采用布頓巖制備改性瀝青防水卷材的研究

李慧 劉家成

我國建筑防水材料發展迅猛，產品種類及各種使用構造也發生了翻天覆地的變化，2020 年全國改性瀝青防水卷材收入超過1000 億元。然而，聚合物改性瀝青防水材料的高成本影響了其推廣應用[1-2]，因此開發具有低成本效益的改性瀝青防水材料顯得尤為重要。天然瀝青在世界范圍內分布廣泛，與石油瀝青屬于同一天然材料，具有相似的化學結構和性能[3]。國內外對天然瀝青應用的研究雖然不多，但在瀝青路面工程中已得到普遍應用[4～5]，應用范圍有限。因此，本研究利用天然布頓巖瀝青對90 號基質瀝青進行改性，制備改性瀝青防水卷材。防水卷材由表面隔離材料、胎基、基層材料三部分組成，而基層材料是由瀝青、改性劑、助劑、填料等制成[6]的。在90號基質瀝青中摻入布頓巖瀝青后，得到布頓巖改性瀝青，然后添加聚合物SBS改性劑，按照一定的配方[7]制備防水卷材，BRA 替代部分SBS 改性劑會降低生產成本，提高改性瀝青的耐熱性和抗偏析性，而且改善了改性瀝青的性能。由于布頓巖70%的成分為碳酸鹽，因此混合布頓巖瀝青可以取代部分或全部填料，如滑石粉等。

1.實驗部分

1.1 主要原料

90號瀝青、印尼布頓巖瀝青、聚丙烯、環烷油、滑石粉、SBS 線性聚合物。

1.2 試驗方法

（1）對BRA 瀝青碎石進行預處理，得到75um 以下的BRA 瀝青碎石粉。

（2）BRA 改性瀝青材料的制備。

加熱90 號基質瀝青達到120℃～145℃，加入一定量的BRA 瀝青碎石，低速攪拌0.5 h，使瀝青碎石在90 號基質瀝青中分散，最終得到布頓巖改性瀝青。然后將布頓巖改性瀝青加熱到185℃～190℃，加入一定量的SBS，繼續混合2h，將 SBS均勻分散在改性瀝青中，再按一定順序加入適量的環烷油、聚丙烯、滑石粉，混合5h，最終得到彈性體改性瀝青卷材的基層材料。

1.3 性能試驗

國家按有關標準進行針入度、延性、軟化點、低溫柔度、彈性回復、離析等性能試驗。

2.結果和討論

2.1 不同時間、不同溫度條件下BRA 瀝青與基質瀝青混合的影響因素

將基質瀝青分別加熱到120 ℃、125℃、125℃、135℃、140℃、145℃，并保持溫度，然后加入質量分數20%的BRA 瀝青，混合時間分別為0.5h、1h、1.5h、2h，溶解條件如表1 所示。從表1可以看出，當溫度為135℃時，攪拌時間為0.5 h，BRA 瀝青和90 號基質瀝青完全溶解，混合效果最好。確定了BRA 改性瀝青的制備條件：將90 號基質瀝青加熱至135℃，按一定比例加入BRA 瀝青，拌和0.5 h，BRA 瀝青在90 號基質瀝青中均勻分布。

表1 不同時間、不同溫度下SBS 與BRA 的相容性

2.2 不同時間、不同溫度下SBS 與BRA 的相容性

將SBS 與BRA 改性瀝青混合時，由于SBS 溶脹需要高溫，所以需要提高混合溫度。在攪拌速度為300r/min 時，加入12%的SBS 到BRA 改性瀝青中，溶解條件如表2 所示。

表2 攪拌溫度和時間對溶解度的影響

根據實驗現象分析：當溫度低于180℃時，SBS 開始出現小部分溶解，但溶解效果不明顯，隨著混合攪拌時間的增加，SBS 開始大量溶解，但長時間混合也增加了能量消耗，由于烴組分的揮發，混溶時間不能太長。當加熱到190℃時，SBS 的溶解能力提高，混合1h 后，大部分SBS 溶解；混合到2h 時，混合物沒有顆粒，SBS 與瀝青完全混合。原因是混合時間的增加，烴組分開始蒸發，SBS 逐漸不能被溶解，SBS 開始聚集、交聯、塑性變性。當溫度達到200℃時，SBS 很快開始交聯，塑性變性，其過程變化快速。SBS 與瀝青混合料的溫度必須嚴格控制在185℃～190℃之間，攪拌時間保持在2h。為此確定了試驗步驟：將基質瀝青加熱至135℃，參考相關配比添加BRA 瀝青，攪拌0.5 h，將BRA 瀝青均勻攪拌在基質瀝青中，然后加熱至185℃，按一定比例拌和SBS，拌和2h，SBS 均勻分布在改性瀝青中[8～10]。

2.3 BRA 粒徑對改性瀝青性能的影響

分別取不同粒徑的BRA 瀝青與基質瀝青混合配制BRA 改性瀝青，主要為了研究瀝青對改性瀝青的影響，粒徑含量為20%，試驗步驟按1.2 進行，然后分別測定其針入度和延度，檢測結果見表3 和表4。

表3 不同材料尺寸和攪拌時間對材料針入度的影響

表4 不同材料尺寸和攪拌時間對材料延度的影響

如表3 所示，如果加入等量的BRA（20%），粒徑越小，測試結果的偏差越小，重現度越優。原因可能是BRA 瀝青含有礦物粒料。在針入度試驗中，當BRA 瀝青中的礦物顆粒大于針入度測試裝置的滲透測試尖端時，針入度可以進入礦物顆粒中，使針入度變小。相反，它有變大的趨勢。當顆粒直徑為0.075 mm 時，其直徑小于滲透測試尖端的直徑，使得礦物質在改性瀝青中均勻分散，具有良好的改性效果。填料與瀝青的密度相差較小，填料懸浮于瀝青中。填料與瀝青的相容性與粘結面的大小有關，表面積越大，與瀝青的相容性越好，體系的穩定性越好。

如表4 所示，當粒徑小于0.6 mm 時，隨著粒徑的減小，改性瀝青的延度有增大的趨勢。這是由于BRA粒徑尺寸變小，使BRA 在90 號基質瀝青中分布均勻，從而增加了材料的柔韌性，使BRA 的延度逐漸趨于穩定。當BRA 粒徑固定在0.075mm 時，一般沒有變化。故本實驗采用BRA 粒徑0.075mm。

2.4 SBS 含量對改性瀝青軟化點的影響

如圖1 所示，結果表明：在相同條件下，SBS 比例增加，同時也增加了材料的軟化點。當劑量小于8%時，增長速度相對適中，當劑量大于12% 時，軟化點增長速度相對較快。當有 SBS 和BRA 改性時，軟化點提高了8℃～10℃。當SBS用量大于10%時，20% BRA 改性瀝青軟化點的上升速度相對較小，原因是礦物質的大量存在影響了SBS 與改性瀝青的混合。

圖1 SBS 和BRA 含量對改性瀝青軟化點的影響

2.5 滑石粉和BRA 對改性瀝青的影響

將基質瀝青加熱至135℃，分別加入5%、10%、15%、20%、25% 和30% 的BRA 和11%、20%、28%、34%、39% 和44%的滑石粉，攪拌0.5 h，最后得到成品，并進行滲透度試驗。如圖2 所示。

圖2 滑石粉和BRA 對基質瀝青滲透度的影響

結果表明：隨著摻量增加，改性瀝青的滲透性有下降的趨勢。換句話說，無論是摻加BRA 還是滑石粉，瀝青的抗變形能力都有所提高。所以，BRA 可以替代一些或者所有的填充物，比如滑石粉等。

3.結論

（1）明確了BRA 改性瀝青的制備條件：將90 號基質瀝青加熱至135℃，按一定比例加入BRA 瀝青，混合0.5 h，使BRA 在90 號基質瀝青中均勻分布。

（2）確定了SBS 與BRA 制備改性瀝青的試驗條件將基質瀝青加熱至135℃，添 加BRA，攪 拌0.5 h，將BRA 均 勻分布在90 號基質瀝青中，然后加熱到185℃，按一定比例拌和SBS，拌和2h，SBS 分布在改性瀝青中。

（3）BRA 瀝青尺寸應選擇在0.075mm以內。

（4）滑石粉和BRA 改性瀝青針入度試驗結果表明：無論是與滑石粉還是與BRA 混合，瀝青的抗變形能力都有所提高，滑石粉和BRA 混合后，改性瀝青針入度的變化基本相同。所以，BRA 可以代替部分或全部的滑石粉。