玻璃纤维沥青毡的制备及耐冻融性能研究

陈正雄，龙飞，田元坤

（1.重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074；2.重庆交通大学工程设计研究院有限公司，重庆 400074）

0 引言

玻璃纤维与沥青形成复合材料，提高了沥青的韧性，同时提高沥青的抗压能力，使其能够在承受相等的压力作用下，发挥出更好的拉伸性能。张进等[1]研究了由纳米二氧化钛聚丙烯抗老化层、橡胶沥青胶结料层、上玻璃纤维网格布层、聚氨酯保温层、下玻璃纤维网格布层、聚氯乙烯沥青层组成，聚氨酯保温层在上玻璃纤维网格布层与下玻璃纤维网格布层之间，并且与聚氯乙烯沥青层和橡胶沥青形成间隔，此种防水材料中玻璃纤维主要起到粘结拉伸骨架作用，使得沥青不易撕裂。牛月生[2]对聚酯无纺布、玻纤织布、玻纤无纺布，玻纤网格布复合胎的性能进行对比,发现聚酯以及玻纤耐水耐候性优越，其中玻璃纤维沥青毡抗拉力性能更优。连丽[3]研究了玻璃纤维在建筑防水材料上的应用，发现玻璃纤维强度高、耐老化性能好、不易开裂和使用寿命长等优势。本试验采用玻璃纤维作为增强材料，以基质沥青为基体材料，掺加阻燃剂和助剂，制备玻璃纤维沥青毡，着重对玻璃纤维复配沥青防水卷材的耐冻融性能进行研究，同时提出耐冻融预估方程。

1 试验

1.1 主要原材料及仪器设备

试验采用70#和90#沥青，来源于延长石油，其性能见表1。

表1 基质沥青的性能

玻璃纤维：长4～10 cm，由重庆三江化工公司提供；五氯硬脂酸甲酯阻燃剂（MPCS）和醇酯－12成膜助剂：由重庆茂业化工公司提供。

FA35高速剪切机，转速0～8000 r/min；加热套和搅拌锅温度0～380℃；SYD－2801E 针入度仪；SYD－2806E 全自动沥青软化点仪；SY－2B恒温双速沥青延伸仪，劈裂冻融试验机，无锡市华南实验仪器有限公司生产。

1.2 玻璃纤维沥青毡的制备

首先将10 kg沥青加热到150℃，使其呈流动状态，加入玻璃纤维使用高速剪切机在1500 r/min下搅拌10 min（沥青和玻璃纤维质量比为10∶1），待冷却后，再次加热到150℃，利用剪切机搅拌10 min，依次重复3次，避免玻璃纤维沉淀团聚；再加入1%助剂（占整体质量），搅拌混合均匀后将玻璃纤维沥青倾倒在铺有锡箔纸的玻璃板上平摊厚度为（50±1.0）mm，待冷却后在表面涂层阻燃剂0.5 mm，阴凉通风处干燥24 h，即可制得玻璃纤维沥青毡。

2 结果与讨论

2.1 玻璃纤维沥青毡的冻融性能

将玻璃纤维沥青毡和普通沥青毡（北京秦天有限公司）同时置于冻融机中，加入水，首先将水制成冰，保持冻融机温度达到-10℃，然后放置玻璃纤维沥青毡，保持冻融机继续工作，使温度降到-40℃，降温速率为0.5℃/min，再从-40℃升温到-10℃，升温速率为1℃/min，从-10℃降温到-40℃后再升温到-10℃为1个冷冻循环，以此条件下冷冻循环48 h。再将其取出，置于60～80℃水浴中，保持初始水温为60℃，加热升温速率为1℃/min，待温度升到80℃时稳定5 min，再以降温速率0.5℃/min降温到60℃，从60℃升温到80℃再降温到60℃为1个循环周期，以此条件下循环48 h。再将2种毡悬空铺筑（4个角用铁丝绑扎在柱子上面，使其形成类似于“网壳结构”，悬置在离地面500 mm处）于白纸上方1～2 cm，成型面积0.5 m2。毡的绑扎四角比中间略微高2 mm，利用密封玻璃箱体（去除底部）罩住绑扎成型的沥青毡，使其整体隔绝空气，在沥青毡表面倒入少量水（约25 ml）放置24 h后，对2种试件的物理性能和透水性进行评测，结果见表2。

表2 普通沥青毡和玻璃纤维沥青毡的性能对比

从表2可以看出，对比普通沥青毡，玻璃纤维沥青毡高温水稳定性明显优越，这与玻纤耐高温的物理性能有关。高温作用下浸水时，玻璃纤维起到支撑骨架作用，沥青软化流动，附着于玻璃纤维，形成密集的“网”结构，有效阻挡了结构破损，而普通毡沥青因为高温软化没有骨架支撑作用，防透水性减弱，但依然能满足使用要求；玻璃纤维沥青毡的拉伸性能较普通沥青毡提升，而其最大伸长率相似，主要因为玻璃纤维抗拉变形较小，应力应变比（ε/σ）较大，使得单位伸长下拉力较大；两者在低温性能和透水防水性能相当，表明玻璃纤维沥青毡的低温性能和透水性能影响较小，即玻璃纤维和沥青复配后只是物理改性应力应变以及高温水稳，对于低温水稳性能影响较小。70#沥青毡和90#沥青毡相比性能基本相似，主要90#沥青毡具有较高的拉力，这主要和90#沥青针入度较大，相同拉力下对结构本身发生应变，产生内能，内能转换成热效应使得90#沥青毡提前软化，黏弹性能更优，故其拉力较大，但极限拉力下，玻璃纤维承载力相当，故其伸长率基本相等。

2.2 玻璃纤维沥青毡水老化机理

玻璃纤维沥青毡放置于水中冻融循环48 h，其冻融条件与2.1实验方案一致；将经历48 h冷冻循环后的沥青毡置于温度为60℃的水中，加热水使其升温速率为1℃/min，每隔5℃即为1个温度阶梯，每温度阶梯下保持水温稳定15 min，升温达到80℃稳定15 min后以0.5℃/min的速率降温，仍保持每温度阶梯下保温15 min，降温到60℃稳定15 min，此为1个循环，以此循环重复10次，用来模拟短期水老化。将老化后的沥青毡用三氯甲烷（三氯甲烷质量和沥青毡质量比为19:1）溶解，将所得溶液涂抹在溴化钾压片上，测量其红外特征峰。红外谱图见图1。

图1 玻璃纤维沥青毡短期水老化前后的红外光谱

从图1可以看出，水老化前后沥青的官能团发生变化。在1623 cm-1处未老化70#和90#沥青均有与芳环共轭的C=C双键，水老化后的70#和90#沥青C=C双键透过轻度均不同程度减小，这表明水老化过程中不饱和C=C发生加成反应，生成其他单键物质；在1050 cm-1处70#沥青具有明显的醛基官能团，而90#沥青没有，这可能与沥青品质有关，而水老化后的70#沥青并没有醛基，这与实际相符，因为醛基官能团也不稳定，水老化也会氧化生成单键物质；而在2903和2830 cm-1处C—H面内伸缩振动和面内弯曲振动含量增多，与生成单键物质吻合。根据Lambera Beer定律，通过定量分析峰面积，未老化70#和90#沥青在1623 cm－1处峰面积为9.06和4.03，水老化后分别为2.88和2.79，面积分别减少68.21%和30.77%，即68.21%和30.77%的C=C双键发生氧化反应；未老化70#和90#沥青C—H峰面积为42.91和50.13，老化后分别为51.22和52.01，面积分别增加19.37%和3.75%。综上，可以得出沥青水老化是化学变化。

2.3 玻璃纤维沥青毡水老化性能

玻璃纤维沥青毡水老化水稳实验方案同2.2水老化试验参数一致，试验时间持续120 h，每隔15 h测试沥青毡水老化后的针入度、软化点和透水性能。老化沥青毡结果见表3。

表3 70#和90#玻璃纤维沥青毡水老化性能

从表3可以看出，随着水老化时间延长，70#和90#玻璃纤维沥青毡的针入度减小，软化点升高，其中70#玻璃纤维沥青毡软化点升高3.2℃，增加6.6%，90#玻璃纤维沥青毡软化点升高4.6℃，升高9.9%；70#玻璃纤维沥青毡针入度降低10.9（0.1 mm），降幅为16.1%，90#玻璃纤维沥青毡针入度降低9.6（0.1 mm），降幅为11.4%，可以明显看出，90#玻璃纤维沥青毡的性能优于70#玻璃纤维沥青毡，主要因为沥青在水动力作用下老化，饱和分和芳香分转化为胶质或者沥青质，增加了沥青的硬度，从而针入度降低，软化点升高。而90#沥青毡针入度本身较大，软化点较低，同等老化情况下保持较高的针入度，更低的软化点，沥青柔韧性更好，防水效果更佳。硬度增加使得沥青变脆，这也就解释沥青毡长时间暴露在空气中与水作用后变脆有裂纹导致渗水，而玻璃纤维的“骨架”作用使得沥青断裂后仍能粘结在一起，有效抑制了沥青的脆断，提高其脆断变形能力，增强防渗水能力。70#和90#玻璃纤维沥青毡在冻融120h后均出现了渗水漏水，且70#沥青毡在105h时已经达到渗透2张纸，失去防水能力；循环水是在75 h时70#沥青毡已经有渗水发生，90#沥青毡在90 h才发生，这主要与沥青的针入度和软化点变化有关。综上，90#玻璃纤维沥青毡水老化性能更优。

2.4 玻璃纤维沥青毡水老化预估方程

沥青老化方程见式（1）：

老化模型参数见表4。

表4 玻璃纤维沥青毡水老化参数

代入参数可得70#和90#沥青毡老化模型预估方程分别见式（2）、式（3）：

从预估方程可以看出，90#玻璃纤维沥青毡寿命随温度变化较小，这与实验2.1和2.2以及2.3一致。

3 结论

（1）冻融条件下，90#玻璃纤维沥青毡具有更大的拉力，70#和90#玻璃纤维沥青毡均比普通沥青毡的耐冻融性能要好。

（2）玻璃纤维沥青毡水老化是化学变化，其中沥青C=C双键在水动力作用下打开C=C加成反应，生成C—H键；70#和90#沥青加成率分别为68.21%和30.77%，生成率分别为19.37%和3.75%。

（3）70#和90#玻璃纤维沥青毡水老化120 h的针入度均减小，软化点增加，而90#沥青毡的针入度减小率和软化点增加率都比70#沥青毡小。因此，90#沥青毡性能更优。

（4）根据模拟水老化实验，高温60～80℃时，90#沥青毡老化预估方程变化率较70#沥青毡小，说明90#沥青毡耐老化性能更优。