瀝青基碳纖維改性瀝青老化性能影響因素研究

姜鵬，孫華東,2*，丁永玲，陸焱

1.山東交通學(xué)院 交通土建工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250357；2.山東省高校路面結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南 250357

0 引言

傳統(tǒng)的基質(zhì)瀝青路面有很多缺點(diǎn)，多年來科研人員從瀝青混合料級(jí)配和基質(zhì)瀝青改性2個(gè)方向進(jìn)行研究以提高其性能，其中瀝青改性尤為重要，很大程度上影響著瀝青路面的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和疲勞耐久性等路用性能[1-4]。

纖維材料在瀝青中有加筋和吸附作用。張攀[5]從力學(xué)角度研究了纖維瀝青的加筋機(jī)理及評(píng)價(jià)方法，通過直剪試驗(yàn)檢驗(yàn)了木質(zhì)素纖維、礦物纖維、聚酯纖維和復(fù)合纖維瀝青的力學(xué)性能。陳曉龍等[6]發(fā)現(xiàn)硅藻土復(fù)合纖維改性瀝青中不產(chǎn)生新官能團(tuán)，但重新調(diào)整瀝青的膠體結(jié)構(gòu)和部分組分，從而有效提高其各項(xiàng)性能。程永春等[7]通過室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)復(fù)合添加玄武巖纖維和抗車轍劑能夠增強(qiáng)瀝青混合料的路用性能。劉杰等[8]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鎳鐵礦渣纖維與基質(zhì)瀝青發(fā)生物理吸附，二者具有一定的相容性。傅裕等[9]研究得到鎳鐵礦渣纖維改性瀝青最優(yōu)性能的配比。程承等[10]基于2種方法分析木質(zhì)素不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)改性瀝青的穩(wěn)定敏感性。蔣桂梅[11]研究了聚酯纖維改性瀝青的高低溫性能及老化性能。劉開平等[12]發(fā)現(xiàn)棉秸稈纖維與木質(zhì)素纖維結(jié)構(gòu)相似，可以用于瀝青的改性并取得較好的效果。

碳纖維是一種性能優(yōu)異的新型纖維材料，密度比鋁小，比強(qiáng)度是鐵的20倍，熱膨脹系數(shù)具有各向異性。同其他纖維相比，碳纖維具有高強(qiáng)度、高模量、耐老化和耐腐蝕的特點(diǎn)，熊銳等[13]通過控制粉膠比和纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)，研究了碳纖維瀝青膠漿流變特性。

文獻(xiàn)[14-17]分析了影響纖維改性瀝青老化的因素，提高其抗老化性能，保證瀝青路面的服務(wù)功能，延長(zhǎng)服役壽命，但側(cè)重于碳纖維改性瀝青老化性能的內(nèi)容較少。本文參照文獻(xiàn)[18]，基于正交設(shè)計(jì)研究瀝青基碳纖維改性瀝青老化性能的影響因素。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

1)瀝青材料。影響改性瀝青性質(zhì)的因素中，基質(zhì)瀝青至關(guān)重要。采用道路石油70#基質(zhì)瀝青，按照文獻(xiàn)[18]10-29的要求進(jìn)行相關(guān)性能檢測(cè)試驗(yàn)，老化前后的70#基質(zhì)瀝青針入度(100 g，5 s，25 ℃)為6.2 mm和4.8 mm，老化前后的軟化點(diǎn)(環(huán)球法)為47.5 ℃和49.0 ℃，老化前后的延度(5 cm·min-1，10 ℃)為10.4 cm和6.7 cm。

2)碳纖維材料。瀝青基碳纖維是以石油瀝青或煤瀝青為原料，經(jīng)瀝青的精制、紡絲、預(yù)氧化、碳化或石墨化而制得的的特種纖維，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于95%。所選G-01型號(hào)瀝青基碳纖維堆積密度為700～850 g/L，中值長(zhǎng)75～150 μm，拉伸強(qiáng)度約為6～7 GPa，拉伸模量約為680～700 GPa，比熱容為7.12 J/(kg·℃)。

1.2 試件制備

按需要的比例份數(shù)稱取基質(zhì)瀝青，將其加熱到(150±5) ℃?zhèn)溆?，采用高速剪切混合乳化機(jī)，在溫度為160 ℃時(shí)低速攪拌，轉(zhuǎn)速為600 r/min，加入不同質(zhì)量的瀝青基碳纖維。保持溫度不變，繼續(xù)攪拌一定時(shí)間后制得碳纖維改性瀝青，將制備的試件進(jìn)行各項(xiàng)測(cè)試。

1.3 性能檢測(cè)

1)基本指標(biāo)試驗(yàn)。按照文獻(xiàn)[18]21-32分別進(jìn)行針入度(100 g，5 s，25 ℃)、軟化點(diǎn)(環(huán)球法)和延度測(cè)試(5 cm·min-1，5 ℃)，控制重復(fù)性試驗(yàn)允許誤差，讀取并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2)勃洛克菲爾德黏度檢測(cè)。按照文獻(xiàn)[18]106測(cè)試135 ℃下的黏度，保證溫度誤差在±1 ℃以內(nèi)，扭矩讀數(shù)保持在50%左右，恒溫狀態(tài)下每隔1 min測(cè)量1次，測(cè)量3次取均值。

3)瀝青薄膜加熱試驗(yàn)。按照文獻(xiàn)[18]42進(jìn)行旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗(yàn)，計(jì)時(shí)老化5 h后，檢測(cè)所需性能指標(biāo)，每間隔1 h攪拌瀝青1次，加熱后72 h內(nèi)完成全部試驗(yàn)。

2 老化性能影響因素

2.1 正交試驗(yàn)方案

Khattak等[19]研究了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米碳纖維對(duì)瀝青混合料黏彈性和疲勞性能的影響，Zhang等[20]研究了聚丙烯腈基碳纖維的分散性對(duì)瀝青儲(chǔ)存穩(wěn)定性、高溫性能和抗嵌入性能的影響，如果纖維分散性差，不僅達(dá)不到預(yù)期的增強(qiáng)效果，還會(huì)造成纖維局部含量過多的薄弱切面，導(dǎo)致路面發(fā)生早期破壞[21]。由此可見，纖維分散性和纖維添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)瀝青性能有較大影響。因此，將纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)和攪拌時(shí)間確定為瀝青基碳纖維改性瀝青老化性能的主要影響因素，不考慮兩種因素的交互作用，正交試驗(yàn)確定為2因素3水平，因素A為質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.5%、1.0%、1.5%分別為水平1、2、3)，因素B為攪拌時(shí)間(30、45、60 min分別為水平1、2、3)，選用L9(34)安排試驗(yàn)，如表1所示。

表1 L9 (34)方案設(shè)計(jì)

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)采用外摻法制備瀝青基碳纖維改性瀝青。若采用瀝青薄膜加熱試驗(yàn)(thin film oven test, TFOT)，部分改性瀝青試樣離析，在表面發(fā)生“結(jié)皮”，從而降低老化條件，妨礙老化進(jìn)程[22-24]。本研究采用瀝青旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗(yàn)(rotating thin film oven test, RTFOT)，在試驗(yàn)過程中始終保持旋轉(zhuǎn)和攪拌，可較好地模擬老化的實(shí)際情況。

老化性能指標(biāo)可客觀地反映瀝青的老化性能，瀝青針入度比為不同老化時(shí)間下瀝青的針入度與原樣瀝青的比值；軟化點(diǎn)增值為不同老化時(shí)間下瀝青的軟化點(diǎn)與原樣瀝青的差；老化指數(shù)

c=lg lg(η2×103)-lg lg(η1×103)

，

(1)

式中：η1為老化前的瀝青黏度(135 ℃)，Pa·s；η2為老化后的瀝青黏度(135 ℃)，Pa·s。

記錄并處理瀝青老化性能指標(biāo)數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 碳纖維改性瀝青正交試驗(yàn)結(jié)果

由老化反應(yīng)機(jī)理可知，瀝青中烴類分子的裂解需要吸收一定的能量才能產(chǎn)生自由基，宏觀上瀝青軟化點(diǎn)越高，形成的退化分支需要的活化能越多，高溫穩(wěn)定性越好；針入度越小，瀝青黏彈性越高，延度越大，瀝青的自愈能力越強(qiáng)，低溫抗裂性能越優(yōu)異[25]；從老化性能指標(biāo)上看，瀝青老化前后針入度比越大，軟化點(diǎn)增值越大，老化指數(shù)越小，此瀝青的整體抗老化性能越優(yōu)異。由表2可初步判定:第9組碳纖維改性瀝青抗老化性能最為優(yōu)異，其次為第6組，第9組與第6組未老化前的軟化點(diǎn)較高。軟化點(diǎn)增值不高說明受老化影響不大，抗老化性能較為優(yōu)異。

一般來說，瀝青老化后針入度和延度降低，而通過對(duì)比基質(zhì)瀝青老化前后和碳纖維改性瀝青老化前后的基本指標(biāo)可知，碳纖維材料可以減緩這兩種指標(biāo)降低的幅度，提高軟化點(diǎn)，有效提高碳纖維改性瀝青的抗老化性能。

3 分析與討論

3.1 方差分析

通過方差分析對(duì)部分正交優(yōu)化方案進(jìn)行性能優(yōu)化評(píng)價(jià)，確定各因素的顯著性水平，最終確定瀝青基碳纖維改性瀝青的最優(yōu)組配，方差分析結(jié)果如表3所示，其中C為誤差，T為總和，Ms為平均離差平方和，F(xiàn)為各因素的Ms與誤差Ms的比。

按照數(shù)理統(tǒng)計(jì)中假設(shè)檢驗(yàn)的思想，給定置信區(qū)間α=0.05，當(dāng)因素自由度為2，誤差自由度為4時(shí)，查F分布表可知其臨界值為F0.05(2,4)=6.9，即有95%的概率出現(xiàn)F≤6.9，可判定該因素對(duì)瀝青基碳纖維改性瀝青的性能指標(biāo)影響不顯著；若出現(xiàn)F>6.9，因其概率僅有5%，即說明原來假設(shè)不成立，則該因素對(duì)其性能指標(biāo)影響顯著。給定置信區(qū)間α=0.01，查F分布表可知其臨界值為F0.01(2, 4)=18.0，即有99%的概率出現(xiàn)6.918.0，因其概率僅有1%，則說明該因素對(duì)其性能指標(biāo)影響非常顯著。

表3 正交試驗(yàn)方差分析

由表3可知:針入度的FA和FB均大于F0.05(2,4)，可知纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)和攪拌時(shí)間對(duì)針入度有顯著影響，且質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響更大;由FB>F0.01(2, 4)，F(xiàn)A

因此，纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)和攪拌時(shí)間對(duì)針入度比、軟化點(diǎn)增值和老化延度3種老化指標(biāo)影響并不明顯。

3.2 極差分析

對(duì)表3的正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，確定各因素水平對(duì)瀝青基碳纖維改性瀝青的影響程度及其規(guī)律，以尋求最佳試驗(yàn)方案。極差分析結(jié)果如表4所示。

表4 正交試驗(yàn)極差分析

如果對(duì)于某項(xiàng)指標(biāo)來說,B因素的極差大于A因素(RB>RA),則可判定該指標(biāo)影響因素的主次順序?yàn)锽、A。從表4中可看出，7項(xiàng)指標(biāo)中有5項(xiàng)影響因素的主次順序?yàn)锽、A。著重從3個(gè)老化性能指標(biāo)的各因素水平來看，A因素的水平2對(duì)其中2個(gè)老化性能指標(biāo)的影響較大，且存在顯著影響效果，因此A因素取水平2；B因素的水平3對(duì)其中兩個(gè)老化性能指標(biāo)的影響較大，且存在顯著影響效果，因此B因素取水平3，最優(yōu)組合為A2B3，即通過極差分析可最終判斷第6組的抗老化性能較為優(yōu)異，第6組的配比可作為最優(yōu)組配。

經(jīng)過試驗(yàn)證明，在混合物各組合中，瀝青基碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%，攪拌60 min制備得到的碳纖維改性瀝青有較高的黏彈性，高溫穩(wěn)定性好，低溫抗裂性能優(yōu)異，其抗老化性能相比于其他正交試驗(yàn)組優(yōu)良。

4 結(jié)論

本文通過正交設(shè)計(jì)研究，系統(tǒng)分析了瀝青基碳纖維改性瀝青老化性能的影響因素，通過對(duì)改性瀝青各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的方差和極差分析，確定其最佳組配。

1)瀝青基碳纖維能減緩瀝青老化后針入度、延度降低的程度，提高軟化點(diǎn)，降低老化指數(shù)，有助于提高瀝青的高溫穩(wěn)定性以及黏彈性。

2)碳纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和攪拌時(shí)間對(duì)基質(zhì)瀝青針入度有特別顯著影響，攪拌時(shí)間對(duì)軟化點(diǎn)有特別顯著的影響，攪拌時(shí)間和纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)3種老化指標(biāo)影響不明顯。

3)瀝青基碳纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%，攪拌60 min制備得到的碳纖維改性瀝青有較高的黏彈性，高溫穩(wěn)定性好，低溫抗裂性能優(yōu)異，相比于其他正交試驗(yàn)組,其抗老化性能最為優(yōu)良。