趙 陽(yáng),梁乃興,賈曉東

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

0 引 言

纖維瀝青混凝土是一種通過(guò)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(zhì)的復(fù)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(jié)構(gòu)中裂縫的擴(kuò)展(包括溫縮裂縫和反射裂縫)并減少車轍流動(dòng)變形和疲勞破壞的出現(xiàn)[2-3]。

聚乙烯醇纖維(簡(jiǎn)稱PVA纖維)通常被運(yùn)用在冷拌瀝青混合料或水泥基復(fù)合材料中,通過(guò)直接拉伸、間接拉伸以及相應(yīng)膠結(jié)料實(shí)驗(yàn),表明其抗裂性能了大幅度提高。姚立陽(yáng)等[4]研究了聚丙烯腈纖維和木質(zhì)素纖維對(duì)瀝青膠漿的影響,結(jié)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(qiáng);吳萌萌等[5]在瀝青中摻加木質(zhì)素纖維、DOA纖維,研究了不同纖維的宏觀及微觀反應(yīng),通過(guò)流變儀以及錐入度等試驗(yàn)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(dòng),提高了高溫性能。

然而,目前國(guó)內(nèi)外對(duì)纖維瀝青混凝土的研究聚焦在木質(zhì)素纖維、聚酯纖維、聚丙烯腈纖維的研究[6-7],對(duì)于伸縮率較低、強(qiáng)度較高、增強(qiáng)抗裂性更好的PVA纖維研究集中在水泥基復(fù)合材料上[8-9],對(duì)于PVA纖維瀝青混凝土的研究幾乎為空白。這是因?yàn)镻VA纖維在常規(guī)熱拌溫度下會(huì)卷曲、收縮、脫水醚化,失去本身常規(guī)性能,無(wú)法達(dá)到復(fù)合加強(qiáng)瀝青混合料綜合性能的目的。

綜上,在溫拌降溫技術(shù)下,以PVA纖維瀝青混合料為研究對(duì)象,通過(guò)分散粉體優(yōu)選及PVA纖維均勻性評(píng)價(jià)等方式,研究PVA纖維與溫拌瀝青混合料配伍性,在此基礎(chǔ)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(qiáng)型材料,其自身的物理特性決定了纖維對(duì)瀝青混合料性能的復(fù)合增強(qiáng)效果,其中耐熱性更是PVA纖維是否能運(yùn)用于瀝青混凝土的關(guān)鍵性前提。

1.1 常規(guī)性能

反映纖維性能的指標(biāo)主要有抗拉強(qiáng)度、彈性模量、極限延伸率、密度、熔融溫度,按照J(rèn)T/T 533—2020《瀝青路面用纖維》要求,對(duì)常見(jiàn)的瀝青路用纖維與PVA纖維進(jìn)行測(cè)試對(duì)比,結(jié)果如表1。

表1 PVA纖維與常用路用纖維性能對(duì)比

由表1可知,PVA纖維拉伸強(qiáng)度、彈性模量高于常見(jiàn)路用纖維,其優(yōu)良的力學(xué)性能使其摻入瀝青后加筋、吸附效果更為顯著。同時(shí),過(guò)大或過(guò)小的伸長(zhǎng)率會(huì)引起纖維與混凝土基材過(guò)晚或者提前發(fā)揮其抗拉能力,降低纖維物理增強(qiáng)效果。PVA纖維斷裂伸長(zhǎng)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(jiàn)纖維相比性能優(yōu)勢(shì)顯著,是良好的路用瀝青混合料復(fù)合加強(qiáng)材料。

1.2 PVA纖維耐熱性

PVA纖維熔點(diǎn)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(zhì)。傳統(tǒng)瀝青混合料生產(chǎn)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(fù)合加強(qiáng)混凝土的關(guān)鍵。

選取長(zhǎng)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(nèi)3 min,模擬瀝青混合料生產(chǎn)拌和時(shí)PVA受熱情況,其受熱收縮狀態(tài)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2。

表2 PVA纖維受熱3分鐘后收縮狀態(tài)統(tǒng)計(jì)

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(dāng)溫度上升至150、160 ℃時(shí)收縮非常顯著,纖維呈現(xiàn)彎曲、蜷縮狀態(tài);當(dāng)溫度上升至170 ℃時(shí),纖維已經(jīng)收縮成一個(gè)小團(tuán)狀,不再具備加筋分散作用。從拉伸強(qiáng)度上分析,隨著溫度的上升,纖維拉升強(qiáng)度逐步減小,特別是150 ℃以上,其拉伸強(qiáng)度出現(xiàn)了陡降的趨勢(shì)。

綜上,常規(guī)拌和時(shí)間內(nèi)(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(zhì)沒(méi)有改變。

2 分散粉體優(yōu)選及分散效果評(píng)價(jià)

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(shù)以萬(wàn)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(qiáng)、加筋的決定因素[10]。故利用復(fù)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(duì)其接觸角以及表面能參數(shù)進(jìn)行測(cè)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(shí)現(xiàn)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(jù)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(jié)合英國(guó)物理學(xué)家Thomas Young提出的固-液-氣三相受力平衡方程,文獻(xiàn)[11]將黏附功、吉布斯自由能與材料表面各指標(biāo)參數(shù)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(jiàn),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(méi)有流動(dòng)性,按照常規(guī)的接觸角法測(cè)試其表面能存在不確定性,不能對(duì)其表面能進(jìn)行測(cè)試。故根據(jù)內(nèi)聚能密度的概念與自由能的關(guān)系,通過(guò)的Small色散力變化趨勢(shì)[12],提出表面能γ的調(diào)和平均法如式(4):

(4)

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

常見(jiàn)的聚合物摩爾體積和結(jié)構(gòu)單元Small色散力見(jiàn)表3[13]和表4。

表3 常見(jiàn)聚合物摩爾體積

又根據(jù)PVA纖維的分子結(jié)構(gòu)為:

故其重復(fù)單元原子數(shù)為7,則根據(jù)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(jù)固-液-氣三相受力平衡方程,文獻(xiàn)[14]評(píng)價(jià)分散粉體的表面能必須測(cè)試其接觸角,而毛細(xì)管法是測(cè)量表面張力較為精確的方法,該方法有較完整的理論實(shí)驗(yàn)條件,同時(shí)也利于控制,許多學(xué)者推薦采用該方法測(cè)試固體粉末的表面參數(shù)。該方法的原理為將待測(cè)粉末裝入測(cè)試管中,然后倒入已知參數(shù)的浸漬液,通過(guò)浸漬液體的上升速率,計(jì)算固體與液體的接觸角,從而求得相應(yīng)表面能,如式(5):

(5)

式中:r為單個(gè)毛細(xì)通道的有效半徑;γL為已知參數(shù)的浸漬液的表面張力;η為已知參數(shù)的浸漬液的動(dòng)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(shí)間。

根據(jù)界面上材料相互吸引理論,假定固體總的表面能等于各個(gè)分子之間相互作用的總和,于是表面能γ可以表達(dá)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(shù)如表5。

表5 浸漬液的表面參數(shù)

通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研,結(jié)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(duì)較大的分散粉體,利用毛細(xì)管法并通過(guò)式(5)、式(6)測(cè)得相應(yīng)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(guò)Fowkes的假設(shè)定,Owens和Wendt把界面張力進(jìn)行了優(yōu)化[15],如式(7):

(7)

式(7)為通用公式,對(duì)于固-固兩相和固-液兩相均適用。

故根據(jù)式(7),結(jié)合分析得出的PVA纖維和分散粉體表面能參數(shù),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(jù)計(jì)算得到的表面張力,結(jié)合式(2)、式(3),即可計(jì)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(jì)算結(jié)果如表7。

表7 分散粉體吉布斯自由能計(jì)算結(jié)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(dòng),而石墨烯與纖維的吉布斯自由能達(dá)到了1 013 mJ/m2,出現(xiàn)了量級(jí)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(guò)于昂貴,用于分散PVA纖維經(jīng)濟(jì)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(píng)價(jià)

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

質(zhì)量變異系數(shù)法是一種用于測(cè)定PVA纖維在分散粉體作用下分散效果的方法[16],能夠評(píng)價(jià)PVA纖維的分散效果。利用質(zhì)量質(zhì)量10份纖維均值的變異系數(shù)Cv來(lái)反映其分散程度的,評(píng)價(jià)指標(biāo)為:

(8)

式中:μ為通過(guò)質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)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(zhì)量離散性就越大,質(zhì)量變異系數(shù)Cv就越大。因此,可以用質(zhì)量變異系數(shù)法判斷分布均勻性。

故分別選取20 g不同長(zhǎng)度的PVA纖維,在不同質(zhì)量比下用水泥砂漿攪拌機(jī)拌和3 min,然后采用四分法均勻分成10份,每份通過(guò)干篩法初步對(duì)PVA纖維與礦粉進(jìn)行篩分,濾去多余的礦粉后進(jìn)行對(duì)其進(jìn)行水洗篩分,隨后在105 ℃烘箱中放置1 h后進(jìn)行質(zhì)量稱量,通過(guò)每份的質(zhì)量變異系數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)分散效果。

2.2.1 不同長(zhǎng)度PVA纖維的分散效果

纖維的長(zhǎng)徑比達(dá)到1∶10以上時(shí),其纖維可視作長(zhǎng)圓柱體,選擇PVA纖維直徑為15 μm,無(wú)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(zhǎng)圓柱體,即在此基礎(chǔ)上研究不同長(zhǎng)徑比下纖維的分散效果意義不大,故對(duì)PVA纖維的長(zhǎng)徑比不做考慮,只研究其長(zhǎng)度因素。

選擇3、6、12 mm的PVA纖維,采取質(zhì)量比1∶45,對(duì)其按質(zhì)量變異系數(shù)法要求的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果如表8。

表8 不同長(zhǎng)度PVA纖維質(zhì)量測(cè)試結(jié)果

由表8可知,質(zhì)量變異系數(shù)隨著PVA纖維長(zhǎng)度的降低逐漸變小,同時(shí)3、6 mm纖維的質(zhì)量變異系數(shù)相差不大,與12 mm纖維質(zhì)量變異系數(shù)相比差距較大,說(shuō)明12 mm的PVA纖維分散效果較差。同時(shí)結(jié)合12 mm PVA纖維拌和效果,肉眼可見(jiàn)PVA纖維有相互纏繞甚至裹附在攪拌葉片上的現(xiàn)象。綜上,認(rèn)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(zhì)量變異系數(shù)相差不大的情況下,結(jié)合現(xiàn)有路用纖維長(zhǎng)度推薦值,推選6 mm的纖維作為最優(yōu)長(zhǎng)度。

2.2.2 不同質(zhì)量比下的PVA纖維分散效果

選擇6 mm的PVA纖維,在纖維質(zhì)量與礦粉質(zhì)量比為1∶15、1∶30、1∶45、1∶60時(shí),按質(zhì)量變異系數(shù)法要求的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果如表9。

表9 不同質(zhì)量比下的測(cè)試結(jié)果

由表9可知,變異系數(shù)隨著質(zhì)量比的增大,其變異系數(shù)逐漸變小,即分散越來(lái)越均勻。當(dāng)質(zhì)量比達(dá)到1∶30以上,質(zhì)量比帶來(lái)的變異系數(shù)的變化趨勢(shì)越來(lái)越小,并且逐步達(dá)到穩(wěn)定,繼續(xù)增加質(zhì)量比會(huì)提高混合料中礦粉占比,影響混合料水穩(wěn)定性,故認(rèn)為在質(zhì)量比1∶30時(shí)已達(dá)到最佳分效果。

2.3 瀝青混合料抗裂性能評(píng)價(jià)

目前針對(duì)瀝青混合料抗裂性能評(píng)價(jià)方式多種多樣,業(yè)界普遍采取彎曲試驗(yàn)對(duì)其混合料小梁抗裂性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。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(zhì)量比下進(jìn)行分散,混合料類型選擇中值型AC-13型級(jí)配,溫拌劑選擇Aspha-min,摻量為混合料質(zhì)量的3‰。隨后按照J(rèn)TG E 20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》,進(jìn)行了溫拌PVA纖維AC-13型級(jí)配中值的混合料成型,以及對(duì)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(yàn)的測(cè)試。

針對(duì)目前廣大道路工作者質(zhì)疑小梁彎曲其勁度模量表征抗裂性是否有效、科學(xué)的問(wèn)題,封基良[17]提出了臨界應(yīng)變能概念,采取該指標(biāo)對(duì)添加了PVA纖維的溫拌瀝青混合料抗裂性能進(jìn)行評(píng)價(jià),其測(cè)試結(jié)果如表10。

表10 彎曲試驗(yàn)測(cè)試結(jié)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(duì)混合料的抗裂性能的提升從彎曲勁度模量上看沒(méi)有區(qū)別,采用彎曲勁度模量評(píng)價(jià)低溫抗裂性的準(zhǔn)確性有待商榷。臨界彎曲應(yīng)變能很好彌補(bǔ)了彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)低溫抗裂不準(zhǔn)確的缺陷,溫拌劑的加入使其臨界彎曲應(yīng)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?？梢?jiàn)適當(dāng)長(zhǎng)度、適當(dāng)摻量的PVA纖維在溫拌降溫技術(shù)下,其對(duì)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(jié) 論

1)對(duì)PVA纖維的耐熱性進(jìn)行了評(píng)價(jià),PVA纖維在常規(guī)熱拌溫度下無(wú)法拌和,而在相對(duì)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(shù)下,PVA纖維同瀝青具有相應(yīng)的配伍性。

2)結(jié)合復(fù)合材料界面理論,計(jì)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(zhì)量變異系數(shù)法,在不同長(zhǎng)度、不同質(zhì)量比下的因素下,對(duì)PVA纖維的分散效果進(jìn)行評(píng)價(jià),明確PVA纖維最佳長(zhǎng)度為6 mm,與礦粉的最佳質(zhì)量比為1∶30。

4)通過(guò)彎曲實(shí)驗(yàn),利用臨界應(yīng)變能評(píng)價(jià)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(kāi)裂性能良好。