黏附型沥青还原剂在含砂雾封层中的试验研究

周盛树，邱香港

(1.莆田学院 土木工程学院，福建 莆田 351100；2.福州市规划设计研究院，福建 福州 350000)

沥青路面长期暴露在大气、日照、紫外线等自然条件下，再加上车辆荷载的反复作用，经常出现老化、松散、裂缝、车辙、剥落等常见病害。沥青老化以后主要表现为沥青变硬、变脆，这对沥青混凝土路面的使用功能将产生严重影响。早在20世纪20年代，德国就出现了稀浆封层技术，而路面预防性养护的概念直到1980年才由Blum和Phang正式提出，我国路面预防性养护技术的研究应用始于20世纪90年代末[1]。目前，沥青路面常见的预防性养护技术有沥青灌缝、微表处、稀浆封层、雾封层、超薄磨耗层、薄层罩面等。

针对沥青路面老化的现象，关键技术是要解决如何恢复沥青性能的问题，众多学者研究了各类沥青再生还原剂材料并且应用于表面封层技术。通常，将还原剂喷洒在已经老化的沥青路面上，使其渗透到面层一定的深度，期望起到还原或激活老化沥青以及推迟沥青老化的作用。20世纪60年代，美国开发了具有良好渗透性能的沥青再生Rejuva SealTM，这种产品施工工艺简单，只要将其喷洒在沥青路面上就能够迅速渗透到沥青路面内，充分与老化沥青接触，溶解和分散沥青质，起到还原老化沥青的作用[2]。

索智等研究发现随着沥青还原剂掺量增加，再生沥青黏度指标及效果均降低，预养护技术能够有效提高路面封水能力[3]。屈春秀对5种再生还原剂的物理化学性质进行比较试验，结果表明再生材料都显著提高了老化沥青路面的防渗水能力，但施工后路面抗滑摩擦系数和路面的构造深度都不同程度地减小，这种负面影响是不容忽视的[4]。王建章等采用CAP沥青还原剂材料应用于预养护封层技术，研究认为再生材料可以有效提高沥青的抗剥落性能，不仅及时处置了原有路面的微观裂缝，而且延缓了沥青老化的时间，可以有效预防沥青路面遭受水损坏病害，对延长沥青混凝土路面使用寿命有着十分显著的效果[5]。吴正江等从老化的沥青混合料中抽提回收沥青，使用一种APR再生剂来还原老化沥青，试验直接证明了沥青的针入度、软化点以及延度指标可以恢复到接近原样的水平，但是对再生还原剂的黏附性能没有进一步的验证[6]。赵富强等使用水性环氧树脂应用于冷补沥青混合料，其机理是利用乳液破乳后不断增强的黏结力，将混合料的各成分紧密联结成整体，从而形成多级稳定结构[7]。陈淼荥探究了水性环氧树脂对沥青胶结料黏结性能的影响，通过测试抗剪强度、抗拉拔性能以及高温稳定性，表明水性环氧树脂掺入改性乳化沥青后提高了胶结料的界面粘结力[8]。

考虑到还原剂封层与沥青路面的黏附性不足，并且需克服封层养护后路面抗滑性能下降的缺点，本文尝试采用含水性环氧树脂的黏附型沥青再生还原剂(Asphalt-regenerated Reductant with Waterborne Epoxy，以下简称WEAR)应用于封层技术，通过设计室内试验，分析不同WEAR材料的掺量对老化沥青三大指标的影响,讨论WEAR材料对老化沥青的影响。结合现场试验的检测结果，评价WEAR材料改善沥青路面路用性能的效果，为沥青再生还原剂封层预养护技术的实践提供参考。

1 原材料

试验采用的基质沥青是70#道路石油沥青，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ E20-2011)[9]进行薄膜烘箱加热试验，将基质沥青装入器皿后放入163 ℃的旋转烘箱中加热，经过5 h加热获得老化沥青试样。

室内试验检测的老化指标包括：25 ℃、100 g、5 s条件下的针入度(T0604-2011)，15 ℃条件下的延度(T0605-2011)，沥青软化点(T0606-2011)以及表观黏度(T0625-2011)。检测各项基本性能指标，结果如表l所示，基质沥青老化前后的基本性能已经发生了变化。

通过表1可知，与原样沥青相比，老化后的沥青三大指标发生了显著变化，软化点升高了24%，针入度降低了30.1%，而延度老化仅仅18 cm，这说明经过旋转薄膜老化以后，沥青变硬、变脆；同时，在沥青的流变性方面，135 ℃的表观黏度由530.2 Pa·s增加到892.3 Pa·s，增加幅度达68%。因此，沥青老化后的突出表现是失去了应有的柔软性和抗变形能力，沥青的可塑性严重降低，在车辆荷载的耦合作用下，路面容易产生纵向和横向裂缝以及龟裂。

表1 沥青基本性能指标

根据沥青胶体调和的原理，在旧沥青中加入某种组分的低黏度油料可以改善再生沥青的黏度，因此轻质油可以充当再生剂使用。特别地，水性环氧树脂和固化剂是本试验重要的添加剂，基于水性环氧树脂较强的黏结能力，同时具有良好的化学稳定性，主要作用是提高了改性乳化沥青胶结料界面的粘结力性能，同时它还具有环保无空气污染、安全无毒副作用的优点[8]。

水性环氧树脂对改性沥青的改性机理主要是基于环氧树脂中环氧基和羟基的反应活性，它们能与多种官能基团发生交联固化，从而均匀地分布在沥青薄膜内，两种分子相互交错形成一个整体进而形成网状结构，这种结构抵抗破坏的能力远远高于单纯的沥青胶体结构，也具有更优的耐久性和稳定性。

试验采用的WEAR再生还原剂材料是一种多组分混合物，其主要成分包括SBS改性乳化沥青、水性环氧树脂和固化剂、轻质食用油，其配比为82108。其中，基质沥青为SK90号沥青，SBS含量为4%，乳化剂含量为1.8%，水性环氧树脂和固化剂的主要技术性能指标见表2。

表2 水性环氧树脂的技术指标

2 室内再生还原试验

2.1 老化沥青再生试验

通常认为，理想的再生还原剂材料不仅要有充分的渗透性和还原性，还应具备良好的抗滑性和黏附性等功能，从而保证沥青混凝土路面封层预养护技术的成效。评价再生材料优劣的一个重要指标，是老化沥青添加还原剂后能够恢复沥青基本性能参数的程度。

为了评价WEAR材料对老化沥青的改善效果，将还原剂分别以3%、6%、9%的质量比例掺加到老化沥青中。需要注意的是，掺入沥青还原剂时应充分搅拌均匀，并在常温下放置48 h以上，从而保证沥青还原剂和老化沥青充分地发生物理化学反应。根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011 )中规定的试验方法，测定再生沥青的针入度、软化点、延度以及黏度，试验结果见表3。

表3 再生沥青的性能指标

2.2 三大指标分析

使用不同含量的还原再生剂，再生沥青三大指标的试验结果见图1。

(a)WEAR含量对针入度的影响 (b)WEAR含量对软化点的影响 (c)WEAR含量对延度的影响

通过图1可以看出，掺入不同再生还原剂后的再生沥青性能指标都发生了显著变化。

(1)针入度指标表征的是沥青稠度，通常针入度值越大，表示沥青稠度越小。再生还原剂不高于9%的掺加比例下，再生沥青的针入度值随WEAR材料含量增加而增加。说明WEAR材料可以降低老化沥青的稠度，这主要是因为再生还原剂中的轻质油发挥了作用，使得老化沥青激活再生。

(2)沥青材料是一种非晶质高分子材料，没有确定的液化点，故采用软化点指标反映沥青材料高温稳定性以及沥青的黏度性能。当还原剂掺量为3%时，再生沥青的软化点由63 ℃下降到60 ℃；当再生还原剂含量达到9%时，软化点可以降低到52 ℃，接近于基质沥青的50 ℃；与老化沥青的63 ℃相比，大约降低了17.5%。由此可见，WEAR材料可以大幅度降低老化沥青的软化点。

(3)沥青材料的低温延性关系到沥青路面的低温抗裂性能，延度是度量沥青低温特性的有效指标。当还原剂的掺量低于6%时，沥青延度增加幅度较大；当再生还原剂含量达到9%时，沥青的延度提高到94 cm，是老化沥青的5.22倍。

(4)从试验结果还可以发现，如果WEAR材料掺量太小，其还原效果是极其有限的；相反地，若掺量过大其还原效果增加的幅度也并不理想。当掺量不超过9%时，还原剂对老化沥青的软化点和延度的还原效果明显；进一步可以预测，当掺量大于9%时，老化沥青的针入度、延度和软化点的变化会趋于减缓，极可能对沥青胶结料的使用特性产生不利的影响。

2.3 黏滞性分析

沥青作为胶结材料，其作用机理是将松散的矿质材料凝结为整体，增强混合料的黏聚力并发挥骨料的内摩阻力。在荷载作用下，矿料颗粒可能松散，沥青抵抗剪切变形的能力用黏滞性来衡量。在高温条件下，沥青材料接近于牛顿液体，而在正常的气候温度范围内，沥青呈现的是复杂的黏-弹-塑特性。所以，本试验采用表观黏度指标，不同含量的再生还原剂对老化沥青表观黏度的影响如图2所示。

图2 WEAR材料对表观黏度的影响

由图2可知，随着还原剂掺量的增加，再生沥青的表观黏度呈现逐渐减小的趋势。当还原剂掺量达到9%时，老化沥青的表观黏度从892.3 Pa·s降低到573.1 Pa·s，接近于基质沥青黏度530.2 Pa·s。试验结果表明，WEAR材料可以使老化沥青黏度降低到沥青混合料正常所需的黏度。沥青的胶体结构得到恢复和改善，导致脆硬的老化沥青混合料被软化，这对于沥青的流变性质是非常有益的。

3 现场试验

为了解决传统封层材料黏附性不足的缺点，本文提出采用WEAR材料应用于沥青路面封层技术。在某高速公路上选取了试验路段，根据路面调查，试验现场沥青路面出现了一些常见路面病害，部分区域路面沥青膜脱落，表面松散，出现了横向裂缝和纵向裂缝，甚至出现网裂。对于沥青路面上较大的裂缝，采用灌缝的方法进行预处理；然后，将WEAR材料和抗磨砂充分混合，使用沥青智能车同步喷洒形成封层。抗磨砂必须采用高强度、耐磨耗的机制砂研磨料，其粒径范围为0.5～1.2，保证砂粒黏附或挤嵌在道路表面，其作用是改善路面实施封层后的微观构造，从而改善路面抗滑能力，增强路面行车的安全性，使养护后路面外观均匀平整。

在试验路段上，共选取了4个检测点(间隔600 m)进行路面使用性能指标检测，根据《公路路基路面现场测试规程》(JTG 3450—2019)[10]的规定，采用T 0971—2019规定的方法测试沥青路面的渗水系数，摆式仪法(T 0964-2008)检测路面的摩擦系数，铺砂法(T 0961-1995)检测沥青路面的构造深度。

(a)养护前沥青路面 (b)养护后沥青路面

表4 沥青路面路用性能分析

沥青路面试验前后的路面外观见图3，对所有检测点的数据进行整理，见表4，对试验前后沥青路面使用性能指标的情况进行比较分析。

(1)对于4个不同的检测点，沥青路面的摩擦系数都有不同程度的提高，改善效果比较明显。摩擦系数摆值BPN增量最小的是第2个检测点，从60提高到66，增长幅度为10%；BPN增量最大的是第3个检测点，从51提高到70，增长幅度为37.3%，所有检测点的摩擦系数都大于规范要求的45。

(2)与试验前相比，路面的构造深度发生了不同程度地减小，沥青路面4个检测点的构造深度分别减小了23.8%、20.0%、16.1%、25.9%，平均减小了约19%。这主要是由于喷洒WEAR再生还原剂的黏附，抗磨砂挤嵌在道路表面，从而使沥青路面的表面构造深度减小。

(3)试验前，沥青混凝土存在少量渗水现象；试验后，渗水系数均为零，沥青路面几乎不渗水，表明WEAR材料可以阻止水分不断地浸入路面结构导致水损病害发生，发挥封面防水的作用从而延长沥青路面的使用寿命。

4 结论

(1)沥青老化后三大指标发生变化，表现为针入度变小、延度减小、软化点升高。随着WEAR材料的掺量增加，老化沥青针入度指标递增，软化点指标递减，延度指标递增。因此，WEAR再生剂可以有效地改善老化沥青的基本性能。

(2)WEAR材料可以渗透到沥青混凝土中，补充老化沥青所需要的芳香分起到再生还原的作用，使老化沥青部分恢复其原有活性。老化沥青的表观黏度随着WEAR掺量的增加而降低，表明WEAR可以改善沥青的黏滞性，影响老化沥青的流变性质。

(3)在沥青混凝土路面喷洒WEAR再生剂后，面层的微裂缝和路面孔隙得到愈合，松散的细粒料有可能重新粘结，从而使路面几乎不渗水，起到封水防水的作用。此外，沥青表面抗滑摩擦系数增大，提升了路面的行车安全性。

采用WEAR材料的含砂雾封层技术可以整体解决沥青路面老化及裂缝区域病害问题，是一种比较合理的预防性养护方法。但是，温度对含水性环氧树脂再生剂的影响还有待进一步研究。