不同加速養(yǎng)生方式泡沫瀝青冷再生混合料宏細(xì)觀結(jié)構(gòu)性能研究

王雨楠，呂衛(wèi)幫

(1.吉林交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院道橋工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130012；2.中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所先進(jìn)納米復(fù)合材料創(chuàng)新中心，蘇州 215123)

0 引 言

目前公路建設(shè)提倡資源節(jié)約、環(huán)境友好的綠色發(fā)展理念。泡沫瀝青冷再生技術(shù)具有節(jié)能、降耗、環(huán)保等多重特色，符合綠色養(yǎng)護(hù)技術(shù)發(fā)展方向，對(duì)于促進(jìn)綠色交通發(fā)展、實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)輸行業(yè)向資源節(jié)約型、環(huán)境友好型跨越具有重要現(xiàn)實(shí)意義[1-3]；使用性能方面，泡沫瀝青冷再生混合料具有較高的早期強(qiáng)度、良好的抗疲勞性能和優(yōu)良的抗車(chē)轍永久變形性能，大摻量瀝青路面回收材料(RAP)和摻入適量的水泥和泡沫瀝青賦予了冷再生結(jié)構(gòu)層半柔性特性，冷再生層的應(yīng)用可以將我國(guó)普遍采用的半剛性基層轉(zhuǎn)換為半柔性結(jié)構(gòu)層，有效延長(zhǎng)道路使用壽命。

工程實(shí)踐中，為了達(dá)到最大干密度和參與水泥水化反應(yīng)，泡沫瀝青冷再生混合料中一般需要摻加5%～7%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))拌和用水；為了確保泡沫瀝青冷再生混合料有足夠的早期強(qiáng)度、高溫性能與水穩(wěn)定性，泡沫瀝青冷再生混合料通常需要添加1%～2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))水泥活性填料，水泥水化反應(yīng)完成、浸潤(rùn)在集料(砂漿)表面的拌和用水揮發(fā)后，泡沫瀝青冷再生混合料才能形成足夠的力學(xué)強(qiáng)度[4-8]，基于此，泡沫瀝青冷再生結(jié)構(gòu)層在施工完成后通常需3～14 d養(yǎng)生時(shí)間。JTG/T 5521—2019《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，室內(nèi)配合比設(shè)計(jì)時(shí)將試樣連同試模一起側(cè)放在60 ℃鼓風(fēng)烘箱中養(yǎng)生不少于40 h，來(lái)模擬泡沫瀝青冷再生混合料強(qiáng)度完全形成后的養(yǎng)生條件，天津市、浙江省、遼寧省、江西省等多個(gè)泡沫瀝青冷再生技術(shù)地方標(biāo)準(zhǔn)也采用馬歇爾試件模內(nèi)60 ℃加速養(yǎng)生方法[3，5]。南非瀝青穩(wěn)定類(lèi)材料再生技術(shù)規(guī)范(TG2)三階段配合比設(shè)計(jì)方法，LEVEL1設(shè)計(jì)采用40 ℃開(kāi)放養(yǎng)生72 h模擬長(zhǎng)期性能；LEVEL2和LEVEL3設(shè)計(jì)中，室內(nèi)首先將試樣在30 ℃烘箱中養(yǎng)生20 h，然后脫模，用塑料袋將試件密封，在40 ℃烘箱中養(yǎng)生48 h，且每24 h更換一次塑料袋，以模擬現(xiàn)場(chǎng)得到的平衡含水率[7-10]。美國(guó)蒙大拿州、德克薩斯州等普遍采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件后室溫放置24 h，脫模后40 ℃開(kāi)放養(yǎng)生至試件恒重(含水率小于0.5%)，以模擬泡沫瀝青冷再生混合料長(zhǎng)期使用狀態(tài)下的養(yǎng)生條件。Wirtgen 瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范規(guī)定配合比設(shè)計(jì)階段采用室溫開(kāi)放養(yǎng)生24 h+40 ℃封閉養(yǎng)生48 h+ 3 h室溫的養(yǎng)生模式，來(lái)模擬泡沫瀝青冷再生混合料的中長(zhǎng)期使用性能[9-11]。

目前國(guó)內(nèi)外在泡沫瀝青冷再生混合料養(yǎng)生方式方面尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，全球范圍內(nèi)還沒(méi)有得到普遍認(rèn)可的泡沫瀝青冷再生混合料室內(nèi)加速養(yǎng)生方式，研究養(yǎng)生方式對(duì)泡沫瀝青冷再生混合料強(qiáng)度特性及微觀性能的影響機(jī)理可為制定室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生條件提供依據(jù)，使室內(nèi)配合比設(shè)計(jì)最大限度接近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。本文從宏細(xì)觀角度揭示了5種室內(nèi)加速養(yǎng)生方式對(duì)泡沫瀝青冷再生混合料的強(qiáng)度特性、路用性能和微細(xì)觀空隙結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，研究成果為選擇泡沫瀝青冷再生混合料室內(nèi)加速養(yǎng)生方式提供理論依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

(1)RAP:采用挖除法取材于吉林某市政道路大修工程，經(jīng)二次破碎、篩分、自然晾干后備用，RAP各項(xiàng)性能指標(biāo)見(jiàn)表1，經(jīng)檢測(cè)滿(mǎn)足JTG/T 5521—2019相關(guān)要求。

表1 RAP的各項(xiàng)性能指標(biāo)Table 1 Various performance indicators of RAP

(2)新集料與礦料級(jí)配：石灰?guī)r碎石(10～20 mm)壓碎值18.6%，針片狀含量8.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，機(jī)制砂(0～4.75 mm)堅(jiān)固性15.7%，含泥量小于1.0%，砂當(dāng)量67%，經(jīng)檢測(cè)粗細(xì)集料各項(xiàng)性能滿(mǎn)足JTG/T 5521—2019相關(guān)要求。根據(jù)RAP、石灰?guī)r碎石和機(jī)制砂篩分試驗(yàn)結(jié)果，確定質(zhì)量比m(RAP) ∶m(10～20 mm碎石) ∶m(0～5 mm機(jī)制砂)=83 ∶15 ∶12，合成級(jí)配結(jié)果見(jiàn)表2，合成級(jí)配滿(mǎn)足JTG/T 5521—2019中粒式泡沫瀝青冷再生混合料工程級(jí)配范圍的要求。

表2 泡沫瀝青冷再生混合料合成級(jí)配結(jié)果Table 2 Synthesis gradation results of foamed asphalt cold recycled mixture

(3)水泥：采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，主要技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3，外摻水泥(不參與合成級(jí)配)用量為1.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

表3 水泥主要技術(shù)指標(biāo)Table 3 Main technical indicators of cement

(4)基質(zhì)瀝青與泡沫瀝青：采用A-90基質(zhì)瀝青，按照J(rèn)TG/T 5521—2019發(fā)泡試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)確定A-90基質(zhì)瀝青的最佳發(fā)泡溫度為160 ℃，最佳發(fā)泡用水量為2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，最佳發(fā)泡條件下的膨脹率為22倍，半衰期為19 s，滿(mǎn)足JTG/T 5521—2019泡沫瀝青膨脹率大于10倍和半衰期大于8 s指標(biāo)要求。

(5)水：拌和用水為飲用水。

1.2 性能及配合比設(shè)計(jì)

按照J(rèn)TG/T 5521—2019修正馬歇爾法試驗(yàn)流程確定泡沫瀝青冷再生混合料的配合比，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 泡沫瀝青冷再生混合料配合比設(shè)計(jì)結(jié)果Table 4 Design results of mix ratio of foamed asphalt cold recycled mixture

1.3 室內(nèi)加速養(yǎng)生方案設(shè)計(jì)

為了更好地模擬冷再生層的實(shí)際養(yǎng)生條件，研究采用的5種室內(nèi)技術(shù)養(yǎng)生方式如下：

(1)開(kāi)放養(yǎng)生：成型標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，室溫放置6 h后脫模，接著在40 ℃鼓風(fēng)烘箱中養(yǎng)生3～7 d。

(2)馬歇爾試件模內(nèi)養(yǎng)生：成型標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，不脫模室溫養(yǎng)生6 h后，連同試模一起側(cè)放于40 ℃鼓風(fēng)烘箱養(yǎng)生3～7 d。

(3)半封閉養(yǎng)生：成型標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，不脫模室溫養(yǎng)生6 h，脫模后將試件側(cè)面和底面用聚乙烯模具裹緊，置于40 ℃鼓風(fēng)烘箱中養(yǎng)生。

(4)封閉養(yǎng)生：成型標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，模內(nèi)室溫養(yǎng)生6 h后脫模，然后將試樣立即裝進(jìn)塑料袋中，綁緊塑料袋置于40 ℃鼓風(fēng)烘箱中養(yǎng)生，期間每隔24 h更換一次塑料袋。

(5)組合養(yǎng)生：成型標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，不脫模室溫養(yǎng)生6 h，脫模后將試件側(cè)面和底面用聚乙烯模具裹緊，然后置于40 ℃鼓風(fēng)烘箱中養(yǎng)生36 h，接著脫模后立即將試樣裝進(jìn)塑料帶中，綁緊塑料袋置于40 ℃鼓風(fēng)烘箱養(yǎng)生，期間每隔24 h更換一次塑料袋。

1.4 試驗(yàn)方法

(1)對(duì)不同養(yǎng)生方式的馬歇爾試件進(jìn)行室內(nèi)加速養(yǎng)生，間隔12 h稱(chēng)重1次(每組不少于4個(gè)平行試件)，計(jì)算試件含水率隨養(yǎng)生時(shí)間的變化趨勢(shì)。養(yǎng)生期間每隔12 h測(cè)試1次馬歇爾試件劈裂強(qiáng)度(ITS)、貫入剪切強(qiáng)度(SD)、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度(UCS)。

(2)對(duì)不同養(yǎng)生方案下形成最終強(qiáng)度的泡沫瀝青冷再生混合料進(jìn)行間接拉伸疲勞試驗(yàn)。

(3)基于X-Ray CT無(wú)損檢測(cè)技術(shù)和VG軟件的三維重構(gòu)功能，研究養(yǎng)生方式對(duì)泡沫瀝青冷再生混合料微細(xì)觀空隙結(jié)構(gòu)的影響，為選擇合理的室內(nèi)加速養(yǎng)生方式提供理論依據(jù)。研究采用德國(guó)產(chǎn)Y.CT Precision 型工業(yè)CT，錐束掃描方式，掃描電壓、電流分別為200 kV、0.62 mA，積分時(shí)間為800 ms，工業(yè)CT掃描后獲取的斷層圖像數(shù)據(jù)是工件掃描截面上與線(xiàn)衰減系數(shù)成正比的CT數(shù)矩陣，連續(xù)掃描多個(gè)截面重建的多斷層圖像數(shù)據(jù)則構(gòu)成了分布在三維規(guī)則網(wǎng)格的體數(shù)據(jù)，不論是單個(gè)斷面的二維CT數(shù)據(jù)，還是多斷層的三維體數(shù)據(jù)都是反映被檢測(cè)物體空間衰減系數(shù)分布的數(shù)據(jù)場(chǎng)。使用Y.CT Precision系列工業(yè)CT平臺(tái)推薦配置的三維可視化軟件VGStudio MAX 2.0來(lái)生成體積模型，對(duì)CT掃描的二維圖像進(jìn)行重組，利用VGStudio MAX軟件可以獲得正面、立面及側(cè)面三個(gè)正交角度的二維切片圖像顯示，并通過(guò)軟件自帶的重建算法實(shí)現(xiàn)三維立體效果顯示及數(shù)據(jù)分析。

2 不同養(yǎng)生方式泡沫瀝青混合料的性能發(fā)展規(guī)律

2.1 含水率

圖1 不同養(yǎng)生方式泡沫瀝青冷再生混合料含水率Fig.1 Moisture content of foamed asphalt cold recycled mixtures with different curing methods

我國(guó)現(xiàn)行瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范要求泡沫瀝青冷再生混合料含水率小于2%時(shí)方可加鋪上覆層，美國(guó)各州普遍要求冷再生混合料含水率小于1.5%后結(jié)束養(yǎng)生，南非瀝青穩(wěn)定類(lèi)再生規(guī)范要求采用全封閉養(yǎng)生至平衡濕度狀態(tài)，由此可見(jiàn)，各國(guó)對(duì)加鋪上覆層冷再生層所要達(dá)到的含水率不同，也說(shuō)明了養(yǎng)生和服役期間控制冷再生層含水率指標(biāo)的重要性。不同養(yǎng)生方式泡沫瀝青冷再生混合料含水率發(fā)展規(guī)律如圖1所示。

由圖1可知：(1)隨著養(yǎng)生時(shí)間的增加，5種養(yǎng)生方式下的試件含水率減小，含水率變化速率也減小，室內(nèi)加速養(yǎng)生前36 h，試件含水率下降趨勢(shì)最為明顯，養(yǎng)生超過(guò)36 h后，隨著養(yǎng)生時(shí)間的增加，試件含水率下降速率趨于平緩，開(kāi)放養(yǎng)生和馬歇爾模內(nèi)養(yǎng)生在養(yǎng)生72 h后含水率基本不再變化。(2)5種養(yǎng)生方式下的泡沫瀝青冷再生混合料試件含水率隨養(yǎng)生時(shí)間的增加呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系減小，含水率(因變量)與養(yǎng)生時(shí)間(自變量)之間指數(shù)函數(shù)回歸參數(shù)的擬合優(yōu)化R2>0.95，表明二者在統(tǒng)計(jì)意義上有顯著的相關(guān)性。(3)相同養(yǎng)生時(shí)間內(nèi)，5種養(yǎng)生方式的試件含水率排序?yàn)椋悍忾]養(yǎng)生>組合養(yǎng)生>半封閉養(yǎng)生>馬歇爾模內(nèi)養(yǎng)生>開(kāi)放養(yǎng)生，分析其原因如下：開(kāi)放養(yǎng)生后試件水分受熱遷移沒(méi)有試模約束，水分能沿著最短揮發(fā)路徑進(jìn)行，故試件含水率減小速度最快；全封閉養(yǎng)生模式下，密閉空間內(nèi)水蒸氣容易達(dá)到飽和，受密閉空間平衡濕度和蒸氣壓的影響，試件含水率變化速率最慢，研究表明，全封閉養(yǎng)生的優(yōu)點(diǎn)是考慮泡沫瀝青冷再生混合料最終能夠達(dá)到的平衡含水率，模擬加鋪上面層瀝青混凝土后冷再生結(jié)構(gòu)層的使用環(huán)境，在一定程度上符合再生層的實(shí)際使用狀態(tài)[11-13]；半封閉養(yǎng)生模式下，受圓柱體周邊和底部鋼試模約束，水分揮發(fā)只能沿著圓柱體試件高度方向進(jìn)行，水分遷移路徑最長(zhǎng)，故養(yǎng)生時(shí)間也相對(duì)較長(zhǎng)，半封閉養(yǎng)生方式與加鋪上覆層前冷再生的養(yǎng)生模式相一致；組合養(yǎng)生模式兼具了全封閉養(yǎng)生和半封閉養(yǎng)生的優(yōu)勢(shì)，水分揮發(fā)速率介于全封閉養(yǎng)生和半封閉養(yǎng)生二者之間。(4)以達(dá)到JTG/F 41—2008加鋪上覆層時(shí)冷再生層所要達(dá)到的2%含水率為控制條件，推薦40 ℃養(yǎng)生條件下，采用開(kāi)放養(yǎng)生20 h、馬歇爾模內(nèi)養(yǎng)生24 h、半封閉養(yǎng)生36 h、全封閉養(yǎng)生60 h來(lái)模擬加鋪上覆層前現(xiàn)場(chǎng)早期養(yǎng)生條件，組合養(yǎng)生可模擬冷再生層的實(shí)際養(yǎng)生條件。

2.2 力學(xué)強(qiáng)度

對(duì)經(jīng)歷不同養(yǎng)生時(shí)間的泡沫瀝青冷再生混合料分別進(jìn)行劈裂強(qiáng)度(ITS)、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度(UCS)、貫入剪切強(qiáng)度(SD)測(cè)試，測(cè)試方法嚴(yán)格按照J(rèn)TG/E 20—2011進(jìn)行，結(jié)果如圖2～圖4所示。

圖2 ITS試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 ITS test results

圖3 UCS試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 UCS test results

圖4 SD試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 SD test results

由圖2～圖4可知：(1)隨著養(yǎng)生時(shí)間的增加，泡沫瀝青冷再生混合料各項(xiàng)力學(xué)強(qiáng)度持續(xù)增大，同時(shí)試件含水率不斷減小，養(yǎng)生前48 h，泡沫瀝青冷再生混合料的力學(xué)強(qiáng)度基本達(dá)到了最終強(qiáng)度的60%～90%，含水率越小，早期強(qiáng)度越大。養(yǎng)生48 h后泡沫瀝青冷再生混合料力學(xué)強(qiáng)度增大趨勢(shì)趨于平緩，這主要是因?yàn)榇罅克稚⑹Ш退嗨磻?yīng)基本都在養(yǎng)生前48 h內(nèi)完成，浸潤(rùn)在集料和泡沫瀝青砂漿內(nèi)部的水分揮發(fā)后泡沫瀝青的粘結(jié)強(qiáng)度逐漸形成，此外，在40 ℃養(yǎng)生環(huán)境下，水泥水化反應(yīng)能快速完成，水泥作為泡沫瀝青冷再生混合料的次級(jí)結(jié)合料，在水化完成后有助于提高冷再生混合料的界面強(qiáng)度和骨架嵌擠效應(yīng)，養(yǎng)生前48 h內(nèi)，泡沫瀝青冷再生混合料內(nèi)部的粘聚力和阻止集料相對(duì)滑動(dòng)的內(nèi)摩阻力均發(fā)展較快，同時(shí)水分散失后占據(jù)在冷再生混合料空隙內(nèi)部的水對(duì)試件受荷時(shí)的“潤(rùn)滑作用”逐漸減弱。(2)相同的加速養(yǎng)生齡期內(nèi)，不同養(yǎng)生方式下泡沫瀝青冷再生混合料組內(nèi)的ITS、UCS、SD有顯著差異，總體表現(xiàn)為：封閉養(yǎng)生<組合養(yǎng)生≤半封閉養(yǎng)生<馬歇爾模內(nèi)養(yǎng)生<開(kāi)放養(yǎng)生。這與相同養(yǎng)生時(shí)間內(nèi)試件含水率大小排序相反，究其根本，源于不同養(yǎng)生方式下泡沫瀝青冷再生混合料內(nèi)部水遷移路徑和水分散失速率不同導(dǎo)致試件含水率差異，最終表現(xiàn)出的力學(xué)強(qiáng)度也不同。

圖2(b)、圖3(b)、圖4(b)分別擬合回歸了ITS、UCS、SD與試件含水率之間的相關(guān)性，結(jié)果表明ITS、UCS、SD均隨含水率的減小,與含水率呈良好的負(fù)線(xiàn)性相關(guān)性。隨著含水率的減小，泡沫瀝青冷再生混合料力學(xué)強(qiáng)度線(xiàn)性關(guān)系減弱，擬合優(yōu)化度R2>0.90，表明二者在統(tǒng)計(jì)意義上有顯著的相關(guān)性。含水率相同時(shí)，不同養(yǎng)生方式下泡沫瀝青冷再生混合料的力學(xué)性能有明顯差異，但I(xiàn)TS、UCS、SD隨含水率減小總體呈現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)，線(xiàn)性擬合方程斜率排序?yàn)椋洪_(kāi)放養(yǎng)生>馬歇爾模內(nèi)養(yǎng)生>半封閉養(yǎng)生>組合養(yǎng)生>封閉養(yǎng)生，擬合方程斜率絕對(duì)值排序?yàn)椋洪_(kāi)放養(yǎng)生>馬歇爾模內(nèi)養(yǎng)生>半封閉養(yǎng)生>組合養(yǎng)生>封閉養(yǎng)生，盡管達(dá)到相同含水率狀態(tài)時(shí)不同養(yǎng)生方式所需要的時(shí)間差異較大，即使在相同含水率下，不同養(yǎng)生方式的泡沫瀝青冷再生混合料力學(xué)強(qiáng)度也表現(xiàn)出不同，相同含水率下開(kāi)放養(yǎng)生的標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件具有最大的ITS、UCS、SD，同時(shí)力學(xué)強(qiáng)度對(duì)含水率變化也最為敏感。

3 不同養(yǎng)生方式泡沫瀝青冷再生混合料中長(zhǎng)期性能

3.1 力學(xué)性能

將不同養(yǎng)生方式的泡沫瀝青冷再生混合料試件在40 ℃鼓風(fēng)烘箱中養(yǎng)生7 d后測(cè)試ITS、UCS、SD，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 不同養(yǎng)生方式泡沫瀝青冷再生混合料的終期強(qiáng)度Fig.5 Final strength of foamed asphalt cold recycled mixtures with different curing methods

圖6 疲勞試驗(yàn)擬合曲線(xiàn)Fig.6 Fatigue test fitting curves

由圖5可知，相同條件下，養(yǎng)生方式的不同對(duì)泡沫瀝青冷再生混合料終期劈裂強(qiáng)度、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、貫入剪切強(qiáng)度均有顯著影響，5種養(yǎng)生方式的泡沫瀝青冷再生混合料力學(xué)強(qiáng)度大小排序相同，即開(kāi)放養(yǎng)生>馬歇爾模內(nèi)養(yǎng)生>半封閉養(yǎng)生>組合養(yǎng)生>封閉養(yǎng)生，其原因?yàn)殚_(kāi)放養(yǎng)生模式下水分遷移路徑最短，水分散失速率最快，試件能夠在短期內(nèi)完成養(yǎng)生，在水泥水化完成和泡沫瀝青膠結(jié)界面強(qiáng)度形成后，因水分遷移造成的界面強(qiáng)度損失最小，相比全封閉養(yǎng)生模式下，密閉的空間內(nèi)水蒸氣容易達(dá)到飽和，水分散失速率小，水容易在試件內(nèi)部聚集形成空隙，產(chǎn)生受力薄弱面，待水泥水化完成、泡沫瀝青膠結(jié)作用形成后，后期試件內(nèi)部預(yù)留水分越多，水分遷移對(duì)界面強(qiáng)度損失越大。因此不同養(yǎng)生方式下泡沫瀝青冷再生混合料內(nèi)部水分散失速率、遷移路徑方式不同，表現(xiàn)出的終期強(qiáng)度也不同。

3.2 疲勞性能

間接拉伸疲勞試驗(yàn)采用0.2～0.5共4個(gè)應(yīng)力水平，加載頻率為10 Hz，溫度為20 ℃，結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6疲勞試驗(yàn)結(jié)果表明，相同應(yīng)力水平，5種養(yǎng)生方式的泡沫瀝青冷再生混合料疲勞壽命大小排序?yàn)椋洪_(kāi)放養(yǎng)生>馬歇爾模內(nèi)養(yǎng)生>半封閉養(yǎng)生>組合養(yǎng)生>封閉養(yǎng)生，與力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果保持一致。此外，開(kāi)放養(yǎng)生模式下疲勞壽命與應(yīng)力水平的雙對(duì)擬合曲線(xiàn)斜率值最小、擬合曲線(xiàn)截距最大，擬合斜率絕對(duì)值排序?yàn)椋洪_(kāi)放養(yǎng)生<馬歇爾模內(nèi)養(yǎng)生<半封閉養(yǎng)生<組合養(yǎng)生<封閉養(yǎng)生，擬合曲線(xiàn)截距大小排序與疲勞壽命大小排序基本一致，養(yǎng)生方式對(duì)泡沫瀝青冷再生混合料疲勞特性有顯著影響，開(kāi)放養(yǎng)生、馬歇爾模內(nèi)養(yǎng)生方式下泡沫瀝青冷再生混合料有較長(zhǎng)的疲勞壽命和較小的敏感性。

4 不同養(yǎng)生方式泡沫瀝青混合料微細(xì)觀結(jié)構(gòu)空隙特征

每種養(yǎng)生方法選取4～6個(gè)平行試樣，以表干法實(shí)測(cè)空隙為基準(zhǔn)，參照文獻(xiàn)[1-3]研究成果獲取馬歇爾試件三維空隙結(jié)構(gòu)，圖7建立了CT測(cè)算空隙與水中重法實(shí)測(cè)空隙的線(xiàn)性關(guān)系。圖8為不同養(yǎng)生方式泡沫瀝青冷再生混合料空隙級(jí)配曲線(xiàn)。由圖8可見(jiàn)，CT測(cè)算空隙率略小于表干法實(shí)測(cè)空隙率，二者線(xiàn)性擬合優(yōu)化度R2>0.95，數(shù)據(jù)可靠度高，可用于試驗(yàn)分析。

圖7 CT測(cè)算空隙與水中重法實(shí)測(cè)空隙之間的擬合關(guān)系Fig.7 Fitting relationship between CT calculated void and measured gravity in water

圖8 不同養(yǎng)生方式泡沫瀝青冷再生混合料空隙級(jí)配曲線(xiàn)Fig.8 Void gradation curves of foamed asphalt cold recycled mixtures with different curing methods

4.1 空隙級(jí)配

研究表明，泡沫瀝青冷再生混合料中的空隙實(shí)際是由連續(xù)不同直徑的空隙構(gòu)成，與集料的級(jí)配組成相類(lèi)似，大小連續(xù)的空隙其體積分布也存在一定的“級(jí)配”[3-7]。空隙的“級(jí)配曲線(xiàn)”代表了空隙在不同體積上的累計(jì)百分比。不同養(yǎng)生方式泡沫料瀝青冷再生混合料的空隙級(jí)配統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖8。

由圖8可知，每個(gè)馬歇爾試件空隙數(shù)量約7～9萬(wàn)個(gè)，其中體積小于0.1 mm3的空隙數(shù)量約占總空隙數(shù)量的45%～60%，空隙中體積大于5 mm3和20 mm3的數(shù)量不足5%和1%，泡沫瀝青冷再生混合料內(nèi)部空隙分布具有總空隙率大、微孔數(shù)量多、微孔比例高的特點(diǎn)?？偪障堵氏嗤?，不同養(yǎng)生方式的泡沫瀝青冷再生混合料空隙級(jí)配差異較大，相較于另外4種養(yǎng)生方式，開(kāi)放養(yǎng)生后泡沫瀝青冷再生混合料體積小于1 mm3、小于0.1 mm3的空隙比例明顯增多，全封閉養(yǎng)生后泡沫瀝青冷再生混合料體積小于1 mm3、小于0.1 mm3的空隙比例最小，5種養(yǎng)生方式空隙級(jí)配中體積小于0.1 mm3的空隙數(shù)量排序?yàn)椋洪_(kāi)放養(yǎng)生>模內(nèi)養(yǎng)生>半封閉養(yǎng)生>組合養(yǎng)生>全封閉養(yǎng)生，而大于1 mm3的空隙級(jí)配排序與此相反，相較于封閉養(yǎng)生，另外4種養(yǎng)生后泡沫瀝青冷再生混合料內(nèi)部微孔數(shù)量增多，有害孔數(shù)量減少，可見(jiàn)養(yǎng)生方式對(duì)泡沫瀝青冷再生混合料空隙級(jí)配有顯著影響。結(jié)合前文所述，泡沫瀝青冷再生混合料內(nèi)部原本被水占據(jù)的部分待水分遷移后形成空隙，開(kāi)放養(yǎng)生后泡沫瀝青冷再生混合料的內(nèi)部水可以快速散失，在短時(shí)間內(nèi)空隙結(jié)構(gòu)達(dá)到穩(wěn)定，由于早期水分遷移較快，待界面強(qiáng)度完全形成后，殘留水分越少，水分揮發(fā)時(shí)對(duì)密閉空隙造成的損傷越小，故體積小于0.1 mm3的空隙比例明顯較大；全封閉養(yǎng)生模式下水分散失緩慢，隨著水泥水化過(guò)程逐漸完成，較長(zhǎng)時(shí)間的水分散失可能對(duì)空隙產(chǎn)生破壞作用，此外，在高溫養(yǎng)生條件下，密閉空間可能形成蒸汽壓，水分遷移就會(huì)通過(guò)空隙的薄弱部位突破“約束”，形成“疏水通道”，從而破壞既有微觀空隙結(jié)構(gòu)，使得臨近微孔相互連通，而且在水泥水化完成、界面強(qiáng)度形成后，后期殘留水分越多，養(yǎng)生時(shí)間越長(zhǎng)，水分散失速率越慢，水分遷移對(duì)空隙結(jié)構(gòu)的破壞越嚴(yán)重。對(duì)比組合養(yǎng)生、半封閉養(yǎng)生、全封閉養(yǎng)生，組合養(yǎng)生空隙級(jí)配數(shù)值介于半封閉和全封閉二者之間，可見(jiàn)養(yǎng)生期間養(yǎng)生方式改變會(huì)對(duì)空隙級(jí)配有一定影響，空隙級(jí)配對(duì)養(yǎng)生方式變化較為敏感。

4.2 空隙直徑

圖9 不同養(yǎng)生方式泡沫瀝青冷再生混合料平均空隙直徑與最可幾空隙直徑Fig.9 Mean void diameter and maximum void diameter of foamed asphalt cold recycled mixtures with different curing methods

參考文獻(xiàn)[1-3]研究成果，采用平均空隙直徑和最可幾空隙直徑為評(píng)價(jià)指標(biāo)，平均空隙直徑為泡沫瀝青冷再生混合料內(nèi)部所有空隙當(dāng)量球直徑平均值，計(jì)算時(shí)假定每個(gè)空隙為規(guī)則球體，以等體積球體反算直徑，然后取所有空隙當(dāng)量球直徑平均值。最可幾空隙直徑為泡沫瀝青冷再生混合料出現(xiàn)概率最大的空隙體積當(dāng)量球直徑，計(jì)算時(shí)以洛倫茲函數(shù)擬合空隙體積與其出現(xiàn)的頻率，對(duì)峰值頻率的空隙體積反算其當(dāng)量球體的直徑。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖9。

由圖9可知，泡沫瀝青冷再生混合料平均空隙直徑約為0.5～0.7 mm，最可幾空隙直徑約為0.01～0.03 mm，相同馬歇爾試件的泡沫瀝青冷再生混合料其平均空隙直徑為最可幾空隙直徑的25～45倍。全封閉養(yǎng)生后泡沫瀝青冷再生混合料平均空隙直徑、最可幾空隙直徑最大，而開(kāi)放養(yǎng)生后泡沫瀝青冷再生混合料平均空隙直徑和最可幾空隙直徑均最小，5種養(yǎng)生方式的泡沫瀝青冷再生混合料最可幾空隙直徑與平均空隙直徑大小排序一致，即開(kāi)放養(yǎng)生<馬歇爾模內(nèi)養(yǎng)生<半封閉養(yǎng)生<組合養(yǎng)生<全封閉養(yǎng)生。結(jié)合前文所述，開(kāi)放養(yǎng)生后泡沫瀝青冷再生混合料能在最短時(shí)間內(nèi)達(dá)到最小含水率，養(yǎng)生時(shí)間短，避免了水分聚集可能產(chǎn)生的大空隙，且水分揮發(fā)路徑最短，水分揮發(fā)對(duì)空隙結(jié)構(gòu)的破壞作用最小，故該養(yǎng)生方式下的泡沫瀝青冷再生混合料內(nèi)部大孔比例小、微孔比例大，具體表現(xiàn)為平均空隙直徑和最可幾空隙直徑相對(duì)最小。

4.3 空隙豎向分別特征

研究不同養(yǎng)生方式泡沫瀝青冷再生混合料平均空隙直徑、最可幾空隙直徑沿馬歇爾試件高度方向的分布規(guī)律，結(jié)果如圖10所示。

圖10 泡沫瀝青冷再生混合料最可幾空隙直徑沿馬歇爾試件高度的分布規(guī)律Fig.10 Distribution law of maximum void diameter of foamed asphalt cold recycled mixtures along the height of Marshall test piece

由圖10可知，平均空隙直徑、最可幾空隙直徑在馬歇爾試件高度方向呈中間小、兩端大的分布特點(diǎn)，沿馬歇爾試件高度方向空隙分布具有明顯的對(duì)稱(chēng)性，總體呈“C”型分布，這主要是馬歇爾錘擊法成型試件、脫模過(guò)程中試件兩端受人為擾動(dòng)較大，且成型試模時(shí)試樣兩端的泡沫瀝青冷再生混合料均勻性和密實(shí)性相對(duì)較差，此外試樣養(yǎng)生過(guò)程中水分揮發(fā)由內(nèi)到外進(jìn)行，水分揮發(fā)對(duì)試件兩端空隙結(jié)構(gòu)的破壞作用最大。全封閉養(yǎng)生后泡沫瀝青冷再生混合料試件中部平均空隙直徑為0.53 mm，試件兩端平均空隙直徑為0.63 mm，兩端平均空隙直徑比中部大18.8%，開(kāi)放養(yǎng)生、馬歇爾模內(nèi)養(yǎng)生后馬歇爾試件兩端平均空隙直徑分別比中部大12.2%、13.1%，最可幾空隙直徑也有類(lèi)似規(guī)律，可見(jiàn)水分散失速率越慢，馬歇爾試件兩端微細(xì)觀空隙結(jié)構(gòu)受水分遷移破壞越嚴(yán)重。對(duì)于半封閉養(yǎng)生、組合養(yǎng)生后的馬歇爾試件，平均空隙直徑、最可幾空隙直徑沿馬歇爾試件高度分布有明確的方向性，沿水分遷移方向，平均空隙直徑和最可幾空隙直徑明顯較大。

5 泡沫瀝青冷再生混合料微細(xì)觀空隙結(jié)構(gòu)與宏觀性能的相關(guān)性

圖11建立了不同養(yǎng)生方式下泡沫瀝青冷再生混合料微細(xì)觀空隙級(jí)配、平均空隙直徑、最可幾空隙直徑與力學(xué)性能、疲勞壽命之間的擬合關(guān)系，由圖11(a)可知，空隙級(jí)配中體積小于0.1 mm3的空隙比例越大，泡沫瀝青冷再生混合料劈裂強(qiáng)度、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、貫入剪切強(qiáng)度越大，線(xiàn)性關(guān)系擬合優(yōu)化度R2約為0.9，表明增加微孔中體積小于0.1 mm3的空隙數(shù)量能顯著提高泡沫瀝青冷再生混合料力學(xué)強(qiáng)度，不同養(yǎng)生方式導(dǎo)致泡沫瀝青冷再生混合料的空隙級(jí)配發(fā)生改變，故力學(xué)強(qiáng)度不同。由圖11(b)、11(c)可知，平均空隙直徑、最可幾空隙直徑與泡沫瀝青冷再生混合料劈裂強(qiáng)度、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、貫入剪切強(qiáng)度有良好的線(xiàn)性擬合關(guān)系，最可幾空隙直徑與力學(xué)強(qiáng)度之間線(xiàn)性擬合優(yōu)化度R2更高，計(jì)算平均空隙直徑時(shí)，無(wú)法避免因成型試件不均勻產(chǎn)生的大孔，大孔數(shù)量雖少但其對(duì)平均空隙的影響較大，造成平均空隙直徑與真實(shí)值有所偏差，這也就說(shuō)明了平均空隙直徑指標(biāo)評(píng)價(jià)泡沫瀝青冷再生混合料的空隙率有一定的局限性。圖11(d)建立了泡沫瀝青冷再生混合料最可幾空隙直徑與泡沫瀝青疲勞壽命之間的回歸關(guān)系(疲勞壽命越大，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力水平越小)，結(jié)果表明，各應(yīng)力水平下的疲勞壽命隨最可幾空隙直徑減小而線(xiàn)性增大，擬合優(yōu)化度R2>0.95。

6 結(jié) 論

(1)養(yǎng)生方式對(duì)泡沫瀝青冷再生混合料的最終劈裂強(qiáng)度、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、貫入剪切強(qiáng)度有顯著影響，5種養(yǎng)生方式的泡沫瀝青冷再生力學(xué)強(qiáng)度與疲勞壽命排序相同，即開(kāi)放養(yǎng)生>馬歇爾模內(nèi)養(yǎng)生>半封閉養(yǎng)生>組合養(yǎng)生>封閉養(yǎng)生。

(2)室內(nèi)加速養(yǎng)生方案應(yīng)能最大限度地模擬施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際條件，綜合考慮養(yǎng)生期間含水率及力學(xué)性能變化規(guī)律，推薦40 ℃半封閉養(yǎng)生36 h來(lái)模擬加鋪上覆層前現(xiàn)場(chǎng)早期(7～14 d)養(yǎng)生條件，采用40 ℃半封閉36 h+全封閉養(yǎng)生72 h組合養(yǎng)生方案作為泡沫瀝青冷再生混合料的中長(zhǎng)期室內(nèi)加速養(yǎng)生方案。

(3)不同養(yǎng)生方式下泡沫瀝青冷再生混合料微細(xì)觀空隙結(jié)構(gòu)有明顯差異，半封閉養(yǎng)生、組合養(yǎng)生后的馬歇爾試件，其平均空隙直徑、最可幾空隙直徑沿馬歇爾試件高度分布有明確的方向性，沿水分遷移方向，平均空隙直徑和最可幾空隙直徑明顯較大。

(4)泡沫瀝青冷再生混合料內(nèi)部微細(xì)觀空隙結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)性能及疲勞性能有良好的線(xiàn)性擬合關(guān)系，體積小于0.1 mm3的空隙比例越大，平均空隙直徑和最可幾空隙直徑越小，泡沫瀝青冷再生混合料力學(xué)強(qiáng)度越高，疲勞性能越好。