不同水泥掺量乳化沥青冷再生混合料细微观空隙分布特征

王　宏

(中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西　西安　710068)



不同水泥掺量乳化沥青冷再生混合料细微观空隙分布特征

王宏

(中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西西安710068)

摘要：基于马歇尔试验、工业CT的无损检测技术以及VG软件的三维重构功能，系统研究了0,1%, 1.5%,2%,2.5%,3%共6种水泥掺量下乳化沥青冷再生混合料的强度特性、空隙率大小、最可几空隙、空隙分形特征的变化规律。分析了最可几空隙、空隙分形特征的数学模型表征，并建立了细微观空隙分布特征与力学性能之间的回归关系。试验结果表明：水泥掺量对乳化沥青冷再生混合料细微观空隙分布特征有显著的影响，乳化沥青冷再生混合料空隙体积与其概率分布之间具有较好的洛伦兹分布关系，采用最可几空隙和空隙分形维数可较好地表征水泥掺量对乳化沥青冷再生混合料细微观空隙特征的影响；随着水泥掺量增大，最可几空隙体积减小；掺加水泥改变了乳化沥青冷再生混合料的整体空隙形状特征，且水泥掺量越大，空隙形状改变越明显；水泥改变了冻融循环作用下乳化沥青冷再生混合料的空隙衰变过程。

关键词：道路工程；乳化沥青冷再生混合料；马歇尔试验；空隙分布特征；最可几空隙；空隙分形特征

0引言

目前乳化沥青厂拌冷再生混合料中是否添加水泥，在实际工程操作中有着不同的做法；水泥对再生混合料性能影响如何，效果有好有坏，难下定论。室内研究发现，在乳化沥青冷再生混合料中加入适量活性填料(如水泥、石灰等)，可显著改善其早期强度、水稳定性、高温稳定性及疲劳性能。关于水泥对乳化沥青冷再生混合料技术性能的影响，国内外学者已经开展了大量研究并取得了一些重要成果[1-5]，但这些成果主要集中在宏观力学试验方面，而关于水泥对乳化沥青冷再生混合料细微观结构性能的强度影响机理方面鲜见报道，仅有的一些研究成果只限于采用SEM定性描述了水泥水化产物对乳化沥青冷再生混合料矿料界面和胶浆界面的影响。由于扫描电镜试验取样过程和扫描试验过程均具有较大的随意性，且很难定量分析，试验结果难以令人信服。为了从细微观空隙角度揭示水泥对冷再生混合料的作用机理，本文首先研究水泥掺量对冷再生混合料干ITS(Indirect Tensile Strength)、湿ITS的影响，进一步借助X-ray无损检测技术和VG软件的三维重构功能系统研究不同水泥掺量乳化沥青冷再生混合料的细微观空隙分布特征，推荐乳化沥青冷再生混合料适宜的水泥掺量范围，以期为新版《沥青路面再生技术规范》的修正以及乳化沥青冷再生技术的推广应用提供理论借鉴。

1主要原材料及试件准备

试验选用的乳化沥青由试验室自制，其主要技术指标见表1；水泥选用某品牌PO32.5普通硅酸盐水泥；回收旧沥青路面(Reclaimed Asphalt Pavement， RAP)材料为陕西某高速公路沥青路面铣刨料，RAP料检测结果见表2。新集料为机制砂和石灰岩碎石，根据RAP料、10～20 mm碎石(新集料)和机制砂的筛分试验结果，确定其各自掺加比例为RAP料∶碎石∶石屑=78∶12∶10，混合料合成级配见表3。

表1　乳化沥青技术指标检测结果

表2　RAP料燃烧前后的级配组成

表3　乳化沥青冷再生混合料合成级配

采用重型击实试验确定1.5%水泥掺量下乳化沥青冷再生混合料的最佳拌和用水量为4.4%。按照湿ITS最大，同时兼顾干ITS和干湿ITS比较大的原则确定的最佳乳化沥青用量为4.0%。为避免拌和用水量、养生温度、试件成型方法、养生时间等外在因素对试验结果的影响，试验中唯一的变量为水泥掺量，水泥以外掺形式掺加，掺量为0，1%，1.5%，2%，2.5%，3%。

(1)混合料拌和：先将水泥、集料一起干拌90 s，再加入预定质量的拌和用水量搅拌90 s，最后加入乳化沥青，搅拌90 s后观察混合料颜色、乳化沥青的裹附状况是否异常，混合料拌和均匀后方可使用。

(2)试件成型及养生[1]：按照《公路沥青路面再生技术规范》(JTGF41—2008)规定的马歇尔击实方法成型试件，将拌和均匀的混合料装入试模，双面击实各50次后置于60 ℃鼓风烘箱中养生48 h,待试件养生结束后再趁热双面各击实25次，室温冷却12 h后备用。为避免放置时间对试验结果的影响，除冻融循环试验外，其余试件需在7 d内完成试验。

2基于X-ray技术测算乳化沥青冷再生混合料的空隙率

2.1空隙率测算

试验选用德国某公司225 KV工业CT扫描系统。VG Studio MAX三维可视化软件的三维重构功能是实现CT扫描图像三维可视化的重要手段，为得到乳化沥青混合料马歇尔试件内部空隙的空间分布规律和空隙的细微观特征，本文采用该软件自带的缺陷分析模块进行计算，经室内反复调试，得到用于乳化沥青冷再生混合料CT扫描试验的主要参数，如表4所示。

表4　工业CT设备规格与参数

基于X-ray技术测算乳化沥青冷再生混合料空隙率的试验方法及步骤为：

(1)按照1.2节的试验方法制备马歇尔试件，每个水泥掺量共成型12个试件，将其随机分为3组，每组4个，取2组(8个)用于表干法实测空隙率，4个进行工业CT无损扫描测试。(2)将用于CT扫描的试件用铝箔封闭，调整扫描参数，进行CT扫描，以获取图像信息。(3)对获取的CT扫描图像信息进行三维重构，并对选取的空隙图像进行物质分割处理(本文阈值分割采用双峰法)。(4)将重构后的信息导入VG Studio MAX2.0软件中的缺陷分析模块，选择“缺陷扩展”功能确定空隙的阈值。(5)设置待测算空隙体积的最大值(1 000 mm3)与最小值(0 mm3)。(6)待计算完成后，以表干法实测空隙率为基准，验算VG测算空隙率的准确性。若CT实测空隙率与表干法实测空隙率差别较大，且肉眼观察扫描图像中有大孔尚未识别，需重新调整空隙图像阈值重新进行计算。(7)待验算合格后输出如图1b所示的计算表单。

图1　CT实测空隙率计算结果Fig.1　Calculation result of CT measured voids

2.2试验结果分析

如图1所示，VG软件计算输出的表单信息包括马歇尔试件内部每个独立空隙的空间三维坐标，空隙的体积、空隙的表面积、以及空隙在马歇尔试件内部x，y，z3个方向上的尺寸大小。不同水泥掺量乳化沥青冷再生混合料实测空隙率和CT测算空隙率的结果见表5。由于CT扫描和表干法实测空隙率均不会对试件造成损伤，获取CT图像后将马歇尔试件用于劈裂试验，以便进一步建立细微观空隙特征与宏观力学性能之间的关系。不同水泥掺量的乳化沥青冷再生混合料干ITS、湿ITS、TSR(Tensile Strength Ratio)的试验结果见表6。

表5　不同水泥掺量乳化沥青冷再生混合料空隙率

表6　不同水泥掺量乳化沥青冷再生混合料ITS试验结果

注：试验温度为15 ℃，试验方法参考《公路沥青路面再生技术规范》(JTGF41—2008)。

分析试验结果可知：(1)CT测算的空隙率略小于表干法实测空隙率。0，1%，1.5%，2%，2.5%，3%水泥掺量下，CT实测空隙率分别为表干法实测空隙率的89.4%，88.1%，87.4%，86.7%，87.3%，92.8%，这与国内已有研究成果相吻合，满足CT测算空隙率与实测空隙率相差15%～20%的误差要求。CT实测空隙偏小的原因主要是由工业CT的扫描精度所致，乳化沥青混合料中小于10 μm的空隙虽能识别，但从计算输出的excel表单可以看到有大量的空隙体积统计为0 mm3，虽然软件识别时将这部分空隙体积统计为0 mm3，但这部分空隙不但有一定的体积，而且其数量相当多，这就造成了CT测算空隙率和表干法实测空隙率有些差别。此外，VG软件的缺陷检测功能只统计了马歇尔试件内部的闭口空隙体积，X-ray扫描试验时虽采用铝箔对试件进行了全封闭处理，但难免造成试件边缘部位部分半封闭空隙的遗漏。(2)随着水泥掺量的增大，乳化沥青冷再生混合料空隙率有减小的趋势，水泥掺量由0增大到2%，乳化沥青冷再生混合料空隙率减小了1.8%，而水泥掺量由0增大到3%，乳化沥青冷再生混合料空隙率减小了9.2%，表明小剂量水泥的掺加对乳化沥青冷再生混合料的总空隙率并没有明显影响，但水泥掺量超过2%，水泥的掺加将对乳化沥青冷再生混合料密实度产生显著影响。(3)水泥掺量由0增大到2%，干ITS仅增大了7%，而湿ITS增大了51.1%，可见水泥作为活性填料添加后并没有显著提高乳化沥青冷再生混合料的干ITS，而是较大程度提高了乳化沥青冷再生混合料的湿ITS和干、湿ITS比；此外，随着水泥掺量的增大，混合料湿ITS总体上呈增大变化趋势，水泥掺量小于1%，随着水泥掺量的增大,混合料湿ITS显著增大，但水泥掺量超过2%后，ITS增加趋势基本稳定。

3水泥对乳化沥青冷再生混合料细微观空隙特征的影响

3.1细微观空隙分布评价指标的选取

目前许多学者都提出采用平均孔径和孔级配来揭示沥青混合料的细微观空隙分布特征[6-8]，但平均孔径是一个统计概念下的平均值，无法排除试件成型过程中以及养生过程中人为因素导致的大孔体积变异性。经初步统计拟合分析，乳化沥青冷再生混合料微孔数量多、大孔数量少、空隙分布特征具有明显的非均一特性。对此采用孔级配和平均孔径指标并不能准确判断出水泥掺量对乳化沥青冷再生混合料细微观空隙分布特征的影响，经室内反复拟合回归，本文以最可几空隙和空隙分形维数为评价指标，研究水泥掺量对乳化沥青冷再生混合料细微观空隙分布特征的影响。

3.2最可几孔径

既然空隙分布特征具有非均一特性，且微孔数量居多，水泥对乳化沥青冷再生混合料的加筋、填充作用势必会对其内部细微观空隙分布特征产生一定影响，如何定量描述水泥掺量对空隙分布特性的影响就显得十分重要[8-12]。所谓的最可几孔径是指马歇尔试件内部空隙中出现次数最多的空隙体积，最可几空隙取决于空隙的分布形态，如果是正态分布，最可几空隙就是平均空隙体积[10]。对于各水泥掺量的635×4张图像的统计分析显示，不同体积大小的空隙概率密度函数基本符合洛伦兹函数分布，本文以洛伦兹函数拟合峰值概率对应的空隙体积来表征最可几空隙，拟合结果见图2。

(1)

(2)

式中，f(x)为洛伦兹函数；xc为峰值空隙体积；A，W均为回归系数。

图2　不同水泥掺量乳化沥青冷再生混合料最可几空隙分布Fig.2　The most probable void distributions of emulsified asphalt cold recycled mixture with different cement contents

图3　不同水泥掺量的乳化沥青冷再生混合料最可几孔径分布规律Fig.3　The most probable void size distribution of emulsified asphalt cold recycled mixture with different cement contents

图2最可几空隙拟合结果表明，各水泥掺量下，乳化沥青冷再生混合料空隙体积与其概率分布之间具有较好的洛伦兹分布关系。随着水泥掺量的增大，最可几空隙体积减小，6种水泥掺量下乳化沥青冷再生混合料的最可几空隙体积分别为0.247 35，0.189 18，0.175 19，0.150 56，0.144 40，0.125 16 mm3。相比不掺加水泥，1%和3%水泥可分别使最可几空隙减小23.5%和49.4%，乳化沥青冷再生混合料的最可几空隙体积随水泥掺量的增大呈二次函数关系递减，拟合关系良好(见图3)。其原因是加入水泥后，水泥水化产物在乳化沥青胶浆内部相互交织、穿插、生长的同时，贯穿了乳化沥青冷再生混合料的空隙，将大孔分隔成体积更小一级的空隙，宏观表现为随水泥掺量的增大，单位面积内空隙数量增多，小孔出现的概率增大；水泥掺量越大，水泥的加筋、填充作用越明显。

3.3空隙分形特征

为了简化计算，通常将混合料中的单个空隙等效成同体积的圆球或椭球。实际中，空隙形态多种多样，空隙形状杂乱无章，对材料中的微裂纹结构、空隙等不规则图形，国外学者认为存在如下关系[8-13]：

(3)

对式(3)两边取对数后可得：

(4)

式中，P为空隙的周长；A为空隙面积；C为常数，回归直线的斜率D为不规则图形边界线的分形维数。

虽然乳化沥青冷再生混合料马歇尔试件中的空隙形态杂乱无章，但同一批马歇尔试件由于试验级配、试件成型方法、CT扫描参数等内外因完全相同，相同水泥掺量的混合料试件内部空隙分布形状应该具有一定的相似性。本文借鉴小岛法研究思路对VG计算的空隙率结果进行拟合分析。假设乳化沥青冷再生混合料内部空隙球体体积与球体表面积之间存在关系V=KSD，两边取自然对数:

lnV=lnK+DlnS，

(5)

式中，V为空隙的体积；S为空隙表面积;K为拟合参数。

根据VG软件输出空隙率的计算结果进行拟合分析，不同水泥掺量下乳化沥青冷再生混合料空隙表面积对数与体积对数之间的拟合关系见图4。

图4　不同水泥掺量乳化沥青冷再生混合料空隙体积与空隙表面积双对数拟合结果Fig.4　Double logarithmic fitting result of void volume and void surface area of emulsified asphalt cold recycled mixture with different cement contents

由图4拟合结果可知，乳化沥青冷再生混合料内部细微观空隙体积与空隙表面积在双对数坐标下具有较好的线性关系，相关系数R2均达到了0.99，拟合关系良好，表明不同水泥掺量的乳化沥青冷再生混合料内部空隙形状具有一定的相似性，细微观空隙具有明显的分形特征；以空隙体积与表面积双对数拟合曲线的斜率表征乳化沥青冷再生混合料的细微观空隙分形特征[10]，在6种水泥掺量下，随着水泥掺量的增大，拟合曲线斜率依次增大，截距的绝对值依次减小，可见水泥掺量对乳化沥青冷再生混合料内部空隙分形特征有显著的影响，水泥的掺加影响了冷再生混合料的细微观空隙形状特征。这也可以用来解释不同水泥掺量乳化沥青冷再生混合料强度差异的原因：除了水泥作为次级结合料提高了胶浆与集料之间的黏附性外，水泥水化产物所形成的二级界面改变了混合料内部的空隙形状特征[5]，导致应力集中因子发生了变化，以致相同荷载作用对相同空隙大小、不同空隙形状特征的材料造成的疲劳损伤不同，水泥的加入改善了乳化沥青冷再生混合料的受力环境，在一定程度上可弥补集料-胶浆以及胶浆内部的界面缺陷。

图5　不同水泥掺量乳化沥青冷再生混合料空隙分形特征Fig.5　Void fractal characteristics of emulsified asphalt cold recycled mixture with different cement contents

4不同水泥掺量乳化沥青冷再生混合料耐久性分析

为研究水泥掺量对乳化沥青冷再生混合料耐久性的影响，采用冻融循环试验并结合X-ray的无损检测技术对冻融循环作用下不同水泥掺量的乳化沥青冷再生混合料细微观空隙进行探讨，并以最可几空隙作为评价指标。

冻融循环试验步骤[1,14]：(1)各水泥掺量下每次冻融循环试验需成型4个标准马歇尔试件，相同水泥掺量完成冻融试验需成型24个马歇尔试件；(2)标准养生结束后，先将试件浸在25 ℃水中饱水0.5 h，取出试件在98.5 kPa真空条件下保持15 min，然后打开阀门，恢复常压，试件在水中放置0.5 h；(3)取出试件放入塑料袋中，加入约10 mL的水，扎紧袋口，将试件放入-18 ℃恒温冰箱中，保持12 h；(4)取出试件后立即放入25 ℃水浴中，撤去塑料袋，保温12 h；保温结束后将试件置于15 ℃鼓风烘箱中烘干，此为一个冻融循环。每次冻融循环结束，将烘干后的试件进行X-ray扫描。相同冻融次数、不同水泥掺量的乳化沥青冷再生混合料最可几空隙变化规律见表7和图6。

表7　冻融循环后乳化沥青冷再生混合料最可几空隙体积变化规律

图6　不同冻融循环后乳化沥青冷再生混合料最可几空隙体积变化规律Fig.6　The most probable void volume variation of emulsified asphalt cold recycled mixture after different freeze-thaw cycles

图7　乳化沥青冷再生混合料最可几空隙与湿ITS之间的拟合关系　Fig.7　Fitting relationship between the most probable void and wet ITS of emulsified asphalt cold recycled mixture

从表7、图6可以发现，经过冻融循环后，乳化沥青冷再生混合料的最可几空隙体积增大。在相同冻融次数下，随着水泥掺量的增大，最可几空隙体积增大的趋势有所降低，水泥改变了冻融循环作用下乳化沥青冷再生混合料的空隙衰变过程，加入水泥具有维持冷再生混合料空隙体积变化不大的作用，增强了混合料的抗冻融耐久性。此外，水泥掺量超过2%后最可几空隙体积减小幅度明显减小，考虑到过多的水泥掺量将导致乳化沥青冷再生混合料刚性增大，会增大工程造价，与国内外的主流应用经验相吻合[14-16]，推荐适宜的水泥掺量不宜超过2%。由于CT扫描属于无损检测，CT扫描后的试件仍可用于劈裂试验。图7建立了马歇尔试件最可几空隙体积与其湿ITS之间的关系。可以看出，湿ITS与最可几空隙体积之间具有较好的指数拟合关系，湿ITS随最可几空隙体积的增大呈指数关系减小，水泥影响了乳化沥青冷再生混合料的最可几空隙大小，进而影响了乳化沥青冷再生混合料的湿ITS，掺加适量的水泥可提高乳化沥青冷再生混合料的抗水损害能力，这也验证了本文提出的最可几空隙统计拟合模型是合理可行的。

5结论

(1)基于工业CT的无损扫描技术和VG软件的缺陷检测功能可以定量分析乳化沥青冷再生混合料内部的细微观空隙组成，CT测算的空隙率与表干法实测的空隙率之间线性拟合关系良好，相对误差不超过11%。

(2)小剂量水泥的掺加对乳化沥青冷再生混合料的总空隙率并没有明显影响，但水泥掺量超过2%时，增大水泥掺量将对乳化沥青冷再生混合料的密实度产生显著影响；水泥作为活性填料添加后并没有显著提高乳化沥青冷再生混合料的干ITS，而是较大程度地提高了乳化沥青冷再生混合料的湿ITS和干、湿ITS比。

(3)通过统计分析，本文选用的洛伦兹概率密度函数能较好地表征水泥掺量对乳化沥青冷再生混合料内部最可几空隙的影响。水泥水化产物在乳化沥青冷再生混合料内部相互交织、穿插、生长的同时，减小了乳化沥青冷再生混合料的最可几空隙，随着水泥掺量的增大，混合料内部空隙的比例增大。

(4)采用lnV=AlnS+B拟合方程可较好地评价乳化沥青冷再生混合料内部的空隙形状特征。乳化沥青冷再生混合料内部空隙形状具有明显的分形特征，水泥的掺加改变了乳化沥青冷再生混合料的整体空隙形状特征，且水泥掺量越大，空隙形状改变越明显。

(5)水泥改变了冻融循环作用下乳化沥青冷再生混合料的空隙衰变过程，增强了混合料的抗冻融耐久性，具有维持冷再生混合料空隙体积变化不大的作用。

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收稿日期：2015-02-05

作者简介：王宏(1987-)，男，陕西商洛人，硕士.(recyclecold@126.com)

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.07.005

中图分类号：U414

文献标识码：A

文章编号：1002-0268(2016)07-0027-08

Meso-microscopic Void Distribution Characteristics of Emulsified Asphalt Cold Recycled Mixture with Different Cement Contents

WANG Hong

(CCCC First Highway Consultants Co., Ltd., Xi’an Shaanxi 710078, China)

Abstract：Based on the Marshall test, nondestructive testing technology of industrial CT and the 3D reconstruction function of VG software，we systematically studied the variations of strength properties, voids sizes, the most probable voids, the void fractal characteristics of emulsified asphalt cold recycled mixture with different cement contents(0, 1%, 1.5%, 2%, 2.5%, 3%)，analysed the mathematical model representation of the most probable void and the void fractal characteristics，and established the fitting relationships between meso-microscopic void distribution characteristics and mechanical properties. The result shows that(1)cement content has significant impact on the meso-microscopic void distribution characteristics of emulsified asphalt cold recycled mixture, there is a good Lorentz distribution relationship between void volume and its probability distribution, and adopting the most probable void and void fractal dimension can well characterize the influence of cement dosage on meso-microscopic void characteristics of emulsified asphalt cold recycled mixture；(2)with the increase of cement dosage, the most probable void volume decreased;(3)adding cement changed the void shape characteristics of emulsified asphalt cold recycled mixture, the more the added dosage of cement, the more obvious the void shape change;(4)cement changed the void decay process of emulsified asphalt cold recycled mixture under the action of freeze-thaw cycle.

Key words：road engineering; emulsified asphalt cold recycled mixture; Marshall test； void distribution characteristics; the most probable void；void fractal characteristics