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