玻璃纖維復(fù)配石墨制備復(fù)合瀝青瓦性能研究

胡森

(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074)

屋面結(jié)構(gòu)是建筑豎向防水的重要組成部分，當(dāng)前屋面防水大多采用黏土瓦或現(xiàn)澆混凝土板，再通過油氈防水卷材等將施工縫粘結(jié)，使其達(dá)到防水的目的。然而，混凝土經(jīng)過雨水甚至酸性降雨遭受腐蝕作用，形成開裂以及油氈防水卷材的老化都是不可避免的。因此，針對(duì)屋頂結(jié)構(gòu)防水以及耐老化等綜合研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合瀝青瓦具有質(zhì)輕性柔、施工簡便、價(jià)格適中等特點(diǎn)[1-3]。

石墨具有良好的熱導(dǎo)性、化學(xué)穩(wěn)定性和強(qiáng)度，用于制備復(fù)合材料不僅能夠有效提升材料強(qiáng)度，而且材料的協(xié)同工作特性更優(yōu)[4]。石小靖等[5]用玻璃纖維增韌SiO2，制備復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)玻璃心纖維具有較好的隔熱保溫性能以及較強(qiáng)的韌性和強(qiáng)度。因此，以瀝青為基體，摻加玻璃纖維和石墨，能夠有效改善瀝青瓦的強(qiáng)度。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

70#道路瀝青，重慶重交有限公司提供；粉狀石墨(顆粒直徑小于0.075 mm)，重慶墨烯科技有限公司提供；玻璃纖維氈，重慶中交科技股份有限公司提供；聚合物(SBS)改性瀝青復(fù)合胎材料(上表面為聚乙烯膜(PE))、MH-10000滑石粉(橡膠級(jí))，均由遼寧海城市牌樓鎮(zhèn)海巖石粉廠提供；SCA-E87E有機(jī)硅烷偶聯(lián)劑，南京能德新材料技術(shù)有限公司提供；稀鹽酸、氫氧化鈣均為工業(yè)品。

W000653冰柜；JQ-U紫外老化試驗(yàn)機(jī)；TA-315動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)；ZH-123針入度儀；R-416軟化點(diǎn)儀；ZY-412高速剪切機(jī)。

1.2 復(fù)合瀝青瓦制備

將70#道路瀝青加熱至熔融狀態(tài)，摻加5%玻璃纖維(質(zhì)量比)，高速剪切，胎體材料拼接，浸漬瀝青，撒布(砂石等)，覆膜，滾壓冷卻，涂膠加熱，石墨噴涂，冷卻，切割，分送，自助包裝，檢驗(yàn)。其中石墨噴涂于玻璃纖維瀝青瓦的表面，厚度在0.5 mm左右；高速剪切時(shí)轉(zhuǎn)速控制在3 000～3 500 r/min，防止瀝青結(jié)構(gòu)因高速剪切而破壞；滾壓冷卻時(shí)保持溫度在25 ℃左右，防止瀝青脆化，產(chǎn)生裂紋；涂膠加熱時(shí)控制溫度在50 ℃左右，保證凝膠有良好的粘結(jié)性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 低溫抗裂性

勁度模量是評(píng)價(jià)材料的低溫延展性[6]。復(fù)合瀝青瓦取中間部分(減少施工帶來的應(yīng)力不均和缺陷)，制成直徑100 mm、寬度12.7 mm的試件，采用1 mm/min加載速度，在0 ℃進(jìn)行劈裂拉伸試驗(yàn)，結(jié)果見圖1。

圖1 瀝青瓦低溫勁度曲線圖Fig.1 Low temperature stiffness curve of asphalt tile

由圖1可知，在低溫狀態(tài)下，復(fù)合瀝青瓦相比普通瀝青瓦具有更大的勁度模量。在同樣的外力作用下，復(fù)合瀝青瓦能夠更加有效的“吸收”外力作用，用于自身形變耗能，因此在同等作用力狀態(tài)下具有更大的勁度模量。復(fù)合瀝青瓦在一定條件下，隨著外力的增加，其勁度模量增加，這主要由于表層石墨良好的導(dǎo)熱傳遞性，使得復(fù)合瀝青瓦整體溫差較小，受低溫影響時(shí)，其內(nèi)力基本達(dá)到各向同性，因此，再結(jié)合玻璃纖維的高強(qiáng)度高韌性，表現(xiàn)出來優(yōu)異的低溫抗裂特性；普通瀝青瓦表面沒有鋪層石墨，內(nèi)部應(yīng)力各向異性，局部的力不能平衡，使得結(jié)構(gòu)內(nèi)部有初始應(yīng)力的存在，在低溫時(shí)，受力持續(xù)作用，其在玻璃纖維的高韌性作用下仍可發(fā)揮一定的抗裂性能，但是沒有復(fù)合瀝青瓦抗裂性好。兩種材料的R值均>0.9，具有良好的線性關(guān)系，在彈性范圍內(nèi)其低溫應(yīng)力的增加，勁度模量增加，抗裂性能則一直處于良好狀態(tài)。綜上可知，在線彈性范圍內(nèi)，復(fù)合瀝青瓦相比普通瀝青瓦具有更好的低溫抗裂性，且其線性擬合R值更大，幾乎接近完全彈性體。

2.2 高溫導(dǎo)熱性

高溫導(dǎo)熱性主要采用模擬太陽照射，使物體表面產(chǎn)生熱效應(yīng)，再將材料置于常溫狀態(tài)下，研究其熱量散失的快慢過程，最終導(dǎo)熱性用散熱效率或者導(dǎo)熱系數(shù)來表征[7]。將復(fù)合瀝青瓦取中間部分(減少施工帶來的應(yīng)力不均和缺陷)制成直徑為100 mm 的圓形試件，用千瓦燈模擬日照，單位光照強(qiáng)度8×104Lx，直接照射6 h。將其置于室溫(20±0.5)℃的環(huán)境下，風(fēng)速0.5 m/s，利用紅外探測溫度儀對(duì)其表面的溫度進(jìn)行測定30 min，前15 min時(shí)，每1 min采一樣，后15 min，每3 min采一樣，結(jié)果見圖2。

圖2 瀝青瓦導(dǎo)熱降溫曲線圖Fig.2 Heat conduction cooling curve of asphalt tile

由圖2可知，隨著時(shí)間的增加，復(fù)合瀝青瓦和普通瀝青瓦表面溫度均降低，熱量減小。復(fù)合瀝青瓦承受相同的照射后表面最高溫度僅達(dá)105 ℃，而普通瀝青瓦表面溫度高達(dá)120 ℃；在降溫同樣的時(shí)間內(nèi)，復(fù)合瀝青瓦降溫速率一直大于普通瀝青瓦降溫速率，在實(shí)驗(yàn)條件內(nèi)，其整個(gè)降溫過程中平均速率分別為-2.76 ℃/min和-2.57 ℃/min，復(fù)合瀝青瓦降溫速率更快，具有更好的熱傳遞性。復(fù)合瀝青瓦在15 min前，降溫平均速率更快，為-4.47 ℃/min；15 min后，降溫平均速率較慢，為-1.01 ℃/min；普通瀝青瓦15 min前，降溫平均速率為-4.2 ℃/min，15 min后時(shí)，降溫平均速率為-0.93 ℃/min。兩者降溫主要在開始階段。由于石墨良好的導(dǎo)熱性，復(fù)合瀝青瓦在30 min時(shí)降溫到達(dá)22 ℃，基本與室溫相當(dāng)，而普通瀝青瓦降溫僅到43 ℃，復(fù)合瀝青瓦具有更好的高溫?zé)釋?dǎo)性。

2.3 化學(xué)穩(wěn)定性

化學(xué)穩(wěn)定性主要是使用酸堿等物質(zhì)對(duì)材料表面進(jìn)行處理，用表面腐蝕比來表征化學(xué)穩(wěn)定性[8]。本實(shí)驗(yàn)采用稀鹽酸(0.1% HCl含量)、氫氧化鈣(0.1% Ca(OH)2)作為酸堿腐蝕劑，取1 m2的復(fù)合瀝青瓦以及普通瀝青瓦均勻涂抹酸堿腐蝕劑，觀察60 min腐蝕作用下表面剝落和坑槽情況，利用白色紙張進(jìn)行拓本，再利用有限元軟件進(jìn)行面積求和，算出殘留比面積，結(jié)果見表1。

表1 瀝青瓦耐酸堿腐蝕穩(wěn)定性Table 1 Corrosion stability of acid and alkali resistance of asphalt tile

注：總面積1 m2。

由表1可知，復(fù)合瀝青瓦和普通瀝青瓦相比，其耐酸堿性能更好。復(fù)合瀝青瓦隨著酸堿作用時(shí)間的增加，其表面剝落就漸漸增加，石墨本身不與酸堿發(fā)生反應(yīng)，其理論上應(yīng)該保持惰性，即殘留面積與總面積相等，實(shí)際中由于涂抹石墨的工藝控制未達(dá)到最佳以及噴涂的不均勻，使得材料表面出現(xiàn)裂縫或者局部坑槽，在酸堿沖刷作用下其表面些許脫落；普通瀝青瓦耐酸性能明顯好于耐堿性能，主要因?yàn)榛w材料為瀝青，瀝青屬于酸性高分子材料，因此堿性作用下可能與其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而內(nèi)部形成缺陷，在沖刷作用下，表面脫落就比較嚴(yán)重。復(fù)合瀝青瓦和普通瀝青瓦在酸作用下都可保持比面積>90%，具有不錯(cuò)的耐酸性能；但是在堿性作用下，復(fù)合瀝青瓦相比普通瀝青瓦耐堿性提高了35%。

綜上可知，復(fù)合瀝青瓦與普通瀝青瓦相比，耐酸性能變化不大，但耐堿性能提高了35%。

2.4 抗熱震性

抗熱震性也稱為溫度疲勞性能，是使材料在高低溫間反復(fù)進(jìn)行加熱和冷卻，考察在大溫差作用下材料的服役性能[9]。材料在承受反復(fù)高低溫的作用下，內(nèi)應(yīng)力驟增和驟減，使得晶格產(chǎn)生位錯(cuò)。對(duì)于瀝青高分子材料形成的瀝青瓦，在高低溫作用下，其內(nèi)應(yīng)力變化較大，熱量在分子內(nèi)部積聚，材料產(chǎn)生溫度應(yīng)力，服役性能降低，通過撕裂強(qiáng)度表示其殘留強(qiáng)度，分析熱震性能。實(shí)驗(yàn)條件為控制油浴鍋溫度為80 ℃，冰柜溫度控制為-30 ℃，將瀝青瓦制備成片狀，長×寬×厚為100 mm×100 mm×10 mm，反復(fù)置于油浴鍋和冰柜中，分別停留15 min，持續(xù)循環(huán)3，6，9，12，15次，其抗撕裂強(qiáng)度結(jié)果見表2。

表2 瀝青瓦抗熱震性能Table 2 Thermal shock resistance of asphalt tile

由表2可知，在同等冷熱循環(huán)條件下，復(fù)合瀝青瓦的殘留撕裂強(qiáng)度比普通瀝青瓦的殘留強(qiáng)度高，且隨著冷熱循環(huán)次數(shù)增加，兩者均呈現(xiàn)減小的趨勢。主要原因在于，兩種瀝青瓦的基體材料相同，只是復(fù)合瀝青瓦表面涂層石墨，而石墨為固體顆粒粉末狀，撕裂強(qiáng)度不計(jì)，兩者產(chǎn)生的差異，主要由于石墨的優(yōu)良導(dǎo)熱性以及化學(xué)穩(wěn)定性，保護(hù)基體材料受到冷熱循環(huán)時(shí)盡可能的減小內(nèi)應(yīng)力，因此，復(fù)合瀝青瓦的殘留撕裂強(qiáng)度大于普通瀝青瓦，即復(fù)合瀝青瓦具有更好的抗熱震性能。復(fù)合瀝青瓦材料隨著冷熱循環(huán)次數(shù)增加其殘留撕裂強(qiáng)度減小，主要因?yàn)殡S著冷熱交替次數(shù)增加，石墨的導(dǎo)熱性具有一定最大值，當(dāng)在某一循環(huán)次數(shù)達(dá)到最大值時(shí)，水覆蓋在石墨表面，形成水膜，由于液膜的表面張力和石墨緊緊吸附在一起，導(dǎo)致傳熱效率降低，從而高溫作用下，材料空隙蔽塞，積聚的熱量無法散出，進(jìn)而導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力增加，材料出現(xiàn)服役性能下降，即抗熱震性能降低；普通瀝青瓦抗熱震性能下降同理。

3 結(jié)論

(1)在線彈性范圍內(nèi)，復(fù)合瀝青瓦比普通瀝青瓦具有更好的低溫抗裂性，且其線性擬合R值更大，幾乎接近完全彈性體。

(2)復(fù)合瀝青瓦具有更好的高溫導(dǎo)熱性，其降溫平均速率為-2.76 ℃/min，相比普通瀝青瓦降溫平均速率-2.57 ℃/min要大；無論是復(fù)合瀝青瓦還是普通瀝青瓦，主要降溫發(fā)生在前15 min內(nèi)，降溫速率都可達(dá)-4 ℃/min以上。擬合出的多項(xiàng)結(jié)果良好，對(duì)于實(shí)際施工以及材料表面溫度預(yù)測具有良好的參考價(jià)值。

(3)復(fù)合瀝青瓦與普通瀝青瓦相比，耐酸性能變化不大，但耐堿性能提高了35%，表明復(fù)合瀝青瓦具有更好的耐酸堿化學(xué)穩(wěn)定性。

(4)復(fù)合瀝青瓦具有更好的抗熱震性，同等冷熱循環(huán)條件下，復(fù)合瀝青瓦的殘留撕裂強(qiáng)度比普通瀝青瓦的殘留強(qiáng)度高，且隨著冷熱循環(huán)次數(shù)增加，兩者均呈現(xiàn)減小的趨勢。