乳化瀝青和水泥摻量對冷再生混合料性能的影響研究

丁新東，曹新明

(貴州大學土木工程學院，貴陽 550025)

0 引 言

統計數據顯示，2018年底我國公路總里程已經達到了484.65萬公里，高速公路里程突破14.26萬公里，我國高速公路網規模和高速公路總里程已經位居世界第一。與此同時，我國早期修建的瀝青路面陸續進入養護維修、大中修和改擴建階段。“十三五”期間，瀝青路面養護維修工程中產生廢舊瀝青路面回收材料約8500萬噸，“十三五”末全國范圍內服役超過10年的高速公路里程將超過7.4萬千米，伴隨著瀝青路面“老齡化”問題，廢舊瀝青路面材料的再生利用任務更加迫切和繁重[1-3]。研究表明，將廢舊瀝青路面材料循環應用于道路基礎設施建設和養護，具有顯著的經濟、社會環境效益，符合國家可持續發展、低碳節能減排戰略和綠色交通發展的建設理念要求。乳化瀝青冷再生技術作為一種路面維修的重要再生方式，可以恢復路面使用性能，充分發揮回收瀝青路面材料(RAP)的“殘留強度”和“剩余價值”，促進RAP的循環利用，實現半剛性基層瀝青路面結構轉換和結構補強，具有RAP利用率高、施工便捷、路用性能和抗疲勞耐久性能優良、保護生態環境、降低材料成本等諸多優勢，因此受到工程界和學術界廣泛關注[4-6]。

近年來，乳化瀝青冷再生混合料在路面結構層位有上移的趨勢，使用面積也越來越大，國內外學者相繼開展了乳化瀝青冷再生混合料微觀結構、路用性能及疲勞性能等方面研究[7-9]，并且針對乳化瀝青冷再生配合比設計方法簡單、控制指標單一的問題，也有學者提出采用多指標、多維度力學性能和路用性能綜合優選乳化瀝青用量等原材料組成配比[8-11]。乳化瀝青是乳化瀝青冷再生混合料的主要膠結料，水泥是乳化瀝青冷再生混合料的次級膠結料，乳化瀝青殘留物和水泥水化產物是乳化瀝青冷再生混合料能夠形成板體結構的黏結材料，水泥和乳化瀝青用量也決定了冷再生混合料的使用性能與工程經濟性，然而現有研究中采用馬歇爾穩定度或劈裂強度優化設計乳化瀝青用量尚未有一定的準確性和可靠度，此外，對于水泥摻量尚未有評價方法，導致確定水泥摻量往往取決于工程經驗，乳化瀝青和水泥摻量對冷再生混合料抗松散性能、力學性能、路用性能和疲勞性能的影響也有待進一步探討[12-14]。本文基于室內模擬現場鉆芯試驗、濕輪磨耗試驗、肯塔堡分散試驗評價乳化瀝青冷再生混合料的初期和終期抗松散性能，并結合力學性能試驗、三大路用性能試驗和間接拉伸疲勞試驗優化出了用于乳化瀝青冷再生混合料最佳的乳化瀝青和水泥摻量范圍，為乳化瀝青冷再生混合料廣泛應用于更高路面結構層位提供試驗依據。

1 實 驗

1.1 原材料

乳化瀝青選用綏滿高速改擴建項目施工現場拌合站生產的陽離子慢裂慢凝乳化瀝青，經檢測，乳化瀝青的殘留分含量為62.7%，25 ℃賽波特黏度65 s，乳化瀝青蒸發殘留的25 ℃針入度93.5(0.1 mm)、15 ℃延度大于100 cm，乳化瀝青與粗細集料拌和均勻性良好，乳化瀝青與粗集料的裹附面積接近100%，乳化瀝青1 d、5 d常溫儲存穩定性分別為0.5%、2.4%。采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，水泥摻量為水泥與集料質量比，水泥不參與合成級配(以外摻形式添加)，經檢測水泥各項技術指標滿足規范GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》的要求。RAP選用綏滿高速公路瀝青路面銑刨料，RAP由冷銑刨法獲取后經風干、二次破碎、篩分后分檔存儲，RAP以“黑色集料”參與合成級配，分為0～3 mm、3～10 mm、10～20 mm、20～30 mm四種規格，經檢測RAP的砂當量61%，RAP中粗集料壓碎值16.5%、針片狀含量5.6%，RAP中細集料的砂當量62%，棱角性(流動時間)大于30 s。新集料為10～20 mm石灰巖碎石和0～5 mm石灰巖機制砂，原材料各項技術指標滿足JTG F41—2008《公路瀝青路面再生技術規范》相關要求。按照JTG F41—2008規范中粒式乳化冷再生混合料礦料級配要求，以滿足礦料級配要求和RAP摻量最大為原則，確定RAP摻量為85.5%，0～5 mm石灰巖機制砂摻量為6.5%，10～20 mm石灰巖碎石摻量為8%，級配組成見表1。

表1 乳化瀝青冷再生混合料級配組成Table 1 Gradation composition of emulsified asphalt cold recycled mixture

1.2 試驗方案

根據室內初步試驗和工程實踐經驗，試驗研究2%、3%、4%、5%四組乳化瀝青用量，每組乳化瀝青用量下1.0%、1.5%、2.0%、2.5%四組水泥摻量。采用室內模擬現場鉆芯試驗、濕輪磨耗試驗評價乳化瀝青冷再生混合料的初期和終期抗松散性能，基于間接拉伸試驗、抗壓強度試驗、單軸剪切試驗、動態壓縮模量試驗(中間段法)、三大路用性能試驗和劈裂疲勞試驗研究了水泥和乳化瀝青用量對冷再生混合料力學性能和使用性能的影響。

2 不同水泥和瀝青摻量冷再生混合料抗松散性能

室內模擬鉆芯試驗采用10 cm厚雙層車轍板試件，在相對濕度75%的鼓風烘箱中養生，養生7 d后鉆取芯樣，濕輪磨耗試驗采用高為66 mm的馬歇爾試件，在相對濕度75%、25 ℃鼓風環境箱中養生6 h后進行濕輪磨耗試驗，試驗方法參照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》進行。試驗結果見圖1。

圖1 乳化瀝青冷再生混合料抗松散性能
Fig.1 Anti-loose performance of emulsified asphalt cold recycled mixture

從圖1(a)鉆芯試驗結果來看，隨著乳化瀝青用量和水泥摻量增大，冷再生混合料的鉆芯完整率整體呈增大趨勢，這主要是水泥和乳化瀝青作為冷再生混合料的膠結材料，水泥摻量越大，水泥水化產生的水硬性膠凝材料數量越多，乳化瀝青摻量越大，乳化瀝青的黏結作用越明顯。僅摻加2%乳化瀝青，即使在水泥摻量增大到2.5%，冷再生混合料的芯樣完整率仍不足75%。不摻加水泥，乳化瀝青用量由2%增大至5%，乳化瀝青冷再生混合料鉆芯完整率由41.7%增大至91%，由此可見，僅摻加水泥或乳化瀝青并不能保證乳化瀝青冷再生混合料養生7 d后的鉆芯完整性，摻加2%水泥+3%乳化瀝青、1.5%水泥+5%乳化瀝青以及2%、2.5%水泥+4%、5%乳化瀝青后，乳化瀝青冷再生混合料的鉆芯完整率達到了100%，現行JTG F41—2008要求乳化瀝青冷再生混合料養生結束條件為再生層含水率小于2%或鉆出完整芯樣，因此為了能夠快速完成乳化瀝青冷再生結構層養生時間、減少施工延誤，需確保乳化瀝青冷再生混合料中有適量的水泥和乳化瀝青摻量，從快速開放交通考慮，水泥劑量宜不小于1.5%。

從圖1(b)濕輪磨耗試驗結果來看，乳化瀝青和水泥摻量對乳化瀝青冷再生混合料的早期濕輪磨耗值有顯著影響，增大乳化瀝青用量和水泥摻量后，乳化瀝青冷再生混合料養生初期的抗磨耗顯著降低，在乳化瀝青用量為2%、3%、4%、5%條件下，水泥摻量由0%增大至2.5%后，乳化瀝青冷再生混合料的初期濕輪磨耗值分別降低了53.8%、45.3%、48.8%、48.8%，在水泥摻量為0%、1%、1.5%、2.0%、2.5%條件下，乳化瀝青用量由2%增大至5%，乳化瀝青冷再生混合料的初期濕輪磨耗值分別降低了47.4%、47.1%、46.2%、46.5%、41.7%。分析以為，水泥摻量越大，水泥水化后乳化瀝青冷再生混合料的初期強度越高，乳化瀝青摻量越大，乳化瀝青冷再生集料表面的力膜厚度越大，同時乳化瀝青砂漿的黏結強度越大，因此抗磨耗性能越好。不摻加乳化瀝青，即使水泥摻量達到了2.5%，乳化瀝青冷再生混合料的濕輪磨耗值達到了3.6%，摻加2%乳化瀝青+2.5%水泥、1.5%～2.5%水泥+4%乳化瀝青、1.5%水泥+5%乳化瀝青后，乳化瀝青冷再生混合料的初期濕輪磨耗值小于3.2%，滿足JTG F41—2008乳化瀝青冷再生混合料初期濕輪磨耗值小于3.5%的要求，由此可見，增加水泥和乳化瀝青用量均能有效提高乳化瀝青冷再生混合料的早期抗磨耗損失值。

3 不同水泥和瀝青摻量冷再生混合料力學性能

乳化瀝青冷再生混合料間接拉伸強度試驗、無側限抗壓強度試驗方法參照JTG E20—2011進行，貫入剪切試驗、動態壓縮模量試驗參照JTG D50—2017《公路瀝青路面設計規范》進行，力學性能試驗結果見圖2。

圖2 力學性能試驗結果
Fig.2 Mechanical performance test results

力學性能試驗結果表明，(1)在相同水泥摻量條件下，乳化瀝青冷再生混合料的劈裂強度、無側限抗壓強度均隨乳化瀝青用量增大先顯著增大后平緩減小，并在乳化瀝青用量為3.5%～4.0%時劈裂強度達到峰值，乳化瀝青用量為4%時無側限抗壓強度達到峰值，貫入剪切強度、單軸壓縮模量隨乳化瀝青用量增大的趨勢也相類似。分析其原因，乳化瀝青有膠結料和改善施工和易性的雙重作用，增大乳化瀝青用量有助于提高冷再生混合料在重錘擊實過程的壓實和易性，使得混合料揉搓壓密效果更明顯，乳化瀝青膠漿和集料的分布形態均能夠達到最佳壓實狀態，乳化瀝青殘留物是冷再生的主要膠結材料，增大乳化瀝青用量后冷再生混合料內部的乳化瀝青殘留膠結料數量增多，表現為集料表面的瀝青膜厚度增大，乳化瀝青砂漿內部黏結強度、集料與乳化瀝青砂漿之間的黏附強度隨乳化瀝青用量增大而不斷提高，因此在一定范圍內增大乳化瀝青用量后冷再生混合料劈裂強度增大，當乳化瀝青用量超過最佳用量后，隨著乳化瀝青用量增大，沒有在集料表面形成有效吸附的乳化瀝青形成自由瀝青、集料與乳化瀝青砂漿接觸面之間存在富油層，同時過多的乳化瀝青在乳化瀝青砂漿內部形成富油接觸面，由于乳化瀝青的潤滑作用，受荷時乳化瀝青用量對試件破壞界面的形態產生劣化影響，破壞裂紋更容易產生在集料與乳化瀝青砂漿之間的富油層內部以及乳化瀝青砂漿內部的富油層接觸面之間，導致破壞裂紋的擴散路徑減小，從而更容易產生黏結失效和黏附失效破壞。可以發現，在1.0%～2.5%水泥摻量范圍內水泥摻量對冷再生混合料的最佳乳化瀝青用量影響不明顯。

(2)在相同乳化瀝青用量條件下，冷再生混合料的劈裂強度和無側限抗壓強度隨水泥摻量增大而增大，在0.5%～1.5%水泥摻量范圍內，隨著水泥摻量增大，劈裂強度增大趨勢最為明顯，水泥摻量超過1.5%后，增大水泥摻量后冷再生混合料的劈裂強度提高幅度趨于穩定，而無側限抗壓強度對水泥摻量變化更為敏感，增大水泥摻量后無側限抗壓強度一直處于增長趨勢，這與劈裂強度與無側限抗壓強度試驗過程中試件的受荷方式不同有關。

(3)與劈裂強度隨乳化瀝青摻量變化趨勢相同，在相同水泥摻量條件下，隨著乳化瀝青用量增大，貫入剪切強度、動態壓縮模量呈先增大后減小趨勢，并在3%～4%乳化瀝青用量時貫入剪切強度和動態壓縮模量達到峰值，這與增大乳化瀝青用量提高了冷再生混合料密實度和增大了冷再生混合料黏結強度等因素有關。摻加0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%水泥，相比不摻加乳化瀝青的冷再生混合料，在最佳乳化瀝青用量下冷再生混合料貫入剪切提高了70.5%、63.3%、46.9%、48.9%、50.8%，動態壓縮模量提高了22.5%、26.2%、20.1%、20.4%、19.8%，可見乳化瀝青用量對冷再生混合料貫入剪切強度和動態壓縮模量有顯著的影響。摻加0.5%～2.5%水泥后，乳化瀝青冷再生混合料的動態壓縮模量達到了4000～6500 MPa，貫入剪切強度為0.7～1.0 MPa，在摻加較大水泥劑量時貫入剪切強度和動態壓縮模量取高值。在0%、2%、3%、4%、5%乳化瀝青用量下，水泥摻量由0.5%增大至2.5%，貫入剪切強度分別提高了44.1%、27.8%、26.5%、25.4%、24.9%，動態壓縮模量分別提高了62.3%、50.3%、54.5%、58.8%、59.2%。

由此可見，相同乳化瀝青用量條件下，在水泥摻量0.5%～2.5%范圍內，貫入剪切強度和動態壓縮模量隨水泥摻量增大而增大，分析其原因，水泥作為乳化瀝青冷再生混合料中的次級膠結料，水泥摻量越大，水泥水化后生成的水硬性膠凝性材料越多，同時對冷再生混合料剛度改善越明顯，采用SEM觀察摻加水泥前后乳化瀝青砂漿的微觀形貌，如圖3(a)所示，不摻加水泥的乳化瀝青砂漿集料表面的微觀形態較平坦、光滑狀態，機械咬合力弱為界面接觸不良狀態，是受荷破壞時裂縫易于貫穿的薄弱部位。從圖3(b)可以看出，集料表面的水泥水化產物呈簇狀分布，云狀連續分布的C-S-H和六方體狀的Ca(OH)2富集于RAP表面，使界面區表面凹凸不平，摻加水泥后RAP表面的微觀形態不斷豐富，接觸界面的凸起為加強過渡界面的黏結、黏附提供了良好基礎，加入水泥后，水泥水化產物在乳化瀝青冷再生混合料內部形成了一個新的過渡界面，水泥水化反應所形成的堿性環境，有利于提高乳化瀝青與集料的黏附性。

圖3 破碎后的乳化瀝青冷再生混合料斷面SEM圖像
Fig.3 SEM images of the cross section of the emulsified asphalt cold recycled mixture after crushed

4 不同水泥和瀝青摻量冷再生混合料路用性能

4.1 高低溫性能與水穩定性

目前乳化瀝青冷再生混合料逐漸由路面結構的基層上升到路面結構下面層，這對冷再生混合料的高低溫性能、水穩定性和疲勞耐久性能提出了更高要求。路用性能試驗方法參照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》進行，試驗結果見圖4。

由圖4路用性能試驗結果可知，(1)水泥和乳化瀝青用量對冷再生混合料的動穩定度、最大彎曲應變和凍融劈裂強度比均有顯著影響。在相同水泥摻量條件下，乳化瀝青冷再生混合料的高低溫性能均隨乳化瀝青用量增大而先顯著增大后緩慢減小，與力學性能試驗結果相類似，在4%乳化瀝青用量下，各組乳化瀝青冷再生混合料動穩定度和低溫彎曲應變達到最大值。

(2)相同水泥摻量下，凍融劈裂強度比隨乳化瀝青用量增大而增大。動穩定度隨水泥摻量增大而持續增大，水泥摻量由0%增大至2.5%，乳化瀝青冷再生混合料動穩定度提高了3.7倍以上，水泥摻量達到1.5%后乳化瀝青冷再生混合料的動穩定度達到了5000次/mm以上，具有優良的高溫穩定性。低溫彎曲應變隨水泥摻量增大呈先增大后減小變化趨勢，在水泥摻量為1.5%～2.0%時彎曲應變達到峰值，分析以為，加入水泥能夠彌補乳化瀝青冷再生混合料內部的界面黏結缺陷，水泥水化產物作為次級膠結料提高了乳化瀝青冷再生混合料的整體強度、增加了混合料剛性，在一定范圍內提高水泥劑量對冷再生混合料低溫性能有明顯改善作用，但是過多的水泥導致乳化瀝青冷再生混合料剛性增大、柔韌性降低，反而對低溫條件下混合料的收縮性能和釋放荷載性能產生不利影響，因此從低溫性能考慮，水泥劑量不宜超過2%。

圖4 乳化瀝青冷再生混合料路用性能試驗結果
Fig.4 Experimental results of road performance of emulsified asphalt cold recycled mixture

(3)增大水泥摻量和乳化瀝青用量，冷再生混合料的凍融劈裂強度比持續增大，不摻加水泥，即使在乳化瀝青用量達到5%時冷再生混合料的凍融劈裂強度比仍不足75%，不摻加水泥的乳化瀝青冷再生混合料其水穩定性極差，不滿足高速公路下面層乳化瀝青冷再生混合料凍融劈裂強度比大于75%的要求，水泥摻量摻加達到1.5%后，即使在2%乳化瀝青用量下，冷再生混合料的凍融劈裂強度比也達到了90%以上，摻加3%～5%乳化瀝青+1.5%～2.5%水泥的乳化瀝青冷再生混合料凍融劈裂強度比達到了95%以上，表現出了優良的水穩定性，因此從水穩定性角度考慮，適宜的水泥摻量不宜小于1.5%。

4.2 疲勞性能

采用間接拉伸疲勞試驗評價水泥和乳化瀝青摻量對冷再生混合料疲勞壽命的影響。鑒于上文研究成果，增大乳化瀝青用量后冷再生混合料的力學性能和路用性能出現峰值，因此乳化瀝青用量取3.5%、4.0%、4.5%，考慮到高溫穩定性、低溫抗裂性能和水穩定性要求，適宜的水泥摻量應不小于1.0%，因此疲勞試驗時水泥摻量選用1.5%、2.0%、2.5%。每組乳化瀝青用量下變化3種水泥摻量，疲勞試驗采用標準馬歇爾試件，疲勞試驗以控制應變模式加載，采用0.1、0.2、0.3、0.4共4個應力比，疲勞試驗加載頻率為10 Hz，試驗溫度為20 ℃，采用應力水平與疲勞壽命取自然對數之間的線性疲勞方程對試驗數據進行擬合分析。疲勞試驗結果如表2所示。

表2 間接拉伸疲勞試驗結果Table 2 Indirect tensile fatigue test results

疲勞試驗結果表明，(1)相同應力水平，類似于乳化瀝青用量對力學性能和路用性能的影響規律趨勢，增大乳化瀝青用量后疲勞壽命出現峰值，并在乳化瀝青用量為4%時疲勞壽命達到峰值，這是由于增大乳化瀝青用量后，集料表面瀝青膜厚度增大、集料與乳化瀝青砂漿黏附性增強、乳化瀝青砂漿柔性提高，而過多的乳化瀝青形成自由瀝青，導致破壞界面易產生在富油層接觸面，在自由瀝青的潤滑作用下，乳化瀝青冷再混合料更易于產生界面黏附失效和黏結失效破壞。

(2)在0.1、0.2低應力水平條件下，乳化瀝青冷再生混合料的疲勞壽命隨水泥摻量增大而增大，但是在0.3、0.4高應力水平下，乳化瀝青冷再生混合料的疲勞壽命隨水泥摻量增大出現峰值，并在水泥摻量為2%時疲勞壽命達到峰值，因此增大水泥摻量能夠顯著提高乳化瀝青冷再生混合料在低應力水性下的疲勞壽命，過多的水泥摻量易導致乳化瀝青冷再生混合料在高應力水平下產生疲勞破壞。分析其原因，隨著水泥摻量增大，水泥水化產生的水硬性膠凝材料數量越多，與此同時，乳化瀝青冷再生混合料表現出來的剛性越明顯，當水泥摻量達到2%以后，水泥所變現出來的剛性使得乳化瀝青冷再生混合料塑性變形能力和應力釋放性能顯著下降，乳化瀝青冷再生混合料所表現出的半柔性特性逐漸向剛性過渡，在高應力水平下的脆性更加明顯。

疲勞壽取自然對數與應力水平呈良好的線性關系，以擬合方程斜率n和擬合方程截距K表征疲勞壽命對應力水平的敏感程度和疲勞壽命大小，相同水泥摻量條件下，隨著乳化瀝青用量增大，K值呈先增大后減小趨勢，n值呈先減小后增大趨勢，而相同乳化瀝青用量下，K值隨水泥摻量增大而增大，n值隨水泥摻量呈先增大后減小趨勢，在4%乳化瀝青+2%水泥摻量下乳化瀝青K值達到最大值，同時n值達到最小值，表明該摻量下乳化瀝青冷再生混合料的疲勞性能最優，從疲勞壽命角度考慮，存在最佳的乳化瀝青用量和最優水泥摻量，增大水泥摻量即提高了乳化瀝青冷再生混合料疲勞壽命的但也使得疲勞壽命對應力水平變化更加敏感性，在最佳乳化瀝青用量下，冷再生混合料的疲勞性能達到最佳。

5 結 論

(1)為了能夠快速完成乳化瀝青冷再生結構層養生時間、減少施工延誤，應確保乳化瀝青冷再生混合料中有適量的水泥和乳化瀝青摻量，從快速開放交通要求、抗松散性能和水穩定性考慮，水泥摻量宜不小于1.5%，但是隨著水泥摻量增大，乳化瀝青冷再生混合料的力學強度呈增加趨勢，過多的水泥導致乳化瀝青冷再生混合料剛性增大、柔韌性降低、高應變水平下的疲勞壽命減低，從低溫性能和抗疲勞性能考慮，水泥摻量不宜超過2%。

(2)水泥水化產物提高了瀝青與集料(新料、RAP)表面粘附性，彌補了集料-膠漿界面缺陷，增大水泥摻量能夠顯著提高冷再生混合料的水穩定性和高溫穩定性及低應力水平下的疲勞壽命。

(3)建議采用劈裂強度、無側限抗壓強度試驗綜合確定最佳乳化瀝青用量，并以低溫彎曲試驗和間接拉伸疲勞試驗優選水泥摻量，根據優化結果，推薦1.5%～2.0%水泥、4%乳化瀝青為最佳配比。