基于表面能理論光纖埋設對瀝青混合料黏附性能影響研究

張志遠 廖夢回 苗 強 羅 蓉

(武漢理工大學交通與物流工程學院1) 武漢 430063) (湖北省公路工程技術研究中心2) 武漢 430063)

0 引 言

基于瀝青路面結構內部力學響應信息監測的需要,光纖光柵傳感技術廣泛應用于瀝青路面結構內部力學響應監測中.陳少幸等[1]論證了光纖光柵傳感器應用于路面響應信息監測的可行性.Abdel等[2]利用光纖光柵傳感器研究路面抗反射裂縫的性能.譚憶秋等[3]進行了基于光纖光柵傳感技術的瀝青路面永久變形計算方法研究.

光纖光柵傳感器與瀝青混合料的協同變形研究受到了專家學者的廣泛關注.田庚亮等[4-7]進行光纖光柵傳感器與瀝青混合料協同變形研究,分析了高模量傳感器對于瀝青路面應力、應變場分布的影響.然而,這些研究大都集中于光纖光柵傳感器與瀝青混合料的模量匹配.研究表明:瀝青路面結構在光纖長期埋設處易產生開裂,瀝青路面結構在光纖長期埋設處易出現水損害問題,影響瀝青路面結構的使用性能及壽命,需要針對瀝青混合料與光纖封裝材料的黏附性能展開研究[8-9].

文中采用表面能理論分析了光纖封裝材料與瀝青混合料的黏附性能,研究不同光纖封裝材料與瀝青之間的黏附性,利用改進水煮法對表面能分析結果進行驗證,同時測試不同光纖封裝材料的耐高溫性及強度,進行光纖封裝材料優選.通過對光纖埋設體積比的計算與測試,提出基于光纖埋設體積比的瀝青膠漿-封裝材料匹配性指標,并通過宏觀瀝青混合料水穩定性試驗檢驗該指標的準確性.

1 瀝青、光纖封裝材料表面能參數測試

1.1 表面能理論及參數計算

表面能理論能夠利用黏附結合能、內聚結合能等理論客觀準確的推理瀝青混合料在液態水的影響下產生破壞的機制.表面能試驗受外界影響較小,采用定量評價手段進行評價,試驗結果客觀有效.表面能γ為恒溫恒壓條件下每增加單位物質表面積時外界壞境對此體系所做的功[10],其單位為erg/cm2.文中采用CvOC理論體系[11],這一體系將表面能分為極性酸分量(γ+)、極性堿分量(γ-)、非極性酸堿分量(γLW)和極性色散分量(γAB),其中表面能與各個分量的關系式為

(1)

瀝青與封裝材料接觸界面之間的黏附結合能的產生,是瀝青與封裝材料二者非極性分子與極性分子相互作用的結果.黏附結合能的各分量都可用材料表面能參數推導出,即

(2)

有液體作用時,與瀝青混合料形成三相材料,即有液體條件下的黏附結合能,計算公式為

(3)

1.2 材料參數

采用湖北某廠生產的SBS改性瀝青作為試驗瀝青,橡膠與特氟龍材料作為試驗封裝材料,參數見表1～3.

表1 SBS改性瀝青性能指標

表2 特氟龍材料參數

表3 橡膠材料參數

1.3 試驗方法

瀝青表面能的測試手段采用插板法.采用全自動表面張力儀作為試驗用設備,依據力學平衡原理測算出瀝青涂膜玻片與測試使用試劑的動態接觸角,通過聯立方程組得到所需的瀝青表面能參數[12-13].測試結果見表4.

表4 瀝青表面能參數 單位:erg/cm2

光纖封裝材料的表面能測試采用靜滴法[14].

將制備好的光纖封裝材料切片平整貼在玻片的表面,制備光纖封裝材料玻片.將封裝材料玻片水平放置于試驗腔,使用滴定針滴定2μL試劑于光纖封裝材料表面形成穩定液滴.利用光學影響測試設備記錄不同測試試劑在光纖封裝材料表面形成的穩定接觸角,并計算封裝材料的表面能參數.接觸角為常溫下光纖封裝材料(固體)、測試所用試劑(液體)以及空氣(氣體)之間三相接觸位置處,液體與固體表面形成的夾角,見圖1.

圖1 三相接觸角示意圖

測試所用方程為

(4)

將所測接觸角數值代入式(4)即可計算出光纖封裝材料的表面能參數.計算光纖封裝材料的表面能參數至少需要三種試劑測試測得的接觸角,并通過聯立方程組求解.為對比兩種封裝材料的表面能總量差異,采用式(5)計算兩種封裝材料的表面能總量變化率,計算結果見表5.

表5 封裝材料表面能參數測試結果

(5)

式中:ω為表面能總量變化率;γ(1)、γ(2)為封裝材料表面能總量.

由表5可知:兩種封裝材料的各表面能參數差距較大,總量變化率達38.38%.兩種材料的表面能非極性色散分量以及總量皆有較大差距.而封裝材料的表面能將直接影響封裝材料與瀝青接觸界面的黏附功.由此推斷,光纖封裝材料的表面能參數不同,是導致光纖封裝材料與瀝青抗開裂性能差異的根本原因.

2 光纖封裝材料優選

2.1 封裝材料耐高溫試驗

分別針對光纖模擬施工工況溫度直接加熱封裝材料以及模擬瀝青混合料施工狀態加熱埋設在瀝青混合料中的封裝材料,進行5組平行試驗,試驗溫度為190℃,加熱時間為1 h.取出光纖封裝材料,在室溫下冷卻15 min,并對試驗后封裝材料進行性能測試,試驗結果見表6.

表6 封裝材料耐高溫試驗結果

由表6可知:在190℃的高溫環境中加熱后,橡膠材料強度及斷裂伸長度較低,特氟龍材料的強度及斷裂伸長率較高,說明特氟龍在經受高溫工作環境冷卻后,仍具有較高的使用性能.結果表明:特氟龍材料更加適合用作施工高溫環境下的光纖封裝材料.

2.2 封裝材料強度測試

通過制作試件進行光纖的拉伸壓縮試驗、剪切壓實試驗及旋轉壓實試驗三種室內碾壓試驗,驗證光纖封裝材料能否經受住施工碾壓過程.考慮實際施工過程中攤鋪機的履帶會碾壓未覆蓋瀝青混合料的光纖造成破壞,進一步補充了動穩定度試驗,測試結果見表7.

由表7可知:三種室內試驗中,兩種封裝材料都表現出了較高的存活率,皆在90% 以上,特氟龍材料的存活率較優于橡膠封裝材料;動穩定度試驗模擬施工攤鋪碾壓對封裝材料造成的損害,其中,橡膠材料在碾壓過程中破壞嚴重,存活率僅30%,而特氟龍材料由于其高強度特性展現出極高存活率,達到76.67%.結果表明特氟龍材料更加適合光纖用于瀝青路面施工埋設的封裝材料需要.

表7 封裝材料強度測試試驗結果

2.3 封裝材料與瀝青黏附性測試

2.3.1封裝材料與瀝青匹配性指標計算方法

光纖封裝材料與瀝青之間的黏附結合能可說明二者的黏附性能強弱,黏附結合能越高則代表黏附性能越好;瀝青-光纖封裝材料-水三種材料之間的黏附結合能可表明在水的作用下對瀝青混合料的剝落程度;綜合考慮上述因素,采用式(6)計算指標評價埋入光纖后的瀝青混合料水穩定性能[15].

(6)

2.3.2封裝材料與瀝青匹配性指標計算

將瀝青、光纖封裝材料帶入式(2)、式(3),計算光纖封裝材料與瀝青膠漿的黏附結合能和在有水條件下的黏附結合能,計算得到光纖封裝材料與瀝青匹配性指標,計算結果匯總見表8.

表8 封裝材料與瀝青匹配性指標計算結果

由表8可知:特氟龍材料相較于橡膠材料,ER1值提升了26.398%,說明特氟龍材料與瀝青黏附性更好,更加適合作為光纖封裝材料的選擇.

2.3.3改進水煮法測試光纖封裝材料與瀝青的黏附性能

將裁剪成正方形的待測封裝材料用純凈水洗凈,放置在溫度設置為(105±0.5)℃的烘箱中烘干,隨后放置在干燥器中備用,用細線將封裝材料逐個系牢,放置在(105±0.5)℃的烘箱內1 h;逐個取出封裝材料并用線提起浸入提前加熱的瀝青試樣中,待到45 s后輕輕拿出完全被瀝青膜附裹的封裝材料,將其懸掛于試驗架,使多余瀝青自然流失,并在室溫下冷卻15 min;逐個用線提起浸入盛有煮沸水的燒杯中,浸煮3 min后,將封裝材料自水中取出,利用高清攝像機拍攝并利用圖像處理軟件處理所取圖像,計算瀝青對于封裝材料的裹附率;同一試樣平行試驗五個封裝材料,取平均裹附率作為試驗結果,測試結果見表9.

表9 改進水煮法試驗結果

由表9可知:特氟龍材料與瀝青黏附性能優于橡膠材料,平均裹附率差值達5.79%,說明特氟龍材料與瀝青具有更高的黏附性.通過分析認為,特氟龍材料為可塑高分子材料,橡膠為高彈性聚合物材料,特氟龍材料表面能總量相對于橡膠材料更高,因此與瀝青具備更好的黏附性能,由此可知特氟龍材料與瀝青黏附性能優于橡膠材料.

3 匹配性指標計算

3.1 匹配性指標計算方法

光纖封裝材料與瀝青之間的黏附結合能可反應二者之間黏附性能的強弱,黏附結合能越高,二者的黏附性能越好;瀝青-光纖封裝材料-水三相材料之間的黏附結合能可說明在液態水的作用下光纖封裝材料與瀝青的剝落程度;綜合考慮上述因素,采用式(6)計算指標評價瀝青混合料的水穩定性.

該指標為工程中選取光纖封裝材料與瀝青提供了一項定量評價理論體系,光纖與瀝青混合料的開裂及水穩定性均可采用表面能理論測算.通過該指標僅考慮了材料特性對于瀝青路面中光纖埋設處開裂及水損害的影響,并未考慮光纖埋設體積對于這一指標的影響.因此,本文提出了基于光纖埋設體積比的瀝青膠漿-光纖封裝材料匹配性指標,該指標計算公式為

φa=Va/V

(7)

式中:φa為光纖埋設體積比;Va為光纖埋設體積;V為瀝青混合料總體積.

(8)

式中:ER2為基于光纖埋設體積比瀝青膠漿-封裝材料匹配性指標.

3.2 基于光纖埋設體積比的瀝青膠漿-光纖封裝材料匹配性指標計算

將瀝青、光纖封裝材料代入式(2)及式(3)中,算出光纖封裝材料與瀝青膠漿的黏附結合能與有水條件下的黏附結合能,通過測試算出光纖埋設體積比一同代入式(8)中,計算得基于光纖埋設體積比的瀝青膠漿-光纖封裝材料匹配性指標,計算結果匯總表見表10.

表10 基于光纖埋設體積比的瀝青膠漿-封裝材料匹配性指標計算結果

由表10可知:對比改進后的ER2值與原ER1值間存在較大差異.說明光纖埋設體積比會極大影響匹配性指標的計算結果,改進后的計算方法使得此指標的精確度進一步提高.相同埋設體積比的特氟龍材料ER2值均大于橡膠材料,說明使用ER2值計算結論依然為特氟龍材料與瀝青黏附性優于橡膠材料.計算所得兩種封裝材料的ER2值均隨著光纖埋設體積比的增大而減小,說明光纖埋設體積比越大,對于瀝青混合料抗水損害性能的削弱越明顯,說明在瀝青路面結構中埋設光纖光柵傳感器時,應考慮光纖埋設體積比造成的影響,以期提高瀝青混合料的抗開裂能力及水穩定性能.

3.3 瀝青混合料水穩定性試驗驗證

采取我國道路領域中最為常用的瀝青混合料浸水馬歇爾試驗以及凍融劈裂試驗,試驗光纖封裝材料選取特氟龍材料,試驗瀝青為SBS改性瀝青,試驗集料為輝綠巖,級配選擇為AC-20,具體級配見表11.

表11 瀝青混合料級配

試驗采取不同內徑、不同根數的光纖進行埋設體積比設計,確保試驗的影響因素唯一,為光纖埋設體積比的變化.測試埋設根數的選擇考慮實際工程中光纖用于道路結構力學性能監測的需要,最少根數為兩根,可同時保證溫度補償與應力應變監測要求;在此基礎上增加埋設體積比.試驗體積比設計見表12.

表12 瀝青混合料水穩定性試驗體積比設計

通過完全符合規范的試驗流程進行多次試驗并取平均值計算,獲取浸水殘留穩定度及凍融劈裂強度比兩指標,試驗結果見圖2.

圖2 不同光纖埋設體積比的瀝青混合料水穩定性試驗結果

由圖2可知:光纖埋設體積比為16.98、22.64時,浸水殘留穩定度比與凍融劈裂強度比均低于規范要求;隨著光纖埋設體積比的增大,浸水殘留穩定度比與凍融劈裂強度比降低.

圖3為瀝青混合料水穩定性指標與ER2值的關系.由圖3可知:將水穩定性試驗結果與基于光纖埋設體積比的瀝青膠漿-光纖封裝材料匹配性指標進行對比,發現二者具備一致性,說明基于光纖埋設體積比的瀝青膠漿-光纖封裝材料匹配性指標可以表征其水穩定性能,從微觀角度提出評價瀝青混合料在埋設光纖處的抗水損害能力手段這一思路是行之有效的.

圖3 瀝青混合料水穩定性指標與ER2的關系

4 結 論

1) 特氟龍材料的耐高溫性能檢測中的存活率優于橡膠材料,在測試中表現出了極高的耐高溫性能.說明特氟龍材料更加適合作為道路施工高溫環境下的光纖封裝材料.

2) 特氟龍材料在拉伸壓縮試驗、剪切壓實試驗及旋轉壓實試驗三種室內碾壓試驗中的存活率均優于橡膠封裝材料,并在動穩定度試驗中表現出了極高存活率,達到76.67%.說明特氟龍材料作為光纖封裝材料能夠抵抗道路施工過程的碾壓.

3) 通過表面能試驗,分析得出特氟龍材料與瀝青的黏附性能優于橡膠材料,選取特氟龍材料作為光纖封裝材料,可提高瀝青路面結構在光纖埋設處的黏附性能,從而提高其抗開裂及水穩定性.

4) 提出基于光纖埋設體積比的瀝青膠漿-光纖封裝材料匹配性指標,該指標考慮了光纖施工過程中埋設體積對于瀝青混合料抗開裂及水損害能力的影響,并通過浸水馬歇爾試驗試驗對該指標進行了驗證.相較于原匹配指標,提高了精確度,并充分考慮到不同埋設體積比對于瀝青路面結構在光纖埋設處的黏附能力,可以更加準確的評價其水穩定性能,為道路工程中選取光纖封裝材料與光纖埋設體積提供新型技術手段.