基于表面能理论光纤埋设对沥青混合料黏附性能影响研究

张志远 廖梦回 苗 强 罗 蓉

(武汉理工大学交通与物流工程学院1) 武汉 430063) (湖北省公路工程技术研究中心2) 武汉 430063)

0 引 言

基于沥青路面结构内部力学响应信息监测的需要,光纤光栅传感技术广泛应用于沥青路面结构内部力学响应监测中.陈少幸等[1]论证了光纤光栅传感器应用于路面响应信息监测的可行性.Abdel等[2]利用光纤光栅传感器研究路面抗反射裂缝的性能.谭忆秋等[3]进行了基于光纤光栅传感技术的沥青路面永久变形计算方法研究.

光纤光栅传感器与沥青混合料的协同变形研究受到了专家学者的广泛关注.田庚亮等[4-7]进行光纤光栅传感器与沥青混合料协同变形研究,分析了高模量传感器对于沥青路面应力、应变场分布的影响.然而,这些研究大都集中于光纤光栅传感器与沥青混合料的模量匹配.研究表明:沥青路面结构在光纤长期埋设处易产生开裂,沥青路面结构在光纤长期埋设处易出现水损害问题,影响沥青路面结构的使用性能及寿命,需要针对沥青混合料与光纤封装材料的黏附性能展开研究[8-9].

文中采用表面能理论分析了光纤封装材料与沥青混合料的黏附性能,研究不同光纤封装材料与沥青之间的黏附性,利用改进水煮法对表面能分析结果进行验证,同时测试不同光纤封装材料的耐高温性及强度,进行光纤封装材料优选.通过对光纤埋设体积比的计算与测试,提出基于光纤埋设体积比的沥青胶浆-封装材料匹配性指标,并通过宏观沥青混合料水稳定性试验检验该指标的准确性.

1 沥青、光纤封装材料表面能参数测试

1.1 表面能理论及参数计算

表面能理论能够利用黏附结合能、内聚结合能等理论客观准确的推理沥青混合料在液态水的影响下产生破坏的机制.表面能试验受外界影响较小,采用定量评价手段进行评价,试验结果客观有效.表面能γ为恒温恒压条件下每增加单位物质表面积时外界坏境对此体系所做的功[10],其单位为erg/cm2.文中采用CvOC理论体系[11],这一体系将表面能分为极性酸分量(γ+)、极性碱分量(γ-)、非极性酸碱分量(γLW)和极性色散分量(γAB),其中表面能与各个分量的关系式为

(1)

沥青与封装材料接触界面之间的黏附结合能的产生,是沥青与封装材料二者非极性分子与极性分子相互作用的结果.黏附结合能的各分量都可用材料表面能参数推导出,即

(2)

有液体作用时,与沥青混合料形成三相材料,即有液体条件下的黏附结合能,计算公式为

(3)

1.2 材料参数

采用湖北某厂生产的SBS改性沥青作为试验沥青,橡胶与特氟龙材料作为试验封装材料,参数见表1～3.

表1 SBS改性沥青性能指标

表2 特氟龙材料参数

表3 橡胶材料参数

1.3 试验方法

沥青表面能的测试手段采用插板法.采用全自动表面张力仪作为试验用设备,依据力学平衡原理测算出沥青涂膜玻片与测试使用试剂的动态接触角,通过联立方程组得到所需的沥青表面能参数[12-13].测试结果见表4.

表4 沥青表面能参数 单位:erg/cm2

光纤封装材料的表面能测试采用静滴法[14].

将制备好的光纤封装材料切片平整贴在玻片的表面,制备光纤封装材料玻片.将封装材料玻片水平放置于试验腔,使用滴定针滴定2μL试剂于光纤封装材料表面形成稳定液滴.利用光学影响测试设备记录不同测试试剂在光纤封装材料表面形成的稳定接触角,并计算封装材料的表面能参数.接触角为常温下光纤封装材料(固体)、测试所用试剂(液体)以及空气(气体)之间三相接触位置处,液体与固体表面形成的夹角,见图1.

图1 三相接触角示意图

测试所用方程为

(4)

将所测接触角数值代入式(4)即可计算出光纤封装材料的表面能参数.计算光纤封装材料的表面能参数至少需要三种试剂测试测得的接触角,并通过联立方程组求解.为对比两种封装材料的表面能总量差异,采用式(5)计算两种封装材料的表面能总量变化率,计算结果见表5.

表5 封装材料表面能参数测试结果

(5)

式中:ω为表面能总量变化率;γ(1)、γ(2)为封装材料表面能总量.

由表5可知:两种封装材料的各表面能参数差距较大,总量变化率达38.38%.两种材料的表面能非极性色散分量以及总量皆有较大差距.而封装材料的表面能将直接影响封装材料与沥青接触界面的黏附功.由此推断,光纤封装材料的表面能参数不同,是导致光纤封装材料与沥青抗开裂性能差异的根本原因.

2 光纤封装材料优选

2.1 封装材料耐高温试验

分别针对光纤模拟施工工况温度直接加热封装材料以及模拟沥青混合料施工状态加热埋设在沥青混合料中的封装材料,进行5组平行试验,试验温度为190℃,加热时间为1 h.取出光纤封装材料,在室温下冷却15 min,并对试验后封装材料进行性能测试,试验结果见表6.

表6 封装材料耐高温试验结果

由表6可知:在190℃的高温环境中加热后,橡胶材料强度及断裂伸长度较低,特氟龙材料的强度及断裂伸长率较高,说明特氟龙在经受高温工作环境冷却后,仍具有较高的使用性能.结果表明:特氟龙材料更加适合用作施工高温环境下的光纤封装材料.

2.2 封装材料强度测试

通过制作试件进行光纤的拉伸压缩试验、剪切压实试验及旋转压实试验三种室内碾压试验,验证光纤封装材料能否经受住施工碾压过程.考虑实际施工过程中摊铺机的履带会碾压未覆盖沥青混合料的光纤造成破坏,进一步补充了动稳定度试验,测试结果见表7.

由表7可知:三种室内试验中,两种封装材料都表现出了较高的存活率,皆在90% 以上,特氟龙材料的存活率较优于橡胶封装材料;动稳定度试验模拟施工摊铺碾压对封装材料造成的损害,其中,橡胶材料在碾压过程中破坏严重,存活率仅30%,而特氟龙材料由于其高强度特性展现出极高存活率,达到76.67%.结果表明特氟龙材料更加适合光纤用于沥青路面施工埋设的封装材料需要.

表7 封装材料强度测试试验结果

2.3 封装材料与沥青黏附性测试

2.3.1封装材料与沥青匹配性指标计算方法

光纤封装材料与沥青之间的黏附结合能可说明二者的黏附性能强弱,黏附结合能越高则代表黏附性能越好;沥青-光纤封装材料-水三种材料之间的黏附结合能可表明在水的作用下对沥青混合料的剥落程度;综合考虑上述因素,采用式(6)计算指标评价埋入光纤后的沥青混合料水稳定性能[15].

(6)

2.3.2封装材料与沥青匹配性指标计算

将沥青、光纤封装材料带入式(2)、式(3),计算光纤封装材料与沥青胶浆的黏附结合能和在有水条件下的黏附结合能,计算得到光纤封装材料与沥青匹配性指标,计算结果汇总见表8.

表8 封装材料与沥青匹配性指标计算结果

由表8可知:特氟龙材料相较于橡胶材料,ER1值提升了26.398%,说明特氟龙材料与沥青黏附性更好,更加适合作为光纤封装材料的选择.

2.3.3改进水煮法测试光纤封装材料与沥青的黏附性能

将裁剪成正方形的待测封装材料用纯净水洗净,放置在温度设置为(105±0.5)℃的烘箱中烘干,随后放置在干燥器中备用,用细线将封装材料逐个系牢,放置在(105±0.5)℃的烘箱内1 h;逐个取出封装材料并用线提起浸入提前加热的沥青试样中,待到45 s后轻轻拿出完全被沥青膜附裹的封装材料,将其悬挂于试验架,使多余沥青自然流失,并在室温下冷却15 min;逐个用线提起浸入盛有煮沸水的烧杯中,浸煮3 min后,将封装材料自水中取出,利用高清摄像机拍摄并利用图像处理软件处理所取图像,计算沥青对于封装材料的裹附率;同一试样平行试验五个封装材料,取平均裹附率作为试验结果,测试结果见表9.

表9 改进水煮法试验结果

由表9可知:特氟龙材料与沥青黏附性能优于橡胶材料,平均裹附率差值达5.79%,说明特氟龙材料与沥青具有更高的黏附性.通过分析认为,特氟龙材料为可塑高分子材料,橡胶为高弹性聚合物材料,特氟龙材料表面能总量相对于橡胶材料更高,因此与沥青具备更好的黏附性能,由此可知特氟龙材料与沥青黏附性能优于橡胶材料.

3 匹配性指标计算

3.1 匹配性指标计算方法

光纤封装材料与沥青之间的黏附结合能可反应二者之间黏附性能的强弱,黏附结合能越高,二者的黏附性能越好;沥青-光纤封装材料-水三相材料之间的黏附结合能可说明在液态水的作用下光纤封装材料与沥青的剥落程度;综合考虑上述因素,采用式(6)计算指标评价沥青混合料的水稳定性.

该指标为工程中选取光纤封装材料与沥青提供了一项定量评价理论体系,光纤与沥青混合料的开裂及水稳定性均可采用表面能理论测算.通过该指标仅考虑了材料特性对于沥青路面中光纤埋设处开裂及水损害的影响,并未考虑光纤埋设体积对于这一指标的影响.因此,本文提出了基于光纤埋设体积比的沥青胶浆-光纤封装材料匹配性指标,该指标计算公式为

φa=Va/V

(7)

式中:φa为光纤埋设体积比;Va为光纤埋设体积;V为沥青混合料总体积.

(8)

式中:ER2为基于光纤埋设体积比沥青胶浆-封装材料匹配性指标.

3.2 基于光纤埋设体积比的沥青胶浆-光纤封装材料匹配性指标计算

将沥青、光纤封装材料代入式(2)及式(3)中,算出光纤封装材料与沥青胶浆的黏附结合能与有水条件下的黏附结合能,通过测试算出光纤埋设体积比一同代入式(8)中,计算得基于光纤埋设体积比的沥青胶浆-光纤封装材料匹配性指标,计算结果汇总表见表10.

表10 基于光纤埋设体积比的沥青胶浆-封装材料匹配性指标计算结果

由表10可知:对比改进后的ER2值与原ER1值间存在较大差异.说明光纤埋设体积比会极大影响匹配性指标的计算结果,改进后的计算方法使得此指标的精确度进一步提高.相同埋设体积比的特氟龙材料ER2值均大于橡胶材料,说明使用ER2值计算结论依然为特氟龙材料与沥青黏附性优于橡胶材料.计算所得两种封装材料的ER2值均随着光纤埋设体积比的增大而减小,说明光纤埋设体积比越大,对于沥青混合料抗水损害性能的削弱越明显,说明在沥青路面结构中埋设光纤光栅传感器时,应考虑光纤埋设体积比造成的影响,以期提高沥青混合料的抗开裂能力及水稳定性能.

3.3 沥青混合料水稳定性试验验证

采取我国道路领域中最为常用的沥青混合料浸水马歇尔试验以及冻融劈裂试验,试验光纤封装材料选取特氟龙材料,试验沥青为SBS改性沥青,试验集料为辉绿岩,级配选择为AC-20,具体级配见表11.

表11 沥青混合料级配

试验采取不同内径、不同根数的光纤进行埋设体积比设计,确保试验的影响因素唯一,为光纤埋设体积比的变化.测试埋设根数的选择考虑实际工程中光纤用于道路结构力学性能监测的需要,最少根数为两根,可同时保证温度补偿与应力应变监测要求;在此基础上增加埋设体积比.试验体积比设计见表12.

表12 沥青混合料水稳定性试验体积比设计

通过完全符合规范的试验流程进行多次试验并取平均值计算,获取浸水残留稳定度及冻融劈裂强度比两指标,试验结果见图2.

图2 不同光纤埋设体积比的沥青混合料水稳定性试验结果

由图2可知:光纤埋设体积比为16.98、22.64时,浸水残留稳定度比与冻融劈裂强度比均低于规范要求;随着光纤埋设体积比的增大,浸水残留稳定度比与冻融劈裂强度比降低.

图3为沥青混合料水稳定性指标与ER2值的关系.由图3可知:将水稳定性试验结果与基于光纤埋设体积比的沥青胶浆-光纤封装材料匹配性指标进行对比,发现二者具备一致性,说明基于光纤埋设体积比的沥青胶浆-光纤封装材料匹配性指标可以表征其水稳定性能,从微观角度提出评价沥青混合料在埋设光纤处的抗水损害能力手段这一思路是行之有效的.

图3 沥青混合料水稳定性指标与ER2的关系

4 结 论

1) 特氟龙材料的耐高温性能检测中的存活率优于橡胶材料,在测试中表现出了极高的耐高温性能.说明特氟龙材料更加适合作为道路施工高温环境下的光纤封装材料.

2) 特氟龙材料在拉伸压缩试验、剪切压实试验及旋转压实试验三种室内碾压试验中的存活率均优于橡胶封装材料,并在动稳定度试验中表现出了极高存活率,达到76.67%.说明特氟龙材料作为光纤封装材料能够抵抗道路施工过程的碾压.

3) 通过表面能试验,分析得出特氟龙材料与沥青的黏附性能优于橡胶材料,选取特氟龙材料作为光纤封装材料,可提高沥青路面结构在光纤埋设处的黏附性能,从而提高其抗开裂及水稳定性.

4) 提出基于光纤埋设体积比的沥青胶浆-光纤封装材料匹配性指标,该指标考虑了光纤施工过程中埋设体积对于沥青混合料抗开裂及水损害能力的影响,并通过浸水马歇尔试验试验对该指标进行了验证.相较于原匹配指标,提高了精确度,并充分考虑到不同埋设体积比对于沥青路面结构在光纤埋设处的黏附能力,可以更加准确的评价其水稳定性能,为道路工程中选取光纤封装材料与光纤埋设体积提供新型技术手段.