陳正雄，龍飛，田元坤

（1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué)工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，重慶 400074）

0 引言

玻璃纖維與瀝青形成復(fù)合材料，提高了瀝青的韌性，同時(shí)提高瀝青的抗壓能力，使其能夠在承受相等的壓力作用下，發(fā)揮出更好的拉伸性能。張進(jìn)等[1]研究了由納米二氧化鈦聚丙烯抗老化層、橡膠瀝青膠結(jié)料層、上玻璃纖維網(wǎng)格布層、聚氨酯保溫層、下玻璃纖維網(wǎng)格布層、聚氯乙烯瀝青層組成，聚氨酯保溫層在上玻璃纖維網(wǎng)格布層與下玻璃纖維網(wǎng)格布層之間，并且與聚氯乙烯瀝青層和橡膠瀝青形成間隔，此種防水材料中玻璃纖維主要起到粘結(jié)拉伸骨架作用，使得瀝青不易撕裂。牛月生[2]對(duì)聚酯無紡布、玻纖織布、玻纖無紡布，玻纖網(wǎng)格布復(fù)合胎的性能進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)聚酯以及玻纖耐水耐候性優(yōu)越，其中玻璃纖維瀝青氈抗拉力性能更優(yōu)。連麗[3]研究了玻璃纖維在建筑防水材料上的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)玻璃纖維強(qiáng)度高、耐老化性能好、不易開裂和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)。本試驗(yàn)采用玻璃纖維作為增強(qiáng)材料，以基質(zhì)瀝青為基體材料，摻加阻燃劑和助劑，制備玻璃纖維瀝青氈，著重對(duì)玻璃纖維復(fù)配瀝青防水卷材的耐凍融性能進(jìn)行研究，同時(shí)提出耐凍融預(yù)估方程。

1 試驗(yàn)

1.1 主要原材料及儀器設(shè)備

試驗(yàn)采用70#和90#瀝青，來源于延長(zhǎng)石油，其性能見表1。

表1 基質(zhì)瀝青的性能

玻璃纖維：長(zhǎng)4～10 cm，由重慶三江化工公司提供；五氯硬脂酸甲酯阻燃劑（MPCS）和醇酯－12成膜助劑：由重慶茂業(yè)化工公司提供。

FA35高速剪切機(jī)，轉(zhuǎn)速0～8000 r/min；加熱套和攪拌鍋溫度0～380℃；SYD－2801E 針入度儀；SYD－2806E 全自動(dòng)瀝青軟化點(diǎn)儀；SY－2B恒溫雙速瀝青延伸儀，劈裂凍融試驗(yàn)機(jī)，無錫市華南實(shí)驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn)。

1.2 玻璃纖維瀝青氈的制備

首先將10 kg瀝青加熱到150℃，使其呈流動(dòng)狀態(tài)，加入玻璃纖維使用高速剪切機(jī)在1500 r/min下攪拌10 min（瀝青和玻璃纖維質(zhì)量比為10∶1），待冷卻后，再次加熱到150℃，利用剪切機(jī)攪拌10 min，依次重復(fù)3次，避免玻璃纖維沉淀團(tuán)聚；再加入1%助劑（占整體質(zhì)量），攪拌混合均勻后將玻璃纖維瀝青傾倒在鋪有錫箔紙的玻璃板上平攤厚度為（50±1.0）mm，待冷卻后在表面涂層阻燃劑0.5 mm，陰涼通風(fēng)處干燥24 h，即可制得玻璃纖維瀝青氈。

2 結(jié)果與討論

2.1 玻璃纖維瀝青氈的凍融性能

將玻璃纖維瀝青氈和普通瀝青氈（北京秦天有限公司）同時(shí)置于凍融機(jī)中，加入水，首先將水制成冰，保持凍融機(jī)溫度達(dá)到-10℃，然后放置玻璃纖維瀝青氈，保持凍融機(jī)繼續(xù)工作，使溫度降到-40℃，降溫速率為0.5℃/min，再從-40℃升溫到-10℃，升溫速率為1℃/min，從-10℃降溫到-40℃后再升溫到-10℃為1個(gè)冷凍循環(huán)，以此條件下冷凍循環(huán)48 h。再將其取出，置于60～80℃水浴中，保持初始水溫為60℃，加熱升溫速率為1℃/min，待溫度升到80℃時(shí)穩(wěn)定5 min，再以降溫速率0.5℃/min降溫到60℃，從60℃升溫到80℃再降溫到60℃為1個(gè)循環(huán)周期，以此條件下循環(huán)48 h。再將2種氈懸空鋪筑（4個(gè)角用鐵絲綁扎在柱子上面，使其形成類似于“網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)”，懸置在離地面500 mm處）于白紙上方1～2 cm，成型面積0.5 m2。氈的綁扎四角比中間略微高2 mm，利用密封玻璃箱體（去除底部）罩住綁扎成型的瀝青氈，使其整體隔絕空氣，在瀝青氈表面倒入少量水（約25 ml）放置24 h后，對(duì)2種試件的物理性能和透水性進(jìn)行評(píng)測(cè)，結(jié)果見表2。

表2 普通瀝青氈和玻璃纖維瀝青氈的性能對(duì)比

從表2可以看出，對(duì)比普通瀝青氈，玻璃纖維瀝青氈高溫水穩(wěn)定性明顯優(yōu)越，這與玻纖耐高溫的物理性能有關(guān)。高溫作用下浸水時(shí)，玻璃纖維起到支撐骨架作用，瀝青軟化流動(dòng)，附著于玻璃纖維，形成密集的“網(wǎng)”結(jié)構(gòu)，有效阻擋了結(jié)構(gòu)破損，而普通氈瀝青因?yàn)楦邷剀浕瘺]有骨架支撐作用，防透水性減弱，但依然能滿足使用要求；玻璃纖維瀝青氈的拉伸性能較普通瀝青氈提升，而其最大伸長(zhǎng)率相似，主要因?yàn)椴ＡЮw維抗拉變形較小，應(yīng)力應(yīng)變比（ε/σ）較大，使得單位伸長(zhǎng)下拉力較大；兩者在低溫性能和透水防水性能相當(dāng)，表明玻璃纖維瀝青氈的低溫性能和透水性能影響較小，即玻璃纖維和瀝青復(fù)配后只是物理改性應(yīng)力應(yīng)變以及高溫水穩(wěn)，對(duì)于低溫水穩(wěn)性能影響較小。70#瀝青氈和90#瀝青氈相比性能基本相似，主要90#瀝青氈具有較高的拉力，這主要和90#瀝青針入度較大，相同拉力下對(duì)結(jié)構(gòu)本身發(fā)生應(yīng)變，產(chǎn)生內(nèi)能，內(nèi)能轉(zhuǎn)換成熱效應(yīng)使得90#瀝青氈提前軟化，黏彈性能更優(yōu)，故其拉力較大，但極限拉力下，玻璃纖維承載力相當(dāng)，故其伸長(zhǎng)率基本相等。

2.2 玻璃纖維瀝青氈水老化機(jī)理

玻璃纖維瀝青氈放置于水中凍融循環(huán)48 h，其凍融條件與2.1實(shí)驗(yàn)方案一致；將經(jīng)歷48 h冷凍循環(huán)后的瀝青氈置于溫度為60℃的水中，加熱水使其升溫速率為1℃/min，每隔5℃即為1個(gè)溫度階梯，每溫度階梯下保持水溫穩(wěn)定15 min，升溫達(dá)到80℃穩(wěn)定15 min后以0.5℃/min的速率降溫，仍保持每溫度階梯下保溫15 min，降溫到60℃穩(wěn)定15 min，此為1個(gè)循環(huán)，以此循環(huán)重復(fù)10次，用來模擬短期水老化。將老化后的瀝青氈用三氯甲烷（三氯甲烷質(zhì)量和瀝青氈質(zhì)量比為19:1）溶解，將所得溶液涂抹在溴化鉀壓片上，測(cè)量其紅外特征峰。紅外譜圖見圖1。

圖1 玻璃纖維瀝青氈短期水老化前后的紅外光譜

從圖1可以看出，水老化前后瀝青的官能團(tuán)發(fā)生變化。在1623 cm-1處未老化70#和90#瀝青均有與芳環(huán)共軛的C=C雙鍵，水老化后的70#和90#瀝青C=C雙鍵透過輕度均不同程度減小，這表明水老化過程中不飽和C=C發(fā)生加成反應(yīng)，生成其他單鍵物質(zhì)；在1050 cm-1處70#瀝青具有明顯的醛基官能團(tuán)，而90#瀝青沒有，這可能與瀝青品質(zhì)有關(guān)，而水老化后的70#瀝青并沒有醛基，這與實(shí)際相符，因?yàn)槿┗倌軋F(tuán)也不穩(wěn)定，水老化也會(huì)氧化生成單鍵物質(zhì)；而在2903和2830 cm-1處C—H面內(nèi)伸縮振動(dòng)和面內(nèi)彎曲振動(dòng)含量增多，與生成單鍵物質(zhì)吻合。根據(jù)Lambera Beer定律，通過定量分析峰面積，未老化70#和90#瀝青在1623 cm－1處峰面積為9.06和4.03，水老化后分別為2.88和2.79，面積分別減少68.21%和30.77%，即68.21%和30.77%的C=C雙鍵發(fā)生氧化反應(yīng)；未老化70#和90#瀝青C—H峰面積為42.91和50.13，老化后分別為51.22和52.01，面積分別增加19.37%和3.75%。綜上，可以得出瀝青水老化是化學(xué)變化。

2.3 玻璃纖維瀝青氈水老化性能

玻璃纖維瀝青氈水老化水穩(wěn)實(shí)驗(yàn)方案同2.2水老化試驗(yàn)參數(shù)一致，試驗(yàn)時(shí)間持續(xù)120 h，每隔15 h測(cè)試瀝青氈水老化后的針入度、軟化點(diǎn)和透水性能。老化瀝青氈結(jié)果見表3。

表3 70#和90#玻璃纖維瀝青氈水老化性能

從表3可以看出，隨著水老化時(shí)間延長(zhǎng)，70#和90#玻璃纖維瀝青氈的針入度減小，軟化點(diǎn)升高，其中70#玻璃纖維瀝青氈軟化點(diǎn)升高3.2℃，增加6.6%，90#玻璃纖維瀝青氈軟化點(diǎn)升高4.6℃，升高9.9%；70#玻璃纖維瀝青氈針入度降低10.9（0.1 mm），降幅為16.1%，90#玻璃纖維瀝青氈針入度降低9.6（0.1 mm），降幅為11.4%，可以明顯看出，90#玻璃纖維瀝青氈的性能優(yōu)于70#玻璃纖維瀝青氈，主要因?yàn)闉r青在水動(dòng)力作用下老化，飽和分和芳香分轉(zhuǎn)化為膠質(zhì)或者瀝青質(zhì)，增加了瀝青的硬度，從而針入度降低，軟化點(diǎn)升高。而90#瀝青氈針入度本身較大，軟化點(diǎn)較低，同等老化情況下保持較高的針入度，更低的軟化點(diǎn)，瀝青柔韌性更好，防水效果更佳。硬度增加使得瀝青變脆，這也就解釋瀝青氈長(zhǎng)時(shí)間暴露在空氣中與水作用后變脆有裂紋導(dǎo)致滲水，而玻璃纖維的“骨架”作用使得瀝青斷裂后仍能粘結(jié)在一起，有效抑制了瀝青的脆斷，提高其脆斷變形能力，增強(qiáng)防滲水能力。70#和90#玻璃纖維瀝青氈在凍融120h后均出現(xiàn)了滲水漏水，且70#瀝青氈在105h時(shí)已經(jīng)達(dá)到滲透2張紙，失去防水能力；循環(huán)水是在75 h時(shí)70#瀝青氈已經(jīng)有滲水發(fā)生，90#瀝青氈在90 h才發(fā)生，這主要與瀝青的針入度和軟化點(diǎn)變化有關(guān)。綜上，90#玻璃纖維瀝青氈水老化性能更優(yōu)。

2.4 玻璃纖維瀝青氈水老化預(yù)估方程

瀝青老化方程見式（1）：

老化模型參數(shù)見表4。

表4 玻璃纖維瀝青氈水老化參數(shù)

代入?yún)?shù)可得70#和90#瀝青氈老化模型預(yù)估方程分別見式（2）、式（3）：

從預(yù)估方程可以看出，90#玻璃纖維瀝青氈壽命隨溫度變化較小，這與實(shí)驗(yàn)2.1和2.2以及2.3一致。

3 結(jié)論

（1）凍融條件下，90#玻璃纖維瀝青氈具有更大的拉力，70#和90#玻璃纖維瀝青氈均比普通瀝青氈的耐凍融性能要好。

（2）玻璃纖維瀝青氈水老化是化學(xué)變化，其中瀝青C=C雙鍵在水動(dòng)力作用下打開C=C加成反應(yīng)，生成C—H鍵；70#和90#瀝青加成率分別為68.21%和30.77%，生成率分別為19.37%和3.75%。

（3）70#和90#玻璃纖維瀝青氈水老化120 h的針入度均減小，軟化點(diǎn)增加，而90#瀝青氈的針入度減小率和軟化點(diǎn)增加率都比70#瀝青氈小。因此，90#瀝青氈性能更優(yōu)。

（4）根據(jù)模擬水老化實(shí)驗(yàn)，高溫60～80℃時(shí)，90#瀝青氈老化預(yù)估方程變化率較70#瀝青氈小，說明90#瀝青氈耐老化性能更優(yōu)。