乳化瀝青冷再生混合料性能優(yōu)化及機(jī)理研究

呂政樺， 申愛琴， 覃 瀟， 郭寅川， 阮誠(chéng)皓

(長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院， 陜西 西安 710064)

乳化瀝青冷再生技術(shù)作為一種路面維修手段，其將廢舊瀝青路面銑刨料(RAP)與水泥-乳化瀝青膠漿相結(jié)合，以形成新的冷再生混合料.該冷再生混合料具有綜合性能良好、低碳節(jié)能、綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)[1].華南濕熱地區(qū)夏季持續(xù)高溫多雨，重載、超載現(xiàn)象嚴(yán)重，在高溫、路表積水及車輛荷載長(zhǎng)期作用下，瀝青路面普遍出現(xiàn)車轍、水損害和裂縫等病害.因此采用乳化瀝青冷再生技術(shù)對(duì)該地區(qū)舊瀝青路面進(jìn)行改造，需兼顧高溫性能、水穩(wěn)性能及疲勞性能，以適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境.

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)乳化瀝青冷再生技術(shù)已展開相關(guān)研究.Do Huh等[2]認(rèn)為目前瀝青路面面層RAP回收利用率僅為20%～30%，因此專門開發(fā)了一種聚合物改性劑使RAP回收利用率提高到100%，并對(duì)其混合料進(jìn)行了配合比設(shè)計(jì).Zaumanis等[3]對(duì)RAP摻量1)在40%以上的混合料進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并分析了高摻量RAP的經(jīng)濟(jì)效益.武澤鋒[4]完善了廠拌冷再生混合料試件擊實(shí)與養(yǎng)生方法，發(fā)現(xiàn)水泥有利于提高混合料高溫性能、水穩(wěn)性能、抗凍性能以及力學(xué)性能，但不利于低溫及疲勞作用下的抗裂性能.傅強(qiáng)等[5]從能量機(jī)制角度出發(fā)，研究了水泥乳化瀝青砂漿在不同應(yīng)變率下的能量演化規(guī)律.綜上，現(xiàn)有研究主要集中于冷再生混合料的配合比設(shè)計(jì)及單一性能研究，對(duì)特定環(huán)境條件下冷再生混合料的綜合性能研究鮮有報(bào)道，其綜合性能優(yōu)化方法及改善機(jī)理也有待深入探討.

鑒于此，本文采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，通過高溫車轍試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)以及三點(diǎn)小梁疲勞試驗(yàn)，研究乳化瀝青用量、水泥摻量及RAP摻量對(duì)華南濕熱地區(qū)冷再生混合料高溫性能、水穩(wěn)性能及疲勞性能的影響規(guī)律，并基于多指標(biāo)加權(quán)方法進(jìn)行性能優(yōu)化及影響因素優(yōu)選.最終借助掃描電鏡(SEM)微觀測(cè)試來(lái)揭示水泥-乳化瀝青膠漿對(duì)冷再生混合料的抗裂增強(qiáng)機(jī)理.

1)本文涉及的摻量、用量等均為質(zhì)量分?jǐn)?shù).

1 原材料及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

RAP選自廣東省佛山市某高速公路瀝青面層銑刨料，考慮RAP中舊瀝青的老化程度，把RAP當(dāng)成“黑色集料”來(lái)使用[6]，RAP中的回收舊瀝青技術(shù)指標(biāo)見表1.銑刨后的RAP根據(jù)粒徑分3檔，為滿足級(jí)配設(shè)計(jì)范圍，加入粒徑為10～20mm的粗集料和粒徑小于0.075mm的礦粉填料.冷再生混合料的級(jí)配組成見表2.乳化瀝青選自臨江瀝青拌和站生產(chǎn)的陽(yáng)離子慢裂型乳化瀝青，水泥選用龍山P·C32.5 水泥，以外摻方式加入混合料中.原材料各項(xiàng)性能指標(biāo)經(jīng)檢測(cè)均符合JTG F41—2008《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》要求.

表1 舊瀝青的技術(shù)指標(biāo)

表2 冷再生混合料級(jí)配組成

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

基于華南濕熱地區(qū)氣候特征與材料性狀，選取乳化瀝青用量、水泥摻量和RAP摻量作為華南濕熱地區(qū)乳化瀝青冷再生混合料的主要影響因素,分別用A，B，C表示.每種因素選取3個(gè)水平，采用L9(33)正交設(shè)計(jì)表，見表3.

表3 乳化瀝青冷再生混合料正交試驗(yàn)表頭

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1高溫車轍試驗(yàn)

采用車轍試驗(yàn)儀測(cè)試?yán)湓偕旌狭系膭?dòng)穩(wěn)定度，以此來(lái)評(píng)價(jià)其高溫性能.為使室內(nèi)車轍試驗(yàn)?zāi)芨玫啬M路面使用情況，室內(nèi)試驗(yàn)溫度需根據(jù)實(shí)際層位溫度來(lái)設(shè)定.工程所在地區(qū)夏季氣溫高達(dá)39.2℃，緯度為23°，冷再生層以上路面厚度為12cm，根據(jù)SHARP溫度計(jì)算公式[7](見式(1))，可得路面冷再生層溫度為48.1℃，因此室內(nèi)試驗(yàn)溫度采用50.0℃更能貼合實(shí)際情況.

Td=(Tair-0.00618Lat2+0.2289Lat+24.4)×(1-0.063d+0.007d2-0.004d3)

(1)

式中：Td為路表以下d深度處的層位溫度；Tair為氣溫；Lat為緯度.

1.3.2水穩(wěn)性能試驗(yàn)

不同環(huán)境下室內(nèi)馬歇爾試件擊實(shí)及養(yǎng)生方法對(duì)乳化瀝青冷再生混合料力學(xué)及路用性能的影響有顯著差異.根據(jù)DB 36/T 573—2010《瀝青路面乳化瀝青廠拌冷再生技術(shù)規(guī)范》，采用的擊實(shí)及養(yǎng)生方法為：首次雙面擊實(shí)100次，試件帶模放入60℃烘箱并恒溫通風(fēng)養(yǎng)生48h后取出，緊接著二次雙面擊實(shí)50次.并通過馬歇爾殘留穩(wěn)定度(MS)和凍融劈裂強(qiáng)度比(TSR)來(lái)評(píng)價(jià)冷再生混合料在水損害作用下的抗壓能力和間接抗拉能力.

1.3.3三點(diǎn)小梁疲勞試驗(yàn)

采用MTS萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行三點(diǎn)小梁疲勞試驗(yàn)，通過應(yīng)力控制模式加載，取應(yīng)力比為0.3(低應(yīng)力比)和0.6(高應(yīng)力比)，加載頻率為10Hz，加載時(shí)間為0.016s，以模擬冷再生路面在中等交通及重載交通下的疲勞抗裂性能.小梁試件采用車轍板碾壓成型后，切割成25mm×35mm×250mm的尺寸形式.加載過程中，小梁試件的疲勞變形由穩(wěn)定階段發(fā)展到失穩(wěn)速增階段，定義冷再生混合料在應(yīng)力比為0.3，0.6下出現(xiàn)失穩(wěn)變形時(shí)所對(duì)應(yīng)的加載次數(shù)N0.3,N0.6為其疲勞壽命[8].

2 結(jié)果與討論

2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

華南濕熱地區(qū)乳化瀝青冷再生混合料各性能正交試驗(yàn)結(jié)果見表4.對(duì)表4進(jìn)行方差分析，以明確乳化瀝青用量、水泥摻量與RAP摻量對(duì)混合料性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的顯著性影響程度，計(jì)算結(jié)果見表5.

由表5可知:冷再生混合料高溫性能(動(dòng)穩(wěn)定度)主要受乳化瀝青用量和水泥摻量的影響，RAP摻量對(duì)動(dòng)穩(wěn)定度的影響不顯著；但就水穩(wěn)性能而言，RAP摻量是影響馬歇爾殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比的主要因素，而水泥摻量側(cè)重影響馬歇爾殘留穩(wěn)定度，乳化瀝青用量側(cè)重影響凍融劈裂強(qiáng)度比；不同應(yīng)力比下冷再生混合料的疲勞性能受各因素影響的顯著性不同，低應(yīng)力比時(shí)顯著性順序依次為RAP摻量>水泥摻量>乳化瀝青用量，高應(yīng)力比時(shí)顯著性順序依次為水泥摻量>RAP摻量>乳化瀝青用量.

表4 冷再生混合料正交試驗(yàn)結(jié)果

表5 冷再生混合料方差分析結(jié)果

基于華南濕熱地區(qū)氣候環(huán)境及重載交通長(zhǎng)期作用，應(yīng)著重考慮冷再生混合料水穩(wěn)性能并兼顧高溫性能和高應(yīng)力比下的疲勞性能，因此在冷再生混合料設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)須重點(diǎn)控制RAP摻量及水泥摻量.

2.2 混合料高溫性能影響規(guī)律

據(jù)表4中高溫性能的正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著乳化瀝青用量的增加，冷再生混合料動(dòng)穩(wěn)定度減小，當(dāng)乳化瀝青用量按0.3%的梯度由3.2%增大到3.5%及3.8%時(shí)，混合料動(dòng)穩(wěn)定度分別減小了5.0%與10.7%.這是由于當(dāng)乳化瀝青用量增大時(shí)，混合料中的自由瀝青含量隨之增大，從而產(chǎn)生減阻潤(rùn)滑作用，在外力作用下集料易發(fā)生相對(duì)滑移，骨架嵌擠力下降，導(dǎo)致混合料抗車轍能力降低.

由表4還可知：冷再生混合料動(dòng)穩(wěn)定度隨水泥摻量增加而增大.當(dāng)水泥摻量從1.0%增大到1.5%與2.0%時(shí)，冷再生混合料動(dòng)穩(wěn)定度增加了4.9%與11.2%.水泥摻量增加會(huì)形成更多水化產(chǎn)物，從而提高混合料的整體強(qiáng)度；隨RAP摻量增加，混合料動(dòng)穩(wěn)定度呈先增大后下降的趨勢(shì)，但幅度較小，因此可以認(rèn)為RAP摻量對(duì)混合料高溫性能無(wú)顯著影響.

2.3 混合料水穩(wěn)性能影響規(guī)律

據(jù)表4中水穩(wěn)性能的正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果可知，冷再生混合料馬歇爾殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比受各因素的影響規(guī)律基本相同，即隨乳化瀝青用量、水泥摻量與RAP摻量的增加，混合料馬歇爾殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比同步出現(xiàn)增大、增大以及先增大后減小的變化趨勢(shì).表5中的方差分析結(jié)果本質(zhì)上反映了各因素對(duì)冷再生混合料在受壓和間接拉伸時(shí)所表現(xiàn)出的水穩(wěn)性能分別具有主導(dǎo)影響和側(cè)重影響.

當(dāng)乳化瀝青用量由3.2%增大到3.8%時(shí)，冷再生混合料馬歇爾殘留穩(wěn)定度提高了4.2%，凍融劈裂強(qiáng)度比提高了12.8%，說(shuō)明乳化瀝青抵抗混合料內(nèi)部水分凍脹破壞及抗拉效果更為顯著.隨著水泥摻量的增加，冷再生混合料馬歇爾殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比分別提高了10.5%和5.7%，說(shuō)明水化產(chǎn)物增加使得冷再生混合料強(qiáng)度增大，提高了其水損抗壓性能.但當(dāng)水泥摻量超過1.5%時(shí)，混合料水穩(wěn)性能增幅減小，這可能是由于瀝青膠漿中水泥摻量過大會(huì)造成結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，導(dǎo)致水泥填充分布不均勻，在受力薄弱面處產(chǎn)生應(yīng)力集中所造成的.

隨著RAP摻量的增加，冷再生混合料馬歇爾殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比同時(shí)趨于先增大后減小.究其原因：RAP表面紋理粗糙，易被瀝青膠漿刺入裹覆，且其表面舊瀝青經(jīng)乳化劑溶融后，增大了瀝青膜的厚度，從而提高了黏結(jié)力，因此當(dāng)RAP摻量從70%提高到80%時(shí)，冷再生混合料的水穩(wěn)性能增大；但當(dāng)RAP摻量進(jìn)一步增大到90%時(shí)，RAP自身易破碎與壓碎值大的特性凸顯，且由于舊瀝青含量增加，集料骨架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生滑移作用，因此混合料表現(xiàn)出水穩(wěn)性能的降低.

2.4 不同應(yīng)力比下混合料疲勞性能研究

據(jù)表4中不同應(yīng)力比下疲勞性能的正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果可知：在低應(yīng)力比下，冷再生混合料的疲勞壽命隨乳化瀝青用量增加呈先增大后降低趨勢(shì)，由于冷再生混合料空隙率較大，因此增加乳化瀝青用量可以填充其空隙，改善混合料密實(shí)度；但乳化瀝青過量會(huì)在一定程度上干涉集料顆粒之間的骨架結(jié)構(gòu)，自由瀝青含量也會(huì)隨之增加.隨著水泥摻量的增加，冷再生混合料疲勞壽命增大，但后期增幅有所減小，究其原因，水泥的摻入提高了冷再生混合料的勁度模量，在低應(yīng)力比下其變形相對(duì)較小，疲勞損失相對(duì)較少，但進(jìn)一步提高水泥摻量對(duì)混合料疲勞壽命的影響并不顯著.與乳化瀝青用量的影響規(guī)律相似，冷再生混合料疲勞壽命隨RAP摻量提高同樣先增大后減小，這可能是由于隨RAP摻量增加，粗集料摻配比例減少，集料空隙率降低，密實(shí)度增大，級(jí)配特性得以優(yōu)化，但RAP自身破碎程度及裹覆的舊瀝青老化程度也會(huì)進(jìn)一步影響混合料的疲勞壽命.

同理，在高應(yīng)力比下，隨著乳化瀝青用量和RAP摻量的增加，混合料的疲勞壽命均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，即在中間合理?yè)搅糠秶鷷r(shí)混合料達(dá)到最佳疲勞性能.這與低應(yīng)力比下混合料疲勞壽命的變化規(guī)律相似，說(shuō)明當(dāng)乳化瀝青用量和RAP摻量控制在合理范圍內(nèi)時(shí)，冷再生混合料疲勞性能均能適應(yīng)不同應(yīng)力加載方式，并能同步達(dá)到最優(yōu).

與低應(yīng)力比作用不同的是，隨著水泥摻量的增加，冷再生混合料疲勞壽命先增大后減小.當(dāng)水泥摻量過高時(shí)，混合料剛度增大，柔性降低，高應(yīng)力比對(duì)混合料加載所產(chǎn)生的能量來(lái)不及通過流動(dòng)變形被消耗掉，大部分能量只能通過裂紋發(fā)育、材料損傷的形式釋放，故混合料脆性增大，易于開裂，疲勞壽命降低.

3 多指標(biāo)加權(quán)分析及混合料性能優(yōu)化

3.1 多指標(biāo)加權(quán)計(jì)算方法

(1)基于上述正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)中的9組方案S=(S1，S2，…，S9)，5個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)P=(P1，P2，…，P5)，對(duì)樣本矩陣進(jìn)行無(wú)量綱化處理，得到模糊矩陣R[9]：

(2)

(2)結(jié)合客觀分析中的離差最大化法和主觀分析中的層次分析法，對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重設(shè)計(jì).采用離差最大化法確定各指標(biāo)的相對(duì)離散度權(quán)a，并作歸一化處理，即：

(3)

(4)

3.2 基于多指標(biāo)加權(quán)的混合料性能優(yōu)化

基于華南濕熱地區(qū)冷再生混合料性能要求，各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重設(shè)計(jì)結(jié)果見表6.通過多指標(biāo)加權(quán)優(yōu)化，對(duì)混合料綜合性能進(jìn)行單指標(biāo)分析，結(jié)果見表7.

表6 權(quán)重設(shè)計(jì)結(jié)果

表7 多指標(biāo)加權(quán)性能優(yōu)化及因素優(yōu)選結(jié)果

由表7可見，根據(jù)華南濕熱地區(qū)氣候特征及重載交通狀況，乳化瀝青冷再生混合料綜合路用性能受水泥摻量和RAP摻量影響較為顯著，受乳化瀝青用量影響則較小.由于試驗(yàn)所選性能評(píng)價(jià)指標(biāo)均為增益型指標(biāo)，故綜合性能最大值所對(duì)應(yīng)的因素水平即為最佳組合，因此建議華南濕熱地區(qū)乳化瀝青冷再生混合料最佳組合為A2B3C2，即乳化瀝青用量為3.5%，水泥摻量為2.0%，RAP摻量為80%.

4 水泥-乳化瀝青膠漿抗裂增強(qiáng)機(jī)理分析

將混合料切割成直徑3～5mm的塊狀試樣，經(jīng)烘干、去磁、拋光及鍍金后，用導(dǎo)電膠將其粘貼在樣品座上，放入掃描電鏡中通過調(diào)整不同放大倍數(shù)觀察其不同部位的微觀結(jié)構(gòu)特征.首先對(duì)水泥-乳化瀝青膠漿及RAP-膠漿界面的微觀形貌進(jìn)行觀察，結(jié)果見圖1，2.

圖1 水泥-乳化瀝青膠漿的微觀形貌Fig.1 Micrograph of cement-emulsified asphalt mortar

圖2 RAP-膠漿界面的微觀形貌Fig.2 Micrograph of RAP-mortar interface

由圖1可見，水泥水化產(chǎn)物(圖中白色區(qū)域)呈簇狀沿各向均勻分布，并刺入圖中深色區(qū)域的瀝青內(nèi)部以及集料表面的孔隙紋理中，交織形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，起到加筋、錨固作用.另外，乳化瀝青由于水泥水化吸水提早破乳，更快地黏結(jié)在集料表面，從而增強(qiáng)了水泥-乳化瀝青膠漿在集料表面的黏附能力，因此水泥的摻入有助于混合料早期水穩(wěn)性能的提高.

由圖2可見，RAP表面裹覆的舊瀝青在乳化劑溶融下，與新膠漿相互包裹呈絮狀層次結(jié)構(gòu)，并通過水化產(chǎn)物貫穿搭接.同時(shí)，由于舊瀝青老化黏度大，水泥的填充致密作用提高了新膠漿的勁度模量，減少了新舊膠漿間的勁度模量差異，從而改善了界面的變形協(xié)調(diào)性，因此宏觀表現(xiàn)為冷再生混合料的空隙率減小，密實(shí)度提高，具有較高的強(qiáng)度和抗裂性能.

冷再生混合料疲勞損傷微觀形貌和水泥-乳化瀝青膠漿損傷斷裂面分別見圖3，4.

圖3 冷再生混合料疲勞損傷微觀形貌Fig.3 Micrograph of fatigue damage of cold recycled mixture

圖4 水泥-乳化瀝青膠漿損傷斷裂面微觀形貌Fig.4 Micrograph of damage fracture of mortar

基于界面強(qiáng)度理論和Miner疲勞損傷模型[10]，冷再生混合料界面強(qiáng)度相對(duì)薄弱，經(jīng)重復(fù)加載后集料與膠漿界面處首先受到破壞，如圖3所示.外力所做的功將轉(zhuǎn)化為裂縫發(fā)育、產(chǎn)生新表面時(shí)的表面能，以及微孔、錯(cuò)位、裂紋等材料損傷演化所需的能量，因此應(yīng)力比越大，混合料裂縫發(fā)育速率越快，疲勞壽命越小.

由圖4可見，在水泥-乳化瀝青膠漿損傷斷裂面處，硅酸三鈣等簇狀水化產(chǎn)物與瀝青膠結(jié)，其“觸角”沿各向均勻分布并與集料相互搭接，增強(qiáng)了界面的摩阻嵌鎖力.在受到外力作用時(shí)，水泥-乳化瀝青膠漿上的“觸角”被拉長(zhǎng)，并向集料傳遞和分散應(yīng)力，將外力做功產(chǎn)生的能量一部分轉(zhuǎn)化為彈性應(yīng)變能被儲(chǔ)存下來(lái)，另一部分轉(zhuǎn)化為流動(dòng)變形能被發(fā)熱耗散掉，因此減緩了裂縫發(fā)育速率，具有很好的阻裂效果.

5 結(jié)論

(1)冷再生混合料高溫性能主要受乳化瀝青用量和水泥摻量的影響，而其水穩(wěn)性能受RAP摻量的影響最為顯著；不同應(yīng)力比下其疲勞性能受各因素影響顯著性不同.在混合料優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)須重點(diǎn)考慮RAP摻量及水泥摻量對(duì)冷再生混合料路用性能的影響.

(2)基于多指標(biāo)加權(quán)分析，對(duì)冷再生混合料進(jìn)行綜合性能優(yōu)化及影響因素優(yōu)選，建議華南濕熱地區(qū)乳化瀝青冷再生混合料的最佳組合為：乳化瀝青用量為3.5%，水泥摻量為2.0%，RAP摻量為80%.

(3)水泥-乳化瀝青膠漿改善了冷再生混合料內(nèi)部微觀形貌以及界面變形能力，與集料形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，能更好地傳遞和分散應(yīng)力，抑制裂縫擴(kuò)展，抗裂效果顯著.