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近年來，隨著我國城鎮(zhèn)建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，住宅建筑的屋頂形式也出現(xiàn)了巨大的變化，形態(tài)各異、絢麗多彩的各型瓦屋面應(yīng)運(yùn)而生，尤其是不少沿海城市相繼推行的“平改坡”工程，為各地居民的居住環(huán)境增添了新的亮點(diǎn)。由于彩色瀝青瓦具有防水和裝飾雙重功能，且其質(zhì)量輕、冷施工、無污染、簡(jiǎn)單快捷、成本低廉，更受到人們的青睞。最近，建設(shè)部出臺(tái)了提高住宅建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，倡導(dǎo)節(jié)約能源、減少排放，不僅有助于改善居民的生活質(zhì)量，并進(jìn)一步推動(dòng)了彩色瀝青瓦屋面的發(fā)展。
然而，建筑設(shè)計(jì)的變化和新型建筑構(gòu)件的使用，對(duì)屋面防水材料提出了越來越高的要求。2009年9月，公安部、住建部印發(fā)《民用建筑外保溫系統(tǒng)及外墻裝飾防火暫行規(guī)定》要求包括屋面在內(nèi)的外立面建筑外保溫材料的燃燒性能宜為A級(jí)，且不應(yīng)低于B2級(jí)。對(duì)于屋面防水材料而言，其發(fā)展趨勢(shì)是在提高阻燃性能的同時(shí)，兼具低碳高效、綠色環(huán)保以及可持續(xù)性。在各類屋面防水材料中，瀝青瓦不僅具備優(yōu)異的防水性能，而且還兼具良好的防火安全性?，F(xiàn)有的瀝青瓦技術(shù)主要集中在改善瀝青瓦的常規(guī)性能和設(shè)計(jì)構(gòu)造上，鮮有從配方優(yōu)化角度考慮節(jié)能降耗、防火阻燃、工程應(yīng)用等問題。
對(duì)于防火瀝青瓦而言，其生產(chǎn)工藝關(guān)鍵在于阻燃瀝青混合料(即涂蓋種的制備。阻燃瀝青混合料通過在瀝青中添加適量的阻燃劑，并通過一定的改性工藝制備成阻燃瀝青材料，并對(duì)其進(jìn)行瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)，制備出既具有阻燃性能又滿足使用性能技術(shù)要求的瀝青涂蓋料。阻燃瀝青是添加阻燃劑對(duì)瀝青進(jìn)行改性制備所得，通常阻燃劑與瀝青只是機(jī)械的混合，并未能與瀝青發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，加入后對(duì)瀝青的性能會(huì)有一定的影響，而且阻燃劑的摻量越大則對(duì)性能影響也越大。
因此，在制備阻燃瀝青時(shí)要控制添加量，選擇阻燃效果好并對(duì)瀝青性能影響小的阻燃劑進(jìn)行阻燃改性。有些阻燃劑在阻燃時(shí)會(huì)產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，即兩種阻燃劑同時(shí)存在并產(chǎn)生阻燃作用時(shí)，其產(chǎn)生的阻燃效果大于兩種阻燃劑各自添加產(chǎn)生的阻燃效果之和。所以，可以尋找具有阻燃協(xié)同效應(yīng)的幾種阻燃劑進(jìn)行復(fù)合阻燃改性，提高阻燃效果;同時(shí)，在相同阻燃效果條件下，使用具有阻燃協(xié)同效應(yīng)的復(fù)合阻燃劑時(shí)，可以降低阻燃劑的添加量，進(jìn)而使瀝青的應(yīng)用性能得到改善。當(dāng)有火源或發(fā)生火災(zāi)時(shí)，阻燃瀝青瓦開始發(fā)揮其作用，阻燃瀝青瓦溫度升高，其中阻燃瀝青及阻燃劑也同時(shí)受熱，瀝青開始分解、而阻燃劑開始發(fā)揮阻燃作用，從而使瀝青瓦達(dá)到阻燃的作用，降低火災(zāi)的損失。
本項(xiàng)目以現(xiàn)代建筑實(shí)際需求為出發(fā)點(diǎn)，通過優(yōu)化瀝青基料、改性劑、填料、阻燃劑、涂覆材料及生產(chǎn)工藝等，在不影響瀝青瓦使用可靠性和耐久性等應(yīng)用性能的基礎(chǔ)上，滿足瀝青基材料的阻燃要求，從而保證瀝青瓦在使用過程中的防火安全性，制備得到性能優(yōu)異的建筑防水用彩色防火瀝青瓦。
一、防火瀝青瓦實(shí)驗(yàn)部分
1.1 原材料及設(shè)備
瀝青:10#石油瀝青、70#道路瀝青;胎體材料:玻璃纖維氈、聚醋氈;瀝青改性劑:苯乙烯一丁二烯一苯乙烯嵌段共聚物(CSBS)、廢膠粉;填料:滑石粉;阻燃劑:復(fù)合型阻燃劑;助劑:有機(jī)硅烷偶聯(lián)劑。低溫冰箱、調(diào)溫電爐、烘箱、高速分散機(jī)、電子拉力機(jī)、人工氣候老化試驗(yàn)箱和錐形量熱儀等。
1.2 制備工藝
阻燃瀝青瓦的制備工藝:胎基開卷拼接、貯存干燥、涂蓋料(阻燃瀝青混合料)制備、浸漬瀝青、撒布(砂石等)、覆膜、滾壓冷卻、涂膠、切割、分送、自助包裝、檢驗(yàn)、入庫。其中阻燃瀝青混合料的工藝配方見表1。
二、防水瀝青瓦，防火性能如何？結(jié)果與討論如下。
2.1 胎體材料對(duì)瀝青瓦性能的影響
在坡屋面上，瀝青瓦不僅具有防水作用，而且賦予屋面持久美觀的幾何構(gòu)造和色澤。瀝青瓦的應(yīng)用性能，特別是強(qiáng)度、耐水性、抗裂性和耐久性主要取決于胎體材料的性質(zhì)。目前常用的胎體材料有聚醋氈和玻璃纖維氈兩種，其中玻璃纖維氈具有優(yōu)良的耐水、耐腐蝕和耐久性，其抗拉強(qiáng)度大，裁切加工性能良好，在浸涂高溫熔融瀝青時(shí)表現(xiàn)出比聚醋氈更好的尺寸穩(wěn)定性。分別做了兩種胎體材料對(duì)瀝青瓦性能影響的實(shí)驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察，采用玻璃纖維氈作為瀝青瓦的胎體材料比較理想。此外，采用硅烷偶聯(lián)劑對(duì)玻璃纖維氈進(jìn)行預(yù)處理，可以明顯改善玻璃纖維氈與瀝青等的共混性能，提高其應(yīng)用性能。
2.2 瀝青原料對(duì)阻燃瀝青混合料性能的影響
瀝青是涂蓋料的主要成分，其性能決定了瀝青瓦的伸長性、粘結(jié)強(qiáng)度和填料吸納量，常用的瀝青包括10#石油瀝青和70#道路瀝青等，10#瀝青雖然具有軟化點(diǎn)高的優(yōu)點(diǎn)，但是由于其含蠟量高、低溫脆性大，單獨(dú)使用無法滿足瀝青瓦的性能要求，可與70#瀝青配合使用，表2是不同瀝青配合比對(duì)阻燃瀝青混合料性能的影響。綜合各項(xiàng)指標(biāo)與材料高低溫性能，10"瀝青和70#瀝青按照7:3 （質(zhì)量比）的比例混合，可以得到滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的瀝青涂蓋料。
2.3 瀝青改性劑對(duì)阻燃瀝青混合料性能的影響
瀝青改性劑是指在瀝青或?yàn)r青混合料中加人的可熔融或分散的物質(zhì)，能夠明顯改善和提高瀝青制品的性能，根據(jù)改性劑的化學(xué)性質(zhì)，可以分為有機(jī)改性劑和無機(jī)改性劑。有機(jī)改性劑往往通過化學(xué)鍵合或交聯(lián)作用提高瀝青瓦的物理機(jī)械性能，如樹脂類改性劑可以改善瀝青的高溫穩(wěn)定性，橡膠類改性劑可以明顯改善瀝青的低溫抗裂性，熱塑性彈性體改性劑具有良好的雙向改性功能，并同時(shí)提高瀝青的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性。在熱塑性彈性體材料改性劑中，SBS是最常用的改性劑。SBS具有強(qiáng)度高、茹度低等優(yōu)異特點(diǎn)，常溫時(shí)具有橡膠的彈性，而加熱后又呈現(xiàn)塑性，因此非常易于進(jìn)行熱塑加工，可實(shí)現(xiàn)與瀝青加熱混熔。不同SBS含量對(duì)阻燃瀝青混合料性能的影響見圖1。
從圖1中可以看出:經(jīng)過SBS改性的瀝青混合料具有優(yōu)異的耐高低溫的性能，隨著SBS的添加，混合料的軟化點(diǎn)和低溫柔性都有所改善。為了降低成本，生產(chǎn)中一般采用SBS和廢膠粉的混合物作改性劑，其配比控制在2:8 （質(zhì)量比）左右。
2.4 填料對(duì)阻燃瀝青混合料性能的影響
在生產(chǎn)過程中，無機(jī)改性劑主要起物理或機(jī)械支撐作用，習(xí)慣上稱之為填料，最常用的是滑石粉。根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，以改性瀝青為膠料，在膠料中添加不同含量的滑石粉作填料，測(cè)試瀝青涂蓋料性能，結(jié)果見圖2。
從圖2中可以看出:當(dāng)滑石粉填充量<20%時(shí)，對(duì)瀝青瓦的性能沒有明顯影響;當(dāng)20%填充量≤50%時(shí)，涂蓋料的軟化點(diǎn)隨著填料的增加而明顯提高;當(dāng)填充量≥50%后，軟化點(diǎn)水平基本不變，且耐低溫性能明顯變差。綜合考慮，滑石粉填料的用量應(yīng)控制在30%-50%內(nèi)，再考慮成本因素，最佳比例為40% 。
2.5溶劑和助劑對(duì)阻燃瀝青混合料性能的影響
為了改善阻燃瀝青混合料和瀝青瓦的加工和應(yīng)用性能，往往在混合料中加入一定量的溶劑及助劑。溶劑的作用主要是溶解改性劑，提高其分散程度和改性效果。助劑包括硅烷偶聯(lián)劑、增稠劑和抗紫外線劑等，其中硅烷偶聯(lián)劑可以提高瀝青與玻璃布之間的粘接力，使瀝青與無機(jī)填料結(jié)合得更加牢固，并且可以顯著改善材料性能;增稠劑可以增加瀝青表面茹性，提高覆面材料的牢固性并減少落砂;抗紫外線劑可提高產(chǎn)品的抗老化性。為提高混合料性能，本實(shí)驗(yàn)中采用上述各種助劑的混合物，用量控制在1%-2%。
2.6 阻燃劑對(duì)阻燃瀝青混合料性能的影響
阻燃性能是評(píng)價(jià)阻燃材料性能最重要的標(biāo)準(zhǔn)，一般用氧化指數(shù)(LOL)測(cè)評(píng)，LOL>26%表示材料在平常的空氣中不能燃燒即可認(rèn)為是難燃。阻燃材料一般是本身不具有可燃性或加入阻燃劑后使之不可燃，一些難燃或不燃材料加入到易燃材料中可以降低材料的可燃性，這類材料即是阻燃劑。但阻燃劑的添加不僅提高了材料的成本，也會(huì)使瀝青的某些物理性能下降，其阻燃性是以惡化材料其他實(shí)用性能為代價(jià)而得的，有時(shí)甚至引發(fā)材料回收處理時(shí)的環(huán)保問題。因此，阻燃性能應(yīng)根據(jù)多方面的具體情況而定，需在滿足材料阻燃性能的前提下，盡可能提高材料的經(jīng)濟(jì)性能與環(huán)保性能。為此，對(duì)阻燃瀝青混合料進(jìn)行阻燃性能方面的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。
本實(shí)驗(yàn)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的復(fù)配型阻燃劑，并與未添加阻燃劑的瀝青混合料作對(duì)比，測(cè)試混合料的總熱釋放量，見圖3。
從圖中可以看出:阻燃劑的加入能夠降低瀝青混合料的總熱釋放量，體現(xiàn)出一定的阻燃效果;經(jīng)測(cè)試，通過以上配方制作出來的阻燃瀝青瓦，其LOL指數(shù)為28.7%，已具備較好的阻燃、防火性能。
三、 防火瀝青瓦性能
通過實(shí)驗(yàn)優(yōu)化瀝青瓦配方，經(jīng)測(cè)試，按照適當(dāng)配比制備的阻燃瀝青瓦產(chǎn)品滿足B1級(jí)防火等級(jí)，根據(jù)GB/T 20474-2006《玻纖胎瀝青瓦》標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行性能測(cè)試，結(jié)果見表3。
四、瀝青瓦防火性能試驗(yàn)結(jié)論
1) 通過配方調(diào)試，可有效降低阻燃瀝青瓦的生產(chǎn)溫度，且不需要使用高剪切膠體磨進(jìn)行處理，工藝節(jié)能、耗資少，很大程度上節(jié)省了用于研磨和污染控制的設(shè)備成本。
2) 采用玻璃纖維氈作為胎體材料，10#瀝青:70#瀝青按照7:3(質(zhì)量比)為主材，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%為阻燃劑、適量改性劑、填料以及助劑所制備的瀝青瓦，性能達(dá)到GB/T 20474-2006所規(guī)定的要求。
3) 總熱釋放量是評(píng)價(jià)材料實(shí)際使用時(shí)熱危害的重要參數(shù)，材料的總熱釋放越大，潛在的熱危險(xiǎn)越大。實(shí)驗(yàn)證明:阻燃劑的加入明顯降低了瀝青混合料及瀝青膠漿的熱釋放速率與釋放量，阻燃劑對(duì)試樣的引燃時(shí)間影響比較明顯，加入25%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的阻燃劑后的試樣其引燃時(shí)間明顯增長，不易點(diǎn)燃。
4) 瀝青瓦價(jià)格適中、施工方便，整體防水性能好、色彩多樣、形狀各異。更為突出的是，瀝青瓦質(zhì)輕，可以降低建筑地基造價(jià)，更適用于屋面坡度大，弧形、球形屋頂?shù)惹鎻?fù)雜的建筑。對(duì)建筑屋面采用阻燃型瀝青瓦，可以保證屋面的防火安全。
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