表面活性劑對乳化瀝青冷再生混合料性能的影響

摘要：針對乳化瀝青冷再生混合料（CRME）綜合性能不足導致其不能用于路面上面層的問題，文章采用高效減水劑和潤濕劑作為表面活性劑制備混合料進行試驗研究，以期提高CRME綜合性能和應用范圍。試驗結果表明：高效減水劑和潤濕劑可降低CRME混合料的空隙率，同時提升間接拉伸強度、剛度模量、臨界應變能密度等力學性能指標，這是由于兩者能在一定程度上降低水泥-乳化瀝青膠漿的黏度，同時有助于瀝青膜的形成（高效減水劑作用）和提升乳化瀝青潤濕能力（潤濕劑作用）；相比于潤濕劑，加入高效減水劑后CRME表現出更好的力學性能，在最佳含水量下間接拉伸強度、勁度模量、臨界應變能密度分別提高34%、8%、18%，建議添加高效減水劑來提升CRME的綜合性能。

關鍵詞：表面活性劑；高效減水劑；潤濕劑；乳化瀝青；冷再生混合料

U416.03A080263

0 引言

與熱再生相比，冷再生混合料的拌和、攤鋪、壓實等均可在常溫下進行，大大減少有害氣體的排放，是一種技術可靠、環境友好、經濟高效的瀝青路面再生技術。常見的類型為乳化瀝青冷再生混合料（CRME）［1-3］。但根據目前實際應用情況，CRME的體積和力學性能相對低于熱再生瀝青混合料，只能用于基層和低等級公路中下面層，這嚴重限制了其大范圍應用推廣［4］。

目前，國內外學者在提升CRME性能方面已展開相關研究，形成了一定經驗成果［5］。2017年，金成等嘗試加入水泥和生石灰來解決CRME早期強度低且增長緩慢的問題，經檢測CRME在添加一定量水泥和生石灰后，各項性能均有提升，其中水泥的改善作用相對突出，通過強度增長擬合曲線確定了添加材料的比例［6］；2018年，劉海鵬等采用垂直振動成型方法制備不同級配的CRME試件，通過常規的瀝青混合料室內試驗探索CRME的最佳級配，試驗結果顯示CRME中礦粉、機制砂、9.5～19 mm粗集料的最佳摻量分別為3%、20%、20%［7］；2019年，武文斌針對兩種路面結構來源的銑刨料進行差異化配合比設計，結果顯示不同來源銑刨料相應的混合料性能指標也不同，上拌下貫式路面結構銑刨料制備的CRME易高溫變形，而熱拌瀝青混合料鋪裝層銑刨料制備的CRME溫度敏感性相對較低，高溫穩定性優異［8］；同年，李文學等指出采取2次擊實方法可顯著提升CRME劈裂強度，同時大馬歇爾試件尺寸更接近實際施工厚度，所以推薦2次擊實成型大馬歇爾試件為CRME試件成型方法［9］；2023年，楊普新認為養生條件是影響CRME力學強度和穩定性的重要因素之一，觀察記錄多種養生條件下試驗數據可知現場養生條件下比室內養生條件下穩定度和劈裂強度分別提高5.5%、10.7%，進一步建議CRME養生時間和溫度分別為7 d和25 ℃～40 ℃［10］。

目前提升CRME性能的研究多集中在提升粘結材料性能、優化配比、研發相適應的試驗方法、添加功能性材料等方面［11］，而在調控各材料間相互作用方面研究很少。因此本研究采用高效減水劑和潤濕劑作為表面調節劑制備混合料，探討分析其作用機理，以期提升CRME的體積和力學性能［12］。

1 原材料及試件制備

1.1 原材料

CRME由乳化瀝青、新集料、RAP、水泥和礦粉填料組成，其中乳化瀝青為自制的陽離子慢裂慢凝乳化瀝青（固含量60%），新集料為玄武巖性質，RAP從本地區某高速公路大中修工程中獲得，水泥為P.O42.5普通硅酸鹽水泥，礦粉填料為石灰巖性質，經檢驗CRME各項原材料滿足相關規范及本研究應用要求。

在本研究中使用了兩種表面活性劑，一種是聚羧酸系高效減水劑，另一種是潤濕劑（其作用是增加外摻水和乳化瀝青的接觸角），均來自生產廠家成品。

1.2 配合比設計

本研究級配設計采用上面層常用的AC-13密級配，經配合比設計，新集料占總集料的20%，填料占總集料的6%（2%水泥+4%礦粉）。通過體積指標空隙率和力學指標間接拉伸強度確定外摻水和乳化瀝青最佳摻量分別為3.5%和3.7%。

1.3 試樣制備（圖1）

2 試驗方法及評價指標

2.1 剛度模量試驗

剛度模量是瀝青路面力學設計中最重要的參數，根據已有研究成果可知，在最大荷載10%～40%時荷載與位移呈極好的線性相關，所以剛度模量（E）在此荷載范圍內通過式（1）計算得到。

E=0.3Fmax（4+πu-π）πh（u40%-u10%）（1）

式中：E——試件剛度模量；

h——試件厚度；

u10%——10%破壞荷載時的水平位移；

u40%——40%破壞荷載時的水平位移；

μ——試件的泊松比，本研究取0.3。

2.2 臨界應變能密度試驗

臨界應變能密度（D）是根據試件中心應力和應變計算得到的，其值越大表示混合料抗裂和抗疲勞性能越好。臨界應變能密度（D）按照式（2）進行計算。

D=∫ε00σijdεij（2）

式中：σij——應力分量；

εij——應力分量；

ε0——最大應力對應的應變值。

2.3 表觀黏度試驗

本研究采用布氏黏度計測定水泥-乳化瀝青膠漿（由乳化瀝青、水泥、表面活性劑、礦粉組成）在不同剪切速率下的表觀黏度，對比不同表面活性劑對流變性能的影響。試驗溫度控制在20 ℃條件下，轉子選用26.659 mm直徑，為對比不同水灰比對水泥-乳化瀝青膠漿流變性能的影響，保持乳化瀝青/水泥以及礦粉/水泥配比不變，膠漿配比及類型見表1。

3 試驗結果與討論

3.1 表面活性劑摻量的確定

表面活性劑對乳化瀝青冷再生混合料性能的影響/黃科榜

對CRME進行間接拉伸強度試驗，通過對比確定不同表面活性劑最佳用量（表面活性劑占水泥的質量百分比），試驗結果見圖2。由圖2可知，不論是高效減水劑還是潤濕劑，其間接拉伸強度均隨著表面活性劑的增加先增大后減小，分別在高效減水劑摻量為2%和潤濕劑摻量為0.5%時間接拉伸強度最大，所以它們的最佳摻量分別為2%和0.5%，下一步性能對比研究均在此基礎上進行。

3.2 不同表面活性劑CRME空隙率試驗結果

圖3為CRME空隙率（VV）的試驗結果曲線圖。由圖3可知，添加表面活性劑可在一定程度上影響CRME的空隙率，添加高效減水劑和潤濕劑后空隙率分別降低10.9%和5.6%，因此表面活性劑可使CRME更加致密。另一方面，空隙率最低值對應的外加水量分別為3%（高效減水劑）、4%（潤濕劑）和4%（不添加表面活性劑），所以高效減水劑的加入可以降低CRME獲得最佳壓實狀態所需的外加水。

在降低空隙率方面，高效減水劑和潤濕劑作用機理不同。高效減水劑能顯著降低水泥顆粒的絮凝結構和吸附能力，并提高乳化瀝青與水泥混合后的穩定性，使CRME在壓實過程中釋放更多的自由水，這將有利于自身的壓實。然而潤濕劑的加入沒有改變CRME獲得最佳壓實狀態所需的外加水，它是通過提高水泥和乳化瀝青間的潤濕能力來提升膠結料的裹附能力，進而提升CRME密實性。

3.3 不同表面活性劑CRME間接拉伸強度試驗結果

下頁圖4為不同表面活性劑處理的CRME間接拉伸強度（P）試驗結果曲線圖。根據圖4呈現出的規律來看，高效減水劑和潤濕劑均可在一定程度上提高CRME的間接拉伸強度，最高可分別提升34%和17%，其中高效減水劑在提升強度方面更勝一籌。

同時在制備CRME混合料時，觀察發現3%外加水時CRME混合料的濕潤度排序為：高效減水劑＞潤濕劑＞不添加表面改性劑，即兩種表面活性劑均可使粗集料表面更均勻的裹附水泥-乳化瀝青膠漿，促使CRME的混合狀態得到改善，CRME間接拉伸強度相應提高。從作用機理上分析，高效減水劑是通過降低水泥-乳化瀝青膠漿的黏度提升其在集料表面的裹附能力，增強CRME的間接拉伸強度，而潤濕劑是通過提升乳化瀝青的潤濕能力增強CRME的間接拉伸強度。

將圖3和圖4進行對比，發現表面活性劑對CRME強度的增強作用與表面活性劑降低空隙率息息相關。此外，這種增強作用還與表面活性劑對水泥和乳化瀝青間相互作用的改善有關。對于添加潤濕劑和不添加表面改性劑的CRME，其最大強度對應的外加水量低于最小空隙率對應的外加水量。已有研究表明，間接拉伸強度最大的CRME比空隙率最小的CRME具有更好的力學性能，所以，綜合以上結論確定所有CRME最佳外摻水量為3%。

3.4 不同表面活性劑CRME剛度模量試驗結果

不同表面活性劑CRME剛度模量（E）試驗結果如圖5所示。由圖5可知，隨著外加水量的增加，剛度模量先增大后減小，且添加表面活性劑后CRME剛度模量稍有提高，添加高效減水劑和潤濕劑后最大剛度模量分別提高了8%和5%。

進一步將間接拉伸強度和剛度模量進行擬合，兩者之間存在較強的相關性，如圖6所示。由圖6可知，剛度模量隨間接拉伸強度的增大而增大，較高的剛度模量代表較好的抗變形能力，所以相比之下高效減水劑更有利于提高CRME的抗變形抗力。

3.5 不同表面活性劑CRME臨界應變能密度試驗結果

臨界應變能密度（D）被證明是表征瀝青混合料疲勞開裂的重要指標，能較好地表征CRME的斷裂行為。不同外加水和表面活性劑的CRME的臨界應變能密度如圖7所示。

由圖7可知，添加高效減水劑和潤濕劑后CRME臨界應變能密度的最大值分別提高18%和6%，即兩種表面活性劑可不同程度提高抗斷裂和抗疲勞開裂的能力，其中高效減水劑在提升抗裂方面更為有效。同時，隨外加水量的增加，臨界應變能密度呈先增大后減小的趨勢，在3%外加水時達到峰值。

進一步將間接拉伸強度和臨界應變能密度進行擬合，兩者之間同樣存在較強的相關性，如圖8所示。臨界應變能密度隨間接拉伸強度的增大而增大，較高的臨界應變能密度代表較好的抗裂能力，所以相比之下高效減水劑更有利于提高CRME的抗斷裂和抗疲勞開裂能力。

3.6 不同表面活性劑對水泥-乳化瀝青膠漿表觀黏度的影響

表觀黏度可以反映水泥-乳化瀝青膠漿中乳化瀝青與水泥顆粒間的相互作用程度，也可以影響CRME的壓實狀態和膠漿在集料表面的裹附能力。圖9為不同表面活性劑的水泥-乳化瀝青膠漿表觀黏度柱狀圖。從圖9可以看出，膠漿的表觀黏度大小順序為：不添加表面活性劑＞潤濕劑＞高效減水劑，即高效減水劑的表觀黏度最低。隨著水灰比的增加，表觀黏度不斷減小，這符合水泥-乳化瀝青膠漿的材料特性。高效減水劑可以大大降低膠漿的黏度，有利于膠漿在集料上裹附和CRME的密實，從而提高CRME的力學性能。雖然潤濕劑降低膠漿黏度的能力弱于高效減水劑，但對CRME密實性也有一定貢獻。此外潤濕劑可顯著提升膠漿的裹附能力，這些特性使潤濕劑同樣具備提升CRME力學性能的能力。綜合以上結論，表面活性劑可提升CRME的體積和力學性能，但高效減水劑和潤濕劑的作用機理不同，高效減水劑在提升CRME性能方面優于潤濕劑。

4 結語

（1）高效減水劑可以降低CRME的空隙率，大大提高間接拉伸強度，同時可一定程提高抗變形能力。潤濕劑也可以降低CRME的空隙率，提高間接拉伸強度，使抗變形能力不隨強度的增加而降低。

（2）CRME的剛度模量和臨界應變能密度與間接拉伸強度之間呈線性關系，這是由于表面活性劑使間接拉伸強度、剛度模量、臨界應變能密度均得到提高。

（3）由于間接拉伸強度和臨界應變能密度是抗裂性能的指標，而剛度模量是抗變形能力指標，因此添加表面活性劑有利于提高CRME抗裂和抗變形能力。在所有CRME中，含有高效減水劑的CRME具有最好的力學性能，相比于不添加表面活性劑其間接拉伸強度、剛度模量、臨界應變能密度分別提高34%、8%、18%，因此建議添加高效減水劑來改善CRME的體積和力學性能。

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