表面預(yù)處理PVA纖維改性瀝青的高溫流變特性

基質(zhì)瀝青（base asphalt，BA）為SK70#道路石油瀝青，技術(shù)參數(shù)見表1，薄膜烘箱測試（thin film oven test，TFOT）的技術(shù)參數(shù)見表2．纖維選用上海臣啟化工科技有限公司生產(chǎn)的PVA纖維（長度為6 mm），性能指標(biāo)如表3．表面處理劑選用去離子水、KH-570硅烷偶聯(lián)劑以及無水乙醇（分析純）．

表1 基質(zhì)瀝青技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of base asphalt

表2 薄膜烘箱測試的技術(shù)參數(shù)Table 2 Technical parameters of thin film oven test

經(jīng)前期試驗(yàn)探索，本研究選定的表面處理工藝為：①按照無水乙醇和去離子水的質(zhì)量比3∶7制得溶解液，然后摻加2%（乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的偶聯(lián)劑，攪拌混勻后靜置30 min，使硅烷偶聯(lián)劑完全水解；②將PVA纖維加入步驟①的溶液中，浸泡90 min；③浸泡后過濾出PVA纖維，在80℃恒溫干燥箱中烘干3h．

表3 PVA纖維技術(shù)指標(biāo)Table 3 Technical index of PVA fiber

分別選取基質(zhì)瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1. 0%、1. 5%和2. 0%的原樣PVA纖維（T）和經(jīng)表面處理工藝改性后的PVA纖維（ST）制備6種改性瀝青．改性工藝為：將基質(zhì)瀝青材料預(yù)熱至160℃，摻加PVA纖維并在短時間內(nèi)溫度上升到165℃．最后在165℃的溫度下以較低速率（2 000 r/min）剪切30 min，使PVA纖維完全分散．

采用外形圖像分析方法分別測量處理前后PVA纖維和瀝青的接觸角，并以黏附功評價處理工藝對于纖維改性劑和瀝青相容性的改善效果．通過布氏黏度計(jì)得到PVA纖維改性瀝青110~160℃內(nèi)的旋轉(zhuǎn)黏度，以評價溫度敏感性．基于動態(tài)剪切流變儀，采用溫度掃描、多重應(yīng)力蠕變回復(fù)（multiple stress creep and recovery，MSCR）和線性振幅掃描（linear amplitude sweep，LAS）試驗(yàn)，評價不同纖維含量下表面處理工藝對于PVA纖維改性瀝青流變性能的影響．

根據(jù)表面能理論^[16]，任何物質(zhì)都趨向于達(dá)到自身能量最低的狀態(tài)．就瀝青和集料體系而言，集料由于表面力場的存在會自發(fā)吸引瀝青從而降低表面能，形成穩(wěn)定的體系，應(yīng)用此理論可采用黏附功評價兩者的黏附性．對于PVA纖維和瀝青體系，由于PVA纖維具有同樣的黏附效應(yīng)，因此可采用相同的黏附功計(jì)算方法近似處理．

依據(jù)Young方程和表面能理論，可根據(jù)式（1）和式（2）計(jì)算基質(zhì)瀝青（BA）和PVA纖維的黏附功：

其中，γ₁為標(biāo)準(zhǔn)液的表面能；γ^d₁和γ^p₁分別為標(biāo)準(zhǔn)液表面自由能的色散分量和極性分量；γ^d_s和γ^p_s分別為瀝青表面自由能的色散分量和極性分量；θ為瀝青和標(biāo)準(zhǔn)液的接觸角；W_sl為瀝青與纖維的黏附功；γ^*₁為瀝青的表面能；θ^*為瀝青和纖維的接觸角．

瀝青和標(biāo)準(zhǔn)液的接觸角測量結(jié)果如圖1，通過式（1）可得瀝青和標(biāo)準(zhǔn)液的表面能．其中，標(biāo)準(zhǔn)液中水的色散分量為21. 8 mJ/m²，極性分量為51. 0 mJ/m²，表面能為72. 8 mJ/m²；標(biāo)準(zhǔn)液中丙三醇的色散分量為34. 0 mJ/m²，極性分量為30. 0 mJ/m²，表面能為64. 0 mJ/m²；瀝青的色散分量為22. 9 mJ/m²，極性分量為1. 2 mJ/m²，表面能為24. 1 mJ/m².

圖1 瀝青和標(biāo)準(zhǔn)液的接觸角（a）瀝青-水界面接觸角；（b）瀝青-丙三醇界面接觸角Fig. 1 Contact angles (CA) of (a) asphalt-water and (b) asphalt-glycerol.

根據(jù)瀝青與原樣纖維和經(jīng)表面處理纖維的接觸角測試結(jié)果（圖2），表面改性前后PVA纖維與瀝青液滴的接觸角均大于90°，表明瀝青對PVA纖維不潤濕，但對比兩者的接觸角，經(jīng)表面處理的PVA纖維與瀝青的接觸角較原樣纖維降低了10°左右．根據(jù)式（2）計(jì)算了表面處理前后纖維與瀝青的黏附功，分別為15. 3 mJ/m²和19. 7 mJ/m²，即表面處理工藝明顯提高了瀝青和纖維兩者的相容性．這是因?yàn)楣柰榕悸?lián)劑KH-570的Y基團(tuán)與聚乙烯醇中活性氫發(fā)生了?；磻?yīng)，改善了PVA表面與瀝青的黏結(jié)性．由此可知，PVA表面改性可有效提高瀝青的黏附性．

圖2 瀝青和表面處理前后PVA纖維的接觸角（a）瀝青-原樣PVA；（b）瀝青-表面處理PVA Fig. 2 Contact angles (CA) between asphalt and PVA fibers (a) with or (b) without surface treating.

為了對比研究表面處理前后PVA纖維對基質(zhì)瀝青抵抗剪切變形流動能力的影響，通過布氏旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測量了轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為20 r/min、溫度分別為110、120、135、150和160℃時基質(zhì)瀝青和不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)PVA纖維改性瀝青的旋轉(zhuǎn)黏度（η），并得到對應(yīng)的黏溫曲線，如圖3．由圖3可見，各類型膠結(jié)料的黏度在110~160℃內(nèi)均表現(xiàn)為非線性衰減趨勢，同一溫度下，各質(zhì)量分?jǐn)?shù)纖維改性瀝青和基質(zhì)瀝青的布氏黏度展現(xiàn)出較大的差異性．在所選溫度區(qū)間內(nèi)，相較于BA，T和ST均具有更高的黏度，這表明PVA纖維的加入起到了明顯的增黏效果．此外，對比兩種不同的PVA纖維改性瀝青黏度結(jié)果可以看出，相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下ST的黏度高于T的黏度，且兩者黏度的差異性隨摻量的增加而變大，即PVA纖維經(jīng)表面處理后增黏效果更為顯著，這是由于PVA纖維表面經(jīng)改性后提高了與瀝青的混溶程度，使得兩者的接觸面積增大，因此在外界剪切力的作用下對于瀝青流動變形的阻礙效應(yīng)變大，而質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高時這種阻礙作用越為明顯，導(dǎo)致黏結(jié)劑表現(xiàn)出較大的黏度．另一方面，瀝青的黏度與其對應(yīng)的混合料拌合溫度相關(guān)，因此根據(jù)黏溫曲線可以得出相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下ST黏結(jié)劑的施工拌合溫度高于T黏結(jié)劑，通過降低PVA纖維含量可以有效降低瀝青的允許拌合溫度．

為更好在描述T和ST黏度（η）與攝氏溫度（t）的數(shù)量關(guān)系，采用半對數(shù)坐標(biāo)系對圖3中各曲線進(jìn)行回歸擬合，結(jié)果如表3．在回歸擬合模型中，截距代表對應(yīng)的黏度的大小，而斜率的絕對值決定該瀝青黏度對溫度變化的耐受性大小．根據(jù)表3的回歸關(guān)系可以得出ST-2. 0%的溫度敏感性最小，但總體而言各瀝青的回歸斜率值表現(xiàn)出較小的差異性，即T、ST和BA的黏溫敏感性大致相同．

圖3 不同瀝青膠結(jié)料的黏溫曲線Fig. 3 Viscosity temperature curves of different asphalt binders.

表4 黏溫曲線回歸結(jié)果Table 4 Regression results of viscosity temperature curve

根據(jù)各PVA纖維改性瀝青的線性黏彈區(qū)范圍，選定5%應(yīng)變條件，加載頻率為10 Hz，在40、46、52、58和64℃對各試樣進(jìn)行溫度掃描，試驗(yàn)結(jié)果如圖4至圖6．所有試樣的復(fù)數(shù)剪切模量隨溫度的升高均表現(xiàn)出非線性下降的趨勢，同一溫度下各質(zhì)量分?jǐn)?shù)的T和ST樣品復(fù)數(shù)剪切模量均高于BA．對于相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的T和ST，ST具有更高的復(fù)數(shù)剪切模量，說明PVA纖維的添加可以顯著增強(qiáng)瀝青高溫條件下的抗變形能力，而經(jīng)過表面改性后其與瀝青間的膠結(jié)力增大，使得瀝青結(jié)合料整體的溫度敏感性降低，這與前述黏度試驗(yàn)結(jié)果一致．

圖4 復(fù)數(shù)剪切模量結(jié)果Fig. 4 Complex shear modulus versus temperatures.

圖5 相位角結(jié)果Fig. 5 Phase angle versus temperatures.

由圖5結(jié)果可知，同樣的剪切參數(shù)條件下，各瀝青樣品的相位角變化趨勢呈現(xiàn)出明顯的差異，對于BA和T，相位角與溫度表現(xiàn)出較好的正相關(guān)，這與通常的黏結(jié)劑相位角結(jié)果一致，即溫度升高，瀝青逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榻频呐ｎD流體，從而展示出更為明顯的流動特征，因此剪切變形的滯后效應(yīng)更大，相位角增大．而對于ST，當(dāng)表面處理PVA纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%左右時，相位角變化規(guī)律與BA和T一致，但當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1. 5%和2%時，相位角表現(xiàn)為先上升后逐漸衰減的特點(diǎn)，當(dāng)溫度在52~60℃時相位角達(dá)到峰值．這是由于表面處理PVA纖維與瀝青的結(jié)合更為緊密，當(dāng)高溫收到剪切力時，纖維起到主要作用，通過橋連效應(yīng)增加了瀝青分子間的摩擦力從而抑制了瀝青的流動變形^[17]．

圖6 車轍因子結(jié)果Fig. 6 Rutting factor versus temperatures.

圖6采用車轍因子綜合評價各試樣的黏彈性特性及抗車轍性能．由圖6可見，車轍因子在所選試驗(yàn)參數(shù)條件下的變化趨勢與復(fù)數(shù)剪切模量相似，即表現(xiàn)為非線性變化的負(fù)相關(guān)．當(dāng)T和TS中纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)都在1%時，PVA對膠結(jié)料的高溫流變性能提升不大，但當(dāng)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過1. 5%時，膠結(jié)料整體具有較好的高溫穩(wěn)定性，且ST對瀝青結(jié)合料整體的抗車轍性能提升更為明顯．這是由于ST在瀝青中的分布更為均勻，容易形成致密的結(jié)構(gòu)瀝青層，極大增強(qiáng)了抗剪切變形能力．而當(dāng)溫度逐漸升高時，瀝青逐漸變?yōu)橛坞x態(tài)，纖維被弱化，因此抗變形能力極具衰減，車轍因子趨向于0．

根據(jù)AASHTO MP 19，采用MSCR試驗(yàn)，分別對旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱測試（rolling thin film oven test， RTFOT）后不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下兩種PVA纖維改性瀝青和基質(zhì)瀝青在64℃下的不可回復(fù)蠕變?nèi)崃浚↗_nr）、蠕變回復(fù)率（R）及應(yīng)力敏感性（R_diff和J_nr-diff）進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖7．

R_{0. 1}和R_{3. 2}分別代表試樣在0. 1 kPa和3. 2 kPa應(yīng)力水平下加載1 s和卸載10 s過程中可回復(fù)應(yīng)變與峰值應(yīng)變的比值，表征了樣品的蠕變回復(fù)能力．J_nr則表征了在此加載卸載過程中試樣所產(chǎn)生的永久變形的大小．從圖8（a）和（b）可見，在0. 1 kPa和3. 2 kPa應(yīng)力水平下，各T和ST試樣的J_nr值隨PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而逐漸衰減，均小于BA．相較于T， ST試樣具有更低的J_nr值．這表明在64℃的重復(fù)荷載條件下，PVA纖維的存在能夠抑制瀝青不可回復(fù)形變的產(chǎn)生，而ST由于與瀝青更大的結(jié)合力使得瀝青表面更容易形成致密的結(jié)構(gòu)層，因而表現(xiàn)出優(yōu)異的抗車轍性能．對于蠕變回復(fù)率來說，盡管R_{0. 1}和R_{3. 2}與摻量均表現(xiàn)出較好的正相關(guān)，但不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的T和ST試樣在0. 1 kPa和3. 2 kPa表現(xiàn)出較大的差異性．在0. 1 kPa荷載條件下，PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1. 0%的T和ST的蠕變回復(fù)均小于BA，當(dāng)PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過1. 5%時，T和ST逐漸表現(xiàn)出優(yōu)于BA的蠕變能力，而在3. 2 kPa荷載條件時，各摻量T和ST的可回復(fù)變形比例均高于BA．綜合來看，兩種應(yīng)力水平下R的浮動范圍隨摻量的提高都在10%以內(nèi)，即PVA纖維的加入對于瀝青在高應(yīng)力水平重復(fù)荷載作用下的蠕變變形能力沒有明顯改善．

圖7 MSCR試驗(yàn)結(jié)果（a）0. 1 kPa荷載水平下R和J與PAV纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系；（b）3. 2 kPa荷載水平下R和J與PAV纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系；（c）應(yīng)力敏感性隨纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化Fig. 7 MSCR results. (a) Relationship between R, J and PAV fiber mass fraction at 0. 1 kPa load level, (b) relationship between R, J and PAV fiber mass fraction at 3. 2 kPa load level, and (c) variation of stress sensitivity with PAV fiber mass fraction.

圖8（c）顯示了各試樣的應(yīng)力敏感性指標(biāo)R_diff和J_nr-diff與PVA摻量的關(guān)系曲線．總體而言，PVA纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高，R和J_nr的敏感性均有所降低．經(jīng)表面處理后PVA纖維改性瀝青試樣在應(yīng)力變化的過程中有著更好的變形及回復(fù)穩(wěn)定性．此外，T的J_nr-diff降低幅度更大，而ST的R_diff和J_nr-diff隨PAV質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化降低幅度相當(dāng)．根據(jù)AASHTO MP 19要求，SBS改性瀝青的應(yīng)力敏感指標(biāo)應(yīng)不超過75%．相較而言，原樣纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到2. 0%左右時可達(dá)到SBS標(biāo)準(zhǔn)，而經(jīng)表面處理后1. 5%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)即可滿足該要求，表明經(jīng)表面改性后與瀝青結(jié)合的有效纖維含量增加，提升了膠結(jié)料整體對循壞應(yīng)力載荷的抗性．

為研究T和ST的耐疲勞性能，對經(jīng)壓力老化箱（pressurized aging vessel，PAV）處理后的試樣進(jìn)行振幅掃描，以識別瀝青樣品的損傷特征．其中，振蕩剪切應(yīng)變的振幅在5 min內(nèi)從0線性增加到10 Hz下的30%，以此得到不同T和ST樣品在線性增加的應(yīng)變條件下所產(chǎn)生的應(yīng)力大小變化．結(jié)合VECD模型計(jì)算瀝青疲勞方程（3）中的參數(shù)，進(jìn)而預(yù)測疲勞壽命為

其中，N_f為疲勞壽命；γ_max為施加的振幅剪切應(yīng)變；A和B為模型擬合系數(shù)．在2. 5%和5. 0%應(yīng)變條件下，對PVC纖維改性瀝青的疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測，如圖8．在2. 5%應(yīng)變條件下，相較于BA，各PVA含量的T改性瀝青的疲勞壽命略有提高，但隨PVA添加量的增多變化不大，而ST對于疲勞壽命的提升較大，PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1. 5%和2. 0%的ST改性瀝青相較于BA，分別增加了約2 500和5 000．在5%應(yīng)變條件下，各膠結(jié)料試樣的疲勞壽命均有大幅度下降，且PVA含量的提高對N_f的增長表現(xiàn)不明顯．這表明對PVA纖維表面改性有利于提高瀝青在線性振幅掃描中的抗疲勞性能，但這種提升作用在低應(yīng)變水平下表現(xiàn)突出，在較高應(yīng)變水平下T和ST改性瀝青無顯著差異．

圖8 疲勞壽命預(yù)測結(jié)果（a）T；（b）ST Fig. 8 Fatigue life prediction results of (a) T and (b) ST.