乳化瀝青冷再生混合料強(qiáng)度特性及機(jī)理研究

王豐

【摘?要】對(duì)于乳化瀝青冷再生配合比設(shè)計(jì)而言，其關(guān)鍵環(huán)節(jié)便是乳化瀝青配方設(shè)計(jì)，也即是乳化瀝青的選擇及其與RAP料的配伍性設(shè)計(jì)驗(yàn)證，乳化瀝青配方對(duì)于乳化瀝青冷再生混合料路用性能及后期的施工質(zhì)量具有至關(guān)重要的影響。目前，國(guó)家及行業(yè)規(guī)范均未對(duì)冷再生乳化瀝青的配方設(shè)計(jì)提出明確的方法及要求。論文針對(duì)這一問(wèn)題，從乳化瀝青冷再生混合料強(qiáng)度形成機(jī)理入手，探討了適用于冷再生的乳化瀝青配方設(shè)計(jì)理論與方法，論文對(duì)于乳化瀝青冷再生配合比設(shè)計(jì)具有重要參考價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】瀝青路面;冷再生;配合比設(shè)計(jì);乳化瀝青配方;理論研究

Study on Strength Characteristics and Mechanism of Emulsified Asphalt Cold Recycled Mixture

Wang Feng

（Chongqing Municipal Design and Research Institute?Chongqing?400025）

【Abstract】For the cold recycled mix design of emulsified asphalt， the key part is the design of emulsified asphalt formula， which is the choice of emulsified asphalt and its compatibility with RAP material. The emulsified asphalt formula is used for emulsified asphalt cold recycled mixed material road. Performance and late construction quality have a critical impact. At present， national and industry norms do not provide clear methods and requirements for the formulation of cold regenerated emulsified asphalt. Aiming at this problem， this paper starts with the formation mechanism of emulsified asphalt cold recycled mixture strength， and discusses the theory and method of emulsified asphalt formula design suitable for cold regeneration. The paper has important reference value for the design of emulsified asphalt cold regeneration mix.

【Key words】Asphalt pavement;Cold regeneration;Mix design;Emulsified asphalt formula;Theoretical study

1. 引言

（1）乳化瀝青冷再生混合料組成包括乳化瀝青、舊瀝青、集料、水泥，乳化瀝青中又包含乳化劑、水和基質(zhì)瀝青，其組成成分相對(duì)普通的熱拌瀝青混合料復(fù)雜。但是，乳化瀝青冷再生混合料和熱拌瀝青混合料的主要成分都還是瀝青和礦料，兩者都為柔性路面結(jié)構(gòu)，在力學(xué)響應(yīng)模式等方面有許多共同之處，且二者在拌合、運(yùn)輸、攤鋪、碾壓等施工過(guò)程也是極為相似的。

（2）但是，與熱拌瀝青混合料相比，乳化瀝青冷再生也有其特殊之處，由于冷再生混合料中一般都含有水分，冷再生混合料的配合比設(shè)計(jì)和半剛性材料的配合比設(shè)計(jì)也存在相似之處。因此很多學(xué)者在進(jìn)行乳化瀝青冷再生混合料設(shè)計(jì)時(shí)，最佳含水量按照半剛性基層的土工擊實(shí)試驗(yàn)來(lái)確定，混合料的級(jí)配合成、最佳乳化瀝青用量、以及混合料的最終性能驗(yàn)證過(guò)程則跟熱拌混合料比較相似。因此在進(jìn)行《瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》（JTG F41-2008）編制時(shí)，由于缺乏足夠的工程經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)支持，乳化瀝青冷再生混合料的設(shè)計(jì)是在綜合半剛性基層和熱拌混合料的設(shè)計(jì)方法基礎(chǔ)上編制的。

2. 乳化瀝青冷再生材料組成

（1）事實(shí)上，乳化瀝青冷再生混合料是一種復(fù)雜的復(fù)合材料，其強(qiáng)度成型過(guò)程也較熱拌混合料要復(fù)雜的多。我國(guó)集料大部分是由硅酸鹽和碳酸鹽等礦物質(zhì)組成，其表面被水潤(rùn)濕后帶負(fù)電荷，而冷再生采用的為陽(yáng)離子乳化瀝青，兩者在有水膜存在的情況下，瀝青微粒可迅速、牢固地與礦料表面通過(guò)電荷作用吸附結(jié)合，最終粘結(jié)在一起。電荷作用的過(guò)程也是乳化瀝青破乳的過(guò)程，對(duì)乳化瀝青冷再生混合料來(lái)說(shuō)，這個(gè)過(guò)程通常需要較長(zhǎng)的時(shí)間。壓實(shí)不久的乳化瀝青冷再生混合料是由初步開(kāi)始破乳并恢復(fù)瀝青性質(zhì)的乳化瀝青、大量的水、粗細(xì)銑刨料以及礦粉構(gòu)成，某些情況下還包括較少量的水泥新加集料。壓實(shí)成型的混合料，在行車荷載和環(huán)境溫度作用下，水分不斷蒸發(fā)、乳化瀝青不斷破乳并恢復(fù)瀝青粘結(jié)性質(zhì)，30天后乳化瀝青冷再生混合料含有很少量的水分，強(qiáng)度基本形成，最終達(dá)到與熱拌瀝青路面幾乎相同的使用效果。因此，在整個(gè)乳化瀝青冷再生路面成型的過(guò)程中，更多的是RAP料與乳化瀝青之間的化學(xué)吸附起主導(dǎo)作用。

（2）目前制定的《瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》和實(shí)施乳化瀝青冷再生設(shè)計(jì)和施工的絕大多數(shù)人員以混合料研究和施工為主，對(duì)乳化劑和乳化瀝青的知識(shí)缺乏足夠的了解，因此對(duì)乳化瀝青冷再生混合料的強(qiáng)度形成機(jī)理也缺乏深入的研究。

3. 乳化瀝青冷再生混合料強(qiáng)度形成機(jī)理

（1）同熱拌瀝青混合料相比，乳化瀝青冷再生混合料強(qiáng)度構(gòu)成因素同樣是材料的內(nèi)聚力和內(nèi)摩阻力;不同的是，乳化瀝青冷再生混合料的內(nèi)聚力和內(nèi)摩阻力有一個(gè)動(dòng)態(tài)的變化過(guò)程，在混合料初期和后期對(duì)混合料強(qiáng)度的貢獻(xiàn)不同。內(nèi)聚力主要由瀝青的粘聚力及瀝青與礦料的粘附力組成，內(nèi)摩阻力主要由銑刨料之間的嵌擠和摩擦構(gòu)成。乳化瀝青冷再生混合料的抗剪強(qiáng)度可通過(guò)三軸試驗(yàn)方法應(yīng)用摩爾-庫(kù)侖包絡(luò)線方程求得。

（2）乳化瀝青冷再生混合料必須經(jīng)過(guò)乳液與集料的粘附、分解破乳、水分蒸發(fā)等環(huán)節(jié)之后才能完全恢復(fù)原有的粘結(jié)性能，同時(shí)在壓實(shí)作用下，破乳后瀝青與銑刨料緊密粘結(jié)在一起并最終形成強(qiáng)度。攤鋪碾壓初始階段的乳化瀝青冷再生混合料，由于瀝青粘結(jié)力較低，所以混合料內(nèi)聚力較低;同時(shí)混合料中存在較多水分，水的粘度低于瀝青，水分在混合料中甚至起著“潤(rùn)滑”作用，降低集料間內(nèi)摩阻力，此時(shí)混合料初期強(qiáng)度主要來(lái)源于內(nèi)摩阻力，即內(nèi)摩阻力對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于內(nèi)聚力。隨著水分蒸發(fā)和行車荷載的壓實(shí)作用，乳化瀝青冷再生混合料密實(shí)度逐步增加，裹覆在銑刨料表面的瀝青、乳化劑的分布狀態(tài)進(jìn)一步調(diào)整、強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，30天后強(qiáng)度幾乎完全形成。此時(shí)混合料具有與熱拌瀝青混合料相同（接近）的路用性能，內(nèi)聚力和內(nèi)摩阻力同時(shí)起到重要作用，尤其是內(nèi)聚力的提高，使強(qiáng)度有大幅的升高。

（3）由于乳化瀝青在初期大部分還未破乳，未形成粘結(jié)力，內(nèi)摩阻力在初期強(qiáng)度中起主要作用，后期由于路面的壓實(shí)也會(huì)有一定的增長(zhǎng)幅度，其大小主要與級(jí)配有關(guān)。但乳化瀝青冷再生混合料大多由假級(jí)配的RAP料組成，實(shí)際級(jí)配組成中粗集料含量非常少，絕大部分集料粒徑較細(xì)，難以形成骨架嵌擠結(jié)構(gòu)。因此隨著乳化瀝青的破乳、凝結(jié)，內(nèi)聚力逐漸在乳化瀝青冷再生混合料體系中起主導(dǎo)作用，對(duì)整個(gè)混合料體系的強(qiáng)度貢獻(xiàn)更大。

4. 乳化瀝青冷再生混合料內(nèi)聚力形成機(jī)理

瀝青混合料（包括乳化瀝青混合料）的內(nèi)摩阻力與級(jí)配有關(guān)，內(nèi)聚力則與瀝青膠結(jié)料密切相關(guān)，但與熱拌混合料有所不同，碾壓后的路面溫度降到環(huán)境溫度后，熱拌混合料的粘聚力就基本形成。但乳化瀝青冷再生需要經(jīng)歷一個(gè)乳化瀝青破乳、凝結(jié)，路面水分蒸發(fā)的過(guò)程，整個(gè)過(guò)程非常復(fù)雜和漫長(zhǎng)，這個(gè)過(guò)程中，乳化劑的性質(zhì)、乳化瀝青的固含量和用量是影響混合料內(nèi)聚力的關(guān)鍵。因此本文將主要通過(guò)這幾個(gè)因素來(lái)探討乳化瀝青冷再生混合料粘聚力的強(qiáng)度形成機(jī)理。

4.1?瀝青乳化原理及乳化劑的種類選擇。

（1）對(duì)于乳化瀝青來(lái)說(shuō)，直接將瀝青分散到水中需要克服巨大的界面張力作用，也就是說(shuō)要施加很大的能量。且瀝青分散到很小的顆粒時(shí)，其比表面積增加非常大，這樣使產(chǎn)生的乳化瀝青體系具有很高的能量狀態(tài)，生成的乳液也不會(huì)穩(wěn)定，因此在生產(chǎn)乳化瀝青時(shí)，降低水的表面張力是非常必要的。表面活性劑由于具有親水基和憎水基的兩親分子結(jié)構(gòu)，能吸附于油水相排斥的界面上，從而降低油水之間的界面張力，使油水混合液能夠在同一個(gè)體系內(nèi)較為穩(wěn)定的存在。瀝青乳化劑是表面活性劑的一種，在進(jìn)行乳化瀝青生產(chǎn)時(shí)，乳化劑能夠降低瀝青與水之間的界面張力，同時(shí)由于乳化劑的離子特性，能夠在形成的乳液中，使瀝青顆粒帶上電荷并形成界面膜及水合層，使得乳化瀝青能夠有較長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定儲(chǔ)存。

（2）瀝青乳化劑的種類很多，但總體來(lái)說(shuō)，親水基對(duì)瀝青乳化劑的性質(zhì)影響較大，所以通常按離子類型和親水基的種類劃分。按離子類型分為陽(yáng)離子、陰離子、兩性、非離子型瀝青乳化劑;按破乳速度則分為快裂、中裂、慢裂乳化劑。乳化瀝青冷再生中采用的主要為陽(yáng)離子慢裂乳化劑，但這樣的乳化劑有很多種。雖然乳化劑在乳化瀝青中所占的比例較小，但其對(duì)乳化瀝青的生產(chǎn)、儲(chǔ)存及施工，均有較大的影響，所以，需要根據(jù)生產(chǎn)乳液的用途、乳化效果來(lái)精心的選擇乳化劑的種類。在進(jìn)行冷再生乳化瀝青配方設(shè)計(jì)時(shí)，要綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)的氣候條件、設(shè)計(jì)厚度、混合料級(jí)配、水泥品種及摻量、RAP料活性、拌和方式、成型方式、運(yùn)距等等，因此在進(jìn)行乳化劑選擇時(shí)將至少考慮三個(gè)方面：乳化劑類型的選擇、乳化劑效果的評(píng)價(jià)、乳化劑效率。

4.2?乳化瀝青的固含量和用量。

（1）乳化瀝青的固含量一般控制在55～70%之間，再生用的乳化瀝青固含量甚至要求大于62%。較高的乳化瀝青的固含量不僅能夠節(jié)約運(yùn)費(fèi)（其中含有約40%的水），提高生產(chǎn)效率，而且還影響其與集料的裹覆狀況、儲(chǔ)存穩(wěn)定性、破乳速度等。

（2）乳化瀝青冷再生混合料中的乳化瀝青最終是以瀝青膜的形式覆蓋在集料表面，較高的乳化瀝青固含量能夠提高較大的粘度，與集料結(jié)合時(shí)瀝青膜的厚度也較厚，使混合料拌合時(shí)會(huì)有較理想的裹覆效果。同時(shí)較厚的瀝青膜厚度對(duì)于再生混合料的抗水損性能和疲勞性能都有很大的幫助。因此在乳化瀝青冷再生體系中，較高的乳化瀝青固含量和乳化瀝青用量是必要的。乳化瀝青的固含量還影響其儲(chǔ)存穩(wěn)定性和破乳速度。由于乳化瀝青的分散相粒子（瀝青微粒）直徑在0.1～10μm的范圍內(nèi)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于溶液中分子的直徑，因此屬于粗分散的水包油體系，這種體系只能在一定的時(shí)間能處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，最終必然會(huì)出現(xiàn)油水分層現(xiàn)象，但合適的瀝青固含量能夠使乳化瀝青儲(chǔ)存較長(zhǎng)的時(shí)間。乳化瀝青是相界面很大的多相體系，帶電荷的瀝青微粒形成的液珠有自發(fā)凝結(jié)，以降低體系總界面能的傾向。雖然油水界面之間界面張力的降低有助于乳化瀝青的穩(wěn)定，但乳化瀝青中的液珠一直是處于相互碰撞的布朗運(yùn)動(dòng)中。如果碰撞過(guò)程中界面膜破裂，兩個(gè)液珠將并結(jié)成一個(gè)大液珠。這一過(guò)程繼續(xù)下去，使體系的自由能降低，最終將導(dǎo)致乳化瀝青的破乳分層。

（3）瀝青固含量較低時(shí)，液珠界面上吸附的分子較少，界面膜的強(qiáng)度較差，宏觀上表現(xiàn)出乳化瀝青的粘度較小，體系阻止瀝青微粒下沉的浮力也較小，油水會(huì)較快的分層，體系失去相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài);固含量逐漸增大，瀝青微粒形成的液珠排列逐漸緊密，界面膜也由比較緊密的、定向吸附的分子組成，界面膜的強(qiáng)度較高，碰撞過(guò)程中不易破裂。宏觀上則乳化瀝青的粘度也逐漸增加，瀝青微粒在體系中處于較為平衡的狀態(tài)，乳化瀝青能夠較為穩(wěn)定的儲(chǔ)存;固含量繼續(xù)增大，液珠排列更加緊密，瀝青微粒雙電層結(jié)構(gòu)外層的擴(kuò)散層逐漸變薄，ζ電位減小，界面膜的強(qiáng)度降低，瀝青微粒在碰撞過(guò)程中容易并結(jié)成團(tuán)，導(dǎo)致乳化瀝青破乳分層。宏觀上表現(xiàn)為瀝青含量升高，乳化瀝青的粘度繼續(xù)增大，由于瀝青比表面積的增大沒(méi)有足夠多的水分來(lái)形成水包油的結(jié)構(gòu)，造成結(jié)構(gòu)破壞，乳化瀝青破乳，體系失去穩(wěn)定性。根據(jù)《殼牌瀝青手冊(cè)》，普通乳化瀝青的粘度在固含量67.5%左右出現(xiàn)拐點(diǎn)，固含量繼續(xù)增大，乳化瀝青的破乳速度會(huì)逐漸加快，體系的儲(chǔ)存穩(wěn)定性變差。

（4）由于再生混合料在拌合過(guò)程中需要加入外加水，一方面是使RAP料表面形成水膜界面，便于乳化瀝青與集料的裹覆;另一方面也使乳化瀝青稀釋，固含量降低，乳化瀝青冷再生混合料體系的粘度降低，便于混合料拌合、攤鋪、碾壓等施工過(guò)程中的和易性。以冷再生施工時(shí)乳化瀝青固含量62%，用量3.5%，外加水（包括RAP料本身含水率）2.5%計(jì)算，乳化瀝青的固含量相當(dāng)于從62%降低到36.17%，因此體系粘度大為降低，具有較好的施工和易性。但混合料中的乳化瀝青在外界環(huán)境的影響、機(jī)械的拌合、以及RAP料和水泥等強(qiáng)電解質(zhì)的加入等作用下會(huì)逐漸破乳，水分會(huì)逐漸散失。相對(duì)而言就是乳化瀝青的固含量逐漸升高，粘度逐漸增大，混合料的內(nèi)部粘聚力逐漸增大，施工和易性逐漸降低。理想的乳化瀝青冷再生混合料是希望在拌合和攤鋪的過(guò)程中，乳化瀝青具有較好的保水性，破乳速度較慢，混合料體系的粘度不至增加過(guò)大使混合料失去施工和易性。但是在碾壓階段又希望乳化瀝青能夠盡快破乳，將體系中的水分泌出，瀝青能夠盡快凝結(jié)形成強(qiáng)度，縮短混合料的養(yǎng)生時(shí)間，便于盡快通車。

（5）因此，在進(jìn)行冷再生乳化瀝青配方設(shè)計(jì)時(shí)，實(shí)際上是一個(gè)平衡的過(guò)程，平衡強(qiáng)度、性能和施工和易性的過(guò)程。我們希望設(shè)計(jì)出的乳化瀝青配方能夠較好的符合上述施工過(guò)程中的需要，配方設(shè)計(jì)的破乳速度過(guò)快和過(guò)慢都容易出現(xiàn)工程質(zhì)量問(wèn)題。配方設(shè)計(jì)的過(guò)快，乳化瀝青在拌合和運(yùn)輸過(guò)程中可能就已大量破乳，容易造成混合料拌合電流過(guò)大，經(jīng)常需要停機(jī)清理，混合料因結(jié)團(tuán)而卸車?yán)щy、碾壓粘輪、橫向裂紋、壓實(shí)度不足等現(xiàn)象;配方設(shè)計(jì)的過(guò)慢，混合料則對(duì)水敏感性很強(qiáng)，稍微增加用水量就會(huì)導(dǎo)致混合料漿態(tài)流淌，粘車、碾壓彈簧現(xiàn)象，對(duì)天氣也非常敏感，遇下雨則很難形成強(qiáng)度。

5. 結(jié)論

相對(duì)于熱拌瀝青混合料來(lái)說(shuō)，乳化瀝青混合料的強(qiáng)度形成機(jī)理是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程。本文結(jié)合化學(xué)和道路材料兩方面的知識(shí)，分別從微觀角度和宏觀角度對(duì)乳化瀝青冷再生混合料的強(qiáng)度形成機(jī)理進(jìn)行分析，結(jié)論如下：

（1）乳化瀝青冷再生混合料的強(qiáng)度完全形成非常漫長(zhǎng)，需要經(jīng)歷水分不斷蒸發(fā)、乳化瀝青不斷破乳并恢復(fù)瀝青粘結(jié)性質(zhì)的過(guò)程。

（2）乳化瀝青冷再生混合料的強(qiáng)度仍然由內(nèi)聚力和內(nèi)摩阻力形成，內(nèi)摩阻力與級(jí)配有關(guān)，內(nèi)聚力與乳化瀝青的粘結(jié)性能有關(guān)。在強(qiáng)度形成初期，乳化瀝青并未破乳化，內(nèi)摩阻力起主要作用，之后隨著乳化瀝青的破乳，內(nèi)聚力呈大幅度增加，并逐漸占主導(dǎo)地位。

（3）乳化劑種類、乳化瀝青的固含量和用量通過(guò)影響乳化瀝青與集料的裹覆狀況、乳化瀝青的破乳速度和儲(chǔ)存穩(wěn)定性來(lái)影響乳化瀝青冷再生混合料內(nèi)聚力的形成，并分析了其影響機(jī)理。