乳化瀝青復(fù)合冷再生混合料界面及其性能研究

徐周聰， 周浩南， 張 浩， 鄭世倫， 梁旭之

(1.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司， 重慶 400067； 2.同濟(jì)大學(xué)， 上海 201800； 3.山區(qū)道路工程與防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400067；4.重慶交通大學(xué)， 重慶 400067； 5.貴州省遵義公路管理局， 貴州 遵義 563100)

路面在運(yùn)營中受自然環(huán)境、交通荷載的影響，路面結(jié)構(gòu)在其壽命周期內(nèi)，出現(xiàn)不同程度的損壞，而路面再生技術(shù)[1]是針對(duì)路面損害以及路面材料再生的一項(xiàng)重要研究，其中“復(fù)合冷再生技術(shù)”是指將銑刨好的瀝青面層舊料(RAP料)和半剛性基層舊料(RBP料)按一定的比例進(jìn)行摻配，并加入一定量的水泥、乳化瀝青或泡沫瀝青等，經(jīng)廠拌形成冷再生混合料，直接用于路面基層，實(shí)現(xiàn)RAP料與RBP料的再生利用。乳化瀝青再生混合料是一種常用的材料，其強(qiáng)度受到諸多因素的影響。王衛(wèi)斌[2]對(duì)水泥乳化瀝青冷再生混合料的性能進(jìn)行了研究，分析了不同情況下性能的影響因素；王宏等[3]對(duì)乳化瀝青混合料的拌和用水量和水泥摻量的方式進(jìn)行了研究；牛維宏等[4]利用硫鋁酸鹽作為添加劑進(jìn)行正交試驗(yàn)，探究了水泥摻量對(duì)乳化瀝青混合料的破乳時(shí)間和強(qiáng)度的影響；Tarefder等[5]為研究聚合物改性瀝青的水穩(wěn)敏感性，對(duì)聚合物改性瀝青的粘聚力使用了AFM電鏡進(jìn)行了測(cè)試；Castorena等[6]通過SEM電鏡與EDS能譜儀觀測(cè)了微觀狀態(tài)下再生瀝青混合料中新舊瀝青的融合程度；Chen等[7]通過SEM電鏡觀測(cè)了不同拌和順序下混合料中各材料的界面微觀形態(tài)特征；劉繼中等[8]采用SEM電鏡等對(duì)復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析；Xiao等[9]利用掃描電鏡和計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)，觀測(cè)到由不同材料組成的水泥乳化瀝青混合料的細(xì)觀圖像和空隙特征。綜上分析，已有成果聚焦乳化瀝青各材料量的改變對(duì)混合料力學(xué)性能的影響研究，而本文在已有成果基礎(chǔ)上研究水泥和RAP摻量對(duì)混合料穩(wěn)定性、強(qiáng)度的影響，同時(shí)為了能更好地解釋其變化機(jī)理，采用SEM電鏡和EDS能譜儀，觀測(cè)在混合料水泥、RAP料摻量的變化下，研究各界面的微觀形態(tài)和各含元素的變化。

1 試驗(yàn)原材料及試驗(yàn)級(jí)配

1.1 原材料

本文使用的原材料包括乳化瀝青、水泥、RAP料、RBP料。其中后2類均采用舊高速公路面層銑刨料。該高速公路路面原結(jié)構(gòu)為20 cm水泥穩(wěn)定碎石基層+5 cm AC-13瀝青混凝土面層。

1) 乳化瀝青

乳化瀝青的技術(shù)指標(biāo)[10]如表1所示。

2) RAP料和RBP料

RAP料與RBP料均采用高速公路面層銑刨料，其篩分結(jié)果如表2所示。

表1 乳化瀝青技術(shù)指標(biāo)

表2 回收舊料篩分結(jié)果

1.2 試驗(yàn)級(jí)配

1) 確定級(jí)配組成

根據(jù)JTG/T 5521—2019《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》中乳化瀝青冷再生混合料中粒式級(jí)配范圍的要求，本文設(shè)計(jì)了以下3種滿足要求的合成級(jí)配，如表3所示。

2) 確定最佳乳化瀝青含量

對(duì)不同乳化瀝青摻量下的混合料進(jìn)行了各級(jí)配馬歇爾穩(wěn)定度測(cè)試，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，對(duì)于各級(jí)配混合料，乳化瀝青摻量為5%時(shí)，馬歇爾穩(wěn)定度均達(dá)到最大值。因此，選取5%乳化瀝青作為冷再生混合料最佳乳化瀝青摻量。

2 乳化瀝青混合料斷面空隙特征

2.1 斷面組成特征的獲取方式

通過使用掃描電子顯微鏡(SEM)、環(huán)境掃描儀(ESEM)等對(duì)乳化瀝青混合料的界面微觀形態(tài)特征進(jìn)行分析，從而獲取其斷面的組成[12-13]。

表3 乳化瀝青冷再生混合料的合成級(jí)配

圖1 各級(jí)配馬歇爾穩(wěn)定度測(cè)試結(jié)果

2.2 斷面的分割處理方法

針對(duì)混合料斷面的圖像處理技術(shù)主要有以下幾種：閾值分割法、區(qū)域分割法、便于分割法、特定理論分割法。本文采用閾值分割法對(duì)圖像進(jìn)行處理。

2.3 乳化瀝青混合料空隙特征

對(duì)乳化瀝青混合料的斷面進(jìn)行分割后，通過Imagej軟件，獲得斷面特征。整個(gè)斷面的空隙率可以根據(jù)斷面像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)來計(jì)算。由空隙率的大小可推測(cè)混合料的性能以及其他影響[14]。

本文在最佳水泥與最佳乳化瀝青摻量下，對(duì)3種級(jí)配成型的混合料馬歇爾試件進(jìn)行切割并進(jìn)行圖像處理，Imagej軟件統(tǒng)計(jì)的斷面空隙特征結(jié)果如表4所示。

從表4可知，3種級(jí)配下各試件的空隙特征相近。

3 乳化瀝青再生混合料界面微觀形態(tài)

1) CA膠漿-RAP料界面

利用SEM電鏡，可清晰看出CA膠漿-RAP料界面的微觀形態(tài)，如圖2所示。

表4 各級(jí)配馬歇爾試件空隙特征

從圖2(a)可看出，圖右下角的集料包裹著一層黑色的老化瀝青帶，這兩相之間沒有明顯的過渡帶，瀝青膜厚度約為16 μm；CA膠漿與老化瀝青存在明顯結(jié)合面，但圖2(b)、(c)中某些粘結(jié)界面能看到CA膠漿與老化瀝青已經(jīng)開始融合；圖2(d)界面中已有晶體析出區(qū)域。

(a) 無明顯過渡帶區(qū)域

(b) 界面融合區(qū)域

(c) 界面融合區(qū)域

(d) 晶體析出區(qū)域

為掌握分層材料中各相沿垂直于粘結(jié)面方向的分布、粘結(jié)面本身的元素組成，對(duì)垂直于粘結(jié)面的方向進(jìn)行了大約150 μm的線掃描，并分析了其中C、S、O等3個(gè)元素，結(jié)果如圖3所示。

(a) 150 μm線掃描區(qū)域

(b) 碳元素

(c) 硫元素

(d) 氧元素

從圖3可以看出，在0 μm～68 μm范圍內(nèi)，C、S元素活躍，O元素不活躍，說明該范圍為水泥乳化瀝青相，反之，在82 μm～150 μm內(nèi)O元素活躍，C、S元素不活躍，說明該范圍為石料；在這兩相之間有一個(gè)寬度為14 μm凸起的活峰值，說明這個(gè)區(qū)域?yàn)槔匣癁r青區(qū)域，與前文電鏡分析的結(jié)果吻合。綜上可推測(cè)出CA膠漿與老化瀝青在此處產(chǎn)生了交融，部分水泥水化產(chǎn)物滲入了此區(qū)域，這說明在105 ℃與60 ℃的養(yǎng)護(hù)條件下部分新舊瀝青產(chǎn)生了融合。

2) CA膠漿-RBP料界面

水泥乳化瀝青CA膠漿-RBP料界面微觀形態(tài)如圖4所示。

(a) 明顯裂縫界面

(b) 粘結(jié)較好界面

由圖4可見，CA膠漿與RBP料的界面存在有2種狀態(tài)：一是如圖4(a)中有明顯裂縫，二是如圖4(b)的較好粘結(jié)。由于圖4(a)中的舊水泥與集料有一定的空隙，但尚未完全脫落，且縫隙較小，導(dǎo)致CA膠漿無法裹附；圖4(b)左下角則可明顯看出對(duì)已開始剝落的水泥石，CA膠漿能將其很好地裹附起來。

同樣，采用150 μm線掃描，結(jié)果如圖5所示。

(a) 150 μm線掃描區(qū)域

(b) 碳元素

(c) 硫元素

(d) 氧元素

分析圖5中C、S、O等3個(gè)元素的含量變化，結(jié)果表明0 μm～78 μm范圍內(nèi)C元素和S元素活躍，O元素不活躍，說明此時(shí)的區(qū)域?yàn)樗嗳榛癁r青相，在78 μm～87.4 μm范圍內(nèi)各元素均有凸起的活躍峰，說明CA膠漿對(duì)RBP料浸入深度為9.4 μm，在87.4 μm后，CA膠漿與水化水泥的粘結(jié)面中的C元素達(dá)到了峰值，O元素也在逐步上升，這說明這個(gè)部位正在由瀝青相向水化水泥相轉(zhuǎn)變。

3) CA膠漿-新集料界面

水泥乳化瀝青CA膠漿-新集料界面微觀形態(tài)如圖6所示。

(a) 界面1

(b) 界面2

(c) 界面3

(d) 界面4

(e) 界面5

由圖6(b)可知，CA膠漿-新集料各個(gè)界面粘結(jié)狀態(tài)介于CA膠漿-RAP料與CA膠漿-RBP料之間，沒有CA膠漿-RAP料界面粘結(jié)緊密，但粘結(jié)穩(wěn)定性較CA膠漿-RBP料高，無明顯薄弱區(qū)域。

對(duì)CA膠漿-新集料分層材料沿垂直于結(jié)合面方向進(jìn)行500 μm長度的EDS元素線掃描分析，掃描分析結(jié)果如圖7所示。

(a) 150 μm線掃描區(qū)域

(b) 碳元素

(c) 硫元素

(d) 氧元素

據(jù)圖7中C、S、O元素活躍峰的分布可知，測(cè)試區(qū)域左側(cè)為水泥乳化瀝青，右側(cè)為新集料，在50.6 μm～61.0 μm范圍內(nèi)各元素含量分布均存在一個(gè)峰值，故可推斷水泥乳化瀝青膠漿對(duì)新集料浸入深度為10.4 μm。

結(jié)合混合料中各材料與膠結(jié)料的界面微觀狀態(tài)與微觀組成可知：在粘結(jié)良好的界面，瀝青與各種集料的浸入深度為7 μm～10 μm，此時(shí)的界面若受到拉力而破壞，將產(chǎn)生粘聚破壞，即CA膠漿材料本身會(huì)先于其他集料界面產(chǎn)生的破壞，此時(shí)界面粘附性能取決于CA膠漿材料本身，故僅以增加CA膠漿用量的方法來增強(qiáng)混合料性能是不可取的；且由于RAP料表面老化瀝青與CA膠漿在界面處產(chǎn)生了一定程度的融合，對(duì)CA膠漿本身性能會(huì)產(chǎn)生一定的影響。因此，在冷再生混合料中粘結(jié)良好的界面，RBP料與CA膠漿的粘結(jié)性能要優(yōu)于RAP料。

4 乳化瀝青的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果與分析

利用SEM電鏡和EDS能譜儀觀測(cè)到在改變水泥和RAP料摻量后，CA膠漿與RAP料、RBP料和新集料的界面微觀特征，下面本文將采取宏觀試驗(yàn)，對(duì)乳化瀝青混合料的力學(xué)性能試驗(yàn)進(jìn)行分析。

4.1 水泥摻量的影響

水泥用量是乳化瀝青冷再生混合料強(qiáng)度最大的影響因素[15]，不同水泥摻量下混合料的馬歇爾穩(wěn)定度和劈裂強(qiáng)度的測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

(a) 馬歇爾穩(wěn)定度

(b) 劈裂強(qiáng)度

由圖8(a)可知，乳化瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度，在乳化瀝青摻量相同的情況下，1%～2%水泥摻量范圍內(nèi)，隨著摻量的增加，馬歇爾穩(wěn)定度也相應(yīng)增大，這是由于水泥可增加混合料的早期強(qiáng)度，部分水泥水化可提高冷再生混合料的強(qiáng)度。但隨乳化瀝青量的增加，馬歇爾穩(wěn)定度呈下降趨勢(shì)，當(dāng)乳化瀝青摻量為5%時(shí)，馬歇爾穩(wěn)定度達(dá)到最大值；由圖8(b)可知，在乳化瀝青摻量相同的情況下，隨水泥摻量的增加，劈裂強(qiáng)度卻在減小，但乳化瀝青摻量對(duì)劈裂強(qiáng)度的影響與馬歇爾穩(wěn)定度影響類似，均為先增加后減小，且在含量為5%時(shí)達(dá)到最大值[16]。由此可得，過高的水泥摻量會(huì)導(dǎo)致混合料劈裂強(qiáng)度不足，過低則會(huì)導(dǎo)致乳化瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度不足。因此，在綜合考慮所在性能指標(biāo)后，選擇乳化瀝青摻量為5%、水泥摻量為1.5%作為混合料最佳摻量。

4.2 級(jí)配組成的影響

在選擇乳化瀝青摻量為5%、水泥摻量為1.5%為前提條件下，與前文不同級(jí)配集料(級(jí)配1、2、3)拌和下，其混合料的性能如表5所示。

表5 不同級(jí)配混合料性能試驗(yàn)結(jié)果

由表5可知，隨RAP料摻量的不斷增加，混合料的馬歇爾穩(wěn)定度與劈裂強(qiáng)度都在降低，這是因?yàn)殡SRAP料摻量的增加，混合料中的細(xì)集料增多，可更好地起到填充作用；但RAP料過多時(shí)，CA膠漿與老化瀝青會(huì)產(chǎn)生一定程度的融合，阻斷了二者的相互作用，所以在混合料配合比設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)控制好RAP料的摻量。同時(shí)，隨RAP料摻量的增加，微觀狀態(tài)下，混合料各物質(zhì)之間表現(xiàn)出了很好的相容性，乳化瀝青與水泥水化產(chǎn)物形成了貫穿體系，使得水泥的水化產(chǎn)物在一定程度上對(duì)乳化瀝青具有很好的支撐和裹附作用，極大地提高了混合料的穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

通過SEM電鏡、EDS能譜儀對(duì)混合料中各材料與膠結(jié)料的界面微觀形態(tài)、微觀組成進(jìn)行分析，獲取了不同級(jí)配水泥乳化瀝青膠漿混合料的斷面組成特征，研究了水泥和RAP料的摻量變化對(duì)混合料界面強(qiáng)度及其性能的影響，得出以下結(jié)論：

1) 混合料級(jí)配對(duì)空隙率及膠結(jié)料厚度有顯著影響，RAP料的摻入會(huì)使混合料空隙率降低，當(dāng)RAP料摻量為30%時(shí)，膠結(jié)材料的厚度更大，分布更為均勻。

2) CA膠漿-新集料界面粘結(jié)狀態(tài)介于CA膠漿-RAP料與CA膠漿-RBP料之間。RBP料由于表面裹附水泥石的緣故。 其膠漿的粘附狀態(tài)受到了影響，實(shí)際工程中應(yīng)采取措施降低舊路面水泥石形狀對(duì)其強(qiáng)度的影響。

3) 乳化瀝青膠漿的粘附性能取決于其本身膠漿材料的性質(zhì)，針對(duì)粘結(jié)良好的界面，瀝青與各種集料的侵入深度約為7 μm～10 μm，此時(shí)界面受拉產(chǎn)生的破壞為粘結(jié)破壞；RAP料表面老化瀝青在界面處與乳化瀝青膠漿產(chǎn)生了融合，降低了乳化瀝青膠漿的性能，因而粘結(jié)良好的界面粘附能力RBP料>RAP料。

4) 水泥摻量對(duì)混合料的力學(xué)性能影響非常突出。隨水泥摻量的增加，造成各物質(zhì)之間的界面穩(wěn)定性增大，其混合料的馬歇爾穩(wěn)定度會(huì)上升，劈裂強(qiáng)度也會(huì)增大。當(dāng)乳化瀝青摻量為5%時(shí)，馬歇爾穩(wěn)定度和劈裂強(qiáng)度達(dá)到峰值。

5) 增加一定量的水泥和RAP料，不僅能提高混合料各物質(zhì)之間的界面穩(wěn)定性和相容性，還能提高界面強(qiáng)度，同時(shí)也能改善混合料的力學(xué)性能，但過高的水泥和RAP料都會(huì)對(duì)乳化瀝青混合料的強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。建議在實(shí)際工程中，應(yīng)嚴(yán)格控制復(fù)合冷再生混合料中水泥和RAP料的摻量，在本文試驗(yàn)案例中以1.5%的水泥摻量、30%的RAP料含量為最優(yōu)摻量。