余森開, 林 嬌, 王大為

(1.中鐵十六局集團(tuán)路橋工程有限公司, 北京 101500; 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院, 哈爾濱 150090)

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(fiber reinforced polymer,FRP)是由增強(qiáng)纖維材料(如玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維等)與基體材料(如環(huán)氧樹脂、聚氨酯等)經(jīng)過纏繞、模壓或拉擠等成型工藝而形成的復(fù)合材料,由于其高強(qiáng)的力學(xué)性能和耐腐蝕性能而被廣泛應(yīng)用于航空航天、建筑、風(fēng)力發(fā)電等行業(yè)[1]。其中,玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(glass fiber reinforced polymer,GFRP)因其技術(shù)最為成熟、價格較為經(jīng)濟(jì),成為應(yīng)用最為廣泛類型,占FRP市場約90%。GFRP的首選樹脂體系是綜合性能較強(qiáng)的環(huán)氧樹脂,目前市面上以環(huán)氧樹脂為基體的GFRP在GFRP總量中占比最大[2]。而熱固型聚氨酯本身具有很好的韌性和較低的黏度,表現(xiàn)出更好的耐久性和成型性,逐漸在GFRP市場占據(jù)一定地位[3]。FRP產(chǎn)品到達(dá)使用年限或喪失原有功能后需要被廢棄處理,目前中國廢舊FRP存量已達(dá)數(shù)百萬噸,并正以每年超10萬噸的速度增長[4]。由于廢舊FRP體量龐大且難以自然降解,對生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的負(fù)面影響,因此急需有效的方法解決廢舊FRP回收利用問題[1]。

目前廢舊FRP的回收方法主要有3種:焚燒、熱化學(xué)回收、機(jī)械回收[5]。焚燒不僅能夠消耗廢舊FRP,還能夠利用FRP中剩余的能量轉(zhuǎn)化成熱量用于工業(yè)和生活,但其焚燒過程會對環(huán)境造成嚴(yán)重的二次污染。熱化學(xué)回收是在特定條件采用降解劑將廢舊FRP中的有機(jī)成分分解,回收纖維,但該工藝較為復(fù)雜,成本過高。機(jī)械回收是將廢舊FRP破碎后再進(jìn)行填埋處理,雖然對環(huán)境的污染程度較小,但該方法無法充分回收利用廢舊FRP的剩余價值。

近年來,有研究將廢舊FRP破碎成碎屑或者粉末后填充到建筑混凝土[6-7]中,替代部分集料以消耗FRP固體廢棄物,但這會一定程度削弱水泥混凝土的力學(xué)性能和耐久性,因此無法在主要承重構(gòu)件中使用。而將廢舊FRP碎屑作為填料加入至瀝青、膠漿和瀝青混合料[8-10]能夠有效提高瀝青的剛度、抗車轍、蠕變和恢復(fù)等高溫性能。破碎的FRP短纖維能夠有效增強(qiáng)瀝青路面抗開裂和抗永久變形的能力,尤其是在較高應(yīng)力水平(重交通荷載)下,提高瀝青路面疲勞壽命。因此,廢舊FRP在瀝青路面材料中的應(yīng)用具有更廣泛的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景。

以往研究多以碎屑狀和塊狀FRP為研究對象,而廢舊FRP回收破碎處理過程中會產(chǎn)生的粉末狀廢料無法消耗。相較于碎片狀FRP,粉末狀FRP中包含更為細(xì)小的樹脂顆粒和破碎纖維,可以更好分散在瀝青中,形成均勻的體系。本研究以基體材料分別為環(huán)氧樹脂和聚氨酯的廢舊GFRP作為瀝青增強(qiáng)材料,對GFRP增強(qiáng)瀝青的基本性能進(jìn)行了研究。研究結(jié)果將為GFRP材料的回收利用和在路面工程的推廣應(yīng)用提供參考。

1 材料及試驗(yàn)方法

1.1 瀝青

本研究選用中石化寧波鎮(zhèn)海煉化有限公司生產(chǎn)的針入度分級為60/80的基質(zhì)瀝青(ZH70#)。依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)(以下簡稱《試驗(yàn)規(guī)程》)對其主要技術(shù)性能進(jìn)行了測試,如表1所示。

表1 基質(zhì)瀝青主要性能技術(shù)指標(biāo)

1.2 GFRP 粉末

廢舊FRP分別選取以環(huán)氧樹脂為基體材料的玻璃纖維增強(qiáng)聚合物粉末(epoxy-based glass fiber reinforced polymer powder, EGP)和以聚氨酯為基體材料的玻璃纖維增強(qiáng)聚合物粉末(polyurethane-based glass fiber reinforced polymer powder, PGP)進(jìn)行研究,2種GFRP的密度分別為2.15和2.08 g/cm3。采用破碎機(jī)將塊狀的廢舊GFRP破碎后用200目篩子篩分,得到粒徑小于0.075 mm的粉末,如圖1所示。采用激光粒度儀對2種GFRP粉末的粒度分布進(jìn)行了分析,粒徑分布如圖2所示?？梢钥闯?經(jīng)過篩分之后的GFRP粉末粒徑均小于 75 μm, EGP和PGP中粒徑小于20 μm的顆粒含量及分布基本一致,而EGP中粒徑為20～60 μm的顆粒含量較PGP更高,EGP整體粒度小于PGP。采用掃描電鏡(scanning electron microscope, SEM)對GFRP粉末的微觀形貌進(jìn)行了研究,結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?GFRP破碎后的粉末顆粒表面光滑,不同顆粒間粒徑相差較大。 值得注意的是,GFRP中的玻璃纖維被破碎成細(xì)長的圓柱形顆粒。對比EGP和PGP的微觀形貌可以看出,PGP的粒徑總體上大于EGP,這與粒度分析的結(jié)果相符。

圖1 廢舊GFRP粉末

圖2 GFRP粉末的粒徑分布

圖3 GFRP粉末微觀形貌

因廢舊GFRP粉末含有大量的玻璃纖維顆粒,其與瀝青間可能會出現(xiàn)黏附性較弱的情況。為了改善GFRP粉末與瀝青的黏結(jié)作用,采用由美國聯(lián)合碳化物有限公司開發(fā)的KH550硅烷偶聯(lián)劑對GFRP粉末進(jìn)行預(yù)處理。將硅烷偶聯(lián)劑與乙醇以體積比1∶10混合均勻,然后將GFRP粉沒入到混合溶液中,超聲處理15 min使GFRP粉末與硅烷偶聯(lián)劑充分反應(yīng),隨后過濾并將濾渣放入烘箱145 ℃下干燥2 h[11]。經(jīng)表面預(yù)處理的EGP和PGP粉末分別命名為S-EGP和S-PGP。硅烷偶聯(lián)劑能夠在GFRP粉末中無機(jī)物表面形成共價鍵接枝有機(jī)基團(tuán),增強(qiáng)無機(jī)物與有機(jī)物的黏結(jié)作用。

1.3 GFRP增強(qiáng)瀝青的制備

將基質(zhì)瀝青加熱至150 ℃形成自由流動狀態(tài),然后在基質(zhì)瀝青中分別加入原樣或經(jīng)過表面預(yù)處理的GFRP粉末,采用高速剪切機(jī)以2 000 r/min的剪切速率在150 ℃高速剪切1 h[12],得到GFRP增強(qiáng)瀝青,設(shè)備如圖4所示。本研究選擇原樣GFRP粉末的用量為6%(基質(zhì)瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同),經(jīng)表面處理的GFRP粉末的用量為2%、4%和6%。

圖4 瀝青樣品制備設(shè)備

1.4 試驗(yàn)方法

本研究結(jié)合熒光顯微(fluorescence microscopy,FM)測試分析了GFRP在瀝青中的分散情況與分布特征,采用動態(tài)剪切流變(dynamic shear rheometer,DSR)試驗(yàn)、多應(yīng)力蠕變恢復(fù)[13](multiple stress creep recovery,MSCR)試驗(yàn)研究了GFRP增強(qiáng)瀝青的流變性能,基于表面自由能理論對GFRP增強(qiáng)瀝青的黏附性能進(jìn)行了探討,采用差示掃描量熱法(differential scanning calorimetry,DSC)確定了GFRP增強(qiáng)瀝青的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化點(diǎn),分析了其低溫性能。試驗(yàn)所用相關(guān)設(shè)備如圖5所示。

圖5 瀝青試驗(yàn)設(shè)備

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 熒光顯微結(jié)果

基于瀝青及改性劑在熒光光源下產(chǎn)生顏色差異的原理,熒光顯微技術(shù)可用于觀測改性劑在瀝青中的分布及形態(tài)結(jié)構(gòu)。為明確GFRP在瀝青基體中的分布形態(tài),分別對基質(zhì)瀝青、EGP、S-EGP、PGP、S-PGP等進(jìn)行了熒光顯微鏡試驗(yàn)。將約0.5 g的基質(zhì)瀝青或GFRP增強(qiáng)瀝青滴于載玻片上,并置于 145 ℃烘箱中加熱約10 min至瀝青表面成光滑平整狀態(tài)后蓋上蓋玻片,采用OLYMPUS BX53熒光顯微鏡將瀝青樣品放大100倍觀察了GFRP粉末在瀝青中的分散狀態(tài)。

圖6為基質(zhì)瀝青和GFRP增強(qiáng)瀝青在熒光顯微鏡下放大100倍的圖像。可以看出,基質(zhì)瀝青中并未出現(xiàn)明顯的熒光區(qū)域,而在加入GFRP粉末之后,EGP及PGP瀝青中均出現(xiàn)了點(diǎn)狀均勻分布的熒光,說明通過簡單的機(jī)械攪拌,環(huán)氧樹脂基 GFRP粉末和聚氨酯基GFRP粉末都可以實(shí)現(xiàn)在基質(zhì)瀝青中的均勻分散,不會發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象。通過對比圖5(b)～(e)可以看出,原樣GFRP粉末和經(jīng)過表面處理后的GFRP粉末在瀝青中的分散狀態(tài)沒有顯著差別,說明硅烷偶聯(lián)并劑不影響GFRP粉末的分散均勻性。

圖6 瀝青試樣的熒光效果(×100倍)

2.2 DSR頻率掃描試驗(yàn)結(jié)果分析

采用美國TA儀器有限公司制造的ARES G2動態(tài)剪切流變儀進(jìn)行頻率掃描試驗(yàn),測試基質(zhì)瀝青和GFRP增強(qiáng)瀝青在不同溫度和加載頻率下的流變特征參數(shù)動態(tài)剪切模量(|G*|)和相位角(δ)。試驗(yàn)的溫度范圍為12～60 ℃,溫度間隔為12 ℃,頻率范圍為0.1～10.0 Hz。試驗(yàn)夾具根據(jù)測試溫度進(jìn)行選擇,溫度為12～36 ℃時采用直徑8 mm、間隙2 mm的平行板,48～60 ℃時采用直徑25 mm、間隙1 mm的平行板[14]。

根據(jù)時間-溫度等效原理,將不同溫度下瀝青頻率掃描試驗(yàn)的結(jié)果轉(zhuǎn)換成動態(tài)剪切模量和相位角主曲線,分別如圖7、8所示。由圖可知,6%EGP增強(qiáng)瀝青的動態(tài)剪切模量主曲線和相位角主曲線與基質(zhì)瀝青基本重合;與基質(zhì)瀝青和6%EGP增強(qiáng)瀝青相比,6%PGP增強(qiáng)瀝青在低頻范圍的模量略有增加,相位角略有減小,表明不經(jīng)表面預(yù)處理的環(huán)氧基GFRP粉末對瀝青高溫流變性能影響并不顯著,而聚氨酯基GFRP粉末與瀝青分子之間的相互作用比環(huán)氧基GFRP粉末略強(qiáng)。經(jīng)過表面預(yù)處理的S-EGP及S-PGP增強(qiáng)瀝青,其模量在低頻范圍內(nèi)顯著增加,相位角整體減小,且變化趨勢均隨著S-EGP及S-PGP粉末摻量的增加而增大,表明經(jīng)過表面預(yù)處理的S-EGP及S-PGP粉末均對瀝青的高溫流變性能具有積極作用;又可知,4%S-EGP、6%S-EGP、4%S-PGP、6%PGP增強(qiáng)瀝青的復(fù)數(shù)模量由大到小依次為6%S-EGP,4%S-EGP,2%S-EGP≈4%S-PGP≈6%PGP,相位角由小到大依次為6%S-EGP,4%S-EGP,2%S-EGP≈4%S-PGP≈6%PGP,表明硅烷偶聯(lián)劑能夠明顯增強(qiáng)環(huán)氧基GFRP粉末及聚氨酯基GFRP粉末與瀝青分子之間的相互作用,提高瀝青的高溫流變性能,但S-PGP粉末對基質(zhì)瀝青的作用效果遠(yuǎn)不如S-EGP粉末,說明經(jīng)過表面預(yù)處理的環(huán)氧基GFRP粉末對改善瀝青高溫流變性能方面更具優(yōu)勢。

圖7 瀝青試樣的模量主曲線(參考溫度36 ℃)

圖8 瀝青試樣的相位角主曲線(參考溫度36 ℃)

2.3 DSR溫度掃描試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)AATSHO美國SHRP標(biāo)準(zhǔn),采用溫度為60 ℃、荷載頻率為10 rad/s時DSR溫度掃描試驗(yàn)所得的車轍因子G*/sinδ來評價瀝青材料抵抗高溫車轍變形的能力[15]。溫度掃描試驗(yàn)由ARES G2動態(tài)剪切流變儀進(jìn)行,結(jié)果如圖9所示?？芍?GFRP增強(qiáng)瀝青的G*/sinδ值均高于基質(zhì)瀝青,表明GFRP粉末能夠有效提高瀝青的抗車轍性能。經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑表面改性的S-EGP增強(qiáng)瀝青的車轍因子隨著S-EGP摻量的增加而顯著增加,表明經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑表面改性的S-EGP對瀝青抗車轍性能的提高具有顯著的提升作用,遠(yuǎn)大于未經(jīng)表面預(yù)處理的EGP;S-PGP增強(qiáng)瀝青的車轍因子雖然也隨著S-PGP粉末摻量的增加而增加,但相較于S-EGP增強(qiáng)瀝青,其車轍因子提升幅度并不大。這說明硅烷偶聯(lián)劑能夠通過增強(qiáng)GFRP粉末與瀝青分子的相互作用而提高瀝青的抗車轍性能,相較于EGP及PGP增強(qiáng)瀝青,經(jīng)過硅烷偶聯(lián)劑表面改性的S-EGP及S-PGP增強(qiáng)瀝青在較小的摻量下就已具有與其相當(dāng)?shù)目管囖H性能,但硅烷偶聯(lián)劑作用活性對環(huán)氧基GFRP更強(qiáng),而對于聚氨酯基GFRP效果稍弱。

圖9 瀝青試樣的60 ℃車轍因子

2.4 MSCR試驗(yàn)結(jié)果分析

MSCR試驗(yàn)是在特定溫度下(本文選取64 ℃),分別以0.1和3.2 kPa的應(yīng)力水平對瀝青樣品加載1 s后卸載恢復(fù)9 s,重復(fù)10次,模擬實(shí)際服役過程中瀝青所受荷載作用,可以很好地反映瀝青在不同的應(yīng)力作用水平下的形變特性[16]。MSCR試驗(yàn)根據(jù)計算10次蠕變恢復(fù)的蠕變回復(fù)率平均值R和不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃科骄礘nr作為評價指標(biāo),R值越大,Jnr值越小,表示瀝青具有更好的抗車轍性能。

基質(zhì)瀝青和GFRP增強(qiáng)瀝青的MSCR試驗(yàn)結(jié)果如圖10、11所示。由圖10可知,荷載應(yīng)力水平為0.1 kPa時,GFRP粉末提高了瀝青的回復(fù)率,其中PGP粉末較EGP粉末提升效果更好。經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑表面處理后,S-EGP粉末也能提高瀝青的回復(fù)率,其中4%S-EGP表現(xiàn)出最好的回復(fù)效果,而在S-PGP增強(qiáng)瀝青中,其回復(fù)率隨著S-PGP摻量的增加而增加,6%S-PGP增強(qiáng)瀝青表現(xiàn)出最好的回復(fù)效果。荷載應(yīng)力水平為3.2 kPa時,未經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑表面處理的GFRP粉末對瀝青回復(fù)率的提高作用微乎其微,經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑表面處理后的GFRP粉末能夠顯著增強(qiáng)瀝青的回復(fù)率,且瀝青的回復(fù)率隨著其用量的增加而增加。說明輕載條件下瀝青的變形恢復(fù)能力主要依靠GFRP顆粒與瀝青之間的相互作用。而重載條件時,未改性的GFRP粉末與瀝青之間的相互作用被破壞,瀝青的變形恢復(fù)能力主要依靠GFRP顆粒的填充作用,硅烷偶聯(lián)劑增加了GFRP粉末與瀝青的相互作用力,能夠顯著提高瀝青的彈性回復(fù)率。由圖11可以看出,GFRP增強(qiáng)瀝青較基質(zhì)瀝青具有更小的Jnr值,而經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑表面處理后的S-EGP及S-PGP粉末使瀝青的Jnr值更是大幅減小,尤其是S-EGP,其中6%S-EGP增強(qiáng)瀝青的Jnr值較6%EGP增強(qiáng)瀝青減小約50%。結(jié)果表明,未經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑表面處理的PGP粉末對瀝青永久變形的限制作用比EGP粉末更好,但經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑表面處理后,環(huán)氧基GFRP增強(qiáng)瀝青表現(xiàn)出更好的抗永久變形能力,具有更好的抗車轍能力。

圖10 瀝青試樣的回復(fù)率R

圖11 瀝青試樣的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr

值得注意的是,MSCR試驗(yàn)的結(jié)果與DSR溫度掃描試驗(yàn)結(jié)果并不完全一致,這是因?yàn)樵跒r青中加入改性劑或增強(qiáng)材料后,瀝青的自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)和黏彈特性都與基質(zhì)瀝青有了很大的差異[17],所以車轍因子G*/sinδ對改性瀝青不完全適用,多重蠕變恢復(fù)試驗(yàn)?zāi)軌蚋玫乇碚鳛r青的抗車轍性能[18]。

2.5 接觸角實(shí)驗(yàn)結(jié)果和表面自由能分析

表面自由能是指材料在保持應(yīng)力、溫度及組分不變情況下,增加單位表面積時對體系所做的功,亦等于在某溫度壓力下生成單位固體表面時所需的可逆功,其代表了物質(zhì)被其他物質(zhì)浸潤或浸潤其他物質(zhì)的能力。表面自由能一般通過接觸角測定。將一滴標(biāo)準(zhǔn)液體滴在光滑的固體表面,達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)(如圖12所示)后固體、氣體、液體在三相交界位置達(dá)到力的平衡,此時氣-液與固-液界面張力之間的夾角稱為接觸角[19]。

圖12 標(biāo)準(zhǔn)液體滴在瀝青表面的狀態(tài)

根據(jù)表面自由能理論,可以用Young方程來描述液體與固體表面的平衡關(guān)系[20-21]。

γs=γsl+γlcosθ

(1)

式中:γs為固體的表面自由能;γsl為固液界面的表面自由能;γl為液體的表面自由能;θ為液體與固體表面的接觸角。

參考界面張力理論,液體和固體的表面自由能[20-21]可表示為

(2)

固液界面的自由能[20-21]可表示為

(3)

因此,式(1)Young方程[20-22]可以表示為

(4)

本文采用乙二醇、丙三醇和蒸餾水作為標(biāo)準(zhǔn)液體測定瀝青的接觸角。標(biāo)準(zhǔn)液體的表面自由能及組成如表2所示。

表2 標(biāo)準(zhǔn)液體的表面自由能和組成

根據(jù)流變試驗(yàn)的結(jié)果,本節(jié)以基質(zhì)瀝青和摻量為6%的GFRP增強(qiáng)瀝青為例進(jìn)行了接觸角試驗(yàn),結(jié)果如表3所示?？芍?GFRP增強(qiáng)瀝青與基質(zhì)瀝青相比具有更小的接觸角,表明GFRP粉末會增強(qiáng)瀝青表面浸潤的能力。這可能是由于GFRP粉末中的成分比瀝青更易被浸潤,且GFRP粉末的存在造成瀝青表面極小的突起或凹陷,增大了瀝青的表面積。由于聚氨酯與環(huán)氧樹脂相比具有更強(qiáng)的親水性[22],更易被浸潤,因此PGP增強(qiáng)瀝青相較于EGP增強(qiáng)瀝青具有更小的接觸角。相較于未經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑表面處理的EGP及PGP增強(qiáng)瀝青,S-EGP及S-PGP等經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑表面處理的GFRP增強(qiáng)瀝青具有更小的接觸角,表明采用硅烷偶聯(lián)劑對GFRP粉末進(jìn)行表面處理會增強(qiáng)GFRP增強(qiáng)瀝青的可浸潤性。

表3 瀝青試樣的接觸角測試結(jié)果

根據(jù)瀝青與標(biāo)準(zhǔn)液體的接觸角結(jié)果計算可以得到瀝青表面自由能及其組成,結(jié)果如表4所示。可知,瀝青的表面自由能隨GFRP粉末的加入而增加,說明GFRP粉末具有提高瀝青與集料之間黏附性的潛力,且PGP粉末對瀝青表面自由能的增強(qiáng)效果相比環(huán)氧基GFRP更好。但GFRP粉末極大地提高了瀝青表面自由能的極性分量,說明GFRP增強(qiáng)瀝青對水的吸附作用較強(qiáng),抗水損害能力可能被削弱[23]。硅烷偶聯(lián)劑對瀝青極性分量的提升幅度較小,主要通過增加色散分量來增加瀝青的表面自由能,增大色散分量在瀝青表面自由能中的比例,減小了瀝青的極性,因此在提高瀝青與集料黏附性的同時也保證了抗水損害性。

表4 瀝青試樣的表面自由能

2.6 DSC試驗(yàn)及玻璃化轉(zhuǎn)變溫度分析

瀝青隨溫度從低溫到高溫變化會經(jīng)歷玻璃態(tài)、黏彈態(tài)和黏流態(tài)3種不同的聚集形態(tài)[24],其中,從黏彈流態(tài)過渡到玻璃態(tài)時的溫度稱為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(glass transition temperature,Tg)。瀝青在黏彈態(tài)具有較好的柔性和塑性,而轉(zhuǎn)化成玻璃態(tài)后出現(xiàn)易裂易脆性,因此玻璃化轉(zhuǎn)變溫度越低,表示瀝青能夠在更低的溫度下保持黏彈態(tài),有效減小開裂的產(chǎn)生,從而具有更好的低溫性能。DSC是一種常用的測試物質(zhì)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的熱分析方法。DSC試驗(yàn)通過測量瀝青樣品吸熱和放熱反應(yīng),確定瀝青中相態(tài)的轉(zhuǎn)變,從而確定玻璃化轉(zhuǎn)變溫度等熱學(xué)參數(shù)。本節(jié)以基質(zhì)瀝青和摻量為6%的GFRP增強(qiáng)瀝青為例,采用Netzsch 200 F3型差示掃描量熱儀進(jìn)行了測試,掃描溫度為-100～180 ℃。

圖13顯示了基質(zhì)瀝青和GFRP增強(qiáng)瀝青的DSC曲線。DSC曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)表示此處存在一個吸熱峰,將拐點(diǎn)上下的2條切線進(jìn)行線性擬合,切線交點(diǎn)對應(yīng)的溫度就是玻璃化轉(zhuǎn)變溫度[25]。由于瀝青是混合物,因此DSC結(jié)果通常顯示至少2個Tg值,一般取第一個Tg作為整個瀝青的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度[26]。

圖13 瀝青樣品的DSC曲線

根據(jù)以上方法,擬合得到的基質(zhì)瀝青和GFRP增強(qiáng)瀝青的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度結(jié)果如表5所示?；|(zhì)瀝青的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為-25.3 ℃。EGP和PGP加入后,瀝青的轉(zhuǎn)變溫度范圍起始溫度和終止溫度均升高,說明瀝青的感溫性能有所增加,而且EGP增強(qiáng)瀝青的Tg相對于基質(zhì)瀝青只降低0.2 ℃,PGP增強(qiáng)瀝青的Tg與基質(zhì)瀝青相同,說明GFRP粉末的加入并不能有效改善瀝青的低溫性能。經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑進(jìn)行表面改性的S-EGP和S-PGP加入瀝青后,瀝青的轉(zhuǎn)變溫度范圍起始溫度和終止溫度變化幅度較小,玻璃化轉(zhuǎn)變溫度分別降低1.0 ℃和0.4 ℃,說明環(huán)氧基GFRP對瀝青的低溫性能具有相對明顯的改善效果。這主要是因?yàn)楣柰榕悸?lián)劑的作用使環(huán)氧基GFRP與瀝青分子間作用力增強(qiáng),吸附更多瀝青中的輕質(zhì)組分,發(fā)生相態(tài)變化的輕質(zhì)組分減少,因而玻璃化轉(zhuǎn)變溫度減小[27]。

表5 瀝青試樣的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度

3 結(jié)論

1) GFRP粉末能夠均勻分散在瀝青中,提高瀝青的抗車轍性能及高溫流變性能。但未經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑表面處理的GFRP粉末對瀝青性能的提高并不顯著,經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑表面處理后的GFRP粉末與瀝青分子間的相互作用增強(qiáng),能夠顯著提高瀝青的高溫流變性能和抗車轍性能。

2) GFRP粉末能夠同時提高瀝青表面自由能的色散分量和極性分量,而硅烷偶聯(lián)劑處理主要通過增加色散分量來增加瀝青的表面自由能,減小瀝青的極性,在提高瀝青與集料黏附性的同時也能保證抗水損害性不被削弱。

3) 經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑表面處理的環(huán)氧基GFRP粉末能夠有效降低瀝青的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度,具有增強(qiáng)瀝青低溫性能的潛力,而聚氨酯基GFRP對低溫性能改善作用有限。

4) 聚氨酯基GFRP粉末與瀝青分子的相互作用比環(huán)氧基GFRP粉末強(qiáng),但硅烷偶聯(lián)劑對聚氨酯基GFRP粉末的改性效果不如環(huán)氧基GFRP粉末。