周盛樹，邱香港

(1.莆田學(xué)院 土木工程學(xué)院，福建 莆田 351100；2.福州市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，福建 福州 350000)

瀝青路面長(zhǎng)期暴露在大氣、日照、紫外線等自然條件下，再加上車輛荷載的反復(fù)作用，經(jīng)常出現(xiàn)老化、松散、裂縫、車轍、剝落等常見病害。瀝青老化以后主要表現(xiàn)為瀝青變硬、變脆，這對(duì)瀝青混凝土路面的使用功能將產(chǎn)生嚴(yán)重影響。早在20世紀(jì)20年代，德國(guó)就出現(xiàn)了稀漿封層技術(shù)，而路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的概念直到1980年才由Blum和Phang正式提出，我國(guó)路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)的研究應(yīng)用始于20世紀(jì)90年代末[1]。目前，瀝青路面常見的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)有瀝青灌縫、微表處、稀漿封層、霧封層、超薄磨耗層、薄層罩面等。

針對(duì)瀝青路面老化的現(xiàn)象，關(guān)鍵技術(shù)是要解決如何恢復(fù)瀝青性能的問(wèn)題，眾多學(xué)者研究了各類瀝青再生還原劑材料并且應(yīng)用于表面封層技術(shù)。通常，將還原劑噴灑在已經(jīng)老化的瀝青路面上，使其滲透到面層一定的深度，期望起到還原或激活老化瀝青以及推遲瀝青老化的作用。20世紀(jì)60年代，美國(guó)開發(fā)了具有良好滲透性能的瀝青再生Rejuva SealTM，這種產(chǎn)品施工工藝簡(jiǎn)單，只要將其噴灑在瀝青路面上就能夠迅速滲透到瀝青路面內(nèi)，充分與老化瀝青接觸，溶解和分散瀝青質(zhì)，起到還原老化瀝青的作用[2]。

索智等研究發(fā)現(xiàn)隨著瀝青還原劑摻量增加，再生瀝青黏度指標(biāo)及效果均降低，預(yù)養(yǎng)護(hù)技術(shù)能夠有效提高路面封水能力[3]。屈春秀對(duì)5種再生還原劑的物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行比較試驗(yàn)，結(jié)果表明再生材料都顯著提高了老化瀝青路面的防滲水能力，但施工后路面抗滑摩擦系數(shù)和路面的構(gòu)造深度都不同程度地減小，這種負(fù)面影響是不容忽視的[4]。王建章等采用CAP瀝青還原劑材料應(yīng)用于預(yù)養(yǎng)護(hù)封層技術(shù)，研究認(rèn)為再生材料可以有效提高瀝青的抗剝落性能，不僅及時(shí)處置了原有路面的微觀裂縫，而且延緩了瀝青老化的時(shí)間，可以有效預(yù)防瀝青路面遭受水損壞病害，對(duì)延長(zhǎng)瀝青混凝土路面使用壽命有著十分顯著的效果[5]。吳正江等從老化的瀝青混合料中抽提回收瀝青，使用一種APR再生劑來(lái)還原老化瀝青，試驗(yàn)直接證明了瀝青的針入度、軟化點(diǎn)以及延度指標(biāo)可以恢復(fù)到接近原樣的水平，但是對(duì)再生還原劑的黏附性能沒(méi)有進(jìn)一步的驗(yàn)證[6]。趙富強(qiáng)等使用水性環(huán)氧樹脂應(yīng)用于冷補(bǔ)瀝青混合料，其機(jī)理是利用乳液破乳后不斷增強(qiáng)的黏結(jié)力，將混合料的各成分緊密聯(lián)結(jié)成整體，從而形成多級(jí)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)[7]。陳淼滎探究了水性環(huán)氧樹脂對(duì)瀝青膠結(jié)料黏結(jié)性能的影響，通過(guò)測(cè)試抗剪強(qiáng)度、抗拉拔性能以及高溫穩(wěn)定性，表明水性環(huán)氧樹脂摻入改性乳化瀝青后提高了膠結(jié)料的界面粘結(jié)力[8]。

考慮到還原劑封層與瀝青路面的黏附性不足，并且需克服封層養(yǎng)護(hù)后路面抗滑性能下降的缺點(diǎn)，本文嘗試采用含水性環(huán)氧樹脂的黏附型瀝青再生還原劑(Asphalt-regenerated Reductant with Waterborne Epoxy，以下簡(jiǎn)稱WEAR)應(yīng)用于封層技術(shù)，通過(guò)設(shè)計(jì)室內(nèi)試驗(yàn)，分析不同WEAR材料的摻量對(duì)老化瀝青三大指標(biāo)的影響,討論WEAR材料對(duì)老化瀝青的影響。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的檢測(cè)結(jié)果，評(píng)價(jià)WEAR材料改善瀝青路面路用性能的效果，為瀝青再生還原劑封層預(yù)養(yǎng)護(hù)技術(shù)的實(shí)踐提供參考。

1 原材料

試驗(yàn)采用的基質(zhì)瀝青是70#道路石油瀝青，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ E20-2011)[9]進(jìn)行薄膜烘箱加熱試驗(yàn)，將基質(zhì)瀝青裝入器皿后放入163 ℃的旋轉(zhuǎn)烘箱中加熱，經(jīng)過(guò)5 h加熱獲得老化瀝青試樣。

室內(nèi)試驗(yàn)檢測(cè)的老化指標(biāo)包括：25 ℃、100 g、5 s條件下的針入度(T0604-2011)，15 ℃條件下的延度(T0605-2011)，瀝青軟化點(diǎn)(T0606-2011)以及表觀黏度(T0625-2011)。檢測(cè)各項(xiàng)基本性能指標(biāo)，結(jié)果如表l所示，基質(zhì)瀝青老化前后的基本性能已經(jīng)發(fā)生了變化。

通過(guò)表1可知，與原樣瀝青相比，老化后的瀝青三大指標(biāo)發(fā)生了顯著變化，軟化點(diǎn)升高了24%，針入度降低了30.1%，而延度老化僅僅18 cm，這說(shuō)明經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)薄膜老化以后，瀝青變硬、變脆；同時(shí)，在瀝青的流變性方面，135 ℃的表觀黏度由530.2 Pa·s增加到892.3 Pa·s，增加幅度達(dá)68%。因此，瀝青老化后的突出表現(xiàn)是失去了應(yīng)有的柔軟性和抗變形能力，瀝青的可塑性嚴(yán)重降低，在車輛荷載的耦合作用下，路面容易產(chǎn)生縱向和橫向裂縫以及龜裂。

表1 瀝青基本性能指標(biāo)

根據(jù)瀝青膠體調(diào)和的原理，在舊瀝青中加入某種組分的低黏度油料可以改善再生瀝青的黏度，因此輕質(zhì)油可以充當(dāng)再生劑使用。特別地，水性環(huán)氧樹脂和固化劑是本試驗(yàn)重要的添加劑，基于水性環(huán)氧樹脂較強(qiáng)的黏結(jié)能力，同時(shí)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，主要作用是提高了改性乳化瀝青膠結(jié)料界面的粘結(jié)力性能，同時(shí)它還具有環(huán)保無(wú)空氣污染、安全無(wú)毒副作用的優(yōu)點(diǎn)[8]。

水性環(huán)氧樹脂對(duì)改性瀝青的改性機(jī)理主要是基于環(huán)氧樹脂中環(huán)氧基和羥基的反應(yīng)活性，它們能與多種官能基團(tuán)發(fā)生交聯(lián)固化，從而均勻地分布在瀝青薄膜內(nèi)，兩種分子相互交錯(cuò)形成一個(gè)整體進(jìn)而形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)抵抗破壞的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單純的瀝青膠體結(jié)構(gòu)，也具有更優(yōu)的耐久性和穩(wěn)定性。

試驗(yàn)采用的WEAR再生還原劑材料是一種多組分混合物，其主要成分包括SBS改性乳化瀝青、水性環(huán)氧樹脂和固化劑、輕質(zhì)食用油，其配比為82108。其中，基質(zhì)瀝青為SK90號(hào)瀝青，SBS含量為4%，乳化劑含量為1.8%，水性環(huán)氧樹脂和固化劑的主要技術(shù)性能指標(biāo)見表2。

表2 水性環(huán)氧樹脂的技術(shù)指標(biāo)

2 室內(nèi)再生還原試驗(yàn)

2.1 老化瀝青再生試驗(yàn)

通常認(rèn)為，理想的再生還原劑材料不僅要有充分的滲透性和還原性，還應(yīng)具備良好的抗滑性和黏附性等功能，從而保證瀝青混凝土路面封層預(yù)養(yǎng)護(hù)技術(shù)的成效。評(píng)價(jià)再生材料優(yōu)劣的一個(gè)重要指標(biāo)，是老化瀝青添加還原劑后能夠恢復(fù)瀝青基本性能參數(shù)的程度。

為了評(píng)價(jià)WEAR材料對(duì)老化瀝青的改善效果，將還原劑分別以3%、6%、9%的質(zhì)量比例摻加到老化瀝青中。需要注意的是，摻入瀝青還原劑時(shí)應(yīng)充分?jǐn)嚢杈鶆?，并在常溫下放?8 h以上，從而保證瀝青還原劑和老化瀝青充分地發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)。根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011 )中規(guī)定的試驗(yàn)方法，測(cè)定再生瀝青的針入度、軟化點(diǎn)、延度以及黏度，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 再生瀝青的性能指標(biāo)

2.2 三大指標(biāo)分析

使用不同含量的還原再生劑，再生瀝青三大指標(biāo)的試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

(a)WEAR含量對(duì)針入度的影響 (b)WEAR含量對(duì)軟化點(diǎn)的影響 (c)WEAR含量對(duì)延度的影響

通過(guò)圖1可以看出，摻入不同再生還原劑后的再生瀝青性能指標(biāo)都發(fā)生了顯著變化。

(1)針入度指標(biāo)表征的是瀝青稠度，通常針入度值越大，表示瀝青稠度越小。再生還原劑不高于9%的摻加比例下，再生瀝青的針入度值隨WEAR材料含量增加而增加。說(shuō)明WEAR材料可以降低老化瀝青的稠度，這主要是因?yàn)樵偕€原劑中的輕質(zhì)油發(fā)揮了作用，使得老化瀝青激活再生。

(2)瀝青材料是一種非晶質(zhì)高分子材料，沒(méi)有確定的液化點(diǎn)，故采用軟化點(diǎn)指標(biāo)反映瀝青材料高溫穩(wěn)定性以及瀝青的黏度性能。當(dāng)還原劑摻量為3%時(shí)，再生瀝青的軟化點(diǎn)由63 ℃下降到60 ℃；當(dāng)再生還原劑含量達(dá)到9%時(shí)，軟化點(diǎn)可以降低到52 ℃，接近于基質(zhì)瀝青的50 ℃；與老化瀝青的63 ℃相比，大約降低了17.5%。由此可見，WEAR材料可以大幅度降低老化瀝青的軟化點(diǎn)。

(3)瀝青材料的低溫延性關(guān)系到瀝青路面的低溫抗裂性能，延度是度量瀝青低溫特性的有效指標(biāo)。當(dāng)還原劑的摻量低于6%時(shí)，瀝青延度增加幅度較大；當(dāng)再生還原劑含量達(dá)到9%時(shí)，瀝青的延度提高到94 cm，是老化瀝青的5.22倍。

(4)從試驗(yàn)結(jié)果還可以發(fā)現(xiàn)，如果WEAR材料摻量太小，其還原效果是極其有限的；相反地，若摻量過(guò)大其還原效果增加的幅度也并不理想。當(dāng)摻量不超過(guò)9%時(shí)，還原劑對(duì)老化瀝青的軟化點(diǎn)和延度的還原效果明顯；進(jìn)一步可以預(yù)測(cè)，當(dāng)摻量大于9%時(shí)，老化瀝青的針入度、延度和軟化點(diǎn)的變化會(huì)趨于減緩，極可能對(duì)瀝青膠結(jié)料的使用特性產(chǎn)生不利的影響。

2.3 黏滯性分析

瀝青作為膠結(jié)材料，其作用機(jī)理是將松散的礦質(zhì)材料凝結(jié)為整體，增強(qiáng)混合料的黏聚力并發(fā)揮骨料的內(nèi)摩阻力。在荷載作用下，礦料顆?？赡芩缮?，瀝青抵抗剪切變形的能力用黏滯性來(lái)衡量。在高溫條件下，瀝青材料接近于牛頓液體，而在正常的氣候溫度范圍內(nèi)，瀝青呈現(xiàn)的是復(fù)雜的黏-彈-塑特性。所以，本試驗(yàn)采用表觀黏度指標(biāo)，不同含量的再生還原劑對(duì)老化瀝青表觀黏度的影響如圖2所示。

圖2 WEAR材料對(duì)表觀黏度的影響

由圖2可知，隨著還原劑摻量的增加，再生瀝青的表觀黏度呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。當(dāng)還原劑摻量達(dá)到9%時(shí)，老化瀝青的表觀黏度從892.3 Pa·s降低到573.1 Pa·s，接近于基質(zhì)瀝青黏度530.2 Pa·s。試驗(yàn)結(jié)果表明，WEAR材料可以使老化瀝青黏度降低到瀝青混合料正常所需的黏度。瀝青的膠體結(jié)構(gòu)得到恢復(fù)和改善，導(dǎo)致脆硬的老化瀝青混合料被軟化，這對(duì)于瀝青的流變性質(zhì)是非常有益的。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為了解決傳統(tǒng)封層材料黏附性不足的缺點(diǎn)，本文提出采用WEAR材料應(yīng)用于瀝青路面封層技術(shù)。在某高速公路上選取了試驗(yàn)路段，根據(jù)路面調(diào)查，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)瀝青路面出現(xiàn)了一些常見路面病害，部分區(qū)域路面瀝青膜脫落，表面松散，出現(xiàn)了橫向裂縫和縱向裂縫，甚至出現(xiàn)網(wǎng)裂。對(duì)于瀝青路面上較大的裂縫，采用灌縫的方法進(jìn)行預(yù)處理；然后，將WEAR材料和抗磨砂充分混合，使用瀝青智能車同步噴灑形成封層?？鼓ド氨仨毑捎酶邚?qiáng)度、耐磨耗的機(jī)制砂研磨料，其粒徑范圍為0.5～1.2，保證砂粒黏附或擠嵌在道路表面，其作用是改善路面實(shí)施封層后的微觀構(gòu)造，從而改善路面抗滑能力，增強(qiáng)路面行車的安全性，使養(yǎng)護(hù)后路面外觀均勻平整。

在試驗(yàn)路段上，共選取了4個(gè)檢測(cè)點(diǎn)(間隔600 m)進(jìn)行路面使用性能指標(biāo)檢測(cè)，根據(jù)《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》(JTG 3450—2019)[10]的規(guī)定，采用T 0971—2019規(guī)定的方法測(cè)試瀝青路面的滲水系數(shù)，擺式儀法(T 0964-2008)檢測(cè)路面的摩擦系數(shù)，鋪砂法(T 0961-1995)檢測(cè)瀝青路面的構(gòu)造深度。

(a)養(yǎng)護(hù)前瀝青路面 (b)養(yǎng)護(hù)后瀝青路面

表4 瀝青路面路用性能分析

瀝青路面試驗(yàn)前后的路面外觀見圖3，對(duì)所有檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，見表4，對(duì)試驗(yàn)前后瀝青路面使用性能指標(biāo)的情況進(jìn)行比較分析。

(1)對(duì)于4個(gè)不同的檢測(cè)點(diǎn)，瀝青路面的摩擦系數(shù)都有不同程度的提高，改善效果比較明顯。摩擦系數(shù)擺值BPN增量最小的是第2個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，從60提高到66，增長(zhǎng)幅度為10%；BPN增量最大的是第3個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，從51提高到70，增長(zhǎng)幅度為37.3%，所有檢測(cè)點(diǎn)的摩擦系數(shù)都大于規(guī)范要求的45。

(2)與試驗(yàn)前相比，路面的構(gòu)造深度發(fā)生了不同程度地減小，瀝青路面4個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的構(gòu)造深度分別減小了23.8%、20.0%、16.1%、25.9%，平均減小了約19%。這主要是由于噴灑WEAR再生還原劑的黏附，抗磨砂擠嵌在道路表面，從而使瀝青路面的表面構(gòu)造深度減小。

(3)試驗(yàn)前，瀝青混凝土存在少量滲水現(xiàn)象；試驗(yàn)后，滲水系數(shù)均為零，瀝青路面幾乎不滲水，表明WEAR材料可以阻止水分不斷地浸入路面結(jié)構(gòu)導(dǎo)致水損病害發(fā)生，發(fā)揮封面防水的作用從而延長(zhǎng)瀝青路面的使用壽命。

4 結(jié)論

(1)瀝青老化后三大指標(biāo)發(fā)生變化，表現(xiàn)為針入度變小、延度減小、軟化點(diǎn)升高。隨著WEAR材料的摻量增加，老化瀝青針入度指標(biāo)遞增，軟化點(diǎn)指標(biāo)遞減，延度指標(biāo)遞增。因此，WEAR再生劑可以有效地改善老化瀝青的基本性能。

(2)WEAR材料可以滲透到瀝青混凝土中，補(bǔ)充老化瀝青所需要的芳香分起到再生還原的作用，使老化瀝青部分恢復(fù)其原有活性。老化瀝青的表觀黏度隨著WEAR摻量的增加而降低，表明WEAR可以改善瀝青的黏滯性，影響老化瀝青的流變性質(zhì)。

(3)在瀝青混凝土路面噴灑WEAR再生劑后，面層的微裂縫和路面孔隙得到愈合，松散的細(xì)粒料有可能重新粘結(jié)，從而使路面幾乎不滲水，起到封水防水的作用。此外，瀝青表面抗滑摩擦系數(shù)增大，提升了路面的行車安全性。

采用WEAR材料的含砂霧封層技術(shù)可以整體解決瀝青路面老化及裂縫區(qū)域病害問(wèn)題，是一種比較合理的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)方法。但是，溫度對(duì)含水性環(huán)氧樹脂再生劑的影響還有待進(jìn)一步研究。