聚酯纖維用于環(huán)氧樹脂瀝青混合料增柔及增韌技術研究

顧曉燕, 高劍飛, 李惠翔

(1.四川水利職業(yè)技術學院， 四川 崇州 611230； 2.青海省交通規(guī)劃設計研究院有限公司， 青海 西寧 810012)

環(huán)氧樹脂分子中有兩個或以上環(huán)氧基，在固化劑的作用下，與環(huán)氧基反應生成三維交聯(lián)網(wǎng)狀結構，其中骨架為脂肪族、芳香族等。環(huán)氧樹脂具有很高的強度、機械性能、黏結性能、固化后收縮率低的特點，被廣泛用于航空、工業(yè)、交通行業(yè)，但環(huán)氧樹脂先天的脆性高、柔性低、韌性低的特點，使其不能在需求耐久性高的環(huán)境、區(qū)域、行業(yè)使用。20世紀60年代，研究人員在環(huán)氧樹脂中加入丁腈橡膠對環(huán)氧樹脂進行改性[1]。后來為提高強度及模量，研究人員逐步采用玻璃微珠、CaCO3、Al2O3等高強度的無機基體材料改性環(huán)氧樹脂，可以起到增韌、提高模量的效果[2]。1999年后Boogh等開始研究超支化大分子應用于環(huán)氧樹脂的改性，結果顯示使用較少的超支化聚合物可以對環(huán)氧樹脂起到增韌的效果，且強度和模量不發(fā)生明顯下降[3]。在鋼橋面鋪裝時，為使環(huán)氧樹脂與橋面產(chǎn)生相同的撓度且不產(chǎn)生拉裂變形破壞、疲勞破壞，在環(huán)氧樹脂中加入橡膠粉，提高環(huán)氧樹脂的柔性，但在橋面使用過程中，還存在疲勞性破環(huán)的裂縫，近年來疲勞性裂縫控制受到研究人員的高度重視[4]。該文在環(huán)氧樹脂瀝青柔性的基礎上，加入聚酯纖維，借助低溫彎曲試驗、疲勞試驗，研究聚酯纖維對環(huán)氧樹脂瀝青柔性、韌性的提升效果，分析聚酯纖維對其的改性機理，提出合理的聚酯纖維摻量。

1 聚酯纖維的增柔及增韌機理

環(huán)氧樹脂具有先天的脆性高、柔性低、韌性低的特點，拌和的環(huán)氧樹脂瀝青混合料繼承了環(huán)氧樹脂的特性。所以，拌和的混合料無法滿足混合料的低溫及抗疲勞性能。為此，環(huán)氧樹脂混合料中加入增韌、增柔的材料是環(huán)氧樹脂瀝青混合料使用的必經(jīng)之路。① 聚酯纖維加入后，聚酯纖維在環(huán)氧瀝青中充分分散，在纖維大比表面積的作用下，瀝青中輕質(zhì)組分被纖維充分吸收，增強了環(huán)氧瀝青膠漿的黏度，降低了瀝青膠漿的溫度敏感性；② 聚酯纖維表面并非平滑，在電鏡下，聚酯纖維表面有凹槽和凸起，在環(huán)氧瀝青的包裹下，起到了明顯的錨固、嵌鎖作用，使其與瀝青結合更為牢固，膠結料脆性斷裂更加困難，柔韌性能提高；③ 聚酯纖維在環(huán)氧瀝青中相互交錯，相互搭接，形成三維加筋網(wǎng)狀結構，起到了橋接組裂作用，在瀝青銀紋的形成及擴散方面起到明顯的抑制作用，表現(xiàn)為混合料低溫、高溫柔性、韌性方面性能提升效果更為顯著。

2 環(huán)氧瀝青混合料柔性、韌性評價方法

2.1 柔性評價方法

柔性用于反映環(huán)氧瀝青混合料在外荷載、一定溫度范圍內(nèi)的變形能力，瀝青對溫度較為敏感，研究低溫條件下，改性環(huán)氧瀝青混合料的柔性具有很強的代表性[5]。該文選用JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中的低溫彎曲試驗方法評價摻聚酯纖維環(huán)氧樹脂瀝青混合料的抵抗彎曲性能。小梁試件采用車轍板試件切割而成，尺寸為250 mm×35 mm×30 mm，試驗溫度(-10±0.5) ℃，加載速率50 mm/min,通過低溫彎曲試驗，建立低溫彎曲試驗荷載-撓度曲線圖，最終計算小梁的抗彎拉強度、最大彎拉應變、彎曲勁度模量。

2.2 韌性評價方法

瀝青混合料的韌性可以反映在重復荷載作用下，抵抗重復變形的能力，韌性越高，疲勞試驗時，疲勞次數(shù)FN越大[6]。該文采用四分點彎曲疲勞試驗評價摻聚酯纖維的環(huán)氧樹脂瀝青混合料的韌性提升程度，解決環(huán)氧樹脂用于橋面鋪裝時，與橋面韌性不一致，產(chǎn)生的剪切性層間拉裂等病害。試驗采用380 mm×50 mm×63.5 mm小梁試件，試驗過程采用應力控制模式[7-11]，試驗溫度15 ℃，加載頻率10 Hz,最終選擇FN評價摻聚酯纖維的環(huán)氧樹脂瀝青混合料的韌性性能。

3 原材料及配合比設計

環(huán)氧樹脂、聚酯纖維、集料及礦粉均為石灰?guī)r基，油石比6.1%，瀝青為70#普通瀝青。聚酯纖維技術指標見表1，合成級配見表2，纖維環(huán)氧樹脂瀝青混合料馬歇爾試驗結果見表3。

表1 聚酯纖維的技術指標

表2 合成級配

表3 纖維環(huán)氧樹脂瀝青混合料馬歇爾試驗結果

聚酯纖維改性環(huán)氧瀝青混合料拌和流程為：室內(nèi)先將集料加入拌和鍋，然后加入固定量的聚酯纖維，干拌30 s，再加入環(huán)氧瀝青拌和90 s，最后加入礦粉拌和90 s即可；拌和站施工時，聚酯纖維加入后與集料干拌時間延長5～10 s，濕拌時間延長5～15 s，以保證混合料中纖維、瀝青、集料拌和均勻。

添加相對較多的聚酯纖維后，纖維對瀝青的吸附能力變強，使得被吸附后的瀝青針入度變小，軟化點提高，相同成型溫度下，成型相對越來越困難，試件空隙率逐漸增加。

4 聚酯纖維對環(huán)氧樹脂瀝青混合料的柔性改性效果

為使環(huán)氧樹脂瀝青混合料柔性表現(xiàn)得較為明顯，不出現(xiàn)脆性斷裂，該文在環(huán)氧樹脂中添加不同用量的聚酯纖維，采用聚酯纖維纖細、加筋和阻裂的作用，提升和改善環(huán)氧樹脂瀝青混合料的柔性，低溫彎曲試驗結果見表4。

表4 纖維瀝青混合料低溫彎曲試驗結果

從表4可知：添加聚酯纖維后，環(huán)氧樹脂瀝青混凝土的小梁試件跨中撓度逐漸增大，逐漸表現(xiàn)出柔性的一面。隨聚酯纖維用量的增加，破壞應變、彎拉強度出現(xiàn)先逐漸增大后減小的趨勢，表明纖維在改變環(huán)氧樹脂瀝青混凝土的脆性斷裂方面提升效果明顯，但當纖維摻量超過0.3%時，破壞應變出現(xiàn)急劇下降的趨勢。主要原因為：聚酯纖維在環(huán)氧樹脂中呈現(xiàn)的三維分布狀態(tài)已飽和，過多的纖維加入后，纖維無法均勻分散，最終呈現(xiàn)一束一束的分布狀態(tài)，在環(huán)氧樹脂瀝青混凝土中反而起到隔離瀝青裹覆，產(chǎn)生黏結空位的現(xiàn)象。所以，環(huán)氧樹脂瀝青混凝土中添加0.3%聚酯纖維增柔效果最好。

5 聚酯纖維對環(huán)氧樹脂瀝青混合料的韌性改性效果

采用應力控制模式，研究不同劑量的聚酯纖維對環(huán)氧樹脂瀝青混合料韌性的提升能力，試驗結果見表5。

表5 聚酯纖維環(huán)氧樹脂瀝青混合料疲勞試驗結果

續(xù)表5

從表5可知：

(1) 隨著聚酯纖維摻量的增大，相同應力水平下疲勞次數(shù)呈較大幅度的增加，并且增加幅度不盡相同。

(2) 聚酯纖維摻量存在最佳摻量0.3%，當摻量超過最佳值0.3%時，疲勞次數(shù)大幅度下降。

(3) 從回歸方程可知，系數(shù)K值越大，N值越小，疲勞次數(shù)越大，此時的疲勞壽命隨荷載增大衰減越小，表明聚酯纖維摻量為0.3%時，聚酯纖維環(huán)氧樹脂瀝青混合料的疲勞性能達到最優(yōu)。

聚酯纖維加入環(huán)氧樹脂瀝青混合料中，使環(huán)氧樹脂瀝青混合料表現(xiàn)出明顯的韌性性能，主要原因為在電鏡下可以看到聚酯纖維表面并非光滑表面，而具有明顯凹凸不平的表面，斷面部分呈現(xiàn)扁平狀或凹陷狀，以上形狀很大程度增加了纖維與瀝青的接觸面積，進而使瀝青中的輕質(zhì)組分得到更大程度的吸收，瀝青的黏稠度、軟化點得到進一步提高；此外，合理劑量的纖維在瀝青混合料中起到加筋、束縛、限位的作用，使瀝青混合料中集料在高溫下相對位置不能隨意改變，保證了混合料集料位置的相對穩(wěn)定；最后，依據(jù)材料破壞銀紋理論，材料破壞前先出現(xiàn)細小的銀紋，但銀紋內(nèi)部并非空隙，而是空隙中存在銀紋質(zhì)相連，當銀紋逐漸受力變粗時，銀紋質(zhì)斷裂，才形成了裂縫，當添加聚酯纖維后，聚酯纖維充當了銀紋質(zhì)牽引，當銀紋繼續(xù)發(fā)展，銀紋尖端向前拓展和銀紋寬度增加被有效鎖定，從而使瀝青混合料的韌性得到大幅度的提升。

6 結論

(1) 添加聚酯纖維對環(huán)氧樹脂瀝青混合料的柔性、韌性提升較為明顯。

(2) 聚酯纖維摻量小于0.3%時，隨聚酯纖維摻量的增加，環(huán)氧樹脂瀝青混合料的低溫彎曲、疲勞性能逐漸提高；當摻量超過0.3%時，低溫彎曲性能、疲勞次數(shù)極速下降；摻量到0.4%時，性能與未摻相當。所以，聚酯纖維摻量為0.3%時，環(huán)氧樹脂瀝青混合料的柔性和韌性最優(yōu)。

(3) 聚酯纖維在環(huán)氧樹脂瀝青混合料中以瀝青輕質(zhì)組分吸附、三維網(wǎng)狀內(nèi)部加筋、限位方式提升混合料的柔、韌性，同時與瀝青產(chǎn)生的銀紋質(zhì)共同協(xié)助，鎖定銀紋尖端向前拓展和銀紋寬度增加，大幅度提升了環(huán)氧樹脂瀝青混合料的韌性性能。