魚鱗粉改性瀝青的性能及其在防水卷材中的應用

常錦，周炯，種霖霖，2，羅堅，劉洋

（1.長沙學院土木工程學院，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研發平臺，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有限公司郴州分公司，湖南 郴州423000）

近年來，隨著經濟的發展，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），或者采用對瀝青進行輕度氧化處理等措施，通過提高瀝青或瀝青混合料的性能而制成的瀝青結合料。

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瀝青的軟化點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油作為瀝青改性劑，發現廢機油與基質瀝青混合后，瀝青的低溫性能和抗老化性能得到明顯提升：當廢機油摻入量為10%時，對應的改性瀝青在經歷長時間老化影響下，其高溫性能依舊能與普通基質瀝青高溫性能所媲美；但隨著廢機油含量的增加，摻入廢機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，發現隨著橡膠粉目數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.把化學接枝聚乙烯作為瀝青改性劑進行研究，結果發現改性后的瀝青滲透率降低，而軟化點增加，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，結果發現納米硅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、旋轉黏度計和動態剪切流變學對改性瀝青的黏彈性進行分析和評價，發現改性瀝青的黏彈性增強，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間浸泡環境下的耐水性、耐酸性、耐堿性進行研究，發現SBS改性瀝青防水卷材在長期浸泡于水、酸、堿溶液的情況下，仍具有較好的抗滲和低溫性能［8］。崔樹亮針對不同SBS改性瀝青防水卷材的性能進行了研究對比，結果表明：SIS在低溫性能方面的改進作用相較于SBR更強［9］。

盡管國內的許多學者與工程師對改性瀝青進行了研究，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。我國是傳統的水產大國，2019年全國水產品總產量6 480.36萬噸，水產加工品總量卻僅為2 171.41萬噸［10］。魚鱗在水產的捕捉、銷售過程中更是直接被當作廢料丟棄，造成了十分嚴重的資源浪費，有時甚至對環境造成污染［11-12］。魚鱗作為一種常見的生物廢料，具有價格低廉、耐熱性能好等優點。為提高資源的利用效率，降低水產生物廢料對環境的破壞，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號基質瀝青混合進行試驗，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用效果，為后續魚鱗粉改性瀝青的研究與應用提供參考。

1 試驗方案

1.1 原材料

1.1.1 基質瀝青

試驗采用山東來寶 70號基質瀝青，其基本技術指標如表1所示。

表1 瀝青技術指標

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目數加入基質瀝青，人工攪拌30min后，再放入高速剪切儀中以4 000～5 000rad/min的轉速攪拌剪切1h，最后灌模即制得魚鱗粉改性基質瀝青樣品。

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，因此網上購買商用石英石，粗集料規格為13.2～19.0mm。

1.1.5 防水卷材原材料

試驗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，其結構如圖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構

圖2 魚鱗粉改性瀝青防水卷材

1.2 試驗方法

1.2.1 魚鱗粉改性瀝青基本性能試驗

依照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）［13］中所規定的試驗方法，我們分別對魚鱗粉改性瀝青進行了軟化點、針入度、延度、黏度以及黏附性試驗。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。

1.2.2 魚鱗粉改性瀝青防水卷材不透水性和耐熱性試驗

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。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、性能穩定等優點。

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，再分別進行瀝青防水卷材的不透水性和耐熱性試驗研究，試驗依據《建筑防水卷材試驗方法》（GB/T 328.1～27—2007）［14-15］中第10部分與第11部分規定方法進行。

2 試驗結果及分析

2.1 魚鱗粉對瀝青三大指標的影響

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

圖3 軟化點試驗結果

由圖3可知，魚鱗粉的摻入可以提升70號普通基質瀝青的軟化點。這主要是因為魚鱗粉中含有大量的無機填料［16］，其與瀝青相結合提高了瀝青的軟化點。對比0%魚鱗粉摻量的基質瀝青，60目5%、10%、15%、20%魚鱗粉摻量瀝青的軟化點分別增大3.6%、9.5%、11.5%、35.2%。隨著魚鱗粉摻量的增加，無機填料增多，魚鱗粉改性瀝青的軟化點提升得更多，且隨著魚鱗粉目數的增大（即魚鱗粉顆粒粒徑越來越小），魚鱗粉中無機填料與瀝青能更充分地結合，使魚鱗粉改性瀝青的軟化點提升效果更好，其中120目20%摻量魚鱗粉對瀝青軟化點的提升效果可達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質膠原蛋白提高了瀝青黏結劑黏合性能，進而引起黏度增加，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，有機質膠原蛋白增多，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 針入度試驗結果

從圖5可以看出，與70號常規基質瀝青進行對比，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對其影響不大。該結果表明魚鱗粉的摻入會對瀝青的塑性產生不利影響。

圖5 延度試驗結果

2.2 魚鱗粉對瀝青黏度的影響

圖6為四種不同目數（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℃）下的黏度試驗結果。

圖6 四種不同目數的魚鱗粉在不同摻量及不同溫度下的黏度試驗結果

由圖6可知，將魚鱗粉摻入70號普通基質瀝青中可以增加魚鱗粉改性瀝青的黏度。這主要是因為魚鱗粉中大量的有機質膠原蛋白提高了瀝青中黏結劑黏合性能，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。

試驗結果表明：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，平均數據得出評定等級為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%，平均數據得出評定等級為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%，遠小于10%，平均數據得出評分等級為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規程》（JTG E20—2011）［13］中的相關標準評定。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，可提高魚鱗粉改性瀝青與礦料的黏附性，進而增強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%魚鱗粉摻量基質瀝青防水卷材的不透水性試驗結果。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瀝青防水卷材的小，且隨著魚鱗粉目數的增大而減小，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 為不同目數及不同摻量的魚鱗粉對瀝青防水卷材的耐熱性試驗結果。

圖8 不同目數及不同摻量的魚鱗粉對瀝青防水卷材的耐熱性試驗結果

以相對位移來作為魚鱗粉改性瀝青的耐熱性指標，依照《建筑防水卷材試驗方法 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瀝青的小，且在魚鱗粉含量較高且目數較大時，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。這是因為魚鱗含有膠質，與瀝青結合后會提升瀝青的軟化點。在魚鱗粉 摻 量 為5%時，60目、80目、100目、120目 瀝青防水卷材的相對位移較基質瀝青的分別減小了5.8%、21.1%、31.5%、37.3%。

3 結論

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，可提高魚鱗粉改性瀝青與礦料的黏附性，進而增強集料的抗水剝離能力；增大摻入魚鱗粉的目數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瀝青的分別減小了37.3%、39.3%、40.1 %、42.2%。