基于温拌技术的PVA纤维沥青配伍性及抗裂研究

赵 阳,梁乃兴,贾晓东

(1. 重庆交通大学 土木工程学院,重庆 400074; 2. 重庆工商职业学院 城市建设工程学院,重庆 400052)

0 引 言

纤维沥青混凝土是一种通过掺入纤维材料改善沥青混合料综合性能,从而提高沥青路面使用品质的复合材料[1]。相比于其它改性方法(如聚合物改性),纤维改性沥青混凝土能阻止混凝土结构中裂缝的扩展(包括温缩裂缝和反射裂缝)并减少车辙流动变形和疲劳破坏的出现[2-3]。

聚乙烯醇纤维(简称PVA纤维)通常被运用在冷拌沥青混合料或水泥基复合材料中,通过直接拉伸、间接拉伸以及相应胶结料实验,表明其抗裂性能了大幅度提高。姚立阳等[4]研究了聚丙烯腈纤维和木质素纤维对沥青胶浆的影响,结果表明纤维胶浆的热稳定性同普通沥青相比有显著提高,抵抗车辙能力较好,抗流变性增强;吴萌萌等[5]在沥青中掺加木质素纤维、DOA纤维,研究了不同纤维的宏观及微观反应,通过流变仪以及锥入度等试验方法,表明纤维的加入提高了沥青的黏度,阻止了沥青中有效沥青的流动,提高了高温性能。

然而,目前国内外对纤维沥青混凝土的研究聚焦在木质素纤维、聚酯纤维、聚丙烯腈纤维的研究[6-7],对于伸缩率较低、强度较高、增强抗裂性更好的PVA纤维研究集中在水泥基复合材料上[8-9],对于PVA纤维沥青混凝土的研究几乎为空白。这是因为PVA纤维在常规热拌温度下会卷曲、收缩、脱水醚化,失去本身常规性能,无法达到复合加强沥青混合料综合性能的目的。

综上,在温拌降温技术下,以PVA纤维沥青混合料为研究对象,通过分散粉体优选及PVA纤维均匀性评价等方式,研究PVA纤维与温拌沥青混合料配伍性,在此基础上探究纤维沥青混凝土抗裂性。

1 PVA纤维性能

纤维作为一种改善沥青混合料性能的物理加强型材料,其自身的物理特性决定了纤维对沥青混合料性能的复合增强效果,其中耐热性更是PVA纤维是否能运用于沥青混凝土的关键性前提。

1.1 常规性能

反映纤维性能的指标主要有抗拉强度、弹性模量、极限延伸率、密度、熔融温度,按照JT/T 533—2020《沥青路面用纤维》要求,对常见的沥青路用纤维与PVA纤维进行测试对比,结果如表1。

表1 PVA纤维与常用路用纤维性能对比

由表1可知,PVA纤维拉伸强度、弹性模量高于常见路用纤维,其优良的力学性能使其掺入沥青后加筋、吸附效果更为显著。同时,过大或过小的伸长率会引起纤维与混凝土基材过晚或者提前发挥其抗拉能力,降低纤维物理增强效果。PVA纤维断裂伸长率适宜,能很好束缚混合料中的自由沥青,故PVA纤维常规性能同其他常见纤维相比性能优势显著,是良好的路用沥青混合料复合加强材料。

1.2 PVA纤维耐热性

PVA纤维熔点230 ℃,玻璃化温度80～95 ℃,在空气中加热至130 ℃以上慢慢变色、脆化。加热至160～170 ℃脱水醚化,失去本身性质。传统沥青混合料生产工艺是在160～170 ℃高温下拌和1～3 min,PVA纤维的耐热性能能否在该工艺下依旧保持常规性状,是PVA纤维复合加强混凝土的关键。

选取长度为12 mm,直径15 μm的束状PVA纤维,人为用镊子将PVA纤维剥离成单丝状,20根为一组,分别放入130、140、150、160、170 ℃的烘箱内3 min,模拟沥青混合料生产拌和时PVA受热情况,其受热收缩状态统计结果如表2。

表2 PVA纤维受热3分钟后收缩状态统计

由表2可知,PVA纤维在受热3 min后,130、140 ℃下仍然保持原有竖直状态;当温度上升至150、160 ℃时收缩非常显著,纤维呈现弯曲、蜷缩状态;当温度上升至170 ℃时,纤维已经收缩成一个小团状,不再具备加筋分散作用。从拉伸强度上分析,随着温度的上升,纤维拉升强度逐步减小,特别是150 ℃以上,其拉伸强度出现了陡降的趋势。

综上,常规拌和时间内(3 min),PVA纤维在130～140 ℃下能保持其常温下的竖直状态,其基本物理性质没有改变。

2 分散粉体优选及分散效果评价

2.1 PVA纤维分散粉体的选择

PVA纤维出厂状态为束状,如图1。每克束状PVA纤维包含数以万根单丝纤维,如何将其均匀分散成单丝状,是PVA纤维能否在沥青混凝土中增强、加筋的决定因素[10]。故利用复合界面理论,选取普通水泥、粉煤灰、石墨烯、矿粉共4种分散粉体,对其接触角以及表面能参数进行测试,确立分散粉体分散PVA纤维的可行性。

图1 束状PVA纤维

2.1.1 PVA纤维分散理论

纤维在空气中,与分散粉体相互作用,理论上如果分散粉体与单丝纤维的黏附功Wa,fp大于单丝纤维与单丝纤维间的黏附功Wa,ff,即可成功实现分散粉体将纤维束分散,且两者的差值越大,纤维束的分散效果越显著。

根据黏附功概念,系统做功大小与能量变化两者相等,基于此并结合英国物理学家Thomas Young提出的固-液-气三相受力平衡方程,文献[11]将黏附功、吉布斯自由能与材料表面各指标参数统为:

γSV=γSL+ cosθ×γLV

(1)

ΔGa,ff=-Wa,ff=γff-γf-γf

(2)

ΔGa,fp=-Wa,fp=γfp-γp-γf

(3)

式中:γSV为固态与气态的界面张力,即固体表面能;γLV为液态与气态的界面张力,即液态表面能;γSL为固态与液态的界面张力;θ为液态在固态上形成的接触角;ΔGa,ff为单丝纤维之间吉布斯自由能;ΔGa,fp为单丝纤维与分散粉体之间吉布斯自由能;γff为单丝PVA纤维与PVA纤维表面张力;γfp为单丝PVA纤维与分散粉体表面张力;γf为PVA纤维表面能;γp为分散粉体表面能。

由式(1)—式(3)可见,为求得Wa,fp和Wa,ff,只需求得PVA纤维、分散粉体的表面能以及纤维之间、纤维与分散粉体的表面张力。

2.1.2 PVA纤维表面能

PVA纤维是一种高分子材料,其分子表面没有流动性,按照常规的接触角法测试其表面能存在不确定性,不能对其表面能进行测试。故根据内聚能密度的概念与自由能的关系,通过的Small色散力变化趋势[12],提出表面能γ的调和平均法如式(4):

(4)

式中:ns为高聚物重复单元的原子数;Vm,s为重复单元摩尔体积;∑Fs为重复单元Small色散力的加和。

常见的聚合物摩尔体积和结构单元Small色散力见表3[13]和表4。

表3 常见聚合物摩尔体积

又根据PVA纤维的分子结构为:

故其重复单元原子数为7,则根据表3、表4和式(4)可得PVA纤维表面能为:

2.1.3 分散粉体表面能

根据固-液-气三相受力平衡方程,文献[14]评价分散粉体的表面能必须测试其接触角,而毛细管法是测量表面张力较为精确的方法,该方法有较完整的理论实验条件,同时也利于控制,许多学者推荐采用该方法测试固体粉末的表面参数。该方法的原理为将待测粉末装入测试管中,然后倒入已知参数的浸渍液,通过浸渍液体的上升速率,计算固体与液体的接触角,从而求得相应表面能,如式(5):

(5)

式中:r为单个毛细通道的有效半径;γL为已知参数的浸渍液的表面张力;η为已知参数的浸渍液的动力黏度;φ为粉末与浸渍液的接触角;h为浸渍液上升高度;t为浸渍液上升时间。

根据界面上材料相互吸引理论,假定固体总的表面能等于各个分子之间相互作用的总和,于是表面能γ可以表达为:

γ=γd+γh

(6)

式中:γd为色散分量;γh为氢键力分量。

采用已知的浸渍液为戊烷、蒸馏水、甲酰胺、甲苯,其表面参数如表5。

表5 浸渍液的表面参数

通过市场调研,结合沥青混合料填充粉体的类别,分别选取了矿粉、普通水泥、粉煤灰以及石墨烯等比表面积相对较大的分散粉体,利用毛细管法并通过式(5)、式(6)测得相应分散粉体表面能如表6。

表6 分散粉体表面能

2.1.4 表面张力

通过Fowkes的假设定,Owens和Wendt把界面张力进行了优化[15],如式(7):

(7)

式(7)为通用公式,对于固-固两相和固-液两相均适用。

故根据式(7),结合分析得出的PVA纤维和分散粉体表面能参数,求得PVA与矿粉、粉煤灰、普通水泥、石墨烯的表面张力分别为7.63、4.54、3.47、7 944.83 mJ/m2。

2.1.5 分散粉体优选

根据计算得到的表面张力,结合式(2)、式(3),即可计算出ΔGa,ff、ΔGa,fp。理论上,只要ΔGa,fp>ΔGa,ff即可完成PVA纤维束的分散,两者的差值越大分散效果越好。计算结果如表7。

表7 分散粉体吉布斯自由能计算结果

表7为表面积为1 m2的4种分散粉体与PVA纤维吉布斯自由能(黏附功)的大小。分散粉体与PVA纤维的吉布斯自由能中,能量大小由大到小分别为石墨烯、矿粉、粉煤灰以及普通水泥,其中矿粉、粉煤灰、普通水泥在72～80 mJ/m2间波动,而石墨烯与纤维的吉布斯自由能达到了1 013 mJ/m2,出现了量级的增大,其u(即ΔGa,fp/ΔGa,ff)为其余3种分散粉体的13倍左右。故理论上,石墨烯是分散效果最好的分散粉体。但是由于石墨烯过于昂贵,用于分散PVA纤维经济性太差。综上,选择矿粉作为分散粉体。

2.2 PVA纤维的分散效果评价

市面上PVA短切纤维根据长度不同,分为3、6、12 mm,直径10～42 μm不等。不同的纤维长度以及不同的分散粉体同纤维的质量比,必定对分散效果影响巨大。故选定矿粉作为分散粉体,并对不同长度的PVA纤维以及不同PVA纤维与矿粉的质量比进行分散效果研究,探索最优PVA纤维长度及质量比。

质量变异系数法是一种用于测定PVA纤维在分散粉体作用下分散效果的方法[16],能够评价PVA纤维的分散效果。利用质量质量10份纤维均值的变异系数Cv来反映其分散程度的,评价指标为:

(8)

式中:μ为通过质量均分称重法求得的10份纤维的均值;σ为10份纤维均值的标准差。

由式(8)可知,若纤维与分散粉体的分散程度越低,则10等分后的PVA纤维质量离散性就越大,质量变异系数Cv就越大。因此,可以用质量变异系数法判断分布均匀性。

故分别选取20 g不同长度的PVA纤维,在不同质量比下用水泥砂浆搅拌机拌和3 min,然后采用四分法均匀分成10份,每份通过干筛法初步对PVA纤维与矿粉进行筛分,滤去多余的矿粉后进行对其进行水洗筛分,随后在105 ℃烘箱中放置1 h后进行质量称量,通过每份的质量变异系数来评价分散效果。

2.2.1 不同长度PVA纤维的分散效果

纤维的长径比达到1∶10以上时,其纤维可视作长圆柱体,选择PVA纤维直径为15 μm,无论直径是3、6、12 mm,从微观角度讲PVA纤维在混凝土中可视作长圆柱体,即在此基础上研究不同长径比下纤维的分散效果意义不大,故对PVA纤维的长径比不做考虑,只研究其长度因素。

选择3、6、12 mm的PVA纤维,采取质量比1∶45,对其按质量变异系数法要求的实验方法进行测试,结果如表8。

表8 不同长度PVA纤维质量测试结果

由表8可知,质量变异系数随着PVA纤维长度的降低逐渐变小,同时3、6 mm纤维的质量变异系数相差不大,与12 mm纤维质量变异系数相比差距较大,说明12 mm的PVA纤维分散效果较差。同时结合12 mm PVA纤维拌和效果,肉眼可见PVA纤维有相互缠绕甚至裹附在搅拌叶片上的现象。综上,认为12 mm的PVA纤维分散效果不佳,3、6 mm的PVA纤维分散效果较好,质量变异系数相差不大的情况下,结合现有路用纤维长度推荐值,推选6 mm的纤维作为最优长度。

2.2.2 不同质量比下的PVA纤维分散效果

选择6 mm的PVA纤维,在纤维质量与矿粉质量比为1∶15、1∶30、1∶45、1∶60时,按质量变异系数法要求的实验方法进行测试,结果如表9。

表9 不同质量比下的测试结果

由表9可知,变异系数随着质量比的增大,其变异系数逐渐变小,即分散越来越均匀。当质量比达到1∶30以上,质量比带来的变异系数的变化趋势越来越小,并且逐步达到稳定,继续增加质量比会提高混合料中矿粉占比,影响混合料水稳定性,故认为在质量比1∶30时已达到最佳分效果。

2.3 沥青混合料抗裂性能评价

目前针对沥青混合料抗裂性能评价方式多种多样,业界普遍采取弯曲试验对其混合料小梁抗裂性能进行评价。温拌PVA纤维沥青混合料的成型,采取6 mm的PVA纤维同矿粉在1∶30质量比下进行分散,混合料类型选择中值型AC-13型级配,温拌剂选择Aspha-min,掺量为混合料质量的3‰。随后按照JTG E 20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》,进行了温拌PVA纤维AC-13型级配中值的混合料成型,以及对比组温拌沥青混合料和热拌沥青混合料的小梁试件弯曲试验的测试。

针对目前广大道路工作者质疑小梁弯曲其劲度模量表征抗裂性是否有效、科学的问题,封基良[17]提出了临界应变能概念,采取该指标对添加了PVA纤维的温拌沥青混合料抗裂性能进行评价,其测试结果如表10。

表10 弯曲试验测试结果

表10表明,温拌剂的加入明显降低了沥青混合料的抗裂性。PVA纤维的加入对混合料的抗裂性能的提升从弯曲劲度模量上看没有区别,采用弯曲劲度模量评价低温抗裂性的准确性有待商榷。临界弯曲应变能很好弥补了弯曲试验评价低温抗裂不准确的缺陷,温拌剂的加入使其临界弯曲应变能下降了23.2%,而温拌PVA纤维沥青混合料其抗裂性能比热拌沥青混合料还高出54.3%,大大提高了混合料的抗裂性。可见适当长度、适当掺量的PVA纤维在温拌降温技术下,其对混合料抗裂性能的提升是显著的,良好发挥了纤维在混合料中的吸附、加筋、稳定、分散作用。

3 结 论

1)对PVA纤维的耐热性进行了评价,PVA纤维在常规热拌温度下无法拌和,而在相对低温条件下(130～140 ℃),其能保持常温下的性状,证明了温拌降温技术下,PVA纤维同沥青具有相应的配伍性。

2)结合复合材料界面理论,计算分散粉体、PVA纤维的表面张力及表面能,优选矿粉作为PVA纤维的分散粉体。

3)利用质量变异系数法,在不同长度、不同质量比下的因素下,对PVA纤维的分散效果进行评价,明确PVA纤维最佳长度为6 mm,与矿粉的最佳质量比为1∶30。

4)通过弯曲实验,利用临界应变能评价温拌PVA纤维沥青混合料抗裂性能,其抗裂性与热拌沥青混合料相比提升了约54.3%,抵抗开裂性能良好。