基于温拌技术的PVA纤维沥青配伍性及抗裂研究_赵阳.pdf

第 42 卷第 3 期重 庆 交 通 大 学 学 报(自 然 科 学 版)Vol 42No32023 年 3 月JOUNAL OF CHONGQING JIAOTONG UNIVESITY(NATUAL SCIENCE)Mar 2023DOI:103969/jissn1674-069620230309基于温拌技术的 PVA 纤维沥青配伍性及抗裂研究赵阳1，2，梁乃兴1，贾晓东2(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)摘要:针对聚乙烯醇(PVA)纤维在常规热拌(160170)温度下会发生卷曲、缩短、脱水醚化的缺陷，结合温拌技术，探索 PVA 纤维在 130170 下的耐热性，研究 PVA 纤维与沥青配伍性问题。同时采用复合材料界面理论，通过测试接触角，计算 PVA 纤维、分散粉体表面能参数，确定最优分散粉体，提出 PVA 纤维与分散粉体的最佳配比，并采用质量变异系数法对其分散均匀性进行评价。研究表明:通过温拌降温技术处理后的 PVA 纤维与沥青具有配伍性，其沥青混合料其抗裂性能与常规热拌沥青混合料相比提升了 54%，PVA 纤维在沥青混合料中起到稳定、吸附、加筋等作用，填补了 PVA 纤维运用于沥青混合料的空白。关键词:道路工程;PVA 纤维;温拌;表面能;均匀性中图分类号:U4141文献标志码:A文章编号:1674-0696(2023)03-065-06Compatibility and Crack esistance of PVA Fiber AsphaltBased on Warm Mixing TechnologyZHAO Yang1，2，LIANG Naixing1，JIA Xiaodong2(1 School of Civil Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China;2 School of Urban Construction Engineering，Chongqing Technology and Business Institute，Chongqing 400052，China)Abstract:Aiming at the defects of crimping，shortening，dehydration and etherification of polyvinyl alcohol(PVA)fiber inhot mixing(160 170)，the heat resistance performance of PVA fiber at 130 170 and the compatibility of PVAfiber-asphalt was studied Based on the interface theory of composite materials，the dispersed powder was optimized bycalculating the contact angle and surface energy of PVA fiber，and the optimal ratio of PVA fiber and best dispersed powderwas put forward The dispersion uniformity was evaluated by mass variation coefficient method The research shows that thePVA fiber processed by warm mix asphalt technology has compatibility with asphalt，and the anti-cracking performance ofthe asphalt mixture is improved by 54%compared with the hot mix asphalt mixture PVA fiber plays the role of stabilization，adsorption and reinforcement in the asphalt mixture，which fills the blank of PVA fiber used in the asphalt mixtureKey words:highway engineering;PVA Fiber;warm mix;surface energy;uniformity0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，研究了不同纤维的收稿日期:2021-01-31;修订日期:2021-05-21基金项目:重庆市自然学科基金面上项目(cstc2020jcyj-msxmX0320);重庆市教委科学技术研究项目(KJQN202104006);重庆工商职业学院校级科研一般项目(NDYB2021-15);重庆工商职业学院校级科研重点项目(NDZD2020-01)第一作者:赵阳(1986)，男，重庆人，博士，主要从事公路材料研究方面的研究。E-mail:2294031011 qqcom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。1PVA 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。11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 5332020 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 1PVA 纤维与常用路用纤维性能对比Table 1Performance comparison of PVA fiber and commonroad fiber纤维种类拉伸强度/MPa弹性模量/GPa断裂伸长率/%密度/(gcm3)熔融温度/木质素纤维560650347212240709230聚酯(PET)纤维510620141530501214249聚丙烯腈(PAN)纤维9001100172010161112240PVA 纤维1 8002 200 4060481213230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。12PVA 纤维耐热性PVA 纤维熔点 230，玻璃化温度 8095，在空气中加热至 130 以上慢慢变色、脆化。加热至 160170 脱水醚化，失去本身性质。传统沥青混合料生产工艺是在 160170 高温下拌和 13min，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 m 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 3min，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 2PVA 纤维受热 3 分钟后收缩状态统计Table 2Statistics of PVA fiber shrinkage after heating for 3 minutes温度/受热后平均长度/mm收缩率/%收缩率标准差/%拉伸强度/MPa130120001 927140120001 9151501071080591 57016036700893459170010000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130140 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21PVA 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。66重 庆 交 通 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第 42 卷图 1束状 PVA 纤维Fig 1Bundle PVA fiber211PVA 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:SV=SL+cosLV(1)Ga，ff=Wa，ff=ffff(2)Ga，fp=Wa，fp=fppf(3)式中:SV为固态与气态的界面张力，即固体表面能;LV为液态与气态的界面张力，即液态表面能;SL为固态与液态的界面张力;为液态在固态上形成的接触角;Ga，ff为单丝纤维之间吉布斯自由能;Ga，fp为单丝纤维与分散粉体之间吉布斯自由能;ff为单丝 PVA 纤维与 PVA 纤维表面张力;fp为单丝 PVA纤维与分散粉体表面张力;f为 PVA 纤维表面能;p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。212PVA 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 的调和平均法如式(4):=0327 Fsns()185nsVm，s()152(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 313 和表 4。表 3常见聚合物摩尔体积Table 3Molar volume of common polymerscm3/mol聚合物Vm，s聚合物Vm，s聚乙烯329聚醋酸乙烯酯618聚乙烯醇342聚苯乙烯980聚三氟氯乙烯618聚氯乙烯452表 4结构单元 Small 色散力Table 4Small dispersion force of structural element结构单元CH2CHOHF/(calcm3)1332870100注:1 cal/cm3=4186 kJ。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:=0327133+28+70+10071857342152=37103(J/m2)213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):h2t=rLcos2(5)式中:r 为单个毛细通道的有效半径;L为已知参数的浸渍液的表面张力;为已知参数的浸渍液的动力黏度;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76第 3 期赵阳，等:基于温拌技术的 PVA 纤维沥青配伍性及抗裂研究面能 可以表达为:=d+h(6)式中:d为色散分量;h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Table 5Impregnating solution with surface parameters浸渍液种类黏度/(mPas)/(mJm2)d/(mJm2)h/(mJm2)戊烷0221550155蒸馏水089728510218甲酰胺334580191390甲苯0568 82770277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Table 6Surface energy of dispersed powdermJ/m2分散粉体dh粉煤灰458721502437矿粉508926932396普通水泥390622931613石墨烯8 9210070008 85100214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):12=(d1)05(d2)052+(h1)05(h2)052(7)式中:12为物质 1 和物质 2 之间的表面张力;d1、d2分别为物质 1、物质 2 的色散分量;h1、h2分别为物质 1、物质 2 的氢键力分量。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 763、454、347、794483 mJ/m2。215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 Ga，ff、Ga，fp。理论上，只要 Ga，fpGa，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Table 7esults of Gibbs free energy calculations fordispersive powders指标PVA 纤维矿粉粉煤灰 普通水泥石墨烯/(mJm2)370513458739068 92112/(mJm2)0007634543477 94443Ga，ff74Ga，pf8067 783372591 01357u100010901059098113697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 7280 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 Ga，fp/Ga，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。22PVA 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 1042 m 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:Cv=(8)式中:为通过质量均分称重法求得的 10 份纤维的均值;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86重 庆 交 通 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第 42 卷进行水洗筛分，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。221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 m，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Table 8Quality test results of PVA fiber with different lengths纤维长度/mm平均质量/g质量标准差/gCv319130197 20103618850225 101191219860460 10232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。222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Table 9Test results under different mass ratios质量比平均质量/g质量标准差/gCv1 151965063003211 301971028001421 451885022501191 60199901970099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。23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 202011 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Table 10Bending test results混合料类型最大弯拉应变/抗弯拉强度/MPa弯曲劲度模量/MPa临界弯曲应变能/(kJm3)温拌沥青3 80211202 945821778热拌沥青4 27211492 689612192温拌 PVA 纤维沥青4 62112252 650943384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 232%，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 543%，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(130140)，其能保持常温下的性状，证明了温96第 3 期赵阳，等:基于温拌技术的 PVA 纤维沥青配伍性及抗裂研究拌降温技术下，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 543%，抵抗开裂性能良好。参考文献(eferences):1于华洋，马涛，王大为，等 中国公路学报编辑部 中国路面工程学术研究综述 2020 J 中国公路学报，2020，33(10):1-66YU Huayang，MA Tao，WANG Dawei，et al eview on Chinaspavement engineering research 2020J China Journal of Highwayand Transport，2020，33(10):1-66 2张卫华 不同纤维沥青混合料性能研究与应用D 西安:长安大学，2017ZHANG Weihua esearch of Performance and Application for DifferentFiber Asphalt Mixture D Xian:Changan University，2017 3张小元基于细观结构的纤维沥青混凝土疲劳损伤机制研究D南京:东南大学，2018ZHANG Xiaoyuan esearch on Fatigue Damage Mechanism of FiberAsphalt Concrete and Its MesostructureD Nanjing:SoutheastUniversity，2018 4姚立阳，姚丽红，马勤 纤维沥青胶浆动态剪切流变参数与温度相关性研究J 重庆交通大学学报(自然科学版)，2012，31(4):781-784YAO Liyang，YAO Lihong，MA Qin elevance of dynamic shearrheometry parameter of fiber asphalt binder and temperature J Journalof Chongqing Jiaotong University(Natural Science)，2012，31(4):781-784 5吴萌萌，李睿，张玉贞，等 纤维沥青胶浆高低温性能研究J 中国石油大学学报(自然科学版)，2015，39(1):169-175WU Mengmeng，LI ui，ZHANG Yuzhen，et al Study on high andlow temperature performance 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