钛酸酯改性玄武岩纤维增强沥青混合料界面黏附性能研究*

程学强 高文银 骆文锐

(1.雅安交通建设(集团)有限责任公司 雅安 625000; 2.四川康藏路桥有限责任公司 雅安 625000 3.西南交通大学土木工程学院 成都 610031; 4.道路工程四川省重点实验室 成都 610031)

玄武岩纤维具有绿色环保且强度高的特点,生产利用率高,使用后易降解,广泛应用在路面结构中[1]。玄武岩纤维能够承受高温、化学腐蚀,以及机械应力等极端工作条件,力学性能超过普通玻璃纤维的30%,能耗只有碳纤维的1/15[2]。然而其表面较为光滑,且作为无机材料表面呈惰性,集束性差,与沥青体系黏附性能较差,在实际工程中存在着容易滑移脱落的问题[3-4]。

针对该问题的解决方案,一般采用对玄武岩纤维进行表面改性处理。现有的处理方式有以下几种:等离子改性、偶联剂改性、涂层表面改性和酸碱刻蚀改性[5]。偶联剂改性作为最常见的改性方法,操作相对简单,通过化学接枝的方式在纤维表面生成一层偶联剂保护膜,在不损伤纤维的前提下,增大了纤维的比表面积[6]。目前常见的改性剂有硅烷偶联剂、铝酸酯偶联剂等,但硅烷偶联剂水解会产生氨基,使液体环境呈碱性劣化纤维性能[7],铝酸酯偶联剂造价昂贵,使用程序复杂。钛酸酯偶联剂作为一种新型有机物偶联剂,遇水溶解,烷基游离后能与纤维表面的羟基发生聚合反应,通过化学键合理论在纤维表面形成有机活性单分子层[8]。分子层使得玄武岩纤维表面的粗糙度增加,具有更好的疏水性能,与其他体系的界面结合能力更强[9]。目前针对钛酸酯偶联剂改善玄武岩等无机物表面结构的研究较少,属于新型偶联剂。基于此,本文设定不同处理条件,通过纤维单丝拉伸试验[10],对比得出纤维最佳处理条件,采用扫描电子显微镜观测改性纤维微观结构和纤维-沥青断口的结构情况,用纤维表面接触角与黏附功表征纤维改性结果。改性纤维沥青混合料的高温性能通过汉堡车辙试验分析,改性纤维对沥青混合料低温抗开裂性能的改善效果通过小梁弯曲试验表征。

1 原材料与试验准备

1.1 纤维与改性剂

玄武岩纤维由上海臣启化工公司提供,性能指标见表1,外观见图1。钛酸酯偶联剂采用南京创世化工产品,技术指标见表2。

表1 玄武岩纤维技术指标

图1 试验材料

表2 钛酸酯偶联剂技术指标

1.2 沥青

采用AH-70基质沥青,指标见表3。

表3 沥青物理指标

1.3 配合比

采用AC-13型沥青混合料作为实验依托,根据级配设计要求,参考JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》,取级配上、下限中值作为设计级配,合成级配见图2。参考相关文献并进行马歇尔试验确定最佳油石比为4.0%。

图2 级配曲线

2 试验与分析

2.1 改性纤维力学性能分析

设计选取钛酸酯偶联剂对玄武岩纤维进行表面处理,采用无水乙醇稀释成不同的质量分数(6%,8%,10%,12%)的钛酸酯偶联剂溶液,在不同浸润时间下,对纤维进行改性,比较力学性能得到最佳处理纤维。

图3为钛酸酯改性纤维的单丝断裂强度,图4为钛酸酯改性纤维的单丝断裂伸长率。

图3 断裂强度影响

图4 断裂伸长率影响

由图3可见,未处理的纤维单丝断裂强度为2 850 MPa,随着浸润剂质量分数的增加,纤维断裂强度不断上升,直到浸润剂质量分数达到10%时,断裂强度达到最大值2 918 MPa。而浸润剂质量分数继续增高,纤维的强度开始降低,浸润时间为60 min时,纤维改性效果最好。纤维的单丝断裂伸长率也随着浸润剂质量分数提升而增大,从3.08%提升到3.12%,处理时间为60 min时,达到最佳处理效果。

经过钛酸酯偶联剂改性后的纤维,单丝断裂强度和断裂伸长率均有显著提升。钛酸酯偶联剂通过接枝的方式,与纤维表面的基团发生化学键合反应,使其接枝与纤维表面,形成一层偶联剂保护膜,对纤维起到保护作用,并增加了纤维的力学性能。而高质量分数的偶联剂和高浸润时间处理会使纤维性能不同程度地劣化。分析认为是高质量分数浸润剂会轻微腐蚀纤维结构。大剂量浸润剂会使纤维表面进行过度反应,导致纤维分子结构出现一定程度的破坏,从而劣化了纤维的力学性能。通过试验得出纤维最佳处理条件为质量分数为10%,浸润时间为60 min。

2.2 改性纤维微观结构分析

将纤维黏贴在样品台上,进行表面喷金处理,采用扫描电镜对纤维改性效果进行观测,分析其微观结构。扫描电镜对原样纤维与改性纤维的观测结果见图5。

图5 改性前后玄武岩纤维的SEM照片

从图5a)、b)中可见,改性前纤维直径4～8 μm,表面较为光滑,几乎无其他结构,放大至5 000倍后,也没有明显的粗糙凹凸结构。图5c)、d)为钛酸酯偶联剂改性后的纤维照片,可见纤维表面呈现出高低起伏、凸起的构造。钛酸酯偶联剂在与玄武岩纤维反应过程中,钛酸酯偶联剂通过化学反应接枝附着于纤维表面,生成了极性共价键。纤维表面生成的凸起结构,极大改善了纤维表面粗糙度,增大了比表面积,使纤维在沥青体系中具有更好的结合性能,从而增强了混合料的抗剪切变形能力。

2.3 改性玄武岩纤维接触角分析

用接触角测试仪测试玄武岩纤维的接触角,通过接触角测试结果,表征纤维的界面结合性能。作为一种无机材料,玄武岩纤维在表面呈现出强烈的亲水性。然而这种亲水性却导致了其与沥青体系结合能力的相对不足,在一定程度上影响了其在特定应用中的性能。为了克服这一限制,对玄武岩纤维进行表面改性,提高其疏水性,从而增强其与沥青体系的结合能力。此项改性在接触角测试中得到了明确的体现,见图6。

图6 接触角测试

在图6a)中显示了未经改性的玄武岩纤维的亲水性表现。在水滴接触其表面后,水滴能够快速展开,夹角相对较小,稳定后的接触角约为25°。这表明,未改性纤维表面的亲水性使得水滴迅速在其表面展开并与其相互作用。改性处理后的纤维表面在图6b)中展示了完全不同的特性。改性后纤维的接触角提高至103°,导致水滴在纤维表面几乎保持球形,不会随着时间的推移而铺展。这一结果明确地表明,改性后的纤维表面的疏水性能显著提高。这也意味着改性纤维具有更强的界面结合能力,能够更有效地与沥青体系相互作用,从而增强整体复合材料的性能。

黏附功计算结果见图7,未改性的玄武岩纤维黏附功为39.87 mJ/m2,改性纤维的黏附功为48.04 mJ/m2,提升了20.5%。玄武岩纤维-沥青界面黏附性能显著提升。根据界面渗透学说可知,改性后的玄武岩纤维表面具有更多的活性基团,表面能提升,疏水能力优异。从黏附功指标分析,改性玄武岩纤维在与沥青结合的体系中,更能吸附沥青中的轻质组分,使更多沥青包覆在纤维表面,减少了纤维与沥青之间的相对滑移,提高了结合区域结构的稳定性,从而避免黏结失效现象的出现。

图7 黏附功计算结果

2.4 纤维-沥青断口分析

采用UTM万能试验机施加拉力模拟沥青路面受拉破坏。将得到的断口试件进行喷金导电处理,并采用扫描电子显微镜对纤维-沥青断口形貌进行微观结构分析,试件断口形貌见图8,扫描电镜分析结果见图9。

图8 断口形貌

图9 玄武岩纤维与沥青基体黏效果

根据图9a)、9b),可清晰观察到在玄武岩纤维-沥青体系中,玄武岩纤维以交错搭接的方式存在。纤维表面附着的沥青与周围的沥青形成了良好的浸润界面,有效地减少了破裂面的产生。这种交错结构使得纤维之间相互连接,形成一种骨架结构,增强整体结构的稳定性。玄武岩纤维在沥青中形成的空间网状结构不仅能够稳固集料,减少集料间的相对滑移,还能够有效地传递和消散应力,从而减少了应力的集中并防止裂缝的发展。

观察图9c)、9d),可以发现,玄武岩纤维经过处理后的表面并不光滑,具有许多微小的凹凸。这种表面结构使得沥青能够充分黏附在纤维表面,与玄武岩纤维形成紧密贴合的接触面,而不仅仅是点状接触。这种接触面的增大发挥了“机械锚固”的作用。这一现象表明,玄武岩纤维与沥青之间具有良好的浸润性,当纤维掺入沥青中时,沥青与纤维紧密融合成整体状态,发挥出黏性作用。这种黏性作用不仅来自沥青本身,还包括沥青与纤维结合的部分,极大地提高了沥青胶结料的黏结力。

但在施工过程中需要注意:在玄武岩纤维与沥青的分散过程中,有时会出现纤维局部结团的现象,导致纤维分散方向趋于一致,形成纤维束。这种结团现象会使纤维在沥青中难以形成均匀的骨架结构。因此,需要控制纤维的分散情况,确保纤维能够均匀地分布在沥青混合料中,以形成均匀的骨架结构。

2.5 沥青混合料高温性能

采用汉堡车辙试验(HWT)对沥青混合料的高温宏观性能进行评价。滚动钢轮施加荷载,外部线性可变传感器(LVDT)测量混合物的永久变形。汉堡车辙试验结果见图10。

图10 汉堡车辙试验结果

如图10所示,原样沥青混合料的汉堡车辙试验在车辙次数达到503次时,车辙深度达到20 mm,试验结束。加入玄武岩纤维后的沥青混合料车辙次数达到1 479时试验停止。加入钛酸酯偶联剂改性纤维沥青混合料的车辙次数达到2 000次,车辙深度达到15.3 mm。结果表明,玄武岩纤维的添加可以增强沥青混合料抵抗车辙的能力,而钛酸酯偶联剂改性后的纤维增强能力更优异。高温下,沥青混合料容易软化和变形,导致车辙和车辆行驶不平稳。玄武岩纤维的添加可以增加混合料的抵抗变形的能力,减少沥青的流动性,降低路面变形的风险。

钛酸酯偶联剂改性后的玄武岩纤维,具有更大的比表面积,可以吸附更多的沥青质,增加混合料的韧性和抗裂性,进一步提升纤维在沥青混合料体系中的桥接增韧的作用。改性纤维的加入,能有效连接沥青混合料体系中的各个部位,抵抗由于高温产生的软化和变形,提高路面的耐久性。

2.6 沥青混合料低温性能

采用小梁弯曲试验评估材料的弯曲性能和强度,研究材料的弯曲刚度、弯曲应力-应变关系,以及抗弯强度等参数。纤维沥青混合料的试验结果见表4、表5和图11、图12。

表4 原样沥青混合料弯曲试验结果

表5 改性纤维沥青混合料弯曲试验结果

图11 抗弯拉强度与纤维掺量曲线关系

图12 最大弯拉应变与纤维掺量曲线关系

由图11可见,沥青混合料的抗弯、拉应变受纤维掺量的影响较大,随着纤维掺量先增加后降低,在掺量达到0.3% 时达到峰值。原样玄武岩纤维混合料的最大抗弯拉强度为6.92 MPa,而改性纤维混合料达到7.41 MPa,提升10.1%。结果表明,低温环境下,改性纤维增加沥青混合料界面黏附性能效果显著,抵抗开裂能力提高。当混合料受到外力荷载时,改性纤维在体系中的增韧阻裂作用可以连接体系中的各个部分,有效地控制沥青混合料中的裂缝扩展,防止裂纹的形成和传播,减少维修成本,对延长沥青路面使用寿命具有工程意义。

由图12可见,纤维沥青混合料开裂时最大弯拉应变值的变化趋势与抗弯拉强度相同,均为先增大后减小,在掺量达到0.3%时达到峰值。纤维掺量0.3%时,改性纤维沥青混合料的最大弯拉应变值相比较于原样沥青混合料提升了15.2%,达到3 452×10-6。纤维的加入可以使混合料具有更高的韧性,从而能够承受更大的弯曲变形而不发生破坏,提高路面的耐久性和使用寿命。而钛酸酯偶联剂改性后的玄武岩纤维表面能够更好地与沥青黏结,形成更强的界面黏结强度,增加纤维与沥青之间的黏附力和相互作用。这有助于分散应力并减少裂纹扩展,提升沥青路面在低温环境下的抗开裂性能,从而提高路面的耐久性、减少裂缝和损坏,延长沥青路面的使用寿命。

3 结语

本文旨在研究钛酸酯偶联剂改性玄武岩纤维对沥青混合料界面黏附性能的影响。进行纤维单丝拉拔试验、扫描电镜试验、接触角试验、汉堡车辙试验和小梁弯曲试验,从不同角度分析了改性纤维的作用效果,主要结论如下。

1) 随着浸润剂的质量分数与浸润时间增加,纤维的性能得到提高,通过对纤维力学性能测试得到质量分数为10%钛酸酯偶联剂浸入60 min,为最佳处理条件,经过改性后的纤维力学性能得到提高。

2) 通过接触角分析,改性后的玄武岩纤维,表面粗糙度增加,具有更大的比表面积,亲水性显著降低,黏附功提升20.5%,与沥青混合料体系的界面结合能力明显增强。

3) 通过扫描电镜试验,对改性纤维表面与纤维-沥青断口进行分析。改性纤维表面的凸起结构,具有更大的比表面积,在沥青混合料中能黏结吸附更多的基质沥青,增强混合料的韧性,提高抗开裂能力。

4) 改性纤维增加混合料的黏聚力和抗剪切能力,提高混合料的整体高温稳定性,减少松散和变形的风险。同时纤维-沥青界面形成更强的界面黏结强度,增加纤维与沥青之间的黏附力和相互作用,增强了低温抗开裂的能力。