采用布顿岩制备改性沥青防水卷材的研究

李慧 刘家成

我国建筑防水材料发展迅猛，产品种类及各种使用构造也发生了翻天覆地的变化，2020 年全国改性沥青防水卷材收入超过1000 亿元。然而，聚合物改性沥青防水材料的高成本影响了其推广应用[1-2]，因此开发具有低成本效益的改性沥青防水材料显得尤为重要。天然沥青在世界范围内分布广泛，与石油沥青属于同一天然材料，具有相似的化学结构和性能[3]。国内外对天然沥青应用的研究虽然不多，但在沥青路面工程中已得到普遍应用[4～5]，应用范围有限。因此，本研究利用天然布顿岩沥青对90 号基质沥青进行改性，制备改性沥青防水卷材。防水卷材由表面隔离材料、胎基、基层材料三部分组成，而基层材料是由沥青、改性剂、助剂、填料等制成[6]的。在90号基质沥青中掺入布顿岩沥青后，得到布顿岩改性沥青，然后添加聚合物SBS改性剂，按照一定的配方[7]制备防水卷材，BRA 替代部分SBS 改性剂会降低生产成本，提高改性沥青的耐热性和抗偏析性，而且改善了改性沥青的性能。由于布顿岩70%的成分为碳酸盐，因此混合布顿岩沥青可以取代部分或全部填料，如滑石粉等。

1.实验部分

1.1 主要原料

90号沥青、印尼布顿岩沥青、聚丙烯、环烷油、滑石粉、SBS 线性聚合物。

1.2 试验方法

（1）对BRA 沥青碎石进行预处理，得到75um 以下的BRA 沥青碎石粉。

（2）BRA 改性沥青材料的制备。

加热90 号基质沥青达到120℃～145℃，加入一定量的BRA 沥青碎石，低速搅拌0.5 h，使沥青碎石在90 号基质沥青中分散，最终得到布顿岩改性沥青。然后将布顿岩改性沥青加热到185℃～190℃，加入一定量的SBS，继续混合2h，将 SBS均匀分散在改性沥青中，再按一定顺序加入适量的环烷油、聚丙烯、滑石粉，混合5h，最终得到弹性体改性沥青卷材的基层材料。

1.3 性能试验

国家按有关标准进行针入度、延性、软化点、低温柔度、弹性回复、离析等性能试验。

2.结果和讨论

2.1 不同时间、不同温度条件下BRA 沥青与基质沥青混合的影响因素

将基质沥青分别加热到120 ℃、125℃、125℃、135℃、140℃、145℃，并保持温度，然后加入质量分数20%的BRA 沥青，混合时间分别为0.5h、1h、1.5h、2h，溶解条件如表1 所示。从表1可以看出，当温度为135℃时，搅拌时间为0.5 h，BRA 沥青和90 号基质沥青完全溶解，混合效果最好。确定了BRA 改性沥青的制备条件：将90 号基质沥青加热至135℃，按一定比例加入BRA 沥青，拌和0.5 h，BRA 沥青在90 号基质沥青中均匀分布。

表1 不同时间、不同温度下SBS 与BRA 的相容性

2.2 不同时间、不同温度下SBS 与BRA 的相容性

将SBS 与BRA 改性沥青混合时，由于SBS 溶胀需要高温，所以需要提高混合温度。在搅拌速度为300r/min 时，加入12%的SBS 到BRA 改性沥青中，溶解条件如表2 所示。

表2 搅拌温度和时间对溶解度的影响

根据实验现象分析：当温度低于180℃时，SBS 开始出现小部分溶解，但溶解效果不明显，随着混合搅拌时间的增加，SBS 开始大量溶解，但长时间混合也增加了能量消耗，由于烃组分的挥发，混溶时间不能太长。当加热到190℃时，SBS 的溶解能力提高，混合1h 后，大部分SBS 溶解；混合到2h 时，混合物没有颗粒，SBS 与沥青完全混合。原因是混合时间的增加，烃组分开始蒸发，SBS 逐渐不能被溶解，SBS 开始聚集、交联、塑性变性。当温度达到200℃时，SBS 很快开始交联，塑性变性，其过程变化快速。SBS 与沥青混合料的温度必须严格控制在185℃～190℃之间，搅拌时间保持在2h。为此确定了试验步骤：将基质沥青加热至135℃，参考相关配比添加BRA 沥青，搅拌0.5 h，将BRA 沥青均匀搅拌在基质沥青中，然后加热至185℃，按一定比例拌和SBS，拌和2h，SBS 均匀分布在改性沥青中[8～10]。

2.3 BRA 粒径对改性沥青性能的影响

分别取不同粒径的BRA 沥青与基质沥青混合配制BRA 改性沥青，主要为了研究沥青对改性沥青的影响，粒径含量为20%，试验步骤按1.2 进行，然后分别测定其针入度和延度，检测结果见表3 和表4。

表3 不同材料尺寸和搅拌时间对材料针入度的影响

表4 不同材料尺寸和搅拌时间对材料延度的影响

如表3 所示，如果加入等量的BRA（20%），粒径越小，测试结果的偏差越小，重现度越优。原因可能是BRA 沥青含有矿物粒料。在针入度试验中，当BRA 沥青中的矿物颗粒大于针入度测试装置的渗透测试尖端时，针入度可以进入矿物颗粒中，使针入度变小。相反，它有变大的趋势。当颗粒直径为0.075 mm 时，其直径小于渗透测试尖端的直径，使得矿物质在改性沥青中均匀分散，具有良好的改性效果。填料与沥青的密度相差较小，填料悬浮于沥青中。填料与沥青的相容性与粘结面的大小有关，表面积越大，与沥青的相容性越好，体系的稳定性越好。

如表4 所示，当粒径小于0.6 mm 时，随着粒径的减小，改性沥青的延度有增大的趋势。这是由于BRA粒径尺寸变小，使BRA 在90 号基质沥青中分布均匀，从而增加了材料的柔韧性，使BRA 的延度逐渐趋于稳定。当BRA 粒径固定在0.075mm 时，一般没有变化。故本实验采用BRA 粒径0.075mm。

2.4 SBS 含量对改性沥青软化点的影响

如图1 所示，结果表明：在相同条件下，SBS 比例增加，同时也增加了材料的软化点。当剂量小于8%时，增长速度相对适中，当剂量大于12% 时，软化点增长速度相对较快。当有 SBS 和BRA 改性时，软化点提高了8℃～10℃。当SBS用量大于10%时，20% BRA 改性沥青软化点的上升速度相对较小，原因是矿物质的大量存在影响了SBS 与改性沥青的混合。

图1 SBS 和BRA 含量对改性沥青软化点的影响

2.5 滑石粉和BRA 对改性沥青的影响

将基质沥青加热至135℃，分别加入5%、10%、15%、20%、25% 和30% 的BRA 和11%、20%、28%、34%、39% 和44%的滑石粉，搅拌0.5 h，最后得到成品，并进行渗透度试验。如图2 所示。

图2 滑石粉和BRA 对基质沥青渗透度的影响

结果表明：随着掺量增加，改性沥青的渗透性有下降的趋势。换句话说，无论是掺加BRA 还是滑石粉，沥青的抗变形能力都有所提高。所以，BRA 可以替代一些或者所有的填充物，比如滑石粉等。

3.结论

（1）明确了BRA 改性沥青的制备条件：将90 号基质沥青加热至135℃，按一定比例加入BRA 沥青，混合0.5 h，使BRA 在90 号基质沥青中均匀分布。

（2）确定了SBS 与BRA 制备改性沥青的试验条件将基质沥青加热至135℃，添 加BRA，搅 拌0.5 h，将BRA 均 匀分布在90 号基质沥青中，然后加热到185℃，按一定比例拌和SBS，拌和2h，SBS 分布在改性沥青中。

（3）BRA 沥青尺寸应选择在0.075mm以内。

（4）滑石粉和BRA 改性沥青针入度试验结果表明：无论是与滑石粉还是与BRA 混合，沥青的抗变形能力都有所提高，滑石粉和BRA 混合后，改性沥青针入度的变化基本相同。所以，BRA 可以代替部分或全部的滑石粉。