不同水泥掺量泡沫沥青冷再生混合料细微观空隙分布特征

刘 青

(青海大学 土木工程学院， 青海 西宁 810016)



不同水泥掺量泡沫沥青冷再生混合料细微观空隙分布特征

刘 青

(青海大学 土木工程学院， 青海 西宁 810016)

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，系统研究了水泥掺量对泡沫沥青冷再生混合料的强度特性、空隙率大小、最可几空隙、空隙分形特征变化规律的影响，分析给出最可几空隙、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，水泥掺量对泡沫沥青冷再生混合料细微观空隙分布特征有显著的影响，泡沫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泡沫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；掺加水泥改变了泡沫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泡沫沥青冷再生混合料的空隙衰变过程。

道路工程； 泡沫沥青冷再生混合料； 空隙分布特征； 最可几空隙； 空隙分形特征

0 引言

目前泡沫沥青厂拌冷再生混合料中是否添加水泥，以及水泥对再生混合料性能影响如何，再生实际工程操作中也有着不同的做法，效果有好有坏，难下定论。室内研究发现，在泡沫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、高温稳定性以及疲劳性能，关于水泥对泡沫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]，但是，这些成果主要集中在宏观力学试验方面，而关于水泥对泡沫沥青冷再生混合料细微观结构性能的强度影响机理方面仍鲜见报道，仅有的一些研究成果只限于采用SEM定性的描述了水泥水化产物对泡沫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，本文首先研究了水泥掺量对冷再生混合料干、湿ITS的影响，进一步借助X-ray的无损检测技术和VG软件的三维重构功能系统研究了不同水泥掺量泡沫沥青冷再生混合料细微观空隙分布特征，推荐了泡沫沥青冷再生混合料适宜的水泥掺量范围，研究结果可为新版《沥青路面再生技术规范》的修正以及泡沫沥青冷再生技术在国内外的推广应用提供理论借鉴。

1 主要原材料及试件准备

试验选用的泡沫沥青由试验室自制，其主要技术指标见表1；水泥选用秦岭牌PO32.5普通硅酸盐水泥；回收旧沥青路面材料(Reclaimed Asphalt Pavement，简称RAP)为陕西某高速公路沥青路面铣刨料，新集料为机制砂和石灰岩碎石，根据RAP、10～20 mm碎石(新集料)、机制砂筛分试验结果，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1。

表1 泡沫沥青冷再生混合料合成级配Table1 Syntheticgradingoffoamedasphaltcoldrecycledmixture级配通过下列尺寸(mm)的百分率/%26.5191613.29.5合成级配/%10094.591.486.577.9上限/%10093908779下限/%7669666355通过下列尺寸(mm)的百分率/%4.752.361.180.60.30.150.07553.842.127.222.414.79.86.768574739302520433122161175

采用重型击实试验确定1.5%水泥掺量下泡沫沥青冷再生混合料的最佳拌合用水量为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泡沫沥青用量用量为4.0%，为避免拌合用水量、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，试验中唯一的变量试验参数为水泥掺量，水泥以外掺的形式掺加，掺量为0%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%。

① 混合料拌合：混合料拌合时先将水泥、集料一起干拌90 s，加入预定质量的拌合用水量搅拌90 s，最后加入泡沫沥青，搅拌90 s后观察混合料颜色、泡沫沥青的裹附状况是否异常，混合料拌合均匀后方可使用。

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技术测算泡沫沥青冷再生混

合料空隙率

2.1 空隙率测算

试验选用德国YXLON公司225 kV工业CT扫描系统。VGStudio 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，为了得到泡沫沥青混合料马歇尔试件内部空隙的空间分布规律和孔隙的细微观特征，本文采用VG软件自带的缺陷分析模块进行计算，经室内反复调试，用于泡沫沥青冷再生混合料CT扫描试验的主要参数如表2所示。

表2 工业CT设备规格与参数Table2 IndustrialCTequipmentspecificationsandparame-ters设备参数最大电压/kV最大电流/mA规格2253.0像素尺寸/μm2操作模式滤波片组合及厚度200×200容积扫描和数字成像1mmCu+1mmFe

2.2 试验结果分析

VG软件计算输出的表单信息包括了马歇尔试件内部每个独立空隙的空间三维X、Y、Z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在X、Y、Z三个方向的尺寸大小。不同水泥掺量泡沫沥青冷再生混合料实测空隙率、CT测算空隙率结果见表3。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。不同水泥掺量的泡沫沥青冷再生混合料干ITS(Indirect tensile strength，下同)、湿ITS、TSR(Splitting Strength Ratio)试验结果见表4。

表3 不同水泥掺量泡沫沥青冷再生混合料空隙率测试结果Table3 Voidstestresultsfoamedasphaltasphaltcoldre-cycledmixunderdifferentcementcontent水泥掺量/%表干法实测空隙率/%CT测算空隙率/%水泥掺量/%表干法实测空隙率/%CT测算空隙率/%011.3710.172.011.169.68111.269.932.511.029.621.511.209.79310.329.58

表4 不同水泥掺量泡沫沥青冷再生混合料劈裂试验结果(试验温度:15℃)Table4 ITStestresultsfoamedasphaltcoldrecycledmixunderdifferentcementcontent水泥掺量/%干ITS/MPa湿ITS/MPaTSR/%0 0.700.4361.41 0.710.5983.11.50.740.6385.120.750.6586.62.50.790.720.9130.800.7492.5 注:试验温度为15℃,试验方法参考JTGF41-2008。

分析试验结果可知： ①CT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由工业CT的扫描精度所致，泡沫沥青混合料中小于10 μm的空隙其虽能识别，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的主要原因。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遗漏。 ②随着水泥掺量的增大，泡沫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%，泡沫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%，泡沫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泡沫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%，水泥的掺加将对泡沫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泡沫沥青冷再生混合料的干ITS，而是较大程度提高了泡沫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，但水泥掺量超高2%后，ITS增加趋势基本稳定。

3 水泥对泡沫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选取

目前许多学者都提出采用平均孔径、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，对于泡沫沥青冷再生混合料这种微孔数量多，大孔数量少，空隙分布特征具有明显的非均一特性，采用孔级配和平均孔径指标并不能准确地判断出水泥掺量对泡沫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来研究水泥掺量对泡沫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，水泥对泡沫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4×635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(Lorentz)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1。

(1)

Vm=xc

(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1 不同水泥掺量泡沫沥青冷再生混合料最可几空隙分布Figure 1 The most probable void distribution of foamed asphalt cold recycled mixes under different dosage of cement

图1最可几空隙拟合结果表明：各水泥掺量下，泡沫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，随着水泥掺量增大，最可几空隙体积减小，6种水泥掺量下泡沫沥青冷再生混合料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%、3%水泥可分别使最可几空隙减小23.5%、49.4%，泡沫沥青冷再生混合料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2)。分析其原因，加入水泥后，水泥水化产物在泡沫沥青胶浆内部相互交织、穿插、生长的同时物贯穿了泡沫沥青冷再生混合料的孔隙，将大孔分隔成体积更小一级的孔隙，宏观表现为随水泥掺量的增大，单位面积内孔隙数量多，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。

图2 不同水泥掺量的泡沫沥青冷再生混合料最可几孔径分布规律Figure 2 Mixture most probable void size distribution of foamed asphalt asphalt cold under different cement content

3.3 空隙分形特征

为了计算简单，通常将混合料中的单个空隙等效成同体积的球体或椭球，实际中孔隙的形态多种多样，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，Mandel-brot等认为存在如下关系[8-13]：

P1/D∝A1/2

(3)

对式(3)两边取对数后可得：

lnP=C+(D/2)lnA

(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为分形维数，D为不规则图形边界线的分形维数。

虽然泡沫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其内部孔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，假设泡沫沥青冷再生混合料内部孔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为孔隙的体积，mm3；S为孔隙表面积，mm2；K为拟合参数。

根据VG软件输出空隙率计算结果进行拟合分析，不同水泥掺量下泡沫沥青冷再生混合料孔隙表面积对数与体积对数之间的拟合关系式见图3。

由图3拟合结果可知：泡沫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泡沫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(见图4)；以空隙体积与表面积双对数拟合曲线的斜率表征泡沫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，可见水泥掺量对泡沫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泡沫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粘附性外，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所造成的疲劳损伤不同，水泥的加入改善了泡沫沥青冷再生混合料的受力环境，一定程度上可弥补集料-胶浆以及胶浆内部的界面缺陷。

图3 不同水泥掺量泡沫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Figure 3 Void volume and surface the double logarithmic fitting result of foamed asphalt cold recycled mixture under different cement content

图4 不同水泥掺量泡沫沥青冷再生混合料空隙分形特征Figure 4 Void fractal characteristics of foamed asphalt cold recycled mixtures under different cement content

4 不同水泥掺量泡沫沥青冷再生混合料耐

久性分析

为研究水泥掺量对泡沫沥青冷再生混合料耐久性的影响，笔者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泡沫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]：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；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 kp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；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；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，不同水泥掺量的泡沫沥青冷再生混合料最可几空隙变化规律见表5和图5，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6建立了马歇尔试件最可几空隙体积与其湿ITS之间的关系。

表5 冻融循环后泡沫沥青冷再生混合料最可几空隙体积变化规律Table5 Themostprobablevariationofthevoidvolumeaf-terfreeze-thawcyclesoffoamedasphaltasphaltcoldrecycledmixesmm水泥掺量/%冻融次数/次01200.246790.251050.25121.00.192170.196160.196721.50.171430.176340.177162.00.154130.160330.161422.50.139680.14740.148753.00.127620.136940.13855冻融次数/次3450.252110.253510.25710.195550.195630.197550.177320.178010.180730.163630.165240.169110.153340.155980.161080.145620.149280.15553

图5 不同冻融循环后泡沫沥青冷再生混合料最可几空隙体积变化规律Figure 5 Most probable void volume variation of cold recycled asphalt emulsion mix after different freezing

图6 泡沫沥青冷再生混合料最可几空隙与湿ITS之间的拟合关系Figure 6 The fitting relationship between wet ITS and the most probable void of foamed asphalt cold recycled mixes

由表5、图5可知：经过冻融循环后，泡沫沥青冷再生混合料最可几空隙体积增大，相同冻融次数，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泡沫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泡沫沥青冷再生混合料刚性增大，也会增大工程造价，这与国内外主流的应用经验相吻合[14-16]，推荐适宜的水泥掺量不宜超过2%。从图6拟合结果可以看出：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，水泥影响了泡沫沥青冷再生混合料的最可几空隙大小，进而影响了泡沫沥青冷再生混合料湿ITS，掺加适量的水泥可提高泡沫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泡沫沥青冷再生混合料内部的细微观空隙组成，CT测算空隙率与表干法实测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泡沫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%，增大水泥掺量将对泡沫沥青冷再生混合料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泡沫沥青冷再生混合料的干ITS，而是较大程度提高了泡沫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的表征水泥掺量对泡沫沥青冷再生混合料内部最可几空隙的影响。水泥水化产物在泡沫沥青冷再生混合料内部相互交织、穿插、生长的同时减小了泡沫沥青冷再生混合料的最可几空隙，随着水泥掺量增大，混合料内部小孔的比例增大。

④ 采用lnV=AlnS+B拟合方程可较好评价泡沫沥青冷再生混合料内部的空隙形状特征。泡沫沥青冷再生混合料内部空隙形状具有明显的分形特征，水泥的掺加改变了泡沫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泡沫沥青冷再生混合料的空隙衰变过程，增强了混合料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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The Fine Micro Void Distribution Characteristics of Foamed Asphalt Cold Recycled Mixture with Different Cement Content

LIU Qing

(School of Civil Engineering， Qinghai University， Xining， Qinghai 810016， China)

Based on the Marshall test，nondestructive testing technology of industrial CT and the three-dimensional reconstruction function of VG Software，to study strength properties，voids size，the most probable void，the void fractal characteristics variation of foamed asphalt cold recycled mixture，analysis gives the mathematical model of the most probable void and fractal characteristics，established the relationship between mechanical properties and fine micro void distribution characteristics.results show that，cement content have a significant impact on fine micro void distribution characteristics of foamed asphalt cold recycled mixture.void volume and its probability distribution has good lorentz distribution fitting relationship，and adopts the most probable void and fractal dimension can be a good characterization of the influence of cement dosage on fine micro void characteristics of foamed asphalt asphalt cold recycled mixture；With increasing dosage of cement，the most probable void volume decreased；Adding cement changed the foamed asphalt asphalt cold recycled mixture of void shape characteristics，adding more dosage of cement，the void shape change more obvious；Cement changed void decay process of foamed asphalt asphalt cold recycled mixture under the action of freeze-thaw cycle.

road engineering； foamed asphalt asphalt cold recycled mixture； void distribution； the most probable void； void fractal characteristics

2016 — 05 — 23

刘 青(1977 — )，男，陕西西安人，讲师，工学硕士，研究方向：建筑材料、建筑经济、建筑施工、建筑设计。

U 416.26

A

1674 — 0610(2016)05 — 0256 — 07