基于溫拌技術的PVA纖維瀝青配伍性及抗裂研究

趙 陽,梁乃興,賈曉東

(1. 重慶交通大學 土木工程學院,重慶 400074; 2. 重慶工商職業(yè)學院 城市建設工程學院,重慶 400052)

0 引 言

纖維瀝青混凝土是一種通過摻入纖維材料改善瀝青混合料綜合性能,從而提高瀝青路面使用品質的復合材料[1]。相比于其它改性方法(如聚合物改性),纖維改性瀝青混凝土能阻止混凝土結構中裂縫的擴展(包括溫縮裂縫和反射裂縫)并減少車轍流動變形和疲勞破壞的出現[2-3]。

聚乙烯醇纖維(簡稱PVA纖維)通常被運用在冷拌瀝青混合料或水泥基復合材料中,通過直接拉伸、間接拉伸以及相應膠結料實驗,表明其抗裂性能了大幅度提高。姚立陽等[4]研究了聚丙烯腈纖維和木質素纖維對瀝青膠漿的影響,結果表明纖維膠漿的熱穩(wěn)定性同普通瀝青相比有顯著提高,抵抗車轍能力較好,抗流變性增強;吳萌萌等[5]在瀝青中摻加木質素纖維、DOA纖維,研究了不同纖維的宏觀及微觀反應,通過流變儀以及錐入度等試驗方法,表明纖維的加入提高了瀝青的黏度,阻止了瀝青中有效瀝青的流動,提高了高溫性能。

然而,目前國內外對纖維瀝青混凝土的研究聚焦在木質素纖維、聚酯纖維、聚丙烯腈纖維的研究[6-7],對于伸縮率較低、強度較高、增強抗裂性更好的PVA纖維研究集中在水泥基復合材料上[8-9],對于PVA纖維瀝青混凝土的研究幾乎為空白。這是因為PVA纖維在常規(guī)熱拌溫度下會卷曲、收縮、脫水醚化,失去本身常規(guī)性能,無法達到復合加強瀝青混合料綜合性能的目的。

綜上,在溫拌降溫技術下,以PVA纖維瀝青混合料為研究對象,通過分散粉體優(yōu)選及PVA纖維均勻性評價等方式,研究PVA纖維與溫拌瀝青混合料配伍性,在此基礎上探究纖維瀝青混凝土抗裂性。

1 PVA纖維性能

纖維作為一種改善瀝青混合料性能的物理加強型材料,其自身的物理特性決定了纖維對瀝青混合料性能的復合增強效果,其中耐熱性更是PVA纖維是否能運用于瀝青混凝土的關鍵性前提。

1.1 常規(guī)性能

反映纖維性能的指標主要有抗拉強度、彈性模量、極限延伸率、密度、熔融溫度,按照JT/T 533—2020《瀝青路面用纖維》要求,對常見的瀝青路用纖維與PVA纖維進行測試對比,結果如表1。

表1 PVA纖維與常用路用纖維性能對比

由表1可知,PVA纖維拉伸強度、彈性模量高于常見路用纖維,其優(yōu)良的力學性能使其摻入瀝青后加筋、吸附效果更為顯著。同時,過大或過小的伸長率會引起纖維與混凝土基材過晚或者提前發(fā)揮其抗拉能力,降低纖維物理增強效果。PVA纖維斷裂伸長率適宜,能很好束縛混合料中的自由瀝青,故PVA纖維常規(guī)性能同其他常見纖維相比性能優(yōu)勢顯著,是良好的路用瀝青混合料復合加強材料。

1.2 PVA纖維耐熱性

PVA纖維熔點230 ℃,玻璃化溫度80～95 ℃,在空氣中加熱至130 ℃以上慢慢變色、脆化。加熱至160～170 ℃脫水醚化,失去本身性質。傳統(tǒng)瀝青混合料生產工藝是在160～170 ℃高溫下拌和1～3 min,PVA纖維的耐熱性能能否在該工藝下依舊保持常規(guī)性狀,是PVA纖維復合加強混凝土的關鍵。

選取長度為12 mm,直徑15 μm的束狀PVA纖維,人為用鑷子將PVA纖維剝離成單絲狀,20根為一組,分別放入130、140、150、160、170 ℃的烘箱內3 min,模擬瀝青混合料生產拌和時PVA受熱情況,其受熱收縮狀態(tài)統(tǒng)計結果如表2。

表2 PVA纖維受熱3分鐘后收縮狀態(tài)統(tǒng)計

由表2可知,PVA纖維在受熱3 min后,130、140 ℃下仍然保持原有豎直狀態(tài);當溫度上升至150、160 ℃時收縮非常顯著,纖維呈現彎曲、蜷縮狀態(tài);當溫度上升至170 ℃時,纖維已經收縮成一個小團狀,不再具備加筋分散作用。從拉伸強度上分析,隨著溫度的上升,纖維拉升強度逐步減小,特別是150 ℃以上,其拉伸強度出現了陡降的趨勢。

綜上,常規(guī)拌和時間內(3 min),PVA纖維在130～140 ℃下能保持其常溫下的豎直狀態(tài),其基本物理性質沒有改變。

2 分散粉體優(yōu)選及分散效果評價

2.1 PVA纖維分散粉體的選擇

PVA纖維出廠狀態(tài)為束狀,如圖1。每克束狀PVA纖維包含數以萬根單絲纖維,如何將其均勻分散成單絲狀,是PVA纖維能否在瀝青混凝土中增強、加筋的決定因素[10]。故利用復合界面理論,選取普通水泥、粉煤灰、石墨烯、礦粉共4種分散粉體,對其接觸角以及表面能參數進行測試,確立分散粉體分散PVA纖維的可行性。

圖1 束狀PVA纖維

2.1.1 PVA纖維分散理論

纖維在空氣中,與分散粉體相互作用,理論上如果分散粉體與單絲纖維的黏附功Wa,fp大于單絲纖維與單絲纖維間的黏附功Wa,ff,即可成功實現分散粉體將纖維束分散,且兩者的差值越大,纖維束的分散效果越顯著。

根據黏附功概念,系統(tǒng)做功大小與能量變化兩者相等,基于此并結合英國物理學家Thomas Young提出的固-液-氣三相受力平衡方程,文獻[11]將黏附功、吉布斯自由能與材料表面各指標參數統(tǒng)為:

γSV=γSL+ cosθ×γLV

(1)

ΔGa,ff=-Wa,ff=γff-γf-γf

(2)

ΔGa,fp=-Wa,fp=γfp-γp-γf

(3)

式中:γSV為固態(tài)與氣態(tài)的界面張力,即固體表面能;γLV為液態(tài)與氣態(tài)的界面張力,即液態(tài)表面能;γSL為固態(tài)與液態(tài)的界面張力;θ為液態(tài)在固態(tài)上形成的接觸角;ΔGa,ff為單絲纖維之間吉布斯自由能;ΔGa,fp為單絲纖維與分散粉體之間吉布斯自由能;γff為單絲PVA纖維與PVA纖維表面張力;γfp為單絲PVA纖維與分散粉體表面張力;γf為PVA纖維表面能;γp為分散粉體表面能。

由式(1)—式(3)可見,為求得Wa,fp和Wa,ff,只需求得PVA纖維、分散粉體的表面能以及纖維之間、纖維與分散粉體的表面張力。

2.1.2 PVA纖維表面能

PVA纖維是一種高分子材料,其分子表面沒有流動性,按照常規(guī)的接觸角法測試其表面能存在不確定性,不能對其表面能進行測試。故根據內聚能密度的概念與自由能的關系,通過的Small色散力變化趨勢[12],提出表面能γ的調和平均法如式(4):

(4)

式中:ns為高聚物重復單元的原子數;Vm,s為重復單元摩爾體積;∑Fs為重復單元Small色散力的加和。

常見的聚合物摩爾體積和結構單元Small色散力見表3[13]和表4。

表3 常見聚合物摩爾體積

又根據PVA纖維的分子結構為:

故其重復單元原子數為7,則根據表3、表4和式(4)可得PVA纖維表面能為:

2.1.3 分散粉體表面能

根據固-液-氣三相受力平衡方程,文獻[14]評價分散粉體的表面能必須測試其接觸角,而毛細管法是測量表面張力較為精確的方法,該方法有較完整的理論實驗條件,同時也利于控制,許多學者推薦采用該方法測試固體粉末的表面參數。該方法的原理為將待測粉末裝入測試管中,然后倒入已知參數的浸漬液,通過浸漬液體的上升速率,計算固體與液體的接觸角,從而求得相應表面能,如式(5):

(5)

式中:r為單個毛細通道的有效半徑;γL為已知參數的浸漬液的表面張力;η為已知參數的浸漬液的動力黏度;φ為粉末與浸漬液的接觸角;h為浸漬液上升高度;t為浸漬液上升時間。

根據界面上材料相互吸引理論,假定固體總的表面能等于各個分子之間相互作用的總和,于是表面能γ可以表達為:

γ=γd+γh

(6)

式中:γd為色散分量;γh為氫鍵力分量。

采用已知的浸漬液為戊烷、蒸餾水、甲酰胺、甲苯,其表面參數如表5。

表5 浸漬液的表面參數

通過市場調研,結合瀝青混合料填充粉體的類別,分別選取了礦粉、普通水泥、粉煤灰以及石墨烯等比表面積相對較大的分散粉體,利用毛細管法并通過式(5)、式(6)測得相應分散粉體表面能如表6。

表6 分散粉體表面能

2.1.4 表面張力

通過Fowkes的假設定,Owens和Wendt把界面張力進行了優(yōu)化[15],如式(7):

(7)

式(7)為通用公式,對于固-固兩相和固-液兩相均適用。

故根據式(7),結合分析得出的PVA纖維和分散粉體表面能參數,求得PVA與礦粉、粉煤灰、普通水泥、石墨烯的表面張力分別為7.63、4.54、3.47、7 944.83 mJ/m2。

2.1.5 分散粉體優(yōu)選

根據計算得到的表面張力,結合式(2)、式(3),即可計算出ΔGa,ff、ΔGa,fp。理論上,只要ΔGa,fp>ΔGa,ff即可完成PVA纖維束的分散,兩者的差值越大分散效果越好。計算結果如表7。

表7 分散粉體吉布斯自由能計算結果

表7為表面積為1 m2的4種分散粉體與PVA纖維吉布斯自由能(黏附功)的大小。分散粉體與PVA纖維的吉布斯自由能中,能量大小由大到小分別為石墨烯、礦粉、粉煤灰以及普通水泥,其中礦粉、粉煤灰、普通水泥在72～80 mJ/m2間波動,而石墨烯與纖維的吉布斯自由能達到了1 013 mJ/m2,出現了量級的增大,其u(即ΔGa,fp/ΔGa,ff)為其余3種分散粉體的13倍左右。故理論上,石墨烯是分散效果最好的分散粉體。但是由于石墨烯過于昂貴,用于分散PVA纖維經濟性太差。綜上,選擇礦粉作為分散粉體。

2.2 PVA纖維的分散效果評價

市面上PVA短切纖維根據長度不同,分為3、6、12 mm,直徑10～42 μm不等。不同的纖維長度以及不同的分散粉體同纖維的質量比,必定對分散效果影響巨大。故選定礦粉作為分散粉體,并對不同長度的PVA纖維以及不同PVA纖維與礦粉的質量比進行分散效果研究,探索最優(yōu)PVA纖維長度及質量比。

質量變異系數法是一種用于測定PVA纖維在分散粉體作用下分散效果的方法[16],能夠評價PVA纖維的分散效果。利用質量質量10份纖維均值的變異系數Cv來反映其分散程度的,評價指標為:

(8)

式中:μ為通過質量均分稱重法求得的10份纖維的均值;σ為10份纖維均值的標準差。

由式(8)可知,若纖維與分散粉體的分散程度越低,則10等分后的PVA纖維質量離散性就越大,質量變異系數Cv就越大。因此,可以用質量變異系數法判斷分布均勻性。

故分別選取20 g不同長度的PVA纖維,在不同質量比下用水泥砂漿攪拌機拌和3 min,然后采用四分法均勻分成10份,每份通過干篩法初步對PVA纖維與礦粉進行篩分,濾去多余的礦粉后進行對其進行水洗篩分,隨后在105 ℃烘箱中放置1 h后進行質量稱量,通過每份的質量變異系數來評價分散效果。

2.2.1 不同長度PVA纖維的分散效果

纖維的長徑比達到1∶10以上時,其纖維可視作長圓柱體,選擇PVA纖維直徑為15 μm,無論直徑是3、6、12 mm,從微觀角度講PVA纖維在混凝土中可視作長圓柱體,即在此基礎上研究不同長徑比下纖維的分散效果意義不大,故對PVA纖維的長徑比不做考慮,只研究其長度因素。

選擇3、6、12 mm的PVA纖維,采取質量比1∶45,對其按質量變異系數法要求的實驗方法進行測試,結果如表8。

表8 不同長度PVA纖維質量測試結果

由表8可知,質量變異系數隨著PVA纖維長度的降低逐漸變小,同時3、6 mm纖維的質量變異系數相差不大,與12 mm纖維質量變異系數相比差距較大,說明12 mm的PVA纖維分散效果較差。同時結合12 mm PVA纖維拌和效果,肉眼可見PVA纖維有相互纏繞甚至裹附在攪拌葉片上的現象。綜上,認為12 mm的PVA纖維分散效果不佳,3、6 mm的PVA纖維分散效果較好,質量變異系數相差不大的情況下,結合現有路用纖維長度推薦值,推選6 mm的纖維作為最優(yōu)長度。

2.2.2 不同質量比下的PVA纖維分散效果

選擇6 mm的PVA纖維,在纖維質量與礦粉質量比為1∶15、1∶30、1∶45、1∶60時,按質量變異系數法要求的實驗方法進行測試,結果如表9。

表9 不同質量比下的測試結果

由表9可知,變異系數隨著質量比的增大,其變異系數逐漸變小,即分散越來越均勻。當質量比達到1∶30以上,質量比帶來的變異系數的變化趨勢越來越小,并且逐步達到穩(wěn)定,繼續(xù)增加質量比會提高混合料中礦粉占比,影響混合料水穩(wěn)定性,故認為在質量比1∶30時已達到最佳分效果。

2.3 瀝青混合料抗裂性能評價

目前針對瀝青混合料抗裂性能評價方式多種多樣,業(yè)界普遍采取彎曲試驗對其混合料小梁抗裂性能進行評價。溫拌PVA纖維瀝青混合料的成型,采取6 mm的PVA纖維同礦粉在1∶30質量比下進行分散,混合料類型選擇中值型AC-13型級配,溫拌劑選擇Aspha-min,摻量為混合料質量的3‰。隨后按照JTG E 20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》,進行了溫拌PVA纖維AC-13型級配中值的混合料成型,以及對比組溫拌瀝青混合料和熱拌瀝青混合料的小梁試件彎曲試驗的測試。

針對目前廣大道路工作者質疑小梁彎曲其勁度模量表征抗裂性是否有效、科學的問題,封基良[17]提出了臨界應變能概念,采取該指標對添加了PVA纖維的溫拌瀝青混合料抗裂性能進行評價,其測試結果如表10。

表10 彎曲試驗測試結果

表10表明,溫拌劑的加入明顯降低了瀝青混合料的抗裂性。PVA纖維的加入對混合料的抗裂性能的提升從彎曲勁度模量上看沒有區(qū)別,采用彎曲勁度模量評價低溫抗裂性的準確性有待商榷。臨界彎曲應變能很好彌補了彎曲試驗評價低溫抗裂不準確的缺陷,溫拌劑的加入使其臨界彎曲應變能下降了23.2%,而溫拌PVA纖維瀝青混合料其抗裂性能比熱拌瀝青混合料還高出54.3%,大大提高了混合料的抗裂性。可見適當長度、適當摻量的PVA纖維在溫拌降溫技術下,其對混合料抗裂性能的提升是顯著的,良好發(fā)揮了纖維在混合料中的吸附、加筋、穩(wěn)定、分散作用。

3 結 論

1)對PVA纖維的耐熱性進行了評價,PVA纖維在常規(guī)熱拌溫度下無法拌和,而在相對低溫條件下(130～140 ℃),其能保持常溫下的性狀,證明了溫拌降溫技術下,PVA纖維同瀝青具有相應的配伍性。

2)結合復合材料界面理論,計算分散粉體、PVA纖維的表面張力及表面能,優(yōu)選礦粉作為PVA纖維的分散粉體。

3)利用質量變異系數法,在不同長度、不同質量比下的因素下,對PVA纖維的分散效果進行評價,明確PVA纖維最佳長度為6 mm,與礦粉的最佳質量比為1∶30。

4)通過彎曲實驗,利用臨界應變能評價溫拌PVA纖維瀝青混合料抗裂性能,其抗裂性與熱拌瀝青混合料相比提升了約54.3%,抵抗開裂性能良好。