鈦酸酯改性玄武巖纖維增強瀝青混合料界面黏附性能研究*

程學強 高文銀 駱文銳

(1.雅安交通建設(集團)有限責任公司 雅安 625000; 2.四川康藏路橋有限責任公司 雅安 625000 3.西南交通大學土木工程學院 成都 610031; 4.道路工程四川省重點實驗室 成都 610031)

玄武巖纖維具有綠色環保且強度高的特點,生產利用率高,使用后易降解,廣泛應用在路面結構中[1]。玄武巖纖維能夠承受高溫、化學腐蝕,以及機械應力等極端工作條件,力學性能超過普通玻璃纖維的30%,能耗只有碳纖維的1/15[2]。然而其表面較為光滑,且作為無機材料表面呈惰性,集束性差,與瀝青體系黏附性能較差,在實際工程中存在著容易滑移脫落的問題[3-4]。

針對該問題的解決方案,一般采用對玄武巖纖維進行表面改性處理。現有的處理方式有以下幾種:等離子改性、偶聯劑改性、涂層表面改性和酸堿刻蝕改性[5]。偶聯劑改性作為最常見的改性方法,操作相對簡單,通過化學接枝的方式在纖維表面生成一層偶聯劑保護膜,在不損傷纖維的前提下,增大了纖維的比表面積[6]。目前常見的改性劑有硅烷偶聯劑、鋁酸酯偶聯劑等,但硅烷偶聯劑水解會產生氨基,使液體環境呈堿性劣化纖維性能[7],鋁酸酯偶聯劑造價昂貴,使用程序復雜。鈦酸酯偶聯劑作為一種新型有機物偶聯劑,遇水溶解,烷基游離后能與纖維表面的羥基發生聚合反應,通過化學鍵合理論在纖維表面形成有機活性單分子層[8]。分子層使得玄武巖纖維表面的粗糙度增加,具有更好的疏水性能,與其他體系的界面結合能力更強[9]。目前針對鈦酸酯偶聯劑改善玄武巖等無機物表面結構的研究較少,屬于新型偶聯劑。基于此,本文設定不同處理條件,通過纖維單絲拉伸試驗[10],對比得出纖維最佳處理條件,采用掃描電子顯微鏡觀測改性纖維微觀結構和纖維-瀝青斷口的結構情況,用纖維表面接觸角與黏附功表征纖維改性結果。改性纖維瀝青混合料的高溫性能通過漢堡車轍試驗分析,改性纖維對瀝青混合料低溫抗開裂性能的改善效果通過小梁彎曲試驗表征。

1 原材料與試驗準備

1.1 纖維與改性劑

玄武巖纖維由上海臣啟化工公司提供,性能指標見表1,外觀見圖1。鈦酸酯偶聯劑采用南京創世化工產品,技術指標見表2。

表1 玄武巖纖維技術指標

圖1 試驗材料

表2 鈦酸酯偶聯劑技術指標

1.2 瀝青

采用AH-70基質瀝青,指標見表3。

表3 瀝青物理指標

1.3 配合比

采用AC-13型瀝青混合料作為實驗依托,根據級配設計要求,參考JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術規范》,取級配上、下限中值作為設計級配,合成級配見圖2。參考相關文獻并進行馬歇爾試驗確定最佳油石比為4.0%。

圖2 級配曲線

2 試驗與分析

2.1 改性纖維力學性能分析

設計選取鈦酸酯偶聯劑對玄武巖纖維進行表面處理,采用無水乙醇稀釋成不同的質量分數(6%,8%,10%,12%)的鈦酸酯偶聯劑溶液,在不同浸潤時間下,對纖維進行改性,比較力學性能得到最佳處理纖維。

圖3為鈦酸酯改性纖維的單絲斷裂強度,圖4為鈦酸酯改性纖維的單絲斷裂伸長率。

圖3 斷裂強度影響

圖4 斷裂伸長率影響

由圖3可見,未處理的纖維單絲斷裂強度為2 850 MPa,隨著浸潤劑質量分數的增加,纖維斷裂強度不斷上升,直到浸潤劑質量分數達到10%時,斷裂強度達到最大值2 918 MPa。而浸潤劑質量分數繼續增高,纖維的強度開始降低,浸潤時間為60 min時,纖維改性效果最好。纖維的單絲斷裂伸長率也隨著浸潤劑質量分數提升而增大,從3.08%提升到3.12%,處理時間為60 min時,達到最佳處理效果。

經過鈦酸酯偶聯劑改性后的纖維,單絲斷裂強度和斷裂伸長率均有顯著提升。鈦酸酯偶聯劑通過接枝的方式,與纖維表面的基團發生化學鍵合反應,使其接枝與纖維表面,形成一層偶聯劑保護膜,對纖維起到保護作用,并增加了纖維的力學性能。而高質量分數的偶聯劑和高浸潤時間處理會使纖維性能不同程度地劣化。分析認為是高質量分數浸潤劑會輕微腐蝕纖維結構。大劑量浸潤劑會使纖維表面進行過度反應,導致纖維分子結構出現一定程度的破壞,從而劣化了纖維的力學性能。通過試驗得出纖維最佳處理條件為質量分數為10%,浸潤時間為60 min。

2.2 改性纖維微觀結構分析

將纖維黏貼在樣品臺上,進行表面噴金處理,采用掃描電鏡對纖維改性效果進行觀測,分析其微觀結構。掃描電鏡對原樣纖維與改性纖維的觀測結果見圖5。

圖5 改性前后玄武巖纖維的SEM照片

從圖5a)、b)中可見,改性前纖維直徑4～8 μm,表面較為光滑,幾乎無其他結構,放大至5 000倍后,也沒有明顯的粗糙凹凸結構。圖5c)、d)為鈦酸酯偶聯劑改性后的纖維照片,可見纖維表面呈現出高低起伏、凸起的構造。鈦酸酯偶聯劑在與玄武巖纖維反應過程中,鈦酸酯偶聯劑通過化學反應接枝附著于纖維表面,生成了極性共價鍵。纖維表面生成的凸起結構,極大改善了纖維表面粗糙度,增大了比表面積,使纖維在瀝青體系中具有更好的結合性能,從而增強了混合料的抗剪切變形能力。

2.3 改性玄武巖纖維接觸角分析

用接觸角測試儀測試玄武巖纖維的接觸角,通過接觸角測試結果,表征纖維的界面結合性能。作為一種無機材料,玄武巖纖維在表面呈現出強烈的親水性。然而這種親水性卻導致了其與瀝青體系結合能力的相對不足,在一定程度上影響了其在特定應用中的性能。為了克服這一限制,對玄武巖纖維進行表面改性,提高其疏水性,從而增強其與瀝青體系的結合能力。此項改性在接觸角測試中得到了明確的體現,見圖6。

圖6 接觸角測試

在圖6a)中顯示了未經改性的玄武巖纖維的親水性表現。在水滴接觸其表面后,水滴能夠快速展開,夾角相對較小,穩定后的接觸角約為25°。這表明,未改性纖維表面的親水性使得水滴迅速在其表面展開并與其相互作用。改性處理后的纖維表面在圖6b)中展示了完全不同的特性。改性后纖維的接觸角提高至103°,導致水滴在纖維表面幾乎保持球形,不會隨著時間的推移而鋪展。這一結果明確地表明,改性后的纖維表面的疏水性能顯著提高。這也意味著改性纖維具有更強的界面結合能力,能夠更有效地與瀝青體系相互作用,從而增強整體復合材料的性能。

黏附功計算結果見圖7,未改性的玄武巖纖維黏附功為39.87 mJ/m2,改性纖維的黏附功為48.04 mJ/m2,提升了20.5%。玄武巖纖維-瀝青界面黏附性能顯著提升。根據界面滲透學說可知,改性后的玄武巖纖維表面具有更多的活性基團,表面能提升,疏水能力優異。從黏附功指標分析,改性玄武巖纖維在與瀝青結合的體系中,更能吸附瀝青中的輕質組分,使更多瀝青包覆在纖維表面,減少了纖維與瀝青之間的相對滑移,提高了結合區域結構的穩定性,從而避免黏結失效現象的出現。

圖7 黏附功計算結果

2.4 纖維-瀝青斷口分析

采用UTM萬能試驗機施加拉力模擬瀝青路面受拉破壞。將得到的斷口試件進行噴金導電處理,并采用掃描電子顯微鏡對纖維-瀝青斷口形貌進行微觀結構分析,試件斷口形貌見圖8,掃描電鏡分析結果見圖9。

圖8 斷口形貌

圖9 玄武巖纖維與瀝青基體黏效果

根據圖9a)、9b),可清晰觀察到在玄武巖纖維-瀝青體系中,玄武巖纖維以交錯搭接的方式存在。纖維表面附著的瀝青與周圍的瀝青形成了良好的浸潤界面,有效地減少了破裂面的產生。這種交錯結構使得纖維之間相互連接,形成一種骨架結構,增強整體結構的穩定性。玄武巖纖維在瀝青中形成的空間網狀結構不僅能夠穩固集料,減少集料間的相對滑移,還能夠有效地傳遞和消散應力,從而減少了應力的集中并防止裂縫的發展。

觀察圖9c)、9d),可以發現,玄武巖纖維經過處理后的表面并不光滑,具有許多微小的凹凸。這種表面結構使得瀝青能夠充分黏附在纖維表面,與玄武巖纖維形成緊密貼合的接觸面,而不僅僅是點狀接觸。這種接觸面的增大發揮了“機械錨固”的作用。這一現象表明,玄武巖纖維與瀝青之間具有良好的浸潤性,當纖維摻入瀝青中時,瀝青與纖維緊密融合成整體狀態,發揮出黏性作用。這種黏性作用不僅來自瀝青本身,還包括瀝青與纖維結合的部分,極大地提高了瀝青膠結料的黏結力。

但在施工過程中需要注意:在玄武巖纖維與瀝青的分散過程中,有時會出現纖維局部結團的現象,導致纖維分散方向趨于一致,形成纖維束。這種結團現象會使纖維在瀝青中難以形成均勻的骨架結構。因此,需要控制纖維的分散情況,確保纖維能夠均勻地分布在瀝青混合料中,以形成均勻的骨架結構。

2.5 瀝青混合料高溫性能

采用漢堡車轍試驗(HWT)對瀝青混合料的高溫宏觀性能進行評價。滾動鋼輪施加荷載,外部線性可變傳感器(LVDT)測量混合物的永久變形。漢堡車轍試驗結果見圖10。

圖10 漢堡車轍試驗結果

如圖10所示,原樣瀝青混合料的漢堡車轍試驗在車轍次數達到503次時,車轍深度達到20 mm,試驗結束。加入玄武巖纖維后的瀝青混合料車轍次數達到1 479時試驗停止。加入鈦酸酯偶聯劑改性纖維瀝青混合料的車轍次數達到2 000次,車轍深度達到15.3 mm。結果表明,玄武巖纖維的添加可以增強瀝青混合料抵抗車轍的能力,而鈦酸酯偶聯劑改性后的纖維增強能力更優異。高溫下,瀝青混合料容易軟化和變形,導致車轍和車輛行駛不平穩。玄武巖纖維的添加可以增加混合料的抵抗變形的能力,減少瀝青的流動性,降低路面變形的風險。

鈦酸酯偶聯劑改性后的玄武巖纖維,具有更大的比表面積,可以吸附更多的瀝青質,增加混合料的韌性和抗裂性,進一步提升纖維在瀝青混合料體系中的橋接增韌的作用。改性纖維的加入,能有效連接瀝青混合料體系中的各個部位,抵抗由于高溫產生的軟化和變形,提高路面的耐久性。

2.6 瀝青混合料低溫性能

采用小梁彎曲試驗評估材料的彎曲性能和強度,研究材料的彎曲剛度、彎曲應力-應變關系,以及抗彎強度等參數。纖維瀝青混合料的試驗結果見表4、表5和圖11、圖12。

表4 原樣瀝青混合料彎曲試驗結果

表5 改性纖維瀝青混合料彎曲試驗結果

圖11 抗彎拉強度與纖維摻量曲線關系

圖12 最大彎拉應變與纖維摻量曲線關系

由圖11可見,瀝青混合料的抗彎、拉應變受纖維摻量的影響較大,隨著纖維摻量先增加后降低,在摻量達到0.3% 時達到峰值。原樣玄武巖纖維混合料的最大抗彎拉強度為6.92 MPa,而改性纖維混合料達到7.41 MPa,提升10.1%。結果表明,低溫環境下,改性纖維增加瀝青混合料界面黏附性能效果顯著,抵抗開裂能力提高。當混合料受到外力荷載時,改性纖維在體系中的增韌阻裂作用可以連接體系中的各個部分,有效地控制瀝青混合料中的裂縫擴展,防止裂紋的形成和傳播,減少維修成本,對延長瀝青路面使用壽命具有工程意義。

由圖12可見,纖維瀝青混合料開裂時最大彎拉應變值的變化趨勢與抗彎拉強度相同,均為先增大后減小,在摻量達到0.3%時達到峰值。纖維摻量0.3%時,改性纖維瀝青混合料的最大彎拉應變值相比較于原樣瀝青混合料提升了15.2%,達到3 452×10-6。纖維的加入可以使混合料具有更高的韌性,從而能夠承受更大的彎曲變形而不發生破壞,提高路面的耐久性和使用壽命。而鈦酸酯偶聯劑改性后的玄武巖纖維表面能夠更好地與瀝青黏結,形成更強的界面黏結強度,增加纖維與瀝青之間的黏附力和相互作用。這有助于分散應力并減少裂紋擴展,提升瀝青路面在低溫環境下的抗開裂性能,從而提高路面的耐久性、減少裂縫和損壞,延長瀝青路面的使用壽命。

3 結語

本文旨在研究鈦酸酯偶聯劑改性玄武巖纖維對瀝青混合料界面黏附性能的影響。進行纖維單絲拉拔試驗、掃描電鏡試驗、接觸角試驗、漢堡車轍試驗和小梁彎曲試驗,從不同角度分析了改性纖維的作用效果,主要結論如下。

1) 隨著浸潤劑的質量分數與浸潤時間增加,纖維的性能得到提高,通過對纖維力學性能測試得到質量分數為10%鈦酸酯偶聯劑浸入60 min,為最佳處理條件,經過改性后的纖維力學性能得到提高。

2) 通過接觸角分析,改性后的玄武巖纖維,表面粗糙度增加,具有更大的比表面積,親水性顯著降低,黏附功提升20.5%,與瀝青混合料體系的界面結合能力明顯增強。

3) 通過掃描電鏡試驗,對改性纖維表面與纖維-瀝青斷口進行分析。改性纖維表面的凸起結構,具有更大的比表面積,在瀝青混合料中能黏結吸附更多的基質瀝青,增強混合料的韌性,提高抗開裂能力。

4) 改性纖維增加混合料的黏聚力和抗剪切能力,提高混合料的整體高溫穩定性,減少松散和變形的風險。同時纖維-瀝青界面形成更強的界面黏結強度,增加纖維與瀝青之間的黏附力和相互作用,增強了低溫抗開裂的能力。