纤维沥青瓦的制备及性能研究

张睿

（通辽市交通建设工程质量监督站，内蒙古 通辽 028000）

0 引言

屋面结构既是防水的重要组成部分，也是建筑美观形式的一部分。针对建筑屋顶防水以及美观等综合研究发现，沥青瓦不仅具有质轻性柔、施工简便、价格适中等特点[1-3]，而且能够满足建筑美观装饰及防水的需求[4]。

沥青瓦的造型多样，适用范围广，屋顶承重轻、安全可靠，防水、耐腐蚀、抗风等，但是沥青瓦易老化、阻燃性差和与屋顶粘结不牢固。纤维的掺入可明显提高沥青混合料的低温抗裂性能，并对沥青瓦的耐老化以及阻燃性有一定作用[5]。玻璃纤维能够增强沥青的韧性、耐热性和高温稳定性[6-7]；聚酯纤维能够增强其低温抗裂性[8]；木质纤维改善沥青的高温稳定性和疲劳性[9]；矿物纤维可增强沥青动稳定性[10]。因此，纤维改性沥青瓦不仅能够改善沥青的耐老化等性能，还能够使得2种材料互补形成“复合材料”协同发挥作用，对延长沥青瓦的使用寿命有重要作用。

本试验基于纤维的优势，将纤维与沥青复合制备沥青瓦，对各种纤维制备的沥青瓦进行性能评价，确定最佳纤维掺量以及各类纤维改性沥青瓦的优势。

1 实 验

1.1 原材料及仪器设备

沥青：10#石油沥青、70#道路沥青：陕西延长石油有限公司；玻璃纤维毡：MEC300，聚酯纤维毡：RS-106，木质纤维素毡：H-1000，矿物纤维毡：005型，滑石粉：K 牌 1250，四川至诚长远复合材料有限公司产；复合型阻燃剂：FR-1021V，有机硅烷偶联剂：KH570，南京奥成化工有限公司。

低温冰箱、电炉（最高温度380℃）、油浴锅、紫外老化试验机、动态剪切流变仪（DSR）、针入度和软化点实验仪器及高速剪切机等。

1.2 制备工艺

纤维沥青瓦制备工艺：将10#石油沥青与70#道路沥青按质量比3∶7加热混合→掺加一定量纤维毡（质量比0～5%）高速剪切→胎体材料拼接→涂盖料（阻燃沥青混合料）制备→浸渍沥青→撒布砂石等→覆膜→滚压冷却→涂胶→切割→分送→自助包装→检验→入库。其中阻燃沥青作为防止高温以及防火材料，其配比见表1。

表1 阻燃沥青混合料的配比

2 结果与讨论

2.1 低温抗裂性

将不同纤维与沥青混合制备沥青瓦，纤维掺量分别为0、1.0%、2.0%、3.0%、4.0%和5.0%。将各比例的沥青瓦进行切分，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，宽度为12.7 mm的试件，采用1 mm/min加载速度，进行0℃时的劈裂拉伸试验，主要评价低温劲度模量，试验结果见图1。

图1 不同纤维掺量下沥青瓦的劲度模量

从图1可以看出，掺加聚酯纤维和矿物纤维的沥青瓦在低温状态下劲度模量整体随纤维掺量增加而增大；聚酯纤维沥青瓦的劲度模量增加最大，矿物纤维沥青瓦次之，主要由于聚酯纤维与沥青交接成网状结构，极性相差最小，在低温状态下交联结构不易溃散，因此劲度模量最大；矿物纤维与沥青也形成交联结构，而低温状态下矿物纤维与沥青中矿物纤维本身劲度模量大，2种物质在低温状态下分散差，因此劲度模量大一方面与分散不均有关，另一方面与矿物纤维本身有关；其他2种结构劲度模量几乎不变或略有下降，主要纤维与其中轻组分胶结，在低温状态下轻组分与沥青本身形成并联结构，交互作用下其劲度模量虽有所变化但是几乎与未添加纤维沥青的劲度模量大小相差无几。综合来看：随着纤维掺量增加，沥青瓦沥青劲度模量整体呈现增加趋势，表明其低温抗裂能力较差，尤其以添加矿物纤维和聚酯纤维明显，掺加玻璃纤维和矿物纤维的沥青瓦沥青低温抗裂性较好。

2.2 高温稳定性

掺加5.0%纤维（纤维具有一定长度，在与沥青剪切搅拌混合过程中分散受剪切等影响，因此选取掺量较多的纤维进行高温稳定性试验，避免纤维局部团聚制模时沥青中不含纤维或者纤维含量较少引起试验偏差[11]）制备沥青瓦，并将制备的沥青瓦加热流动倾倒在20 mm模具中，利用动态剪切流变仪对纤维沥青瓦高温稳定性进行评价，采用温度扫描模式，设定扫描温度40～65℃，以5℃递增，停留时间360 s，角速度10°/s，以复剪切模量和相位角的正弦值比值（G*/sinδ）作为永久变形的稳定系数（高温车辙因子）指标。试验结果见图2。

图2 掺加不同纤维沥青瓦沥青稳定系数

从图2可以看出：掺加纤维沥青瓦的沥青高温稳定系数普遍优于未掺加纤维的沥青瓦沥青；随着温度升高，各沥青瓦材料的抗高温性能均有所下降，聚酯纤维沥青瓦沥青开始降低幅度最大，其他沥青瓦材料沥青高温下降几乎成直线下降趋势；可以明显看出，纤维的掺加对改善沥青瓦沥青的高温性能有显著影响。综合以上：掺加5.0%的纤维对沥青瓦沥青的高温稳定永久变形有抑制作用，玻璃纤维沥青瓦沥青改善效果最明显。

2.3 抗老化性能

将纤维掺量分别为0、1.0%、2.0%、3.0%、4.0%和5.0%配制沥青瓦，进行140℃下72 h的紫外加热老化试验，老化后的试件分别进行针入度及软化点试验，结果见表2。

表2 掺加不同纤维沥青瓦沥青的针入度及软化点

由表2可见，随着纤维掺量增加，改性沥青瓦沥青的软化点普遍升高，针入度下降，由于纤维表面有微小孔洞和微裂纹，可以吸收沥青中的轻组分，相当于沥青中的沥青质含量相对提高；同时，纤维在沥青瓦基体内形成了纵横交错的空间网络结构，从而使沥青瓦沥青的软化点升高。木质纤维长度较小，故此形成的结构紧致更容易形成连续相，因此其软化点增加最多；矿物纤维质地较硬，与沥青瓦沥青形成交错界面，界面互溶后较均匀分散，故其针入度降低最大，而聚酯纤维沥青瓦材料有同属高分子，经过高温紫外老化后聚酯纤维被破坏，故其软化点变化不明显，由于聚酯本身的性质果覆在沥青瓦表面，针入度降低较大。综上可知：添加纤维的沥青瓦沥青在高温紫外老化后软化点增大，针入度降低，尤其以木质纤维软化点增加和矿物纤维针入度降低最为明显。

2.4 水稳定性能

将纤维掺量分别为0、1.0%、2.0%、3.0%、4.0%和5.0%配制沥青瓦，进行水稳冻融试验，低温-15℃冻结30 min，高温40℃保持30 min，循环5次，最终放置1 L水，看其表面渗水情况，结果见表3。

表3 不同掺配纤维沥青瓦的渗水性

由表3可以看出：大体上随纤维掺量增加，制备的沥青瓦防水性越好，冻融过程中纤维充当“血管”，将各个沥青“细胞”连接，不至于发生断裂剥落；玻璃纤维含量在5.0%时，成型的沥青瓦防水效果差，其中冻融过程中，玻璃纤维的耐久性较差，容易发生折断和重排布，使“血管”断裂，使得沥青连接失效，加之沥青反复冻融，高分子老化严重，因此防水性较差；不掺加纤维时沥青冻融后，几乎不防水；矿物纤维当掺量达到4.0%时，才具有冻融后防水性，由于矿物纤维的主要成分是矿物质，因此反复冻融与沥青分子存在剥离，当一定掺量下才具有防水性。综合来看：掺加聚酯纤维和木质纤维沥青瓦反复冻融防水性效果良好。

3 结论

（1）纤维沥青瓦制备工艺主要是沥青的用量配比以及复掺物的选取，必需达到建筑防火等级以及使用安全要求。

（2）掺加纤维的沥青瓦材料低温抗裂性改善效果较差，但掺加玻璃纤维和木质纤维的沥青瓦沥青低温抗裂性较未掺加沥青瓦性能更优。

（3）掺加纤维对沥青瓦沥青的高温稳定永久变形有抑制作用，尤其以玻璃纤维沥青瓦沥青改善效果最明显。

（4）掺加纤维的沥青瓦沥青在高温紫外老化后软化点增大，针入度降低，尤其以木质纤维软化点增加和矿物纤维针入度降低最为明显。

（5）掺加聚酯纤维和木质纤维沥青瓦反复冻融防水性效果良好。

从以上可以得出：掺加质地较硬的纤维如玻璃纤维其改善低温抗裂性和高温永久变形有明显作用；掺加质地较软的纤维如木质纤维和聚酯纤维，其改善抗老化以及冻融渗水有明显作用。

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