乳化瀝青冷再生混合料養生方式研究

王 宏 劉 鋒 余建榮 張葆永

（中交第一公路勘察設計研究院有限公司 西安 710068）

目前，國內外在瀝青路面冷再生混合料養生方法方面尚無統一標準，乳化瀝青冷再生混合料早期養生溫度、養生方式等仍存在爭議［1］，冷再生混合料的養生方式仍是新版《公路瀝青路面再生技術規范》修正時需要解決的首要問題.不同于熱拌瀝青混合料，瀝青路面冷再生混合料完成攤鋪、碾壓后仍需7～14d的養生才能形成一定強度，養生期間水分遷移、蒸發的同時混合料粘聚力c和內摩擦角φ逐漸發展，空隙逐漸發育.國內外養生方法主要在于試件養生方式和養生溫度不同，養生溫度主要有30，40，60℃，養生方式主要有試件全封閉養生、試件不脫模烘箱加速養生兩種，養生方法的確定主要是基于室內宏觀力學試驗.1999～2004年間，大量學者通過研究發現［2］，對于冷再生混合料采用60℃的養生溫度太高，該溫度已超過瀝青結合料的環球軟化點，可導致瀝青結合料的加速老化與破壞.主要出于兩方面考慮：乳化瀝青冷再生混合料主要作為公路瀝青路面基層與底基層，而路面下10cm處瀝青穩定基層的溫度已低于氣溫，30℃與40℃是基層性能研究的主要溫度；60℃養生溫度，已超過大部分基質瀝青的環球軟化點溫度［3－5］，Stellenbosch大學通過總結多年研究經驗，以及各種復雜的養生方案，提出最終統一的40℃養生方案，收錄于南非瀝青穩定類材料再生技術規范TG2內［6］.目前缺乏關于養生溫度對乳化瀝青冷再生混合料強度的影響機理分析，筆者在40℃養生條件下研究了不同養生方式乳化瀝青冷再生混合料劈裂強度、抗壓回彈模量以及含水率隨養生時間的變化規律并基于工業CT的無損檢測技術分析了不同養生方式乳化瀝青冷再生混合料試件內部細微觀結構性能的差異.

1 乳化瀝青冷再生混合料配合比設計

試驗中RAP選用2012年陜西國省干線大中修工程A標段瀝青路面銑刨料，不考慮RAP中老化瀝青的作用［7］，篩分后RAP的級配見表1.乳化瀝青為阿克蘇生產的慢裂慢凝陽離子乳化瀝青，其主要技術指標見表2.水泥選用西安耀縣水泥廠生產的PO32.5普通硅酸鹽水泥，經檢測水泥各項指標檢測均滿足規范要求.粗集料選用石灰巖，細集料采用機制砂，根據乳化瀝青冷再生混合料設計級配的范圍要求，確定RAP料摻量為80%，碎石和機制砂摻量各10%，水泥采用外摻的形式其摻量為1.5%，混合料合成級配見表3.按照JTG F41—2008修正馬歇爾法確定最佳擊實含水量為4.5%，乳化瀝青用量為4%.

表1 RAP級配

表2 乳化瀝青指標測試結果

表3 中粒式乳化瀝青冷再生混合料試驗級配

2 不同養生條件下乳化瀝青冷再生混合料室內加速養生

2.1 養生方案

1）全封閉養生 靜壓成型尺寸為直徑100 mm，高100mm的圓柱體試件，室溫養生12h后托模，立即裝進塑料帶中，綁緊塑料袋置于40℃鼓風烘箱養生，養生期間，每隔24h更換一次塑料袋.

2）半封閉養生 試件成型方式與全封閉養生完全相同，室溫養生12h后脫模，將試件側面和底面用聚乙烯模具裹緊，置于40℃鼓風烘箱中養生，采用半封閉的養生方式主要是考慮到，該養生方式水分的遷移路徑與施工現場未加鋪上面層瀝青混凝土前再生層的使用狀況比較接近.

3）開放養生 成型直徑100mm、高100mm的圓柱體試件靜壓試件，室溫養生12h，脫模后置于40℃鼓風烘箱養生.

4）模擬養生 考慮到最不利季節施工，模擬養生選擇在早春期間進行，將靜壓試件側面和底面用模具裹緊，為方便實測心樣的含水率，同時避免鉆芯時對芯樣造成的損傷，將試件裹緊后埋于搗實均勻的冷再生混合料中，放于室外自然條件下養生.

2.2 不同養生方式乳化瀝青冷再生混合料強度發展規律

按照2.1所述試驗方案成型試件，養生期間分析不同養生方式乳化瀝青冷再生混合料在養生期間含水量、劈裂強度、抗壓回彈模量的發展規律，試驗方法按照《公路工程無機結合料穩定類材料試驗規程》（JTG E51—2009）中的相關方法進行試驗，結果見圖1.

圖1 不同養生時間冷再生混合料試驗擬合結果

圖1 試驗結果表明，隨著養生時間延長，3種養生方式下乳化瀝青冷再生混合料試件的含水率呈指數形式減小，劈裂強度和抗壓回彈模量均隨養生時間的增加呈指數形式增大；相同含水率條件下全封閉養生靜壓試件的劈裂強度大于半封閉養生，大于開放養生，可見，確定乳化瀝青冷再生混合料養生方式時需要同時兼顧養生時間和試驗件含水率這兩個指標.模擬養生期間晝夜平均氣溫12～15℃，7～14d后試件的平均含水率為1.96%，劈裂強度0.45MPa，抗壓回彈模量817 MPa，含水率和力學強度均與半封閉養生最為接近.

2.3 不同養生方式乳化瀝青冷再生混合料最終強度差異

考慮到養生時間對乳化瀝青冷再生混合料長期性能以及混合料c，φ值的影響，將全封閉、半封閉、開放養生三種養生方式條件下的靜壓試件在40℃鼓風烘箱中放置了30d，養生結束后首先進行CT掃描試驗，隨后進行15℃劈裂試驗和抗壓回彈模量試驗，結果見圖2.

圖2 不同養生方式乳化瀝青冷再生混合料力學強度試驗結果

圖2 試驗結果表明，開放養生條件下的混合料冷再生混合料劈裂強度最大，全封閉養生劈裂強度最小，半封閉養生和路面芯樣劈裂強度相差不大，抗壓回彈模量試驗結果也有類似規律，可見養生方式對乳化瀝青冷再生混合料力學強度有顯著影響.

3 機理分析

為揭示養生方式對乳化瀝青冷再生混合料強度的影響機理，采用工業CT無損檢測技術和VG軟件的三維重構技術對不同養生方式下的靜壓試件開展研究.試驗選用長安大學工業CT掃描體統，通常我們所得到的瀝青混合料圖像信息都是二維結構的，這與物質本來存在的空間三維結構相差很大，VGStudio MAX軟件的三維重構功能是實現圖像三維可視化最重要的手段，為了得到乳化瀝青混合料馬歇爾試件內部孔隙的空間分布規律以及孔隙的細微觀特征，需采用VG軟件自帶的缺陷分析模塊進行計算，以得到每個孔隙在馬歇爾試件內部的三維坐標、孔隙的體積、表面積等物理參數.

3.1 不同養生方式乳化瀝青冷再生混合料平均孔徑變化規律

孔隙的直徑是孔隙的名義直徑，是一個平均或等效的概念.由于乳化瀝青冷再生混合料內部的空隙簡化為同體積大小的球體，通過1式當量球的直徑表征孔隙的直徑大小：

式中：d為乳化瀝青冷再生混合料空隙等效直徑，mm；V為CT測算的空隙體積，mm3；N為馬歇爾試件內部總空隙數量，個.

按照空隙等效直徑的計算公式，得出不同養生方式下乳化瀝青冷再生混合料的平均孔徑延試件高度的變化規律，結果見圖3、圖4.

圖3 不同養生方式平均孔徑延試件高度方向分布規律

圖4 不同養生方式冷再生混合料平均孔徑變化規律

由圖3～4試驗結果可知：（1）相同成型方式和養生溫度條件下，4種養生方式下的乳化瀝青冷再生混合料平均孔徑延試件高度方向呈先減小后增大的變化趨勢，且均在試件中部4～6cm處達到最小值，分析其原因：試件兩邊平均孔徑略大于中部，主要是受試件成型過程中人為因素的干擾，且這部分空隙中開口空隙和半封閉空隙比例較大，試件頂部平均空降明顯大于底部主要受靜壓成型時荷載分布不均勻，試件兩端壓實度不同所致；（2）試件相同高度方向，乳化瀝青冷再生混合料平均孔徑由大到小依次是全封閉養生、路面芯樣、半封閉養生、開放養生，對于整個靜壓試件而言，開放養生的平均孔徑始終最小，其次平均孔徑由小到大依次是半封閉養生、路面芯樣、全封閉養生，全封閉養生平均孔徑為開放養生的1.08倍.分析其原因，乳化瀝青冷再生混合料內部的空隙來源主要包括水分揮發殘留的空隙和混合料內部粗集料嵌擠細集料填充不飽和以及壓實不足剩余的空隙，室內試驗發現，水分揮發殘留的空隙一般可達總空隙率的50%以上，由于全封閉養生混合料內部水分遷移速度較快，試件能在較短時間內完成養生，空隙發育完成后受水分遷移破壞作用較小，全封閉養生條件下，密閉的空間內水蒸氣容易達到飽和，冷再生混合料內部的水分蒸發需較長時間才能完成，隨著水泥水化反應的結束，水泥水化產物占據、填充了一部分空隙，水泥水化完成后水的遷移仍在進行，水分喪失過程可能破壞了已經形成密閉空間的水泥水化產物，隨著空隙逐漸發育完成，隨后殘留在試件內部的這部分水，殘留水量越大其蒸發后對試件內閉口孔隙的破壞越大，且混合料內部的這部分水分隨著水泥水化的結束，其蒸發越困難，需要有積攢足夠的力才能突破水泥水化產物的包圍，因為水泥水化已經完成，這時因水分蒸發對混合料孔隙率造成的破壞往往是不可恢復的，故全封閉養生條件下乳化瀝青冷再生混合料的平均孔徑延試件高度普遍較大.和開放養生相比，半封閉養生改變了水分的遷移路徑，水的揮發速度也遠大于全封閉養生，與加鋪上面層瀝青混合料前的再生基層使用狀況較為一致.

圖5 不同養生方式靜壓試件空隙分布

3.2 不同養生方式乳化瀝青冷再生混合料最可幾孔徑變化規律

最可幾孔徑是指空隙中出現次數最多的孔隙所對應的孔隙等效直徑.從幾何意義考慮，平均孔徑是所有空隙體積的平均等效圓直徑，而最可幾孔徑是指出現次數最多的孔隙體積等效當量球直徑.由于在混合料試件在拌和、試件成型、養生過程中都可能對其內部的空隙造成一定的影響，對于乳化瀝青冷再生混合料這種微孔數量多，大孔數量少的非均一特征，理論上采用最可幾孔徑指標能排除因人為因素產生的大空隙體積變異性.對不同養生方式乳化瀝青冷再生混合料試件以及路面芯樣進行分析，每個成型方式共635×4張圖片，初步擬合結果表明，空隙密度函數基本符合洛倫茲函數（Lorentz）分布，本文以洛倫茲函數擬合峰值概率對應的空隙體積來表征最可幾空隙，擬合結果見圖5.

式中：f（x）為洛倫茲函數；Vm為峰值空隙體積；A，W 均為回歸系數.

圖5統計結果表明：不同養生方式乳化瀝青冷再生混合料最可幾空隙不同，且相差較大，開放養生、半封閉養生、路面芯樣、全封閉養生四種養生方式最可幾空隙體積依次為0.139 30，0.136 72，0.136 64，0.135 04mm3，表明養生方式在改變了混合料內部水分遷移路徑的同時，也顯著影響了混合料內部空隙的細微觀分布特征.

3.3 不同養生方式乳化瀝青冷再生混合料空隙形狀變化規律

空隙數量多，微孔數量所占比例大是冷再生混合料最為顯著的特征之一，為了計算簡單通常將混合料中的單個孔隙等效成同體積的球體或橢球，實際中孔隙的形態多種多樣，孔隙形狀雜亂無章，對材料中的微裂紋結構、空隙等不規則圖形，存在如下關系［8］：

式中：C為回歸系數；D為不規則圖形邊界線的分形維數.

雖然靜壓試件中的空隙形態雜亂無章，但同一批靜壓試件由于試驗級配、試件成型方法、CT掃描參數等內外因完全相同，相同養生溫度，不同養生方式下的混合料試件其內部孔隙分布形狀應該具有一定的自相似性，筆者借鑒小島法研究思路對VG計算的空隙率結果進行擬合分析，并假設乳化瀝青冷再生混合料內部孔隙球體體積與球體表面積之間存在關系V＝KSD／2，對該公式兩邊取對數后有lg V＝lg K＋D／2lg S（式中：V 為孔隙體積，S為孔隙表面積），若相關系數良好，表明不同養生方式條件下的乳化瀝青冷再生混合料內部空隙具有一定的自相似性.根據VG軟件輸出的excel表單，3種養生溫度條件下乳化瀝青冷再生混合料孔隙表面積對數與體積對數之間的擬合關系式見圖6.

圖6 不同養生方式乳化瀝青冷再生混合料空隙分形特征

由圖6可知，靜壓試件乳化瀝青馬歇爾試件內部空隙體積－表面積在雙lg坐標下線性相關系數R2均超過了0.98，表明乳化瀝青冷再生混合料內部的空隙形狀具有一定的分形特征，根據5式定義，開放養生、半封閉養生、路面芯樣、全封閉養生乳化瀝青冷再生混合料的空隙維數D分別為2.661 86，2.655 82，2.647 42，2.629 08，擬合方程的系數D均小于3，說明將混合料中的空隙等效為球體是只是一種理想的狀態.此外，半封閉養生乳化瀝青冷再生混合料空隙形狀特征與路面芯樣比較一致，開放養生與路面芯樣相差較遠，表明半封閉養生可較好模擬冷再生混合料現場真實的使用狀況.結合彈性力學應力集中的概念可解釋不同養生方式，乳化瀝青冷再生混合料ITS、抗壓回彈模量相差較大的原因，即養生方式影響了乳化瀝青混合料的空隙形狀特征，改變了混合料中空隙的整體形狀，導致應力集中因子和空隙體積模量發生了變化，歸根結底主要是不同養生方式乳化瀝青冷再生混合料水分遷移規律不同進而影響了混合料內部空隙級配［9］.

4 結束語

1）養生方式對乳化瀝青冷再生混合料力學強度有顯著影響，不同養生方式乳化瀝青冷再生混合料含水量、劈裂強度、抗壓回彈模量變化規律不同，相同含水率條件下全封閉養生冷再生混合料劈裂強度、抗壓回彈模量均大于半封閉養生，半封閉養生能較好模擬加鋪上面層瀝青混凝土前冷再生混合料的使用性能.

2）養生方式不僅改變了乳化瀝青冷再生混合料內部的水分遷移路徑，不同養生方式乳化瀝青冷再生混合料內部空隙具有明顯的分形特征，養生方式顯著影響了乳化瀝青冷再生混合料的空隙形狀特征，

3）綜合考慮水分的遷移規律、混合料力學強度發展規律以及不同養生方式對乳化瀝青冷再生混合料細微觀空隙分布特征的影響，推薦再生混合料配合比設計時宜采用40℃半封閉養生進行室內加速養生.

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