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作者及发表信息
本研究由Dongya Ren、Wenrui Luo、Zilin Wang、Shaonan Su、Lin Kong和Changfa Ai共同完成，作者单位均来自中国西南交通大学土木工程学院及四川省道路工程重点实验室。研究成果发表于Arabian Journal for Science and Engineering（2024年，第49卷，5547–5563页），DOI编号为10.1007/s13369-023-08433-0。
学术背景
研究领域与动机
本研究属于土木工程材料科学领域，聚焦于沥青路面材料的界面增强技术。玄武岩纤维（Basalt Fibers, BFs）因其高强度、耐腐蚀和耐高温特性，常被用于沥青混合料中以提升路面性能。然而，玄武岩纤维表面光滑，与沥青基体的界面粘结性较差，易导致纤维滑脱，限制其增强效果。因此，如何通过表面改性提升纤维-沥青界面粘结强度成为关键科学问题。
研究目标
本研究旨在通过钛酸酯偶联剂（Titanate Coupling Agents, TCAs）对玄武岩纤维进行表面改性，探究其化学修饰机制及对纤维-沥青界面粘结性能的影响，最终优化沥青混合料的耐久性和力学性能。
研究流程与方法
1. 材料准备
- 沥青：采用SK70基质沥青，技术指标符合中国标准JTG F20-2004。
- 玄武岩纤维：选用南京曼卡特公司生产的三种常见规格纤维，物理性能符合ASTM D8505M-23标准。
- 钛酸酯偶联剂（TCAs）：购自东莞康进塑料助剂厂，分子式为C60H123O15P3Ti。
2. 纤维表面改性
- 预处理：纤维经去离子水清洗后，120°C烘干3小时，505°C热处理1小时以去除表面有机物。
- TCA溶液制备：将TCA溶于含80%乙醇的溶液中，浓度梯度为6%、8%、10%、12%，搅拌2小时至完全水解。
- 纤维改性：纤维浸入TCA溶液（时间梯度：10、30、60、90分钟），120°C烘干30分钟。
3. 性能测试与分析
- 单丝拉伸试验：通过YG001N单纤维电子强力仪测试改性前后纤维断裂强度，确定最佳TCA浓度（10%）和浸润时间（60分钟）。
- 表面形貌与元素分析：
- 扫描电镜（SEM）：观察纤维表面微观结构，发现TCA改性后形成“章鱼吸盘”状粗糙结构。
- X射线能谱（EDS）：显示改性纤维表面氧（O）、磷（P）、钛（Ti）元素含量显著增加，证实Ti-O-P化学键形成。
- X射线衍射（XRD）：改性纤维结晶度略有提升，但未形成新晶体结构。
- 傅里叶红外光谱（FT-IR）：在890 cm⁻¹（Ti-O键）和1210 cm⁻¹（P-O键）处出现新吸收峰，验证TCA化学接枝。
4. 界面粘结性能评估
- 接触角测试：Wilhelmy板法测定纤维表面能，改性后纤维表面能从33.08 mJ/m²增至47.32 mJ/m²，极性组分提升41%。
- 拉拔试验：改性纤维-沥青的最大拉拔力（Fmax）和拉拔功（Wl）分别提高35.16%和26.82%。
- 差示扫描量热（DSC）：改性纤维沥青混合料（TBFAM）的玻璃化转变温度降低，吸热峰面积减小，表明热稳定性提升。
5. 微观结构验证
- SEM观察：改性纤维在沥青中均匀分散，形成空间网络结构，界面无缺陷。
主要结果
- 力学性能优化：10% TCA浓度和60分钟浸润时间为最佳条件，纤维断裂强度达2918 MPa。
- 化学键形成：EDS与FT-IR证实Ti-O-P键生成，增强纤维表面活性。
- 界面粘结增强：拉拔试验显示粘结功提升20.05%，归因于纤维表面粗糙度与比表面积增加。
- 热稳定性改善：DSC表明TBFAM的相变焓降低，低温性能更优。
结论与价值
科学价值
- 揭示了TCA通过Ti-O-P键在纤维表面构建“仿生章鱼吸盘”结构的化学机制。
- 提出了一种低成本、高效的纤维-沥青界面改性方法，为复合材料界面设计提供新思路。
应用价值
- 改性纤维可显著提升沥青路面的抗裂性、耐久性和高温稳定性，延长服役寿命。
- 技术方案易于工业化推广，具有工程实践潜力。
研究亮点
- 创新方法：首次系统研究TCA对玄武岩纤维-沥青界面的改性效果。
- 多尺度表征：结合SEM、EDS、XRD、FT-IR等多手段验证改性机制。
- 性能突破：界面粘结强度与热稳定性同步提升，解决了纤维滑脱难题。
其他价值
- 研究数据公开透明，为后续界面优化研究提供基准。
- 提出的Wilhelmy板法接触角测试方案，为纤维材料表面能测定提供参考。
（报告总字数：约1800字）