表面預處理PVA纖維改性瀝青的高溫流變特性

基質瀝青（base asphalt，BA）為SK70#道路石油瀝青，技術參數(shù)見表1，薄膜烘箱測試（thin film oven test，TFOT）的技術參數(shù)見表2．纖維選用上海臣啟化工科技有限公司生產的PVA纖維（長度為6 mm），性能指標如表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 基質瀝青技術參數(shù)Table 1 Technical parameters of base asphalt

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

經(jīng)前期試驗探索，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量比3∶7制得溶解液，然后摻加2%（乙醇質量分數(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纖維技術指標Table 3 Technical index of PVA fiber

分別選取基質瀝青質量分數(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：將基質瀝青材料預熱至160℃，摻加PVA纖維并在短時間內溫度上升到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．通過布氏黏度計得到PVA纖維改性瀝青110~160℃內的旋轉黏度，以評價溫度敏感性．基于動態(tài)剪切流變儀，采用溫度掃描、多重應力蠕變回復（multiple stress creep and recovery，MSCR）和線性振幅掃描（linear amplitude sweep，LAS）試驗，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]，任何物質都趨向于達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，因此可采用相同的黏附功計算方法近似處理．

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

其中，γ₁為標準液的表面能；γ^d₁和γ^p₁分別為標準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為瀝青和標準液的接觸角；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．

瀝青和標準液的接觸角測量結果如圖1，通過式（1）可得瀝青和標準液的表面能．其中，標準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；標準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 瀝青和標準液的接觸角（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．這是因為硅烷偶聯(lián)劑KH-570的Y基團與聚乙烯醇中活性氫發(fā)生了?；磻纳屏薖VA表面與瀝青的黏結性．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纖維對基質瀝青抵抗剪切變形流動能力的影響，通過布氏旋轉黏度計測量了轉子轉速為20 r/min、溫度分別為110、120、135、150和160℃時基質瀝青和不同質量分數(shù)PVA纖維改性瀝青的旋轉黏度（η），并得到對應的黏溫曲線，如圖3．由圖3可見，各類型膠結料的黏度在110~160℃內均表現(xiàn)為非線性衰減趨勢，同一溫度下，各質量分數(shù)纖維改性瀝青和基質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，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果可以看出，相同質量分數(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變大，而質量分數(shù)越高時這種阻礙作用越為明顯，導致黏結劑表現(xiàn)出較大的黏度．另一方面，瀝青的黏度與其對應的混合料拌合溫度相關，因此根據(jù)黏溫曲線可以得出相同質量分數(shù)下ST黏結劑的施工拌合溫度高于T黏結劑，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)量關系，采用半對數(shù)坐標系對圖3中各曲線進行回歸擬合，結果如表3．在回歸擬合模型中，截距代表對應的黏度的大小，而斜率的絕對值決定該瀝青黏度對溫度變化的耐受性大?。鶕?jù)表3的回歸關系可以得出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 不同瀝青膠結料的黏溫曲線Fig. 3 Viscosity temperature curves of different asphalt binders.

表4 黏溫曲線回歸結果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%應變條件，加載頻率為10 Hz，在40、46、52、58和64℃對各試樣進行溫度掃描，試驗結果如圖4至圖6．所有試樣的復數(shù)剪切模量隨溫度的升高均表現(xiàn)出非線性下降的趨勢，同一溫度下各質量分數(shù)的T和ST樣品復數(shù)剪切模量均高于BA．對于相同質量分數(shù)的T和ST，ST具有更高的復數(shù)剪切模量，說明PVA纖維的添加可以顯著增強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力增大，使得瀝青結合料整體的溫度敏感性降低，這與前述黏度試驗結果一致．

圖4 復數(shù)剪切模量結果Fig. 4 Complex shear modulus versus temperatures.

圖5 相位角結果Fig. 5 Phase angle versus temperatures.

由圖5結果可知，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，這與通常的黏結劑相位角結果一致，即溫度升高，瀝青逐漸轉變?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更大，相位角增大．而對于ST，當表面處理PVA纖維質量分數(shù)為1%左右時，相位角變化規(guī)律與BA和T一致，但當質量分數(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，當溫度在52~60℃時相位角達到峰值．這是由于表面處理PVA纖維與瀝青的結合更為緊密，當高溫收到剪切力時，纖維起到主要作用，通過橋連效應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參數(shù)條件下的變化趨勢與復數(shù)剪切模量相似，即表現(xiàn)為非線性變化的負相關．當T和TS中纖維的質量分數(shù)都在1%時，PVA對膠結料的高溫流變性能提升不大，但當纖維質量分數(shù)超過1. 5%時，膠結料整體具有較好的高溫穩(wěn)定性，且ST對瀝青結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，容易形成致密的結構瀝青層，極大增強了抗剪切變形能力．而當溫度逐漸升高時，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，分別對旋轉薄膜烘箱測試（rolling thin film oven test， RTFOT）后不同質量分數(shù)下兩種PVA纖維改性瀝青和基質瀝青在64℃下的不可回復蠕變柔量（J_nr）、蠕變回復率（R）及應力敏感性（R_diff和J_nr-diff）進行了分析，結果如圖7．

R_{0. 1}和R_{3. 2}分別代表試樣在0. 1 kPa和3. 2 kPa應力水平下加載1 s和卸載10 s過程中可回復應變與峰值應變的比值，表征了樣品的蠕變回復能力．J_nr則表征了在此加載卸載過程中試樣所產生的永久變形的大?。畯膱D8（a）和（b）可見，在0. 1 kPa和3. 2 kPa應力水平下，各T和ST試樣的J_nr值隨PVA質量分數(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℃的重復荷載條件下，PVA纖維的存在能夠抑制瀝青不可回復形變的產生，而ST由于與瀝青更大的結合力使得瀝青表面更容易形成致密的結構層，因而表現(xiàn)出優(yōu)異的抗車轍性能．對于蠕變回復率來說，盡管R_{0. 1}和R_{3. 2}與摻量均表現(xiàn)出較好的正相關，但不同質量分數(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質量分數(shù)為1. 0%的T和ST的蠕變回復均小于BA，當PVA質量分數(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的可回復變形比例均高于BA．綜合來看，兩種應力水平下R的浮動范圍隨摻量的提高都在10%以內，即PVA纖維的加入對于瀝青在高應力水平重復荷載作用下的蠕變變形能力沒有明顯改善．

圖7 MSCR試驗結果（a）0. 1 kPa荷載水平下R和J與PAV纖維質量分數(shù)的關系；（b）3. 2 kPa荷載水平下R和J與PAV纖維質量分數(shù)的關系；（c）應力敏感性隨纖維質量分數(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）顯示了各試樣的應力敏感性指標R_diff和J_nr-diff與PVA摻量的關系曲線．總體而言，PVA纖維質量分數(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力變化的過程中有著更好的變形及回復穩(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質量分數(shù)的變化降低幅度相當．根據(jù)AASHTO MP 19要求，SBS改性瀝青的應力敏感指標應不超過75%．相較而言，原樣纖維質量分數(shù)達到2. 0%左右時可達到SBS標準，而經(jīng)表面處理后1. 5%的質量分數(shù)即可滿足該要求，表明經(jīng)表面改性后與瀝青結合的有效纖維含量增加，提升了膠結料整體對循壞應力載荷的抗性．

為研究T和ST的耐疲勞性能，對經(jīng)壓力老化箱（pressurized aging vessel，PAV）處理后的試樣進行振幅掃描，以識別瀝青樣品的損傷特征．其中，振蕩剪切應變的振幅在5 min內從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變條件下所產生的應力大小變化．結合VECD模型計算瀝青疲勞方程（3）中的參數(shù)，進而預測疲勞壽命為

其中，N_f為疲勞壽命；γ_max為施加的振幅剪切應變；A和B為模型擬合系數(shù)．在2. 5%和5. 0%應變條件下，對PVC纖維改性瀝青的疲勞壽命進行預測，如圖8．在2. 5%應變條件下，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質量分數(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%應變條件下，各膠結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變水平下表現(xiàn)突出，在較高應變水平下T和ST改性瀝青無顯著差異．

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