鱼鳞粉改性沥青的性能及其在防水卷材中的应用

常锦，周炯，种霖霖，2，罗坚，刘洋

（1.长沙学院土木工程学院，湖南 长沙 410022；2.长沙市道路与建筑智能建造及安全诊断技术研发平台，湖南 长沙 410022；3.湖南三匠工程科技有限公司，湖南 长沙 410221；4.湖南省高速公路集团有限公司郴州分公司，湖南 郴州423000）

近年来，随着经济的发展，我国城市化水平越来越高，对石油沥青的需求量随着建筑与公路的建设不断提升，对改性沥青的研究也成了热门话题。改性沥青是掺入树脂、橡胶或其他填料等外掺剂（改性剂），或者采用对沥青进行轻度氧化处理等措施，通过提高沥青或沥青混合料的性能而制成的沥青结合料。

丁湛等将液化木屑合成树脂作为沥青改性剂，指出液化木屑合成树脂改性沥青高温性能提高，但限制了沥青胶体的流动性［1］。仇朝珍将回收橡胶树脂掺入沥青中制作成回收树脂改性沥青，指出回收橡胶树脂作为改性剂对基质沥青的软化点以及延度具有明显提升效果，其抗老化性能也有所提高［2］。肖庆一等把热老化作用下的废机油作为沥青改性剂，发现废机油与基质沥青混合后，沥青的低温性能和抗老化性能得到明显提升：当废机油掺入量为10%时，对应的改性沥青在经历长时间老化影响下，其高温性能依旧能与普通基质沥青高温性能所媲美；但随着废机油含量的增加，掺入废机油改性剂制成的沥青混合物的高温性能会急剧下降［3］。杨旸将废弃橡胶研磨成粉与沥青混合成改性沥青，发现随着橡胶粉目数和橡胶粉掺入量的增加，废弃橡胶粉改性沥青的低温性能上升，但是伴随沥青热混合物含量的上升，橡胶粉改性沥青低温性能反而下降［4］。Vargas et al.把化学接枝聚乙烯作为沥青改性剂进行研究，结果发现改性后的沥青渗透率降低，而软化点增加，改善了沥青的高温性能［5］。Nura et al.研究了纳米硅PP为改性剂的改性沥青的性能变化，结果发现纳米硅PP可以提高沥青的耐久性［6］。Fang et al.研究了PS改性沥青的黏弹性，采用差示扫描量热法、旋转黏度计和动态剪切流变学对改性沥青的黏弹性进行分析和评价，发现改性沥青的黏弹性增强，对温度的敏感度下降，而沥青的抗车辙性增加［7］。戈兵等针对SBS改性沥青防水卷材在长时间浸泡环境下的耐水性、耐酸性、耐碱性进行研究，发现SBS改性沥青防水卷材在长期浸泡于水、酸、碱溶液的情况下，仍具有较好的抗渗和低温性能［8］。崔树亮针对不同SBS改性沥青防水卷材的性能进行了研究对比，结果表明：SIS在低温性能方面的改进作用相较于SBR更强［9］。

尽管国内的许多学者与工程师对改性沥青进行了研究，但对将生物废料作为外掺剂的改性沥青的研究却较为缺乏。我国是传统的水产大国，2019年全国水产品总产量6 480.36万吨，水产加工品总量却仅为2 171.41万吨［10］。鱼鳞在水产的捕捉、销售过程中更是直接被当作废料丢弃，造成了十分严重的资源浪费，有时甚至对环境造成污染［11-12］。鱼鳞作为一种常见的生物废料，具有价格低廉、耐热性能好等优点。为提高资源的利用效率，降低水产生物废料对环境的破坏，我们分别采用了60目、80目、100目和120目鱼鳞粉与山东来宝70号基质沥青混合进行试验，研究鱼鳞粉作为外掺剂对沥青性能的影响，探索鱼鳞粉改性沥青在防水卷材中的应用效果，为后续鱼鳞粉改性沥青的研究与应用提供参考。

1 试验方案

1.1 原材料

1.1.1 基质沥青

试验采用山东来宝 70号基质沥青，其基本技术指标如表1所示。

表1 沥青技术指标

1.1.2 鱼鳞粉

我们将从市场上回收的鱼鳞用清洗剂洗净，放置烘箱中烘4h，再置于破碎机中将其破碎为60目、80目、100目、120目鱼鳞粉。

1.1.3 鱼鳞粉沥青制备

将70号普通基质沥青加温至130～140℃熔化，将制备好的鱼鳞粉分别按0%、5%、10%、15%、20%掺量和60、80、100、120目数加入基质沥青，人工搅拌30min后，再放入高速剪切仪中以4 000～5 000rad/min的转速搅拌剪切1h，最后灌模即制得鱼鳞粉改性基质沥青样品。

1.1.4 粗集料

大理石与鹅卵石为就地取材，石英石就地取材困难，因此网上购买商用石英石，粗集料规格为13.2～19.0mm。

1.1.5 防水卷材原材料

试验选用山东浩博防水的聚氨酯缝织聚酯布、米乐奇0.06mm耐高温铝箔胶带、鱼鳞粉改性沥青三种原材料制备沥青防水卷材，其结构如图1所示；将聚酯布与铝箔胶带分别裁剪成直径为150mm的圆形和边长为50mm的正方形，再按照图1所示方式叠放，制成试验用防水卷材样品，如图2所示。

图1 鱼鳞粉改性沥青防水卷材结构

图2 鱼鳞粉改性沥青防水卷材

1.2 试验方法

1.2.1 鱼鳞粉改性沥青基本性能试验

依照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）［13］中所规定的试验方法，我们分别对鱼鳞粉改性沥青进行了软化点、针入度、延度、黏度以及黏附性试验。其中，我们采用最大粒径大于13.2mm的大理石、石英石和鹅卵石做粗集料，选用水煮法开展黏附性试验。

1.2.2 鱼鳞粉改性沥青防水卷材不透水性和耐热性试验

我们采用ZSY-2型防水卷材不透水仪开展防水卷材不透水性能试验。该仪器采用水压自控与气筒加压，适用于测试压力不大于60kPa的情况，具有操作简便、性能稳定等优点。

将鱼鳞粉按照60目掺量为5%、10%、15%、20%，80目掺量为5%、10%、15%、20%，100目掺量为5%、10%、15%、20%，120目掺量为5%、10%、15%、20%的方案分别制备鱼鳞粉改性沥青，将制备好的鱼鳞粉改性沥青按照图1方式制备鱼鳞粉改性沥青防水卷材，再分别进行沥青防水卷材的不透水性和耐热性试验研究，试验依据《建筑防水卷材试验方法》（GB/T 328.1～27—2007）［14-15］中第10部分与第11部分规定方法进行。

2 试验结果及分析

2.1 鱼鳞粉对沥青三大指标的影响

图3、4、5分别为四种不同目数（60目、80目、100目、120目）的鱼鳞粉在不同掺量（0%、5%、10%、15%、20%）时，其鱼鳞粉改性沥青的软化点、针入度和延度这三大指标的试验结果。

图3 软化点试验结果

由图3可知，鱼鳞粉的掺入可以提升70号普通基质沥青的软化点。这主要是因为鱼鳞粉中含有大量的无机填料［16］，其与沥青相结合提高了沥青的软化点。对比0%鱼鳞粉掺量的基质沥青，60目5%、10%、15%、20%鱼鳞粉掺量沥青的软化点分别增大3.6%、9.5%、11.5%、35.2%。随着鱼鳞粉掺量的增加，无机填料增多，鱼鳞粉改性沥青的软化点提升得更多，且随着鱼鳞粉目数的增大（即鱼鳞粉颗粒粒径越来越小），鱼鳞粉中无机填料与沥青能更充分地结合，使鱼鳞粉改性沥青的软化点提升效果更好，其中120目20%掺量鱼鳞粉对沥青软化点的提升效果可达54%。综上所述，鱼鳞粉的掺入会使沥青的温度敏感性降低，从而提高沥青的耐热性。

由图4可知，将鱼鳞粉掺入70号普通基质沥青中可以减小鱼鳞粉改性沥青的针入度。这主要是鱼鳞粉中丰富的有机质胶原蛋白提高了沥青黏结剂黏合性能，进而引起黏度增加，沥青变硬，针入度减小。对比0%鱼鳞粉掺量的基质沥青，60目5%、10%、15%、20%鱼鳞粉掺量沥青的针入度分别降低了12%、18%、27%、34%。随着鱼鳞粉掺量的增多，有机质胶原蛋白增多，鱼鳞粉改性沥青的针入度下降得更多。但是，随着鱼鳞粉目数的逐渐加大，鱼鳞粉改性沥青的针入度降低效果减弱。综上所述，鱼鳞粉的加入会使沥青变硬，并提高了沥青的黏稠度。

图4 针入度试验结果

从图5可以看出，与70号常规基质沥青进行对比，鱼鳞粉改性沥青的延度显著下降。随着鱼鳞粉掺量的不断增加，鱼鳞粉改性沥青的延度大幅降低，但之后的降低幅度明显减缓。对比0%鱼鳞粉掺量的基质沥青，60目5%、10%、15%、20%鱼鳞粉掺量沥青的延度分别下降了72%、75%、77%、80%。随着鱼鳞粉目数的逐渐增大，鱼鳞粉改性沥青的延度变化不大，在鱼鳞粉掺量均为5%的条件下，60目、80目、100目的延度较120目分别下降了13%、8%、4%，故鱼鳞粉能够显著降低鱼鳞粉改性沥青的塑性但目数对其影响不大。该结果表明鱼鳞粉的掺入会对沥青的塑性产生不利影响。

图5 延度试验结果

2.2 鱼鳞粉对沥青黏度的影响

图6为四种不同目数（60目、80目、100目、120目）的鱼鳞粉在不同掺量（0%、5%、10%、15%、20%）及不同温度（60℃、120℃、150℃）下的黏度试验结果。

图6 四种不同目数的鱼鳞粉在不同掺量及不同温度下的黏度试验结果

由图6可知，将鱼鳞粉掺入70号普通基质沥青中可以增加鱼鳞粉改性沥青的黏度。这主要是因为鱼鳞粉中大量的有机质胶原蛋白提高了沥青中黏结剂黏合性能，从而使黏度增加。随着鱼鳞粉掺量的增加，胶原蛋白逐渐增多，鱼鳞粉改性沥青的黏度增加得更多，对比0%鱼鳞粉掺量的基质沥青，60目5%、10%、15%、20%鱼鳞粉掺量沥青的黏度在60℃条件下分别提高了4%、14%、25%、51%。但是，随着鱼鳞粉目数的逐渐增大，鱼鳞粉改性沥青的黏度有微弱下降，在鱼鳞粉掺量均为20%、温度150℃的条件下，80目、100目、120目沥青黏度较60目的分别下降了3%、6%、9%。鱼鳞粉的掺入对沥青黏度的影响与对沥青针入度的影响基本相反，这说明鱼鳞粉改性沥青的针入度变化可能是由黏度变化所引起的。

2.3 鱼鳞粉对沥青黏附性的影响

选取60目鱼鳞粉掺量5%、80目鱼鳞粉掺量5%、100目鱼鳞粉掺量10%、120目鱼鳞粉掺量10%的四种鱼鳞粉改性沥青为试验材料，选用大理石、石英石、鹅卵石作为粗集料，开展沥青黏附性试验。

试验结果表明：大理石与鱼鳞粉改性沥青组合的颗粒表面沥青薄膜基本完整，沥青薄膜脱落面积皆接近于零，平均数据得出评定等级为5级；鹅卵石与四种鱼鳞粉改性沥青组合的沥青薄膜脱落面积占比分别为24%、19%、26%、23%，平均数据得出评定等级为3级；石英石与四种鱼鳞粉改性沥青组合只有个别石粒的凸起棱角部位有较多沥青薄膜脱落，沥青薄膜脱落面积占比分别为8%、5%、5%、6%，远小于10%，平均数据得出评分等级为4级。其中沥青与集料的黏附性等级评定按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）［13］中的相关标准评定。鱼鳞粉改性沥青与大理石、石英石和鹅卵石这三种粗集料的黏附效果中，大理石的黏附性最好，石英石次之，鹅卵石最差。增大鱼鳞粉目数，可提高鱼鳞粉改性沥青与矿料的黏附性，进而增强集料的抗水剥离能力。

2.4 鱼鳞粉对沥青防水卷材不透水性的影响

图7分别为60目鱼鳞粉掺量5%、80目鱼鳞粉掺量5%、100目鱼鳞粉掺量10%、120目鱼鳞粉掺量10%的四种鱼鳞粉改性沥青及0%鱼鳞粉掺量基质沥青防水卷材的不透水性试验结果。由图7可知，鱼鳞粉改性沥青防水卷材的透水面积占比均比基质沥青防水卷材的小，且随着鱼鳞粉目数的增大而减小，120目掺量10%的鱼鳞粉改性沥青的透水面积占比较基质沥青和100目掺量10%的鱼鳞粉改性沥青的分别减小66.9%、57.2%。

图7 不同目数鱼鳞粉对沥青防水卷材不透水性的影响

2.5 鱼鳞粉对沥青防水卷材耐热性能的影响

图8 为不同目数及不同掺量的鱼鳞粉对沥青防水卷材的耐热性试验结果。

图8 不同目数及不同掺量的鱼鳞粉对沥青防水卷材的耐热性试验结果

以相对位移来作为鱼鳞粉改性沥青的耐热性指标，依照《建筑防水卷材试验方法 第11部分：沥青防水卷材 耐热性》（GB/T 328.11—2007），上底面与下垫面相对位移超过2.00mm为不合格品。从图8中可以看出，鱼鳞粉改性沥青防水卷材的相对位移均比基质沥青的小，且在鱼鳞粉含量较高且目数较大时，鱼鳞粉改性沥青防水卷材的相对位移下降更明显，即耐热性能更好。这是因为鱼鳞含有胶质，与沥青结合后会提升沥青的软化点。在鱼鳞粉 掺 量 为5%时，60目、80目、100目、120目 沥青防水卷材的相对位移较基质沥青的分别减小了5.8%、21.1%、31.5%、37.3%。

3 结论

综上所述，鱼鳞粉的掺入能够提升70号普通沥青的软化点并降低其针入度与延度，60目5%、10%、15%、20%鱼鳞粉掺量的改性沥青的延度，比0%鱼鳞粉掺量基质沥青分别下降了72%、75%、77%、80%；鱼鳞粉的掺入能够增加70号普通沥青的黏度，其中120目20%掺量鱼鳞粉对沥青黏度的提升效果可达47.8%左右；鱼鳞粉改性沥青与大理石、石英石和鹅卵石这三种粗集料的黏附效果中，大理石的黏附性最好，石英石次之，鹅卵石最差，增大鱼鳞粉目数，可提高鱼鳞粉改性沥青与矿料的黏附性，进而增强集料的抗水剥离能力；增大掺入鱼鳞粉的目数和掺量能够提升鱼鳞粉改性沥青防水卷材的不透水性和耐热性；120目掺量5%、10%、15%、20%鱼鳞粉改性沥青防水卷材的相对位移比基质沥青的分别减小了37.3%、39.3%、40.1 %、42.2%。