玻璃纤维复配石墨制备复合沥青瓦性能研究

胡森

(重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074)

屋面结构是建筑竖向防水的重要组成部分，当前屋面防水大多采用黏土瓦或现浇混凝土板，再通过油毡防水卷材等将施工缝粘结，使其达到防水的目的。然而，混凝土经过雨水甚至酸性降雨遭受腐蚀作用，形成开裂以及油毡防水卷材的老化都是不可避免的。因此，针对屋顶结构防水以及耐老化等综合研究发现，复合沥青瓦具有质轻性柔、施工简便、价格适中等特点[1-3]。

石墨具有良好的热导性、化学稳定性和强度，用于制备复合材料不仅能够有效提升材料强度，而且材料的协同工作特性更优[4]。石小靖等[5]用玻璃纤维增韧SiO2，制备复合材料，发现玻璃心纤维具有较好的隔热保温性能以及较强的韧性和强度。因此，以沥青为基体，掺加玻璃纤维和石墨，能够有效改善沥青瓦的强度。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

70#道路沥青，重庆重交有限公司提供；粉状石墨(颗粒直径小于0.075 mm)，重庆墨烯科技有限公司提供；玻璃纤维毡，重庆中交科技股份有限公司提供；聚合物(SBS)改性沥青复合胎材料(上表面为聚乙烯膜(PE))、MH-10000滑石粉(橡胶级)，均由辽宁海城市牌楼镇海岩石粉厂提供；SCA-E87E有机硅烷偶联剂，南京能德新材料技术有限公司提供；稀盐酸、氢氧化钙均为工业品。

W000653冰柜；JQ-U紫外老化试验机；TA-315动态剪切流变仪(DSR)；ZH-123针入度仪；R-416软化点仪；ZY-412高速剪切机。

1.2 复合沥青瓦制备

将70#道路沥青加热至熔融状态，掺加5%玻璃纤维(质量比)，高速剪切，胎体材料拼接，浸渍沥青，撒布(砂石等)，覆膜，滚压冷却，涂胶加热，石墨喷涂，冷却，切割，分送，自助包装，检验。其中石墨喷涂于玻璃纤维沥青瓦的表面，厚度在0.5 mm左右；高速剪切时转速控制在3 000～3 500 r/min，防止沥青结构因高速剪切而破坏；滚压冷却时保持温度在25 ℃左右，防止沥青脆化，产生裂纹；涂胶加热时控制温度在50 ℃左右，保证凝胶有良好的粘结性能。

2 结果与讨论

2.1 低温抗裂性

劲度模量是评价材料的低温延展性[6]。复合沥青瓦取中间部分(减少施工带来的应力不均和缺陷)，制成直径100 mm、宽度12.7 mm的试件，采用1 mm/min加载速度，在0 ℃进行劈裂拉伸试验，结果见图1。

图1 沥青瓦低温劲度曲线图Fig.1 Low temperature stiffness curve of asphalt tile

由图1可知，在低温状态下，复合沥青瓦相比普通沥青瓦具有更大的劲度模量。在同样的外力作用下，复合沥青瓦能够更加有效的“吸收”外力作用，用于自身形变耗能，因此在同等作用力状态下具有更大的劲度模量。复合沥青瓦在一定条件下，随着外力的增加，其劲度模量增加，这主要由于表层石墨良好的导热传递性，使得复合沥青瓦整体温差较小，受低温影响时，其内力基本达到各向同性，因此，再结合玻璃纤维的高强度高韧性，表现出来优异的低温抗裂特性；普通沥青瓦表面没有铺层石墨，内部应力各向异性，局部的力不能平衡，使得结构内部有初始应力的存在，在低温时，受力持续作用，其在玻璃纤维的高韧性作用下仍可发挥一定的抗裂性能，但是没有复合沥青瓦抗裂性好。两种材料的R值均>0.9，具有良好的线性关系，在弹性范围内其低温应力的增加，劲度模量增加，抗裂性能则一直处于良好状态。综上可知，在线弹性范围内，复合沥青瓦相比普通沥青瓦具有更好的低温抗裂性，且其线性拟合R值更大，几乎接近完全弹性体。

2.2 高温导热性

高温导热性主要采用模拟太阳照射，使物体表面产生热效应，再将材料置于常温状态下，研究其热量散失的快慢过程，最终导热性用散热效率或者导热系数来表征[7]。将复合沥青瓦取中间部分(减少施工带来的应力不均和缺陷)制成直径为100 mm 的圆形试件，用千瓦灯模拟日照，单位光照强度8×104Lx，直接照射6 h。将其置于室温(20±0.5)℃的环境下，风速0.5 m/s，利用红外探测温度仪对其表面的温度进行测定30 min，前15 min时，每1 min采一样，后15 min，每3 min采一样，结果见图2。

图2 沥青瓦导热降温曲线图Fig.2 Heat conduction cooling curve of asphalt tile

由图2可知，随着时间的增加，复合沥青瓦和普通沥青瓦表面温度均降低，热量减小。复合沥青瓦承受相同的照射后表面最高温度仅达105 ℃，而普通沥青瓦表面温度高达120 ℃；在降温同样的时间内，复合沥青瓦降温速率一直大于普通沥青瓦降温速率，在实验条件内，其整个降温过程中平均速率分别为-2.76 ℃/min和-2.57 ℃/min，复合沥青瓦降温速率更快，具有更好的热传递性。复合沥青瓦在15 min前，降温平均速率更快，为-4.47 ℃/min；15 min后，降温平均速率较慢，为-1.01 ℃/min；普通沥青瓦15 min前，降温平均速率为-4.2 ℃/min，15 min后时，降温平均速率为-0.93 ℃/min。两者降温主要在开始阶段。由于石墨良好的导热性，复合沥青瓦在30 min时降温到达22 ℃，基本与室温相当，而普通沥青瓦降温仅到43 ℃，复合沥青瓦具有更好的高温热导性。

2.3 化学稳定性

化学稳定性主要是使用酸碱等物质对材料表面进行处理，用表面腐蚀比来表征化学稳定性[8]。本实验采用稀盐酸(0.1% HCl含量)、氢氧化钙(0.1% Ca(OH)2)作为酸碱腐蚀剂，取1 m2的复合沥青瓦以及普通沥青瓦均匀涂抹酸碱腐蚀剂，观察60 min腐蚀作用下表面剥落和坑槽情况，利用白色纸张进行拓本，再利用有限元软件进行面积求和，算出残留比面积，结果见表1。

表1 沥青瓦耐酸碱腐蚀稳定性Table 1 Corrosion stability of acid and alkali resistance of asphalt tile

注：总面积1 m2。

由表1可知，复合沥青瓦和普通沥青瓦相比，其耐酸碱性能更好。复合沥青瓦随着酸碱作用时间的增加，其表面剥落就渐渐增加，石墨本身不与酸碱发生反应，其理论上应该保持惰性，即残留面积与总面积相等，实际中由于涂抹石墨的工艺控制未达到最佳以及喷涂的不均匀，使得材料表面出现裂缝或者局部坑槽，在酸碱冲刷作用下其表面些许脱落；普通沥青瓦耐酸性能明显好于耐碱性能，主要因为基体材料为沥青，沥青属于酸性高分子材料，因此碱性作用下可能与其发生化学反应，从而内部形成缺陷，在冲刷作用下，表面脱落就比较严重。复合沥青瓦和普通沥青瓦在酸作用下都可保持比面积>90%，具有不错的耐酸性能；但是在碱性作用下，复合沥青瓦相比普通沥青瓦耐碱性提高了35%。

综上可知，复合沥青瓦与普通沥青瓦相比，耐酸性能变化不大，但耐碱性能提高了35%。

2.4 抗热震性

抗热震性也称为温度疲劳性能，是使材料在高低温间反复进行加热和冷却，考察在大温差作用下材料的服役性能[9]。材料在承受反复高低温的作用下，内应力骤增和骤减，使得晶格产生位错。对于沥青高分子材料形成的沥青瓦，在高低温作用下，其内应力变化较大，热量在分子内部积聚，材料产生温度应力，服役性能降低，通过撕裂强度表示其残留强度，分析热震性能。实验条件为控制油浴锅温度为80 ℃，冰柜温度控制为-30 ℃，将沥青瓦制备成片状，长×宽×厚为100 mm×100 mm×10 mm，反复置于油浴锅和冰柜中，分别停留15 min，持续循环3，6，9，12，15次，其抗撕裂强度结果见表2。

表2 沥青瓦抗热震性能Table 2 Thermal shock resistance of asphalt tile

由表2可知，在同等冷热循环条件下，复合沥青瓦的残留撕裂强度比普通沥青瓦的残留强度高，且随着冷热循环次数增加，两者均呈现减小的趋势。主要原因在于，两种沥青瓦的基体材料相同，只是复合沥青瓦表面涂层石墨，而石墨为固体颗粒粉末状，撕裂强度不计，两者产生的差异，主要由于石墨的优良导热性以及化学稳定性，保护基体材料受到冷热循环时尽可能的减小内应力，因此，复合沥青瓦的残留撕裂强度大于普通沥青瓦，即复合沥青瓦具有更好的抗热震性能。复合沥青瓦材料随着冷热循环次数增加其残留撕裂强度减小，主要因为随着冷热交替次数增加，石墨的导热性具有一定最大值，当在某一循环次数达到最大值时，水覆盖在石墨表面，形成水膜，由于液膜的表面张力和石墨紧紧吸附在一起，导致传热效率降低，从而高温作用下，材料空隙蔽塞，积聚的热量无法散出，进而导致内应力增加，材料出现服役性能下降，即抗热震性能降低；普通沥青瓦抗热震性能下降同理。

3 结论

(1)在线弹性范围内，复合沥青瓦比普通沥青瓦具有更好的低温抗裂性，且其线性拟合R值更大，几乎接近完全弹性体。

(2)复合沥青瓦具有更好的高温导热性，其降温平均速率为-2.76 ℃/min，相比普通沥青瓦降温平均速率-2.57 ℃/min要大；无论是复合沥青瓦还是普通沥青瓦，主要降温发生在前15 min内，降温速率都可达-4 ℃/min以上。拟合出的多项结果良好，对于实际施工以及材料表面温度预测具有良好的参考价值。

(3)复合沥青瓦与普通沥青瓦相比，耐酸性能变化不大，但耐碱性能提高了35%，表明复合沥青瓦具有更好的耐酸碱化学稳定性。

(4)复合沥青瓦具有更好的抗热震性，同等冷热循环条件下，复合沥青瓦的残留撕裂强度比普通沥青瓦的残留强度高，且随着冷热循环次数增加，两者均呈现减小的趋势。