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        玻璃纖維復配石墨制備復合瀝青瓦性能研究

        2019-04-02 09:18:14胡森
        應用化工 2019年3期
        關鍵詞:抗熱降溫石墨

        胡森

        (重慶交通大學 土木工程學院,重慶 400074)

        屋面結構是建筑豎向防水的重要組成部分,當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,使其達到防水的目的。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,針對屋頂結構防水以及耐老化等綜合研究發(fā)現(xiàn),復合瀝青瓦具有質輕性柔、施工簡便、價格適中等特點[1-3]。

        石墨具有良好的熱導性、化學穩(wěn)定性和強度,用于制備復合材料不僅能夠有效提升材料強度,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的韌性和強度。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度。

        1 實驗部分

        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)改性瀝青復合胎材料(上表面為聚乙烯膜(PE))、MH-10000滑石粉(橡膠級),均由遼寧海城市牌樓鎮(zhèn)海巖石粉廠提供;SCA-E87E有機硅烷偶聯(lián)劑,南京能德新材料技術有限公司提供;稀鹽酸、氫氧化鈣均為工業(yè)品。

        W000653冰柜;JQ-U紫外老化試驗機;TA-315動態(tài)剪切流變儀(DSR);ZH-123針入度儀;R-416軟化點儀;ZY-412高速剪切機。

        1.2 復合瀝青瓦制備

        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。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;高速剪切時轉速控制在3 000~3 500 r/min,防止瀝青結構因高速剪切而破壞;滾壓冷卻時保持溫度在25 ℃左右,防止瀝青脆化,產(chǎn)生裂紋;涂膠加熱時控制溫度在50 ℃左右,保證凝膠有良好的粘結性能。

        2 結果與討論

        2.1 低溫抗裂性

        勁度模量是評價材料的低溫延展性[6]。復合瀝青瓦取中間部分(減少施工帶來的應力不均和缺陷),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 ℃進行劈裂拉伸試驗,結果見圖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熱傳遞性,使得復合瀝青瓦整體溫差較小,受低溫影響時,其內(nèi)力基本達到各向同性,因此,再結合玻璃纖維的高強度高韌性,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)部應力各向異性,局部的力不能平衡,使得結構內(nèi)部有初始應力的存在,在低溫時,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,具有良好的線性關系,在彈性范圍內(nèi)其低溫應力的增加,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 高溫導熱性

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

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

        由圖2可知,隨著時間的增加,復合瀝青瓦和普通瀝青瓦表面溫度均降低,熱量減小。復合瀝青瓦承受相同的照射后表面最高溫度僅達105 ℃,而普通瀝青瓦表面溫度高達120 ℃;在降溫同樣的時間內(nèi),復合瀝青瓦降溫速率一直大于普通瀝青瓦降溫速率,在實驗條件內(nèi),其整個降溫過程中平均速率分別為-2.76 ℃/min和-2.57 ℃/min,復合瀝青瓦降溫速率更快,具有更好的熱傳遞性。復合瀝青瓦在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,降溫平均速率為-0.93 ℃/min。兩者降溫主要在開始階段。由于石墨良好的導熱性,復合瀝青瓦在30 min時降溫到達22 ℃,基本與室溫相當,而普通瀝青瓦降溫僅到43 ℃,復合瀝青瓦具有更好的高溫熱導性。

        2.3 化學穩(wěn)定性

        化學穩(wěn)定性主要是使用酸堿等物質對材料表面進行處理,用表面腐蝕比來表征化學穩(wěn)定性[8]。本實驗采用稀鹽酸(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,利用白色紙張進行拓本,再利用有限元軟件進行面積求和,算出殘留比面積,結果見表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,復合瀝青瓦和普通瀝青瓦相比,其耐酸堿性能更好。復合瀝青瓦隨著酸堿作用時間的增加,其表面剝落就漸漸增加,石墨本身不與酸堿發(fā)生反應,其理論上應該保持惰性,即殘留面積與總面積相等,實際中由于涂抹石墨的工藝控制未達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,主要因為基體材料為瀝青,瀝青屬于酸性高分子材料,因此堿性作用下可能與其發(fā)生化學反應,從而內(nèi)部形成缺陷,在沖刷作用下,表面脫落就比較嚴重。復合瀝青瓦和普通瀝青瓦在酸作用下都可保持比面積>90%,具有不錯的耐酸性能;但是在堿性作用下,復合瀝青瓦相比普通瀝青瓦耐堿性提高了35%。

        綜上可知,復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進行加熱和冷卻,考察在大溫差作用下材料的服役性能[9]。材料在承受反復高低溫的作用下,內(nèi)應力驟增和驟減,使得晶格產(chǎn)生位錯。對于瀝青高分子材料形成的瀝青瓦,在高低溫作用下,其內(nèi)應力變化較大,熱量在分子內(nèi)部積聚,材料產(chǎn)生溫度應力,服役性能降低,通過撕裂強度表示其殘留強度,分析熱震性能。實驗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,其抗撕裂強度結果見表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,復合瀝青瓦的殘留撕裂強度比普通瀝青瓦的殘留強度高,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,只是復合瀝青瓦表面涂層石墨,而石墨為固體顆粒粉末狀,撕裂強度不計,兩者產(chǎn)生的差異,主要由于石墨的優(yōu)良導熱性以及化學穩(wěn)定性,保護基體材料受到冷熱循環(huán)時盡可能的減小內(nèi)應力,因此,復合瀝青瓦的殘留撕裂強度大于普通瀝青瓦,即復合瀝青瓦具有更好的抗熱震性能。復合瀝青瓦材料隨著冷熱循環(huán)次數(shù)增加其殘留撕裂強度減小,主要因為隨著冷熱交替次數(shù)增加,石墨的導熱性具有一定最大值,當在某一循環(huán)次數(shù)達到最大值時,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,進而導致內(nèi)應力增加,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 結論

        (1)在線彈性范圍內(nèi),復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)復合瀝青瓦具有更好的高溫導熱性,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-4 ℃/min以上。擬合出的多項結果良好,對于實際施工以及材料表面溫度預測具有良好的參考價值。

        (3)復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%,表明復合瀝青瓦具有更好的耐酸堿化學穩(wěn)定性。

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

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