泡沫瀝青和水泥對冷再生混合料性能的影響機理

閆立群， 焦建斌， 任靖峰， 杜素軍， 王燕春

(1.山西路橋第七工程有限公司， 晉城 048000； 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合工程實驗室， 太原 030006)

目前中國公路建設已經由建養并舉逐漸發展為養護為主的階段[1]，據統計，“十三五”期間，因瀝青路面養護維修、改建等每年產生的瀝青混合料回收料(reclaimed asphalt pavement， RAP)7×107～9×107t，并且中國范圍內產生的RAP以每年約10%的速度增長[2-3]。RAP的再生利用是建設兩型社會和構建綠色公路體系的必然要求。面臨著我國高速公路里程長、基數大、養護維修周期短、筑路材料資源緊缺的難題，RAP的再生利用任務更加迫切和繁重[4-6]。

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瀝青冷再生結構層，實現了半剛性基層瀝青路面結構轉換，延長瀝青路面使用壽命，克服了公路養護高資源占有、高能源消耗、高碳排放的難題[7-9]。相對于熱再生技術，冷再生技術具備RAP回收利用率高(RAP摻量為70%～100%)、施工便捷、冷拌冷鋪節能減排和顯著的經濟優勢，相較于乳化瀝青冷再生技術，泡沫瀝青冷再生養生3～7 d后的早期強度高、鉆出完整芯樣所需的養生時間短(施工進度快)、泡沫瀝青可適用于不同結構層位的再生料(不存泡沫瀝青與RAP在融合性、配伍性問題)，同時也具備優異的抗變形能力，泡沫瀝青最突出的優勢在于其無化學添加劑及相對顯著的經濟優勢，近年來在世界各國瀝青路面養護維修中得到了廣泛發應用[4-8]。

泡沫瀝青冷再生在養護維修工程中一般作為高速公路路面結構下面層兼結構補強層，隨著其使用層位的不斷上移，這就要求泡沫瀝青冷再生混合料應具備足夠的力學強度、剛度及優異的路用性能與抗疲勞特性，以抵抗車輛荷載和環境溫度、水等綜合作用[10-14]。從對混合料強度的貢獻角度而言，泡沫瀝青是泡沫瀝青冷再生混合料的主要膠結料、水泥是次級膠結料，泡沫瀝青冷再生混合料中長期性能(服役期間)的強度來源主要由泡沫瀝青提供，水泥主要提供了早期強度(3～14 d)，水泥對冷再生混合料的強度貢獻先快后慢，整體緩慢且長期增長(強度增長持續約2年)。目前中國針對泡沫瀝青冷再生混合料的力學性能與路用性能方面已經開展了部分研究[2-7]，已有研究主要關注礦料級配優化設計、養生方法、試件成型方式及強度評價標準與性能提升等方面[8-14]。水泥和泡沫瀝青作為冷再生混合料的主要膠結料，有關泡沫瀝青冷再生混合料強度機理方面研究較少，研究泡沫瀝青用量和水泥摻量對泡沫瀝青冷再生混合料宏觀性能與強度機理的影響，為優化泡沫瀝青冷再生混合料材料組成配比提供參考。

1 實驗材料與方案

1.1 原材料

(1)泡沫瀝青：采用A-90#基質瀝青，按照《公路瀝青路面再生技術規范》(JTG 5521—2019)規范附錄C調整發泡溫度(155～165 ℃)、發泡水量(1%～3%)，通過發泡試驗確定泡沫瀝青膨脹率為25倍、半衰期為19 s，符合《公路瀝青路面再生技術規范》(JTG 5521—2019)膨脹率大于10倍、半衰期大于8 s的要求。

(2)水泥：P.S42.5水泥，指標如表1所示。

(3)RAP：來源于太原繞城高速公路下面層(AC-25)，采用冷銑刨后二次篩分方式獲取瀝青。混合料回收料(RAP)，RAP技術性能如表2所示。

(4)新集料：新集料采用10～20 mm石灰巖碎石和0～5 mm石屑，性能符合《公路瀝青路面再生技術規范》(JTG 5521—2019)規范要求。

(5)水：飲用自來水。

(6)混合料配合比設計：采用中粒式泡沫瀝青冷再生混合料級配(表3)。在不添加泡沫瀝青情況下，變化含水率進行擊實試驗獲得最大干密度對應的為6.5%，在此基礎上折減20%，確定最佳含水率(optimal water content, OWC)為5.2%。水泥以內摻形式參與合成級配，等質量替代填料。

表1 水泥性能指標

表2 RAP技術性能

表3 泡沫瀝青冷再生混合料礦料級配

1.2 試驗方案與方法

在工程中常用的0～2.5%水泥劑量范圍內，試驗研究選擇0、1%、1.5%、1.8%、2.1%共5組水泥摻量，每種水泥摻量下，在2.0%～3.5%泡沫瀝青用量范圍內間隔0.5%選擇4組泡沫瀝青用量。

(1)力學性能試驗：按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)、《公路瀝青路面再生技術規范》(JTG /T 5521—2019)相關要求與試驗方法進行無側限抗壓強度試驗、劈裂強度試驗與動態壓縮模量試驗。根據文獻[2,7-9]，將劈裂強度(splitting strength，ITS)、無側限抗壓強度(unconfined compressive strength，UCS)無側限圍壓下的最大、最小主應力，根據莫爾圓推算冷再生混合料的內摩擦角φ和黏聚力c抗剪切強度參數。動態壓縮模量加載頻率5 Hz，試驗溫度為20 ℃。

(2)路用性能試驗：試件制備、試驗條件與加載方式、試驗步驟等嚴格按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)、《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50—2017)進行。

(3)泡沫瀝青在冷再生破壞界面的分散狀態評價：采用高清數碼相機獲取泡沫瀝青冷再生混合料破壞試件界面的圖像信息，基于閾值分割方法獲取劈裂破壞界面泡沫瀝青所占的面積(foamed asphalt area content，FFAC)。

(4)微觀空隙結構：采用Y.CT Precision 型工業計算機體層攝影(computed tomography，CT)獲取不同水泥摻量的馬歇爾試件CT圖像，將CT掃描圖像導入工業CT處理軟件VGStudio MA進行三維重構，按照文獻[2-5]算法，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冷再生混合料內部空隙的三維立體效果顯示及數據分析。

2 水泥與乳化瀝青對冷再生混合料力學性能與路用性能的影響

2.1 力學性能試驗

力學性能試驗結果如表4所示，可得出如下結論。

(1)隨著水泥摻量的增大，泡沫瀝青冷再生混合料劈裂強度ITS、無側限抗壓強度UCS、動態回彈模量E、抗剪切參數φ和c均顯著增大，尤其是UCS與動態回彈模量指標，隨著水泥摻量增大，兩者一直呈增大趨勢。在2.0%、2.5%、3.0、3.5%泡沫瀝青用量范圍內，水泥摻量由0增大至2.5%，泡沫瀝青冷再生混合料ITS分別增大了85.6%、41.2%、13%、11.1%，UCS分別增大了48.5%、59.7%、51.4%、50.8%、動態回彈模量E分別增大了108.5%、102.2%、102.2%、116.6%，黏聚力c分別增大了23.5%、11%、12.3%、6.8%，內摩擦角φ分別增大了11.6%、15.6%、13.7%、15.4%。分析其原因，水泥水化產物在生長過程中不僅為冷再生混合料提供了早期強度，也能夠填充水在泡沫瀝青與集料接觸界面及泡沫瀝青砂漿內部殘留的空隙，水泥水化產物錨固在泡沫瀝青砂漿與集料中，起到了類似加筋、橋接的作用。

表4 不同泡沫瀝青與水泥摻量的冷再生混合 料力學性能試驗結果

(2)相較于不摻加水泥，摻加1%水泥后，泡沫瀝青用量為2.0%、2.5%、3.0%、3.5%時，冷再生混合料的ITS分別增大了58.9%、22.4%、4.7%、2.7%，UCS分別增大了23.5%、20.1%、22%、17.2%、動態回彈模量E分別增大了60.4%、57.2%、53.3%、67.6%，黏聚力c分別增大了3.7%、4.8%、3.4%、4.8%，內摩擦角φ分別增大了34.7%、19.8%、5.6%、3.1%，在泡沫瀝青摻量較低(2.0%、2.5%)時，摻加水泥顯著提高了泡沫瀝青冷再生混合料的劈裂強度與黏聚力。

(3)在泡沫瀝青用量為2.0%、2.5%、3.0%、3.5%條件下，相較于1.8%水泥摻量，摻加2.1%水泥后，冷再生混合料的ITS分別提高了3.8%、2.1%、2.2%、0.6%、UCS分別提高了1.5%、9.4%、5.1%、4.9%、動態模量分別提高了7.7%、9.4%、5.1%、4.9%、內摩擦角φ分別提高了1.8%、1.9%、1.5%、2.1%、黏聚力c分別提高了1.5%、0.8%、1.3%、0.6%，綜合考慮水泥摻量對泡沫瀝青冷再生混合料力學性能的影響趨勢，水泥摻量控制為1%～1.8%較為適宜。

(4)在0～2.1%水泥摻量范圍內，隨著泡沫瀝青用量增大，ITS、UCS、內摩擦角φ、黏聚力c均先增大后減小，呈拋物線變化趨勢，并在3.0%泡沫瀝青用量時ITS、UCS、內摩擦角φ、黏聚力c均達到峰值。因此可通過ITS或UCS試驗確定最佳泡沫瀝青用量。值得注意的是，變化水泥摻量對最佳泡沫瀝青影響不大，這是由于水泥與泡沫瀝青的強度形成機理不同，水泥作為次級膠結料在顆粒組成上只是等同于活性礦粉。

2.2 路用性能試驗

不同水泥和泡沫瀝青摻量條件下冷再生混合料路用性能試驗結果如表5所示。可得出如下結論。

(1)在2.0%、2.5%、3.0%、3.5%泡沫瀝青用量下，摻加1%水泥可以使DS提高至3 000次/mm以上，TSR、干濕ITS比從不足70%提高至80%以上，因此從水穩定性和高溫性能考慮，泡沫瀝青冷再生混合料內部應摻加適量水泥。

表5 不同泡沫瀝青與水泥摻量的冷再生混合料 路用性能試驗結果

(2)隨著水泥摻量的增加，冷再生混合料彎拉強度、彎曲應變均先增大后減小，在較低泡沫瀝青用量時(≤2.5%)，以峰值彎曲強度、彎曲應變確定最佳水泥摻量為1.0%～1.5%，泡沫瀝青用量大于2.5%時，最佳水泥摻量為1.5%～1.8%。

(3)隨著泡沫瀝青用量增大，冷再生混合料動穩定度減小，彎拉強度、彎曲應變及TSR、干濕ITS比均增大。

(4)摻加1.5%～1.8%水泥與2.5%～3.5%泡沫瀝青后，冷再生混合料具有優異的高溫性能與水穩定性，可以滿足《公路瀝青路面再生技術規范》(JTG 5521—2019)高速公路下面層冷再生混合料的路用性能要求。

3 水泥與乳化瀝青對冷再生混合料微細觀結構的影響

3.1 泡沫瀝青的分散狀況觀察

泡沫瀝青在劈裂試件破壞界面處的分散狀況如圖1所示。破壞界面FFAC，結果如表6所示。

圖1 泡沫瀝青在冷再生混合料破壞界面的分散狀況Fig.1 Dispersion of foam asphalt in cold recycling mixture interface

由圖1、表6可知，不同泡沫瀝青用量下冷再生混合料破壞界面的FFAC差異較大，ITS試驗試件破壞界面FFAC，隨著泡沫瀝青用量的增大而增大，實測FFAC數據離散性小，能夠滿足試驗誤差要求。2.0%、2.5%、3.0%、3.5%泡沫瀝青用量下，冷再生混合料破壞界面FFAC平均值分別為12.5%、29.4%、44.1%、55.3%，對應的ITS均值分別為0.48、0.58、0.73、0.67 MPa。泡沫瀝青用量由2.0%增大至3.5%，FFAC由12.5%增大至53.3%，增大了3.4倍，尤其是泡沫瀝青由2.0%增大至2.5%、2.5%增大至3.0%、3.0%增大至3.5%時，泡沫瀝青用量僅間隔0.5%，但FFAC分別提高了135.1%、49.8%、25.3%，可見增大泡沫瀝青用量后，FFAC并非呈線性關系增大，隨著泡沫瀝青用量增大，FFAC增長率減小，尤其在較低摻量時，增大泡沫瀝青能顯著增大FFAC，可見在最佳泡沫瀝青用量范圍內泡沫瀝青的分散效率最高。

圖2建立了FFAC與ITS的相關性，可見，隨著FFAC增大，ITS呈先增大后減小趨勢，兩者之間的二次函數擬合相關性R2>0.95。

表6 劈裂破壞界面的泡沫瀝青分散狀況

圖2 FFAC與ITS擬合關系Fig.2 Fitting relationship between FFAC and ITS

3.2 水泥對冷再生混合料微觀結構的影響

3.2.1 微觀形貌分析

在3%泡沫瀝青用量條件下，對比不摻加水泥和1.5%水泥摻量下冷再生混合料破壞界面的掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)圖像，結果如圖3表示。

圖3 摻加水泥前后泡沫瀝青砂漿微觀形態Fig.3 Microscopic morphology of foamed asphalt mortar before and after adding cement

圖3(a)、圖3(b)為不摻水泥的泡沫瀝青砂漿微觀形貌，由于礦粉顆粒之間的相互干涉作用，泡沫瀝青砂漿的顯微結構呈松散結構、整個圖像填料表面顯得較為光滑，礦粉與瀝青之間只存在物理吸附，水揮發后殘留有孔洞，這為形成浸水后水進入冷再生混合料內部的通道。圖3(c)、圖3(d)為1.5%水泥摻量下泡沫瀝青膠漿微觀形貌，對比圖3(a)、圖3(b)，摻加水泥后泡沫瀝青砂漿微觀結構形貌由蓬松狀轉變為簇狀加筋嵌擠結構，由于養生過程中，水化產物向空間發展、生成時受到礦粉顆粒和瀝青的阻礙，針刺狀水泥水化產物Aft錨固到填料和瀝青的紋理中，水泥的“錨固”“加筋”作用加之水泥自身的剛性，提高了接觸界面的粗糙度，摻加水泥后，泡沫瀝青砂漿微觀形貌得到顯著改善，水泥接觸界面形成的簇狀嵌擠的加筋結構，為加強RAP與泡沫瀝青膠漿界面之間的黏結提供了良好基礎，這也是隨著水泥摻量的增加冷再生混合料抗壓強度、動態回彈模量、水穩定性、高溫穩定性等力學性能與路用性能提高的根本原因。

3.2.2 微觀空隙結構

基于工業CT無損檢測技術獲取凍融前后冷再生混合料內部每個獨立空隙的體積參數，并計算平均空隙直徑，結果如圖4所示，可得出如下結論。

圖4 摻加水泥前后泡沫瀝青冷再生混合料空隙結構Fig.4 The void structure of foamed asphalt cold recycled mixture before and after adding cement

(1)未凍融，不摻加水泥的冷再生混合料空隙體積0.1 mm3≤V<1 mm3、V≤0.1 mm3的空隙數量分別為26.1%、61.7%，摻加1.5%水泥的冷再生混合料空隙體積0.1 mm3≤V<1 mm3、V≤0.1 mm3的空隙數量分別為14.9%、75.4%，摻加水泥顯著減少了冷再生混合料內部小于0.1 mm3的空隙數量，水泥水化后增大了空隙級配中小于0.1 mm3微孔的數量。

(2)經歷凍融循環作用后，不摻加水泥，冷再生混合料平均空隙直徑由0.589 5 mm增大至1.049 2 mm，增大了78%，空隙體積中0.1 mm3≤V<1 mm3空隙數量由26.1%增大至60.1%，增大130.3%，空隙體積中V≤0.1 mm3的空隙數量由61.7%減小至28.4%，減小為凍融前的46%。摻加1.5%水泥后，冷再生混合料平均空隙直徑由0.494 3 mm增大至0.834 7 mm，增大了68.7%，空隙體積中0.1 mm3≤V<1 mm3空隙數量由14.9%增大至37.8%，增大了153.7%，空隙體積中V≤0.1 mm3的空隙數量由75.4%減小至50.6%，減小為凍融前的67.1%，由此可見，凍融循環作用顯著增大了冷再生混合料內部的平均空隙直徑，減小了小于0.1 mm3微空隙數量，降低了總空隙數量，摻加水泥有能夠降低凍融作用對冷再生混合料微觀空隙結構的損傷作用，水泥水化產物具有抑制冷再生混合料內部空隙增大的作用，并且維持空隙級配的穩定，這是水泥改善泡沫瀝青冷再生水穩定性的原因之一。

4 結論

(1)隨水泥摻量的增大，泡沫瀝青冷再生混合料劈裂強度ITS、無側限抗壓強度UCS、動態回彈模量E、抗剪切參數φ和c均顯著增大，尤其是UCS、動態回彈模量E、動穩定度DS和凍融劈裂強度比、干濕ITS比指標，隨水泥摻量增大而增大。過多的水泥不利于冷再生混合料的低溫性能，推薦水泥摻量控制為1%～1.8%較為適宜。

(2)隨泡沫瀝青用量增大，ITS、UCS、內摩擦角φ、黏聚力c均先增大后減小，并在3.0%泡沫瀝青用量時ITS、UCS、內摩擦角φ、黏聚力c均達到峰值。動態回彈模量E、動穩定度DS隨泡沫瀝青摻量增大而減小。摻加1.5%～1.8%水泥與2.5%～3.5%泡沫瀝青后，冷再生混合料具有優異的高溫性能與水穩定性。

(3)泡沫瀝青冷再生混合料中的瀝青呈獨特的“點焊”狀分散方式，FFAC與ITS兩者之間有良好的二次函數關系。增大泡沫瀝青后劈裂試件破壞界面的泡沫瀝青面積增大，這是冷再生混合料ITS隨泡沫瀝青用量增大呈先增大后減小的根本原因。

(4)水泥水化后形成的狀加筋嵌擠結構增大了空隙級配中小于0.1 mm3微孔的數量，減小了冷再生混合料的平均空隙直徑，水泥水化產物具有抑制凍融作用下冷再生混合料內部空隙增大的作用，并且維持空隙級配的穩定。