魚鱗粉改性瀝青的性能及其在防水卷材中的應(yīng)用

常錦，周炯，種霖霖，2，羅堅(jiān)，劉洋

（1.長沙學(xué)院土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410022；2.長沙市道路與建筑智能建造及安全診斷技術(shù)研發(fā)平臺，湖南 長沙 410022；3.湖南三匠工程科技有限公司，湖南 長沙 410221；4.湖南省高速公路集團(tuán)有限公司郴州分公司，湖南 郴州423000）

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國城市化水平越來越高，對石油瀝青的需求量隨著建筑與公路的建設(shè)不斷提升，對改性瀝青的研究也成了熱門話題。改性瀝青是摻入樹脂、橡膠或其他填料等外摻劑（改性劑），或者采用對瀝青進(jìn)行輕度氧化處理等措施，通過提高瀝青或?yàn)r青混合料的性能而制成的瀝青結(jié)合料。

丁湛等將液化木屑合成樹脂作為瀝青改性劑，指出液化木屑合成樹脂改性瀝青高溫性能提高，但限制了瀝青膠體的流動性［1］。仇朝珍將回收橡膠樹脂摻入瀝青中制作成回收樹脂改性瀝青，指出回收橡膠樹脂作為改性劑對基質(zhì)瀝青的軟化點(diǎn)以及延度具有明顯提升效果，其抗老化性能也有所提高［2］。肖慶一等把熱老化作用下的廢機(jī)油作為瀝青改性劑，發(fā)現(xiàn)廢機(jī)油與基質(zhì)瀝青混合后，瀝青的低溫性能和抗老化性能得到明顯提升：當(dāng)廢機(jī)油摻入量為10%時(shí)，對應(yīng)的改性瀝青在經(jīng)歷長時(shí)間老化影響下，其高溫性能依舊能與普通基質(zhì)瀝青高溫性能所媲美；但隨著廢機(jī)油含量的增加，摻入廢機(jī)油改性劑制成的瀝青混合物的高溫性能會急劇下降［3］。楊旸將廢棄橡膠研磨成粉與瀝青混合成改性瀝青，發(fā)現(xiàn)隨著橡膠粉目數(shù)和橡膠粉摻入量的增加，廢棄橡膠粉改性瀝青的低溫性能上升，但是伴隨瀝青熱混合物含量的上升，橡膠粉改性瀝青低溫性能反而下降［4］。Vargas et al.把化學(xué)接枝聚乙烯作為瀝青改性劑進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)改性后的瀝青滲透率降低，而軟化點(diǎn)增加，改善了瀝青的高溫性能［5］。Nura et al.研究了納米硅PP為改性劑的改性瀝青的性能變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)納米硅PP可以提高瀝青的耐久性［6］。Fang et al.研究了PS改性瀝青的黏彈性，采用差示掃描量熱法、旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)和動態(tài)剪切流變學(xué)對改性瀝青的黏彈性進(jìn)行分析和評價(jià)，發(fā)現(xiàn)改性瀝青的黏彈性增強(qiáng)，對溫度的敏感度下降，而瀝青的抗車轍性增加［7］。戈兵等針對SBS改性瀝青防水卷材在長時(shí)間浸泡環(huán)境下的耐水性、耐酸性、耐堿性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)SBS改性瀝青防水卷材在長期浸泡于水、酸、堿溶液的情況下，仍具有較好的抗?jié)B和低溫性能［8］。崔樹亮針對不同SBS改性瀝青防水卷材的性能進(jìn)行了研究對比，結(jié)果表明：SIS在低溫性能方面的改進(jìn)作用相較于SBR更強(qiáng)［9］。

盡管國內(nèi)的許多學(xué)者與工程師對改性瀝青進(jìn)行了研究，但對將生物廢料作為外摻劑的改性瀝青的研究卻較為缺乏。我國是傳統(tǒng)的水產(chǎn)大國，2019年全國水產(chǎn)品總產(chǎn)量6 480.36萬噸，水產(chǎn)加工品總量卻僅為2 171.41萬噸［10］。魚鱗在水產(chǎn)的捕捉、銷售過程中更是直接被當(dāng)作廢料丟棄，造成了十分嚴(yán)重的資源浪費(fèi)，有時(shí)甚至對環(huán)境造成污染［11-12］。魚鱗作為一種常見的生物廢料，具有價(jià)格低廉、耐熱性能好等優(yōu)點(diǎn)。為提高資源的利用效率，降低水產(chǎn)生物廢料對環(huán)境的破壞，我們分別采用了60目、80目、100目和120目魚鱗粉與山東來寶70號基質(zhì)瀝青混合進(jìn)行試驗(yàn)，研究魚鱗粉作為外摻劑對瀝青性能的影響，探索魚鱗粉改性瀝青在防水卷材中的應(yīng)用效果，為后續(xù)魚鱗粉改性瀝青的研究與應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)方案

1.1 原材料

1.1.1 基質(zhì)瀝青

試驗(yàn)采用山東來寶 70號基質(zhì)瀝青，其基本技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.1.2 魚鱗粉

我們將從市場上回收的魚鱗用清洗劑洗凈，放置烘箱中烘4h，再置于破碎機(jī)中將其破碎為60目、80目、100目、120目魚鱗粉。

1.1.3 魚鱗粉瀝青制備

將70號普通基質(zhì)瀝青加溫至130～140℃熔化，將制備好的魚鱗粉分別按0%、5%、10%、15%、20%摻量和60、80、100、120目數(shù)加入基質(zhì)瀝青，人工攪拌30min后，再放入高速剪切儀中以4 000～5 000rad/min的轉(zhuǎn)速攪拌剪切1h，最后灌模即制得魚鱗粉改性基質(zhì)瀝青樣品。

1.1.4 粗集料

大理石與鵝卵石為就地取材，石英石就地取材困難，因此網(wǎng)上購買商用石英石，粗集料規(guī)格為13.2～19.0mm。

1.1.5 防水卷材原材料

試驗(yàn)選用山東浩博防水的聚氨酯縫織聚酯布、米樂奇0.06mm耐高溫鋁箔膠帶、魚鱗粉改性瀝青三種原材料制備瀝青防水卷材，其結(jié)構(gòu)如圖1所示；將聚酯布與鋁箔膠帶分別裁剪成直徑為150mm的圓形和邊長為50mm的正方形，再按照圖1所示方式疊放，制成試驗(yàn)用防水卷材樣品，如圖2所示。

圖1 魚鱗粉改性瀝青防水卷材結(jié)構(gòu)

圖2 魚鱗粉改性瀝青防水卷材

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 魚鱗粉改性瀝青基本性能試驗(yàn)

依照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）［13］中所規(guī)定的試驗(yàn)方法，我們分別對魚鱗粉改性瀝青進(jìn)行了軟化點(diǎn)、針入度、延度、黏度以及黏附性試驗(yàn)。其中，我們采用最大粒徑大于13.2mm的大理石、石英石和鵝卵石做粗集料，選用水煮法開展黏附性試驗(yàn)。

1.2.2 魚鱗粉改性瀝青防水卷材不透水性和耐熱性試驗(yàn)

我們采用ZSY-2型防水卷材不透水儀開展防水卷材不透水性能試驗(yàn)。該儀器采用水壓自控與氣筒加壓，適用于測試壓力不大于60kPa的情況，具有操作簡便、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

將魚鱗粉按照60目摻量為5%、10%、15%、20%，80目摻量為5%、10%、15%、20%，100目摻量為5%、10%、15%、20%，120目摻量為5%、10%、15%、20%的方案分別制備魚鱗粉改性瀝青，將制備好的魚鱗粉改性瀝青按照圖1方式制備魚鱗粉改性瀝青防水卷材，再分別進(jìn)行瀝青防水卷材的不透水性和耐熱性試驗(yàn)研究，試驗(yàn)依據(jù)《建筑防水卷材試驗(yàn)方法》（GB/T 328.1～27—2007）［14-15］中第10部分與第11部分規(guī)定方法進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 魚鱗粉對瀝青三大指標(biāo)的影響

圖3、4、5分別為四種不同目數(shù)（60目、80目、100目、120目）的魚鱗粉在不同摻量（0%、5%、10%、15%、20%）時(shí)，其魚鱗粉改性瀝青的軟化點(diǎn)、針入度和延度這三大指標(biāo)的試驗(yàn)結(jié)果。

圖3 軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果

由圖3可知，魚鱗粉的摻入可以提升70號普通基質(zhì)瀝青的軟化點(diǎn)。這主要是因?yàn)轸~鱗粉中含有大量的無機(jī)填料［16］，其與瀝青相結(jié)合提高了瀝青的軟化點(diǎn)。對比0%魚鱗粉摻量的基質(zhì)瀝青，60目5%、10%、15%、20%魚鱗粉摻量瀝青的軟化點(diǎn)分別增大3.6%、9.5%、11.5%、35.2%。隨著魚鱗粉摻量的增加，無機(jī)填料增多，魚鱗粉改性瀝青的軟化點(diǎn)提升得更多，且隨著魚鱗粉目數(shù)的增大（即魚鱗粉顆粒粒徑越來越小），魚鱗粉中無機(jī)填料與瀝青能更充分地結(jié)合，使魚鱗粉改性瀝青的軟化點(diǎn)提升效果更好，其中120目20%摻量魚鱗粉對瀝青軟化點(diǎn)的提升效果可達(dá)54%。綜上所述，魚鱗粉的摻入會使瀝青的溫度敏感性降低，從而提高瀝青的耐熱性。

由圖4可知，將魚鱗粉摻入70號普通基質(zhì)瀝青中可以減小魚鱗粉改性瀝青的針入度。這主要是魚鱗粉中豐富的有機(jī)質(zhì)膠原蛋白提高了瀝青黏結(jié)劑黏合性能，進(jìn)而引起黏度增加，瀝青變硬，針入度減小。對比0%魚鱗粉摻量的基質(zhì)瀝青，60目5%、10%、15%、20%魚鱗粉摻量瀝青的針入度分別降低了12%、18%、27%、34%。隨著魚鱗粉摻量的增多，有機(jī)質(zhì)膠原蛋白增多，魚鱗粉改性瀝青的針入度下降得更多。但是，隨著魚鱗粉目數(shù)的逐漸加大，魚鱗粉改性瀝青的針入度降低效果減弱。綜上所述，魚鱗粉的加入會使瀝青變硬，并提高了瀝青的黏稠度。

圖4 針入度試驗(yàn)結(jié)果

從圖5可以看出，與70號常規(guī)基質(zhì)瀝青進(jìn)行對比，魚鱗粉改性瀝青的延度顯著下降。隨著魚鱗粉摻量的不斷增加，魚鱗粉改性瀝青的延度大幅降低，但之后的降低幅度明顯減緩。對比0%魚鱗粉摻量的基質(zhì)瀝青，60目5%、10%、15%、20%魚鱗粉摻量瀝青的延度分別下降了72%、75%、77%、80%。隨著魚鱗粉目數(shù)的逐漸增大，魚鱗粉改性瀝青的延度變化不大，在魚鱗粉摻量均為5%的條件下，60目、80目、100目的延度較120目分別下降了13%、8%、4%，故魚鱗粉能夠顯著降低魚鱗粉改性瀝青的塑性但目數(shù)對其影響不大。該結(jié)果表明魚鱗粉的摻入會對瀝青的塑性產(chǎn)生不利影響。

圖5 延度試驗(yàn)結(jié)果

2.2 魚鱗粉對瀝青黏度的影響

圖6為四種不同目數(shù)（60目、80目、100目、120目）的魚鱗粉在不同摻量（0%、5%、10%、15%、20%）及不同溫度（60℃、120℃、150℃）下的黏度試驗(yàn)結(jié)果。

圖6 四種不同目數(shù)的魚鱗粉在不同摻量及不同溫度下的黏度試驗(yàn)結(jié)果

由圖6可知，將魚鱗粉摻入70號普通基質(zhì)瀝青中可以增加魚鱗粉改性瀝青的黏度。這主要是因?yàn)轸~鱗粉中大量的有機(jī)質(zhì)膠原蛋白提高了瀝青中黏結(jié)劑黏合性能，從而使黏度增加。隨著魚鱗粉摻量的增加，膠原蛋白逐漸增多，魚鱗粉改性瀝青的黏度增加得更多，對比0%魚鱗粉摻量的基質(zhì)瀝青，60目5%、10%、15%、20%魚鱗粉摻量瀝青的黏度在60℃條件下分別提高了4%、14%、25%、51%。但是，隨著魚鱗粉目數(shù)的逐漸增大，魚鱗粉改性瀝青的黏度有微弱下降，在魚鱗粉摻量均為20%、溫度150℃的條件下，80目、100目、120目瀝青黏度較60目的分別下降了3%、6%、9%。魚鱗粉的摻入對瀝青黏度的影響與對瀝青針入度的影響基本相反，這說明魚鱗粉改性瀝青的針入度變化可能是由黏度變化所引起的。

2.3 魚鱗粉對瀝青黏附性的影響

選取60目魚鱗粉摻量5%、80目魚鱗粉摻量5%、100目魚鱗粉摻量10%、120目魚鱗粉摻量10%的四種魚鱗粉改性瀝青為試驗(yàn)材料，選用大理石、石英石、鵝卵石作為粗集料，開展瀝青黏附性試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果表明：大理石與魚鱗粉改性瀝青組合的顆粒表面瀝青薄膜基本完整，瀝青薄膜脫落面積皆接近于零，平均數(shù)據(jù)得出評定等級為5級；鵝卵石與四種魚鱗粉改性瀝青組合的瀝青薄膜脫落面積占比分別為24%、19%、26%、23%，平均數(shù)據(jù)得出評定等級為3級；石英石與四種魚鱗粉改性瀝青組合只有個(gè)別石粒的凸起棱角部位有較多瀝青薄膜脫落，瀝青薄膜脫落面積占比分別為8%、5%、5%、6%，遠(yuǎn)小于10%，平均數(shù)據(jù)得出評分等級為4級。其中瀝青與集料的黏附性等級評定按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）［13］中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)評定。魚鱗粉改性瀝青與大理石、石英石和鵝卵石這三種粗集料的黏附效果中，大理石的黏附性最好，石英石次之，鵝卵石最差。增大魚鱗粉目數(shù)，可提高魚鱗粉改性瀝青與礦料的黏附性，進(jìn)而增強(qiáng)集料的抗水剝離能力。

2.4 魚鱗粉對瀝青防水卷材不透水性的影響

圖7分別為60目魚鱗粉摻量5%、80目魚鱗粉摻量5%、100目魚鱗粉摻量10%、120目魚鱗粉摻量10%的四種魚鱗粉改性瀝青及0%魚鱗粉摻量基質(zhì)瀝青防水卷材的不透水性試驗(yàn)結(jié)果。由圖7可知，魚鱗粉改性瀝青防水卷材的透水面積占比均比基質(zhì)瀝青防水卷材的小，且隨著魚鱗粉目數(shù)的增大而減小，120目摻量10%的魚鱗粉改性瀝青的透水面積占比較基質(zhì)瀝青和100目摻量10%的魚鱗粉改性瀝青的分別減小66.9%、57.2%。

圖7 不同目數(shù)魚鱗粉對瀝青防水卷材不透水性的影響

2.5 魚鱗粉對瀝青防水卷材耐熱性能的影響

圖8 為不同目數(shù)及不同摻量的魚鱗粉對瀝青防水卷材的耐熱性試驗(yàn)結(jié)果。

圖8 不同目數(shù)及不同摻量的魚鱗粉對瀝青防水卷材的耐熱性試驗(yàn)結(jié)果

以相對位移來作為魚鱗粉改性瀝青的耐熱性指標(biāo)，依照《建筑防水卷材試驗(yàn)方法 第11部分：瀝青防水卷材 耐熱性》（GB/T 328.11—2007），上底面與下墊面相對位移超過2.00mm為不合格品。從圖8中可以看出，魚鱗粉改性瀝青防水卷材的相對位移均比基質(zhì)瀝青的小，且在魚鱗粉含量較高且目數(shù)較大時(shí)，魚鱗粉改性瀝青防水卷材的相對位移下降更明顯，即耐熱性能更好。這是因?yàn)轸~鱗含有膠質(zhì)，與瀝青結(jié)合后會提升瀝青的軟化點(diǎn)。在魚鱗粉 摻 量 為5%時(shí)，60目、80目、100目、120目 瀝青防水卷材的相對位移較基質(zhì)瀝青的分別減小了5.8%、21.1%、31.5%、37.3%。

3 結(jié)論

綜上所述，魚鱗粉的摻入能夠提升70號普通瀝青的軟化點(diǎn)并降低其針入度與延度，60目5%、10%、15%、20%魚鱗粉摻量的改性瀝青的延度，比0%魚鱗粉摻量基質(zhì)瀝青分別下降了72%、75%、77%、80%；魚鱗粉的摻入能夠增加70號普通瀝青的黏度，其中120目20%摻量魚鱗粉對瀝青黏度的提升效果可達(dá)47.8%左右；魚鱗粉改性瀝青與大理石、石英石和鵝卵石這三種粗集料的黏附效果中，大理石的黏附性最好，石英石次之，鵝卵石最差，增大魚鱗粉目數(shù)，可提高魚鱗粉改性瀝青與礦料的黏附性，進(jìn)而增強(qiáng)集料的抗水剝離能力；增大摻入魚鱗粉的目數(shù)和摻量能夠提升魚鱗粉改性瀝青防水卷材的不透水性和耐熱性；120目摻量5%、10%、15%、20%魚鱗粉改性瀝青防水卷材的相對位移比基質(zhì)瀝青的分別減小了37.3%、39.3%、40.1 %、42.2%。