程學(xué)強(qiáng) 高文銀 駱文銳

(1.雅安交通建設(shè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 雅安 625000; 2.四川康藏路橋有限責(zé)任公司 雅安 625000 3.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院 成都 610031; 4.道路工程四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都 610031)

玄武巖纖維具有綠色環(huán)保且強(qiáng)度高的特點(diǎn),生產(chǎn)利用率高,使用后易降解,廣泛應(yīng)用在路面結(jié)構(gòu)中[1]。玄武巖纖維能夠承受高溫、化學(xué)腐蝕,以及機(jī)械應(yīng)力等極端工作條件,力學(xué)性能超過普通玻璃纖維的30%,能耗只有碳纖維的1/15[2]。然而其表面較為光滑,且作為無機(jī)材料表面呈惰性,集束性差,與瀝青體系黏附性能較差,在實(shí)際工程中存在著容易滑移脫落的問題[3-4]。

針對(duì)該問題的解決方案,一般采用對(duì)玄武巖纖維進(jìn)行表面改性處理?，F(xiàn)有的處理方式有以下幾種:等離子改性、偶聯(lián)劑改性、涂層表面改性和酸堿刻蝕改性[5]。偶聯(lián)劑改性作為最常見的改性方法,操作相對(duì)簡(jiǎn)單,通過化學(xué)接枝的方式在纖維表面生成一層偶聯(lián)劑保護(hù)膜,在不損傷纖維的前提下,增大了纖維的比表面積[6]。目前常見的改性劑有硅烷偶聯(lián)劑、鋁酸酯偶聯(lián)劑等,但硅烷偶聯(lián)劑水解會(huì)產(chǎn)生氨基,使液體環(huán)境呈堿性劣化纖維性能[7],鋁酸酯偶聯(lián)劑造價(jià)昂貴,使用程序復(fù)雜。鈦酸酯偶聯(lián)劑作為一種新型有機(jī)物偶聯(lián)劑,遇水溶解,烷基游離后能與纖維表面的羥基發(fā)生聚合反應(yīng),通過化學(xué)鍵合理論在纖維表面形成有機(jī)活性單分子層[8]。分子層使得玄武巖纖維表面的粗糙度增加,具有更好的疏水性能,與其他體系的界面結(jié)合能力更強(qiáng)[9]。目前針對(duì)鈦酸酯偶聯(lián)劑改善玄武巖等無機(jī)物表面結(jié)構(gòu)的研究較少,屬于新型偶聯(lián)劑。基于此,本文設(shè)定不同處理?xiàng)l件,通過纖維單絲拉伸試驗(yàn)[10],對(duì)比得出纖維最佳處理?xiàng)l件,采用掃描電子顯微鏡觀測(cè)改性纖維微觀結(jié)構(gòu)和纖維-瀝青斷口的結(jié)構(gòu)情況,用纖維表面接觸角與黏附功表征纖維改性結(jié)果。改性纖維瀝青混合料的高溫性能通過漢堡車轍試驗(yàn)分析,改性纖維對(duì)瀝青混合料低溫抗開裂性能的改善效果通過小梁彎曲試驗(yàn)表征。

1 原材料與試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 纖維與改性劑

玄武巖纖維由上海臣啟化工公司提供,性能指標(biāo)見表1,外觀見圖1。鈦酸酯偶聯(lián)劑采用南京創(chuàng)世化工產(chǎn)品,技術(shù)指標(biāo)見表2。

表1 玄武巖纖維技術(shù)指標(biāo)

圖1 試驗(yàn)材料

表2 鈦酸酯偶聯(lián)劑技術(shù)指標(biāo)

1.2 瀝青

采用AH-70基質(zhì)瀝青,指標(biāo)見表3。

表3 瀝青物理指標(biāo)

1.3 配合比

采用AC-13型瀝青混合料作為實(shí)驗(yàn)依托,根據(jù)級(jí)配設(shè)計(jì)要求,參考JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》,取級(jí)配上、下限中值作為設(shè)計(jì)級(jí)配,合成級(jí)配見圖2。參考相關(guān)文獻(xiàn)并進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)確定最佳油石比為4.0%。

圖2 級(jí)配曲線

2 試驗(yàn)與分析

2.1 改性纖維力學(xué)性能分析

設(shè)計(jì)選取鈦酸酯偶聯(lián)劑對(duì)玄武巖纖維進(jìn)行表面處理,采用無水乙醇稀釋成不同的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(6%,8%,10%,12%)的鈦酸酯偶聯(lián)劑溶液,在不同浸潤時(shí)間下,對(duì)纖維進(jìn)行改性,比較力學(xué)性能得到最佳處理纖維。

圖3為鈦酸酯改性纖維的單絲斷裂強(qiáng)度,圖4為鈦酸酯改性纖維的單絲斷裂伸長(zhǎng)率。

圖3 斷裂強(qiáng)度影響

圖4 斷裂伸長(zhǎng)率影響

由圖3可見,未處理的纖維單絲斷裂強(qiáng)度為2 850 MPa,隨著浸潤劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,纖維斷裂強(qiáng)度不斷上升,直到浸潤劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到10%時(shí),斷裂強(qiáng)度達(dá)到最大值2 918 MPa。而浸潤劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增高,纖維的強(qiáng)度開始降低,浸潤時(shí)間為60 min時(shí),纖維改性效果最好。纖維的單絲斷裂伸長(zhǎng)率也隨著浸潤劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)提升而增大,從3.08%提升到3.12%,處理時(shí)間為60 min時(shí),達(dá)到最佳處理效果。

經(jīng)過鈦酸酯偶聯(lián)劑改性后的纖維,單絲斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率均有顯著提升。鈦酸酯偶聯(lián)劑通過接枝的方式,與纖維表面的基團(tuán)發(fā)生化學(xué)鍵合反應(yīng),使其接枝與纖維表面,形成一層偶聯(lián)劑保護(hù)膜,對(duì)纖維起到保護(hù)作用,并增加了纖維的力學(xué)性能。而高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的偶聯(lián)劑和高浸潤時(shí)間處理會(huì)使纖維性能不同程度地劣化。分析認(rèn)為是高質(zhì)量分?jǐn)?shù)浸潤劑會(huì)輕微腐蝕纖維結(jié)構(gòu)。大劑量浸潤劑會(huì)使纖維表面進(jìn)行過度反應(yīng),導(dǎo)致纖維分子結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一定程度的破壞,從而劣化了纖維的力學(xué)性能。通過試驗(yàn)得出纖維最佳處理?xiàng)l件為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%,浸潤時(shí)間為60 min。

2.2 改性纖維微觀結(jié)構(gòu)分析

將纖維黏貼在樣品臺(tái)上,進(jìn)行表面噴金處理,采用掃描電鏡對(duì)纖維改性效果進(jìn)行觀測(cè),分析其微觀結(jié)構(gòu)。掃描電鏡對(duì)原樣纖維與改性纖維的觀測(cè)結(jié)果見圖5。

圖5 改性前后玄武巖纖維的SEM照片

從圖5a)、b)中可見,改性前纖維直徑4～8 μm,表面較為光滑,幾乎無其他結(jié)構(gòu),放大至5 000倍后,也沒有明顯的粗糙凹凸結(jié)構(gòu)。圖5c)、d)為鈦酸酯偶聯(lián)劑改性后的纖維照片,可見纖維表面呈現(xiàn)出高低起伏、凸起的構(gòu)造。鈦酸酯偶聯(lián)劑在與玄武巖纖維反應(yīng)過程中,鈦酸酯偶聯(lián)劑通過化學(xué)反應(yīng)接枝附著于纖維表面,生成了極性共價(jià)鍵。纖維表面生成的凸起結(jié)構(gòu),極大改善了纖維表面粗糙度,增大了比表面積,使纖維在瀝青體系中具有更好的結(jié)合性能,從而增強(qiáng)了混合料的抗剪切變形能力。

2.3 改性玄武巖纖維接觸角分析

用接觸角測(cè)試儀測(cè)試玄武巖纖維的接觸角,通過接觸角測(cè)試結(jié)果,表征纖維的界面結(jié)合性能。作為一種無機(jī)材料,玄武巖纖維在表面呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的親水性。然而這種親水性卻導(dǎo)致了其與瀝青體系結(jié)合能力的相對(duì)不足,在一定程度上影響了其在特定應(yīng)用中的性能。為了克服這一限制,對(duì)玄武巖纖維進(jìn)行表面改性,提高其疏水性,從而增強(qiáng)其與瀝青體系的結(jié)合能力。此項(xiàng)改性在接觸角測(cè)試中得到了明確的體現(xiàn),見圖6。

圖6 接觸角測(cè)試

在圖6a)中顯示了未經(jīng)改性的玄武巖纖維的親水性表現(xiàn)。在水滴接觸其表面后,水滴能夠快速展開,夾角相對(duì)較小,穩(wěn)定后的接觸角約為25°。這表明,未改性纖維表面的親水性使得水滴迅速在其表面展開并與其相互作用。改性處理后的纖維表面在圖6b)中展示了完全不同的特性。改性后纖維的接觸角提高至103°,導(dǎo)致水滴在纖維表面幾乎保持球形,不會(huì)隨著時(shí)間的推移而鋪展。這一結(jié)果明確地表明,改性后的纖維表面的疏水性能顯著提高。這也意味著改性纖維具有更強(qiáng)的界面結(jié)合能力,能夠更有效地與瀝青體系相互作用,從而增強(qiáng)整體復(fù)合材料的性能。

黏附功計(jì)算結(jié)果見圖7,未改性的玄武巖纖維黏附功為39.87 mJ/m2,改性纖維的黏附功為48.04 mJ/m2,提升了20.5%。玄武巖纖維-瀝青界面黏附性能顯著提升。根據(jù)界面滲透學(xué)說可知,改性后的玄武巖纖維表面具有更多的活性基團(tuán),表面能提升,疏水能力優(yōu)異。從黏附功指標(biāo)分析,改性玄武巖纖維在與瀝青結(jié)合的體系中,更能吸附瀝青中的輕質(zhì)組分,使更多瀝青包覆在纖維表面,減少了纖維與瀝青之間的相對(duì)滑移,提高了結(jié)合區(qū)域結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,從而避免黏結(jié)失效現(xiàn)象的出現(xiàn)。

圖7 黏附功計(jì)算結(jié)果

2.4 纖維-瀝青斷口分析

采用UTM萬能試驗(yàn)機(jī)施加拉力模擬瀝青路面受拉破壞。將得到的斷口試件進(jìn)行噴金導(dǎo)電處理,并采用掃描電子顯微鏡對(duì)纖維-瀝青斷口形貌進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析,試件斷口形貌見圖8,掃描電鏡分析結(jié)果見圖9。

圖8 斷口形貌

圖9 玄武巖纖維與瀝青基體黏效果

根據(jù)圖9a)、9b),可清晰觀察到在玄武巖纖維-瀝青體系中,玄武巖纖維以交錯(cuò)搭接的方式存在。纖維表面附著的瀝青與周圍的瀝青形成了良好的浸潤界面,有效地減少了破裂面的產(chǎn)生。這種交錯(cuò)結(jié)構(gòu)使得纖維之間相互連接,形成一種骨架結(jié)構(gòu),增強(qiáng)整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。玄武巖纖維在瀝青中形成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)不僅能夠穩(wěn)固集料,減少集料間的相對(duì)滑移,還能夠有效地傳遞和消散應(yīng)力,從而減少了應(yīng)力的集中并防止裂縫的發(fā)展。

觀察圖9c)、9d),可以發(fā)現(xiàn),玄武巖纖維經(jīng)過處理后的表面并不光滑,具有許多微小的凹凸。這種表面結(jié)構(gòu)使得瀝青能夠充分黏附在纖維表面,與玄武巖纖維形成緊密貼合的接觸面,而不僅僅是點(diǎn)狀接觸。這種接觸面的增大發(fā)揮了“機(jī)械錨固”的作用。這一現(xiàn)象表明,玄武巖纖維與瀝青之間具有良好的浸潤性,當(dāng)纖維摻入瀝青中時(shí),瀝青與纖維緊密融合成整體狀態(tài),發(fā)揮出黏性作用。這種黏性作用不僅來自瀝青本身,還包括瀝青與纖維結(jié)合的部分,極大地提高了瀝青膠結(jié)料的黏結(jié)力。

但在施工過程中需要注意:在玄武巖纖維與瀝青的分散過程中,有時(shí)會(huì)出現(xiàn)纖維局部結(jié)團(tuán)的現(xiàn)象,導(dǎo)致纖維分散方向趨于一致,形成纖維束。這種結(jié)團(tuán)現(xiàn)象會(huì)使纖維在瀝青中難以形成均勻的骨架結(jié)構(gòu)。因此,需要控制纖維的分散情況,確保纖維能夠均勻地分布在瀝青混合料中,以形成均勻的骨架結(jié)構(gòu)。

2.5 瀝青混合料高溫性能

采用漢堡車轍試驗(yàn)(HWT)對(duì)瀝青混合料的高溫宏觀性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。滾動(dòng)鋼輪施加荷載,外部線性可變傳感器(LVDT)測(cè)量混合物的永久變形。漢堡車轍試驗(yàn)結(jié)果見圖10。

圖10 漢堡車轍試驗(yàn)結(jié)果

如圖10所示,原樣瀝青混合料的漢堡車轍試驗(yàn)在車轍次數(shù)達(dá)到503次時(shí),車轍深度達(dá)到20 mm,試驗(yàn)結(jié)束。加入玄武巖纖維后的瀝青混合料車轍次數(shù)達(dá)到1 479時(shí)試驗(yàn)停止。加入鈦酸酯偶聯(lián)劑改性纖維瀝青混合料的車轍次數(shù)達(dá)到2 000次,車轍深度達(dá)到15.3 mm。結(jié)果表明,玄武巖纖維的添加可以增強(qiáng)瀝青混合料抵抗車轍的能力,而鈦酸酯偶聯(lián)劑改性后的纖維增強(qiáng)能力更優(yōu)異。高溫下,瀝青混合料容易軟化和變形,導(dǎo)致車轍和車輛行駛不平穩(wěn)。玄武巖纖維的添加可以增加混合料的抵抗變形的能力,減少瀝青的流動(dòng)性,降低路面變形的風(fēng)險(xiǎn)。

鈦酸酯偶聯(lián)劑改性后的玄武巖纖維,具有更大的比表面積,可以吸附更多的瀝青質(zhì),增加混合料的韌性和抗裂性,進(jìn)一步提升纖維在瀝青混合料體系中的橋接增韌的作用。改性纖維的加入,能有效連接瀝青混合料體系中的各個(gè)部位,抵抗由于高溫產(chǎn)生的軟化和變形,提高路面的耐久性。

2.6 瀝青混合料低溫性能

采用小梁彎曲試驗(yàn)評(píng)估材料的彎曲性能和強(qiáng)度,研究材料的彎曲剛度、彎曲應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,以及抗彎強(qiáng)度等參數(shù)。纖維瀝青混合料的試驗(yàn)結(jié)果見表4、表5和圖11、圖12。

表4 原樣瀝青混合料彎曲試驗(yàn)結(jié)果

表5 改性纖維瀝青混合料彎曲試驗(yàn)結(jié)果

圖11 抗彎拉強(qiáng)度與纖維摻量曲線關(guān)系

圖12 最大彎拉應(yīng)變與纖維摻量曲線關(guān)系

由圖11可見,瀝青混合料的抗彎、拉應(yīng)變受纖維摻量的影響較大,隨著纖維摻量先增加后降低,在摻量達(dá)到0.3% 時(shí)達(dá)到峰值。原樣玄武巖纖維混合料的最大抗彎拉強(qiáng)度為6.92 MPa,而改性纖維混合料達(dá)到7.41 MPa,提升10.1%。結(jié)果表明,低溫環(huán)境下,改性纖維增加瀝青混合料界面黏附性能效果顯著,抵抗開裂能力提高。當(dāng)混合料受到外力荷載時(shí),改性纖維在體系中的增韌阻裂作用可以連接體系中的各個(gè)部分,有效地控制瀝青混合料中的裂縫擴(kuò)展,防止裂紋的形成和傳播,減少維修成本,對(duì)延長(zhǎng)瀝青路面使用壽命具有工程意義。

由圖12可見,纖維瀝青混合料開裂時(shí)最大彎拉應(yīng)變值的變化趨勢(shì)與抗彎拉強(qiáng)度相同,均為先增大后減小,在摻量達(dá)到0.3%時(shí)達(dá)到峰值。纖維摻量0.3%時(shí),改性纖維瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變值相比較于原樣瀝青混合料提升了15.2%,達(dá)到3 452×10-6。纖維的加入可以使混合料具有更高的韌性,從而能夠承受更大的彎曲變形而不發(fā)生破壞,提高路面的耐久性和使用壽命。而鈦酸酯偶聯(lián)劑改性后的玄武巖纖維表面能夠更好地與瀝青黏結(jié),形成更強(qiáng)的界面黏結(jié)強(qiáng)度,增加纖維與瀝青之間的黏附力和相互作用。這有助于分散應(yīng)力并減少裂紋擴(kuò)展,提升瀝青路面在低溫環(huán)境下的抗開裂性能,從而提高路面的耐久性、減少裂縫和損壞,延長(zhǎng)瀝青路面的使用壽命。

3 結(jié)語

本文旨在研究鈦酸酯偶聯(lián)劑改性玄武巖纖維對(duì)瀝青混合料界面黏附性能的影響。進(jìn)行纖維單絲拉拔試驗(yàn)、掃描電鏡試驗(yàn)、接觸角試驗(yàn)、漢堡車轍試驗(yàn)和小梁彎曲試驗(yàn),從不同角度分析了改性纖維的作用效果,主要結(jié)論如下。

1) 隨著浸潤劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與浸潤時(shí)間增加,纖維的性能得到提高,通過對(duì)纖維力學(xué)性能測(cè)試得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%鈦酸酯偶聯(lián)劑浸入60 min,為最佳處理?xiàng)l件,經(jīng)過改性后的纖維力學(xué)性能得到提高。

2) 通過接觸角分析,改性后的玄武巖纖維,表面粗糙度增加,具有更大的比表面積,親水性顯著降低,黏附功提升20.5%,與瀝青混合料體系的界面結(jié)合能力明顯增強(qiáng)。

3) 通過掃描電鏡試驗(yàn),對(duì)改性纖維表面與纖維-瀝青斷口進(jìn)行分析。改性纖維表面的凸起結(jié)構(gòu),具有更大的比表面積,在瀝青混合料中能黏結(jié)吸附更多的基質(zhì)瀝青,增強(qiáng)混合料的韌性,提高抗開裂能力。

4) 改性纖維增加混合料的黏聚力和抗剪切能力,提高混合料的整體高溫穩(wěn)定性,減少松散和變形的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)纖維-瀝青界面形成更強(qiáng)的界面黏結(jié)強(qiáng)度,增加纖維與瀝青之間的黏附力和相互作用,增強(qiáng)了低溫抗開裂的能力。