凍融循環(huán)作用下泡沫和乳化瀝青冷再生混合料損傷特性與細觀機理

魏志學，高盛遠，高玉珍

(1.河南璟信工程監(jiān)理有限公司，洛陽 471000；2.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804；3.新型道路材料國家地方聯(lián)合工程實驗室，太原 030006)

隨著中國高速公路和路網(wǎng)建設的飛速發(fā)展，中國大量瀝青路面進入維修或擴建期，瀝青路面科學的再生利用是當前基于節(jié)能環(huán)保、綠色可持續(xù)發(fā)展，建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會必須面對的要求和課題[1-3]，2021年2月《國務院關于加快建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟體系的指導意見》明確要求，要加大工程建設中廢棄資源綜合利用力度。

目前中國公路面臨著里程長、維修周期短和資源緊缺的問題，瀝青路面回收料的再生利用的任務更為迫切和繁重。將破損嚴重或結構承載能力不足的瀝青路面銑刨回收后用于鋪筑泡沫/乳化瀝青冷再生結構層，實現(xiàn)了半剛性基層瀝青路面結構轉(zhuǎn)換，同時具備回收瀝青路面材料利用率高、綜合路用性能優(yōu)異，延長瀝青路面使用壽命等優(yōu)勢。中國多條高速在役的泡沫/乳化瀝青冷再生下面層已經(jīng)成功服役了超過10年，大量工程實踐和研究表明，使用泡沫/乳化瀝青冷再生結構層可降低公路建設養(yǎng)護成本、保護自然環(huán)境、降低能源消耗減少溫室氣體排放，促進公路建設的可持續(xù)發(fā)展。

泡沫瀝青和乳化瀝青作為冷再生混合料最常用的有機膠結料[4-6]，也是瀝青路面最常見的兩種冷再生方式，二者各有優(yōu)勢，乳化瀝青冷再生混合料集料表面被瀝青膜完全裹覆，和易性好、易于壓實，綜合路用性能良好，抗車轍、抗反射裂縫和抗疲勞性能突出。泡沫瀝青冷再生混合料粗集料間點焊式黏結有泡沫瀝青，和易性相對較差，但其攤鋪碾壓完成后強度增長快、不存在泡沫瀝青與再生瀝青混合料(reclaimed asphalt pavement，RAP)的配伍性問題，同時也具備優(yōu)異的抗變形能力，泡沫瀝青最突出的優(yōu)勢在于其無化學添加劑、材料成本低(12 cm厚泡沫瀝青冷再生混合料比乳化瀝青冷再生混合料材料成本低2元/m2)。中國學者開展了大量泡沫瀝青和乳化瀝青冷再生混合料路用性能和工程應用方面研究，關于泡沫瀝青與冷再生混合料強度形成機理與破壞機理的研究結論已經(jīng)明確，然而仍鮮見有關泡沫瀝青和乳化瀝青冷再生混合料性能的對比研究，凍融循環(huán)作用下泡沫瀝青和乳化瀝青冷再生混合料的宏觀結構與微觀性能方面的研究成果較少。大量研究表明[7-15]，冷再生混合料是在常溫條件下逐漸形成結構強度，瀝青膠結料與集料的界面黏結強度遠小于熱接觸界面，導致泡沫/乳化瀝青冷再生層在服役期間對水和凍融循環(huán)作用極其敏感，因水穩(wěn)定性不足所誘發(fā)的早發(fā)型松散、脫落、唧漿等病害是影響泡沫/乳化瀝青冷再生結構層耐久性的關鍵問題。在中國北方等城市，瀝青路面結構層隨環(huán)境溫度交替出現(xiàn)凍融循環(huán)變化，多次凍融循環(huán)后，在荷載-水-溫度耦合作用下，冷再生混合料會出現(xiàn)嚴重的損傷且呈加速破壞趨勢，導致冷再生結構層性能衰減，結構強度下降[10-13]?，F(xiàn)對比研究泡沫瀝青和乳化瀝青冷再生混合料在凍融循環(huán)作用下，其力學性能與微觀空隙結構衰減規(guī)律，建立微觀空隙結與宏觀力學性能的相關關系，為揭示泡沫/乳化瀝青冷再生混合料凍融損傷機理及合理選擇冷再生膠結料提供參考。

1 試驗

1.1 原材料

(1)乳化瀝青。在實驗室自制乳化瀝青，乳化瀝青技術性能見表1。

表1 乳化瀝青技術性能Table 1 Technical performance of emulsified asphalt

(2)泡沫瀝青。生產(chǎn)泡沫瀝青的基質(zhì)瀝青同乳化瀝青用基質(zhì)瀝青(中石化A-90)。發(fā)泡試驗結果見表2。發(fā)泡試驗確定最佳發(fā)泡溫度160 ℃，最佳發(fā)泡用水量為2%(質(zhì)量比，水/瀝青)，對應的泡沫瀝青半衰期21.3 s、膨脹率25倍，符合《公路瀝青路面再生技術規(guī)范》(JTGT 5521—2019)要求。

表2 泡沫瀝青發(fā)泡試驗結果Table 2 Foaming test results of foamed asphalt

(3)RAP。RAP來源于山西太原某高速公路表面層瀝青混凝土，采用銑刨方式獲取RAP，RAP技術性能如表3所示。

表3 RAP技術性能Table 3 RAP technical performance

(4)新集料。采用10～20 mm石灰?guī)r碎石和0～5 mm石灰?guī)r機制砂，經(jīng)檢測，新集料性能滿足《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》(JTG F40—2004)要求(表4)。

表4 集料技術性能指標Table 4 Aggregate technical performance indicators

(5)水泥。采用PO42.5道路硅酸鹽水泥，符合《道路硅酸鹽水泥》(GB/T 13693—2017)要求。

1.2 泡沫/乳化瀝青冷再生混合料配合比設計

根據(jù)配合設計結果，確定RAP、10～20 mm碎石與機制砂的質(zhì)量比為85∶10∶5，外摻水泥摻量為1.5%，兩種冷再生混合料礦料級配如表5所示，配合比設計結果如表6所示。

表5 泡沫/乳化瀝青冷再生混合料礦料級配Table 5 Mineral gradation of foam/emulsified asphalt cold recycled mixture

表6 泡沫/乳化瀝青冷再生混合料配合比設計結果Table 6 Design results of the mix ratio of foam/emulsified asphalt cold recycled mixture

1.3 凍融循環(huán)試驗方案與方法

1.3.1 凍融循環(huán)試驗設計

根據(jù)中國北方各省份多年極端最低溫度調(diào)查資料[13-15]，考慮冷再生的層位結構位置，確定凍結溫度為-20 ℃，融化溫度為50 ℃，凍融循環(huán)試驗過程中溫度梯度變化為10 ℃/h，保水凍結12 h，水浴融化12 h，此為1次凍融循環(huán)。根據(jù)凍融循環(huán)試驗設計，每組凍融循環(huán)試驗共成型6個平行試件。

1.3.2 試驗方法

測試經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)后泡沫/乳化瀝青冷再生混合料的劈裂強度(indirect tensile strength,ITS)、無側限抗壓強度(unconfined compressive strength，UCS)、貫入剪切強度(shear strength，SD)和間接拉伸疲勞壽命?；诠I(yè)計算機斷層掃描(computed tomography，CT)工業(yè)探傷功能，測試經(jīng)歷不同凍融循環(huán)作用后冷再生混合料微細觀空隙衰變規(guī)律。ITS試驗、UCS試驗方法參照《公路工程瀝青試驗規(guī)程》[JTG E20—2011(T0716、T0713)]。SD試驗方法參照《公路瀝青路面設計規(guī)范》(JTG D50—2015)附錄F，試驗溫度為50 ℃，加載速率1 mm/min。

試驗研究采用Y.CT Precision型工業(yè)CT，豎向間隔0.1 mm獲取經(jīng)歷不同凍融循環(huán)后的CT圖像，將CT掃描圖像導入VGStudio MA軟件進行三維重構，以水重法實測空隙率為基準，調(diào)試CT測試參數(shù)，建立CT測算空隙率與水重法實測空隙率之間的關系。利用VGStudio MAX軟件可以獲得正面、立面及側面3個正交角度的二維切片圖像顯示，并通過軟件自帶的重建算法實現(xiàn)冷再生混合料內(nèi)部空隙的三維立體效果顯示及數(shù)據(jù)分析，最后輸出微觀空隙計算表單，包含了每個獨立空隙的三維坐標、空隙表面積和體積。

2 不同凍融循環(huán)作用泡沫/乳化瀝青混合料力學性能

不同凍融循環(huán)后泡沫/乳化瀝青冷再生混合料ITS、UCS、SD試驗結果見圖1。

圖1 不同凍融循環(huán)作用泡沫/乳化瀝青混合料力學性能Fig.1 The mechanical properties of foamed/emulsified asphalt mixtures under different freeze-thaw cycles

由圖1(a)可知，ITS隨凍融循環(huán)次數(shù)增加呈三階段衰減趨勢，經(jīng)歷前1～2次凍融循環(huán)和后8～10次凍融循環(huán)后，泡沫/乳化瀝青冷再生混合料ITS下降較為明顯，經(jīng)歷3～8次凍融循環(huán)過程中，ITS下降速率基本一致。凍融循環(huán)作用顯著降低了泡沫/乳化瀝青冷再生混合料的劈裂強度，經(jīng)歷10次凍融循環(huán)后，泡沫瀝青、乳化瀝青冷再生混合料的劈裂強度分別降低了48.6%、47.9%，兩種冷再生混合料表現(xiàn)出了基本相同的力學強度與水穩(wěn)定性。

由圖1(b)可知，經(jīng)歷10次凍融循環(huán)后泡沫瀝青、乳化瀝青冷再生混合料的無側限抗壓強度分別降低了52.4%、38.6%，凍融循環(huán)作用后泡沫瀝青冷再生混合料的無側限抗壓強度衰減幅度更大。隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，泡沫/乳化瀝青冷再生混合料的無側限抗壓強度均呈線性關系降低，擬合優(yōu)化度R2>0.95，對比發(fā)現(xiàn)，隨凍融循環(huán)次數(shù)增大，泡沫瀝青冷再生混合料無側限抗壓強度衰減斜率遠大于乳化瀝青冷再生混合料。

由圖1(c)可知，貫入剪切試驗的壓頭遠小于試件橫斷面，相當于設置側向約束，故貫入剪切強度遠大于無側限抗壓強度。在經(jīng)歷10次凍融循環(huán)過程中，泡沫瀝青冷再生混合料的貫入剪切強度始終大于乳化瀝青冷再生混合料。經(jīng)歷10次凍融循環(huán)后，泡沫瀝青、乳化瀝青冷再生混合料的貫入剪切強度分別降低了51.3%、49.2%。

分析凍融循環(huán)作用對冷再生混合料力學性能的劣化影響，凍融循環(huán)過程中伴隨著固、液相態(tài)變化，冷再生混合料內(nèi)部半連通空隙、連通空隙受膨脹力作用逐漸增大、連通，導致薄弱接觸面處裂縫逐漸發(fā)展、貫通，空隙率增大同時細顆粒剝落、流失，泡沫/乳化瀝青膠漿結構破壞；凍融循環(huán)作用過程中，受凍結膨脹力和融化浸水侵蝕滲透壓力作用，劣化了瀝青膠結料與集料的界面黏結強度，水浸入接觸界面，結冰體積膨脹進一步破壞了泡沫/乳化瀝青砂漿與集料之間的黏附強度、弱化了骨架嵌擠作用。由于泡沫瀝青在冷再生混合料內(nèi)部未形成膜狀包裹，導致其泡沫瀝青砂漿黏聚力和界面黏結強度小于乳化瀝青冷再生混合料[12-15]，在凍融循環(huán)過程中，黏聚力衰減導致骨架嵌擠作用減弱更明顯。

3 不同凍融循環(huán)作用泡沫/乳化瀝青冷再生混合料微細觀空隙結構

3.1 不同凍融循環(huán)泡沫/乳化瀝青冷再生混合料實測空隙率

采用水中重法和工業(yè)CT無損檢測法測試經(jīng)歷不同凍融循環(huán)后泡沫/乳化瀝青冷再生混合料的空隙率，并建立水中重法實測空隙率與CT實測空隙率之間的關系，驗證CT測試空隙率應用于分析泡沫/乳化瀝青冷再生混合料微觀空隙結構的合理性，結果見圖2。

由圖2(a)可知，CT測試空隙率為水中重法實測空隙率的96.7%，滿足CT測試空隙率相差±15%以內(nèi)的誤差要求[4,7]，CT測試空隙率可用于冷再生混合料的微觀空隙結構分析。CT測試得到的空隙率比水中重法實測空隙率降低了3.3%，主要是受CT測量精度的影響，小于10 μm的空隙體積統(tǒng)計為0 mm3，實際上這部分空隙體積雖小，但其數(shù)量龐大，這就導致CT實測空隙率小于水中重法實測空隙率。

圖2 不同凍融循環(huán)作用泡沫/乳化/瀝青冷再生混合料空隙率Fig.2 Voids of foamed/emulsified asphalt cold recycled mixture under different freeze-thaw cycles

由圖2(b)可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，泡沫/乳化瀝青冷再生混合料水中重法實測空隙率呈線性關系增大，擬合優(yōu)化度大于0.95，凍融循環(huán)損傷作用導致兩種冷再生混合料內(nèi)部空隙率增大。10次凍融循環(huán)后，泡沫瀝青、乳化瀝青冷再生混合料的空隙率分別增大至14.6%、13.1%，空隙率增大幅度分別為58.7%、32.3%。泡沫瀝青冷再生混合料空隙率增大斜率比乳化瀝青冷再生混合料增大了49.4%，表明在凍融循環(huán)作用下，乳化瀝青冷再生混合料有更好的空隙結構穩(wěn)定性。

3.2 泡沫/乳化瀝青冷再生混合料微細觀空隙結構

3.2.1 空隙級配

參考文獻[2-3,5-6]研究成果，泡沫/乳化瀝青冷再生混合料內(nèi)部的微觀空隙從0～200 mm3均勻變化，類似于礦料級配，空隙大小組成也有一定級配，不同凍融循環(huán)作用下泡沫/乳化瀝青冷再生混合料的空隙級配衰變規(guī)律見表8、表9。

由表8、表9可知：未經(jīng)凍融循環(huán)作用，泡沫瀝青、乳化瀝青冷再生混合料馬歇爾試件內(nèi)部的空隙數(shù)量分別達到了11.09萬個和12.34萬個，其中小于0.1 mm3的空隙數(shù)量分別為總空隙數(shù)量的80.57%、78.43%，小于1 mm3空隙數(shù)量分別為總空隙數(shù)量的92.8%、91.6%，大于10 mm3的空隙占比約為1%，泡沫瀝青冷再生混合料與乳化瀝青冷再生混合料的空隙級配相類似，都具有空隙數(shù)量多、微空隙比例大的特點，獨特的空隙組成使得泡沫/乳化瀝青空隙率即使達到了9%～10%，但也表現(xiàn)出了良好的密實不透水性[5]。

表8 不同凍融循環(huán)次數(shù)泡沫瀝青冷再生混合料空隙級配Table 8 Void gradation of foamed asphalt cold recycled mixture with different freeze-thaw cycles

表9 不同凍融循環(huán)次數(shù)乳化瀝青冷再生混合料空隙級配Table 9 Void gradation of emulsified asphalt cold recycled mixture with different freeze-thaw cycles

隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，泡沫/乳化瀝青冷再生混合料馬歇爾試件內(nèi)部的總空隙數(shù)量減小、體積小于0.1 mm3的空隙數(shù)量比例減小、體積大于0.1 mm3的空隙數(shù)量比例增大。經(jīng)歷10次凍融循環(huán)后，泡沫瀝青冷再生混合料馬歇爾試件內(nèi)部的總空隙數(shù)量由11.09萬個降低至3.98萬個，降低了64.1%；體積小于0.1 mm3空隙數(shù)量比例由80.57%降低至27.78%，降低了65.5%；體積大于1 mm3的空隙數(shù)量比例由7.21%增大至26.41%，增大了2.66倍。對于乳化瀝青冷再生混合料，經(jīng)歷10次凍融循環(huán)后，馬歇爾試件內(nèi)部的總空隙數(shù)量由12.34萬個降低至4.28萬個，降低了65.3%；體積小于0.1 mm3空隙數(shù)量比例由78.43%降低至33.04%，降低了57.9%；體積大于1 mm3的空隙數(shù)量比例由8.37%增大至26.74%，增大了2.19倍。在水結冰膨脹力作用下，空隙體積得到擴張，小空隙逐漸擴展為大空隙，半封閉空隙結構破壞后與鄰近空隙相連通、合并，從而導致空隙數(shù)量減少、空隙體積增大。在凍融循環(huán)作用下，伴隨著宏觀力學性能衰減，試件內(nèi)部的空隙級配中的大空隙數(shù)量所占比例逐漸增大。

3.2.2 平均空隙直徑

參考文獻[2-5]研究成果，定義平均空隙直徑為等體積空隙的當量球體直徑。平均空隙直徑統(tǒng)計結果見表10。

由表10可知，未經(jīng)凍融循環(huán)作用，泡沫瀝青、乳化瀝青冷再生混合料的平均空隙直徑僅為1.197 mm和1.147 mm，最大空隙直徑僅為3.054 mm和3.115 mm。泡沫瀝青冷再生混合料的平均空隙直徑和最大空隙直徑均略大于乳化瀝青冷再生混合料，這可能是由于泡沫瀝青選擇性與填料結合，瀝青的憎水性導致在點焊狀泡沫瀝青周圍產(chǎn)生水分聚集現(xiàn)象，此外，泡沫瀝青冷再生混合料的和易性較差，集料骨架之間未形成飽和填充，因此更易于產(chǎn)生大空隙。

表10 不同凍融循環(huán)次數(shù)泡沫/乳化瀝青冷再生混合料平均空隙直徑Table 10 Average void diameter of foamed/emulsified asphalt cold recycled mixture with different freeze-thaw cycles

隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，泡沫/乳化瀝青冷再生混合料的平均空隙直徑和最大空隙直徑增大，經(jīng)歷10次凍融循環(huán)后，泡沫瀝青冷再生混合料平均空隙直徑增大至2.329 mm，增大了94.6%，最大空隙直徑增大至6.446 mm，增大了111.1%；乳化瀝青冷再生混合料平均空隙直徑增大至2.202 mm，增大了92.0%，最大空隙直徑增大至6.324 mm，增大了103.0%，說明凍融循環(huán)膨脹應力促使微空隙向大空隙轉(zhuǎn)移，大空隙數(shù)量增加，小空隙比例和空隙數(shù)量減小，平均空隙直徑增大。

3.2.3 微觀空隙豎向分布規(guī)律

統(tǒng)計不同凍融循環(huán)作用下馬歇爾試件高度方向的平均空隙變化規(guī)律，結果見圖3。

由圖3可知，越靠近圓柱體中心部位，平均空隙直徑越小，沿試件高度方向，平均空隙直徑大小分布呈“C”字形，越靠近外側，泡沫/乳化瀝青冷再生混合料的平均空隙直徑越大，分析其原因[2-3,5-6]，馬歇爾試件兩端的連通開口空隙和半封閉空隙數(shù)量多，并且在凍融循環(huán)試驗過程中，凍結、融化均是由外到內(nèi)進行，與外界接觸的部分更容易受到凍融作用的影響。此外，試件兩端的冷再生混合料，在試件制備過程中受人為因素擾動較大，初始空隙率大于試件中部，并且這部分空隙大多與外界連通，在凍融循環(huán)作用下，首先由外至內(nèi)產(chǎn)生剝落、掉粒，因此凍融循環(huán)后試件兩端的平均空隙直徑相對較大。

圖3 不同凍融循環(huán)作用下泡沫/乳化瀝青冷再生混合料平均空隙直徑的豎向分布規(guī)律Fig.3 Vertical distribution of average void diameter of foamed/emulsified asphalt cold recycled mixture under different freeze-thaw cycles

3.2.4 微觀空隙結構與力學性能相關性

為了揭示微觀空隙結構變化對泡沫/乳化瀝青冷再生混合料宏觀性能的影響，圖4建立了泡沫/乳化瀝青冷再生混合料平均空隙直徑與劈裂強度、貫入剪切強度的相關性。

由圖4可知，經(jīng)歷10次凍融循環(huán)作用后，隨著平均空隙直徑增大，泡沫/乳化瀝青冷再生混合料劈裂強度、貫入剪切強度均呈指數(shù)函數(shù)關系減小，擬合優(yōu)化度R2>0.95，表明在凍融循環(huán)作用下微細觀空隙結構發(fā)生轉(zhuǎn)變，平均空隙直徑增大，宏觀表現(xiàn)為劈裂強度、貫入剪切強度力學性能降低，采用平均空隙指標能較好評價凍融循環(huán)作用對冷再生混合料的劣化作用，泡沫/乳化瀝青冷再生混合料內(nèi)部微空隙數(shù)目減少、平均空隙直徑增大是其力學性能衰減的根本原因。

圖4 泡沫/乳化瀝青冷再生混合料平均空隙直徑與力學性能相關性Fig.4 Correlation between average void diameter and mechanical properties of foamed/emulsified asphalt cold recycled mixture

4 結論

(1)凍融循環(huán)作用顯著降低了泡沫/乳化瀝青冷再生混合料的力學性能，總體上，泡沫瀝青與乳化瀝青冷再生混合料表現(xiàn)出了基本相同的力學性能，乳化瀝青比泡沫瀝青冷再生混合料有更好的抗損害性能。

(2)凍融循環(huán)作用導致泡沫/乳化瀝青冷再生混合料的空隙率增大，空隙級配中的體積小于0.1 mm3微孔比例減少，體積大于0.1 mm3的空隙比例增多。

(3)隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，在水結冰膨脹力作用下，伴隨著力學性能衰減，泡沫/乳化瀝青冷再生混合料空隙體積得到擴張，小空隙逐漸擴展為大空隙，空隙數(shù)量減少、空隙體積增大，表現(xiàn)為平均空隙直徑增大、微空隙比例減小、空隙級配逐漸退化。

(4)隨著平均空隙直徑增大，泡沫/乳化瀝青冷再生混合料劈裂強度、貫入剪切強度均呈指數(shù)函數(shù)關系減小，在凍融循環(huán)作用下微細觀空隙結構向有害空隙轉(zhuǎn)變，平均空隙直徑增大，宏觀表現(xiàn)為劈裂強度、貫入剪切強度力學性能降低。采用平均空隙指標能較好評價凍融循環(huán)作用對冷再生混合料的劣化作用，泡沫/乳化瀝青冷再生混合料內(nèi)部微空隙數(shù)目減少、平均空隙直徑增大是其力學性能衰減的根本原因。