降，剪切強(qiáng)度逐漸升高.當(dāng)MBF摻量從0%增加至2.5%時(shí)，錐入度深度由32.4 mm下降至8.1 mm，剪切強(qiáng)度由5.18 kPa增加至82.88 kPa.硅烷偶聯(lián)改性過(guò)后，將提高M(jìn)BF乳化瀝青基體的粘滯性，抗變形能力進(jìn)一步增強(qiáng).

2) 網(wǎng)籃吸附試驗(yàn)表明，MBF乳化瀝青的最佳吸持率為285.92%，比BF乳化瀝青的吸持率增加了72.33%，說(shuō)明MBF具有更好的瀝青吸持能力.

3) 且改性玄武巖纖維具有更好的表面自由能，MBF與乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的黏附功為54.04 MJ/m2，較BF-EA體系增長(zhǎng)了9.87%，MBF與乳化瀝青基體的界面結(jié)合能力更優(yōu).硅烷偶聯(lián)劑極性官能團(tuán)2HN(CH2)3-鏈被接枝到玄武巖纖維表面，導(dǎo)致MBF的接觸角下降，表面自由能升高，促進(jìn)了纖維與乳化瀝青的粘附力.