乳化沥青冷再生混合料性能优化及机理研究

2018-09-07吕政桦申爱琴郭寅川阮诚皓

建筑材料学报 2018年4期

吕政桦，申爱琴，覃潇，郭寅川，阮诚皓

(长安大学公路学院，陕西西安 710064)

乳化沥青冷再生技术作为一种路面维修手段，其将废旧沥青路面铣刨料(RAP)与水泥-乳化沥青胶浆相结合，以形成新的冷再生混合料.该冷再生混合料具有综合性能良好、低碳节能、绿色环保等优势[1].华南湿热地区夏季持续高温多雨，重载、超载现象严重，在高温、路表积水及车辆荷载长期作用下，沥青路面普遍出现车辙、水损害和裂缝等病害.因此采用乳化沥青冷再生技术对该地区旧沥青路面进行改造，需兼顾高温性能、水稳性能及疲劳性能，以适应当地气候环境.

目前，国内外学者对乳化沥青冷再生技术已展开相关研究.Do Huh等[2]认为目前沥青路面面层RAP回收利用率仅为20%～30%，因此专门开发了一种聚合物改性剂使RAP回收利用率提高到100%，并对其混合料进行了配合比设计.Zaumanis等[3]对RAP掺量1)在40%以上的混合料进行了优化设计，并分析了高掺量RAP的经济效益.武泽锋[4]完善了厂拌冷再生混合料试件击实与养生方法，发现水泥有利于提高混合料高温性能、水稳性能、抗冻性能以及力学性能，但不利于低温及疲劳作用下的抗裂性能.傅强等[5]从能量机制角度出发，研究了水泥乳化沥青砂浆在不同应变率下的能量演化规律.综上，现有研究主要集中于冷再生混合料的配合比设计及单一性能研究，对特定环境条件下冷再生混合料的综合性能研究鲜有报道，其综合性能优化方法及改善机理也有待深入探讨.

鉴于此，本文采用正交试验设计，通过高温车辙试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验以及三点小梁疲劳试验，研究乳化沥青用量、水泥掺量及RAP掺量对华南湿热地区冷再生混合料高温性能、水稳性能及疲劳性能的影响规律，并基于多指标加权方法进行性能优化及影响因素优选.最终借助扫描电镜(SEM)微观测试来揭示水泥-乳化沥青胶浆对冷再生混合料的抗裂增强机理.

1)本文涉及的掺量、用量等均为质量分数.

1 原材料及试验设计

1.1 原材料

RAP选自广东省佛山市某高速公路沥青面层铣刨料，考虑RAP中旧沥青的老化程度，把RAP当成“黑色集料”来使用[6]，RAP中的回收旧沥青技术指标见表1.铣刨后的RAP根据粒径分3档，为满足级配设计范围，加入粒径为10～20mm的粗集料和粒径小于0.075mm的矿粉填料.冷再生混合料的级配组成见表2.乳化沥青选自临江沥青拌和站生产的阳离子慢裂型乳化沥青，水泥选用龙山P·C32.5 水泥，以外掺方式加入混合料中.原材料各项性能指标经检测均符合JTG F41—2008《公路沥青路面再生技术规范》要求.

表1 旧沥青的技术指标

表2 冷再生混合料级配组成

1.2 试验方案设计

基于华南湿热地区气候特征与材料性状，选取乳化沥青用量、水泥掺量和RAP掺量作为华南湿热地区乳化沥青冷再生混合料的主要影响因素,分别用A，B，C表示.每种因素选取3个水平，采用L9(33)正交设计表，见表3.

表3 乳化沥青冷再生混合料正交试验表头

1.3 试验方法

1.3.1高温车辙试验

采用车辙试验仪测试冷再生混合料的动稳定度，以此来评价其高温性能.为使室内车辙试验能更好地模拟路面使用情况，室内试验温度需根据实际层位温度来设定.工程所在地区夏季气温高达39.2℃，纬度为23°，冷再生层以上路面厚度为12cm，根据SHARP温度计算公式[7](见式(1))，可得路面冷再生层温度为48.1℃，因此室内试验温度采用50.0℃更能贴合实际情况.

Td=(Tair-0.00618Lat2+0.2289Lat+24.4)×(1-0.063d+0.007d2-0.004d3)

(1)

式中：Td为路表以下d深度处的层位温度；Tair为气温；Lat为纬度.

1.3.2水稳性能试验

不同环境下室内马歇尔试件击实及养生方法对乳化沥青冷再生混合料力学及路用性能的影响有显著差异.根据DB 36/T 573—2010《沥青路面乳化沥青厂拌冷再生技术规范》，采用的击实及养生方法为：首次双面击实100次，试件带模放入60℃烘箱并恒温通风养生48h后取出，紧接着二次双面击实50次.并通过马歇尔残留稳定度(MS)和冻融劈裂强度比(TSR)来评价冷再生混合料在水损害作用下的抗压能力和间接抗拉能力.

1.3.3三点小梁疲劳试验

采用MTS万能试验机进行三点小梁疲劳试验，通过应力控制模式加载，取应力比为0.3(低应力比)和0.6(高应力比)，加载频率为10Hz，加载时间为0.016s，以模拟冷再生路面在中等交通及重载交通下的疲劳抗裂性能.小梁试件采用车辙板碾压成型后，切割成25mm×35mm×250mm的尺寸形式.加载过程中，小梁试件的疲劳变形由稳定阶段发展到失稳速增阶段，定义冷再生混合料在应力比为0.3，0.6下出现失稳变形时所对应的加载次数N0.3,N0.6为其疲劳寿命[8].

2 结果与讨论

2.1 正交试验结果分析

华南湿热地区乳化沥青冷再生混合料各性能正交试验结果见表4.对表4进行方差分析，以明确乳化沥青用量、水泥掺量与RAP掺量对混合料性能评价指标的显著性影响程度，计算结果见表5.

由表5可知:冷再生混合料高温性能(动稳定度)主要受乳化沥青用量和水泥掺量的影响，RAP掺量对动稳定度的影响不显著；但就水稳性能而言，RAP掺量是影响马歇尔残留稳定度和冻融劈裂强度比的主要因素，而水泥掺量侧重影响马歇尔残留稳定度，乳化沥青用量侧重影响冻融劈裂强度比；不同应力比下冷再生混合料的疲劳性能受各因素影响的显著性不同，低应力比时显著性顺序依次为RAP掺量>水泥掺量>乳化沥青用量，高应力比时显著性顺序依次为水泥掺量>RAP掺量>乳化沥青用量.

表4 冷再生混合料正交试验结果

表5 冷再生混合料方差分析结果

基于华南湿热地区气候环境及重载交通长期作用，应着重考虑冷再生混合料水稳性能并兼顾高温性能和高应力比下的疲劳性能，因此在冷再生混合料设计优化时须重点控制RAP掺量及水泥掺量.

2.2 混合料高温性能影响规律

据表4中高温性能的正交设计试验结果可知，随着乳化沥青用量的增加，冷再生混合料动稳定度减小，当乳化沥青用量按0.3%的梯度由3.2%增大到3.5%及3.8%时，混合料动稳定度分别减小了5.0%与10.7%.这是由于当乳化沥青用量增大时，混合料中的自由沥青含量随之增大，从而产生减阻润滑作用，在外力作用下集料易发生相对滑移，骨架嵌挤力下降，导致混合料抗车辙能力降低.

由表4还可知：冷再生混合料动稳定度随水泥掺量增加而增大.当水泥掺量从1.0%增大到1.5%与2.0%时，冷再生混合料动稳定度增加了4.9%与11.2%.水泥掺量增加会形成更多水化产物，从而提高混合料的整体强度；随RAP掺量增加，混合料动稳定度呈先增大后下降的趋势，但幅度较小，因此可以认为RAP掺量对混合料高温性能无显著影响.

2.3 混合料水稳性能影响规律

据表4中水稳性能的正交设计试验结果可知，冷再生混合料马歇尔残留稳定度和冻融劈裂强度比受各因素的影响规律基本相同，即随乳化沥青用量、水泥掺量与RAP掺量的增加，混合料马歇尔残留稳定度和冻融劈裂强度比同步出现增大、增大以及先增大后减小的变化趋势.表5中的方差分析结果本质上反映了各因素对冷再生混合料在受压和间接拉伸时所表现出的水稳性能分别具有主导影响和侧重影响.

当乳化沥青用量由3.2%增大到3.8%时，冷再生混合料马歇尔残留稳定度提高了4.2%，冻融劈裂强度比提高了12.8%，说明乳化沥青抵抗混合料内部水分冻胀破坏及抗拉效果更为显著.随着水泥掺量的增加，冷再生混合料马歇尔残留稳定度和冻融劈裂强度比分别提高了10.5%和5.7%，说明水化产物增加使得冷再生混合料强度增大，提高了其水损抗压性能.但当水泥掺量超过1.5%时，混合料水稳性能增幅减小，这可能是由于沥青胶浆中水泥掺量过大会造成结团现象，导致水泥填充分布不均匀，在受力薄弱面处产生应力集中所造成的.

随着RAP掺量的增加，冷再生混合料马歇尔残留稳定度和冻融劈裂强度比同时趋于先增大后减小.究其原因：RAP表面纹理粗糙，易被沥青胶浆刺入裹覆，且其表面旧沥青经乳化剂溶融后，增大了沥青膜的厚度，从而提高了黏结力，因此当RAP掺量从70%提高到80%时，冷再生混合料的水稳性能增大；但当RAP掺量进一步增大到90%时，RAP自身易破碎与压碎值大的特性凸显，且由于旧沥青含量增加，集料骨架结构产生滑移作用，因此混合料表现出水稳性能的降低.

2.4 不同应力比下混合料疲劳性能研究

据表4中不同应力比下疲劳性能的正交设计试验结果可知：在低应力比下，冷再生混合料的疲劳寿命随乳化沥青用量增加呈先增大后降低趋势，由于冷再生混合料空隙率较大，因此增加乳化沥青用量可以填充其空隙，改善混合料密实度；但乳化沥青过量会在一定程度上干涉集料颗粒之间的骨架结构，自由沥青含量也会随之增加.随着水泥掺量的增加，冷再生混合料疲劳寿命增大，但后期增幅有所减小，究其原因，水泥的掺入提高了冷再生混合料的劲度模量，在低应力比下其变形相对较小，疲劳损失相对较少，但进一步提高水泥掺量对混合料疲劳寿命的影响并不显著.与乳化沥青用量的影响规律相似，冷再生混合料疲劳寿命随RAP掺量提高同样先增大后减小，这可能是由于随RAP掺量增加，粗集料掺配比例减少，集料空隙率降低，密实度增大，级配特性得以优化，但RAP自身破碎程度及裹覆的旧沥青老化程度也会进一步影响混合料的疲劳寿命.

同理，在高应力比下，随着乳化沥青用量和RAP掺量的增加，混合料的疲劳寿命均呈现先增大后减小的趋势，即在中间合理掺量范围时混合料达到最佳疲劳性能.这与低应力比下混合料疲劳寿命的变化规律相似，说明当乳化沥青用量和RAP掺量控制在合理范围内时，冷再生混合料疲劳性能均能适应不同应力加载方式，并能同步达到最优.

与低应力比作用不同的是，随着水泥掺量的增加，冷再生混合料疲劳寿命先增大后减小.当水泥掺量过高时，混合料刚度增大，柔性降低，高应力比对混合料加载所产生的能量来不及通过流动变形被消耗掉，大部分能量只能通过裂纹发育、材料损伤的形式释放，故混合料脆性增大，易于开裂，疲劳寿命降低.

3 多指标加权分析及混合料性能优化

3.1 多指标加权计算方法

(1)基于上述正交试验设计中的9组方案S=(S1，S2，…，S9)，5个评价指标P=(P1，P2，…，P5)，对样本矩阵进行无量纲化处理，得到模糊矩阵R[9]：

(2)

(2)结合客观分析中的离差最大化法和主观分析中的层次分析法，对各指标进行权重设计.采用离差最大化法确定各指标的相对离散度权a，并作归一化处理，即：

(3)

(4)

3.2 基于多指标加权的混合料性能优化

基于华南湿热地区冷再生混合料性能要求，各评价指标权重设计结果见表6.通过多指标加权优化，对混合料综合性能进行单指标分析，结果见表7.

表6 权重设计结果

表7 多指标加权性能优化及因素优选结果

由表7可见，根据华南湿热地区气候特征及重载交通状况，乳化沥青冷再生混合料综合路用性能受水泥掺量和RAP掺量影响较为显著，受乳化沥青用量影响则较小.由于试验所选性能评价指标均为增益型指标，故综合性能最大值所对应的因素水平即为最佳组合，因此建议华南湿热地区乳化沥青冷再生混合料最佳组合为A2B3C2，即乳化沥青用量为3.5%，水泥掺量为2.0%，RAP掺量为80%.

4 水泥-乳化沥青胶浆抗裂增强机理分析

将混合料切割成直径3～5mm的块状试样，经烘干、去磁、抛光及镀金后，用导电胶将其粘贴在样品座上，放入扫描电镜中通过调整不同放大倍数观察其不同部位的微观结构特征.首先对水泥-乳化沥青胶浆及RAP-胶浆界面的微观形貌进行观察，结果见图1，2.

图1 水泥-乳化沥青胶浆的微观形貌Fig.1 Micrograph of cement-emulsified asphalt mortar

图2 RAP-胶浆界面的微观形貌Fig.2 Micrograph of RAP-mortar interface

由图1可见，水泥水化产物(图中白色区域)呈簇状沿各向均匀分布，并刺入图中深色区域的沥青内部以及集料表面的孔隙纹理中，交织形成空间网状结构，起到加筋、锚固作用.另外，乳化沥青由于水泥水化吸水提早破乳，更快地黏结在集料表面，从而增强了水泥-乳化沥青胶浆在集料表面的黏附能力，因此水泥的掺入有助于混合料早期水稳性能的提高.

由图2可见，RAP表面裹覆的旧沥青在乳化剂溶融下，与新胶浆相互包裹呈絮状层次结构，并通过水化产物贯穿搭接.同时，由于旧沥青老化黏度大，水泥的填充致密作用提高了新胶浆的劲度模量，减少了新旧胶浆间的劲度模量差异，从而改善了界面的变形协调性，因此宏观表现为冷再生混合料的空隙率减小，密实度提高，具有较高的强度和抗裂性能.

冷再生混合料疲劳损伤微观形貌和水泥-乳化沥青胶浆损伤断裂面分别见图3，4.

图3 冷再生混合料疲劳损伤微观形貌Fig.3 Micrograph of fatigue damage of cold recycled mixture

图4 水泥-乳化沥青胶浆损伤断裂面微观形貌Fig.4 Micrograph of damage fracture of mortar

基于界面强度理论和Miner疲劳损伤模型[10]，冷再生混合料界面强度相对薄弱，经重复加载后集料与胶浆界面处首先受到破坏，如图3所示.外力所做的功将转化为裂缝发育、产生新表面时的表面能，以及微孔、错位、裂纹等材料损伤演化所需的能量，因此应力比越大，混合料裂缝发育速率越快，疲劳寿命越小.

由图4可见，在水泥-乳化沥青胶浆损伤断裂面处，硅酸三钙等簇状水化产物与沥青胶结，其“触角”沿各向均匀分布并与集料相互搭接，增强了界面的摩阻嵌锁力.在受到外力作用时，水泥-乳化沥青胶浆上的“触角”被拉长，并向集料传递和分散应力，将外力做功产生的能量一部分转化为弹性应变能被储存下来，另一部分转化为流动变形能被发热耗散掉，因此减缓了裂缝发育速率，具有很好的阻裂效果.