冻融循环作用下泡沫和乳化沥青冷再生混合料损伤特性与细观机理

魏志学，高盛远，高玉珍

(1.河南璟信工程监理有限公司，洛阳 471000；2.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海 201804；3.新型道路材料国家地方联合工程实验室，太原 030006)

随着中国高速公路和路网建设的飞速发展，中国大量沥青路面进入维修或扩建期，沥青路面科学的再生利用是当前基于节能环保、绿色可持续发展，建设资源节约型、环境友好型社会必须面对的要求和课题[1-3]，2021年2月《国务院关于加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系的指导意见》明确要求，要加大工程建设中废弃资源综合利用力度。

目前中国公路面临着里程长、维修周期短和资源紧缺的问题，沥青路面回收料的再生利用的任务更为迫切和繁重。将破损严重或结构承载能力不足的沥青路面铣刨回收后用于铺筑泡沫/乳化沥青冷再生结构层，实现了半刚性基层沥青路面结构转换，同时具备回收沥青路面材料利用率高、综合路用性能优异，延长沥青路面使用寿命等优势。中国多条高速在役的泡沫/乳化沥青冷再生下面层已经成功服役了超过10年，大量工程实践和研究表明，使用泡沫/乳化沥青冷再生结构层可降低公路建设养护成本、保护自然环境、降低能源消耗减少温室气体排放，促进公路建设的可持续发展。

泡沫沥青和乳化沥青作为冷再生混合料最常用的有机胶结料[4-6]，也是沥青路面最常见的两种冷再生方式，二者各有优势，乳化沥青冷再生混合料集料表面被沥青膜完全裹覆，和易性好、易于压实，综合路用性能良好，抗车辙、抗反射裂缝和抗疲劳性能突出。泡沫沥青冷再生混合料粗集料间点焊式黏结有泡沫沥青，和易性相对较差，但其摊铺碾压完成后强度增长快、不存在泡沫沥青与再生沥青混合料(reclaimed asphalt pavement，RAP)的配伍性问题，同时也具备优异的抗变形能力，泡沫沥青最突出的优势在于其无化学添加剂、材料成本低(12 cm厚泡沫沥青冷再生混合料比乳化沥青冷再生混合料材料成本低2元/m2)。中国学者开展了大量泡沫沥青和乳化沥青冷再生混合料路用性能和工程应用方面研究，关于泡沫沥青与冷再生混合料强度形成机理与破坏机理的研究结论已经明确，然而仍鲜见有关泡沫沥青和乳化沥青冷再生混合料性能的对比研究，冻融循环作用下泡沫沥青和乳化沥青冷再生混合料的宏观结构与微观性能方面的研究成果较少。大量研究表明[7-15]，冷再生混合料是在常温条件下逐渐形成结构强度，沥青胶结料与集料的界面黏结强度远小于热接触界面，导致泡沫/乳化沥青冷再生层在服役期间对水和冻融循环作用极其敏感，因水稳定性不足所诱发的早发型松散、脱落、唧浆等病害是影响泡沫/乳化沥青冷再生结构层耐久性的关键问题。在中国北方等城市，沥青路面结构层随环境温度交替出现冻融循环变化，多次冻融循环后，在荷载-水-温度耦合作用下，冷再生混合料会出现严重的损伤且呈加速破坏趋势，导致冷再生结构层性能衰减，结构强度下降[10-13]。现对比研究泡沫沥青和乳化沥青冷再生混合料在冻融循环作用下，其力学性能与微观空隙结构衰减规律，建立微观空隙结与宏观力学性能的相关关系，为揭示泡沫/乳化沥青冷再生混合料冻融损伤机理及合理选择冷再生胶结料提供参考。

1 试验

1.1 原材料

(1)乳化沥青。在实验室自制乳化沥青，乳化沥青技术性能见表1。

表1 乳化沥青技术性能Table 1 Technical performance of emulsified asphalt

(2)泡沫沥青。生产泡沫沥青的基质沥青同乳化沥青用基质沥青(中石化A-90)。发泡试验结果见表2。发泡试验确定最佳发泡温度160 ℃，最佳发泡用水量为2%(质量比，水/沥青)，对应的泡沫沥青半衰期21.3 s、膨胀率25倍，符合《公路沥青路面再生技术规范》(JTGT 5521—2019)要求。

表2 泡沫沥青发泡试验结果Table 2 Foaming test results of foamed asphalt

(3)RAP。RAP来源于山西太原某高速公路表面层沥青混凝土，采用铣刨方式获取RAP，RAP技术性能如表3所示。

表3 RAP技术性能Table 3 RAP technical performance

(4)新集料。采用10～20 mm石灰岩碎石和0～5 mm石灰岩机制砂，经检测，新集料性能满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)要求(表4)。

表4 集料技术性能指标Table 4 Aggregate technical performance indicators

(5)水泥。采用PO42.5道路硅酸盐水泥，符合《道路硅酸盐水泥》(GB/T 13693—2017)要求。

1.2 泡沫/乳化沥青冷再生混合料配合比设计

根据配合设计结果，确定RAP、10～20 mm碎石与机制砂的质量比为85∶10∶5，外掺水泥掺量为1.5%，两种冷再生混合料矿料级配如表5所示，配合比设计结果如表6所示。

表5 泡沫/乳化沥青冷再生混合料矿料级配Table 5 Mineral gradation of foam/emulsified asphalt cold recycled mixture

表6 泡沫/乳化沥青冷再生混合料配合比设计结果Table 6 Design results of the mix ratio of foam/emulsified asphalt cold recycled mixture

1.3 冻融循环试验方案与方法

1.3.1 冻融循环试验设计

根据中国北方各省份多年极端最低温度调查资料[13-15]，考虑冷再生的层位结构位置，确定冻结温度为-20 ℃，融化温度为50 ℃，冻融循环试验过程中温度梯度变化为10 ℃/h，保水冻结12 h，水浴融化12 h，此为1次冻融循环。根据冻融循环试验设计，每组冻融循环试验共成型6个平行试件。

1.3.2 试验方法

测试经历不同冻融循环次数后泡沫/乳化沥青冷再生混合料的劈裂强度(indirect tensile strength,ITS)、无侧限抗压强度(unconfined compressive strength，UCS)、贯入剪切强度(shear strength，SD)和间接拉伸疲劳寿命。基于工业计算机断层扫描(computed tomography，CT)工业探伤功能，测试经历不同冻融循环作用后冷再生混合料微细观空隙衰变规律。ITS试验、UCS试验方法参照《公路工程沥青试验规程》[JTG E20—2011(T0716、T0713)]。SD试验方法参照《公路沥青路面设计规范》(JTG D50—2015)附录F，试验温度为50 ℃，加载速率1 mm/min。

试验研究采用Y.CT Precision型工业CT，竖向间隔0.1 mm获取经历不同冻融循环后的CT图像，将CT扫描图像导入VGStudio MA软件进行三维重构，以水重法实测空隙率为基准，调试CT测试参数，建立CT测算空隙率与水重法实测空隙率之间的关系。利用VGStudio MAX软件可以获得正面、立面及侧面3个正交角度的二维切片图像显示，并通过软件自带的重建算法实现冷再生混合料内部空隙的三维立体效果显示及数据分析，最后输出微观空隙计算表单，包含了每个独立空隙的三维坐标、空隙表面积和体积。

2 不同冻融循环作用泡沫/乳化沥青混合料力学性能

不同冻融循环后泡沫/乳化沥青冷再生混合料ITS、UCS、SD试验结果见图1。

图1 不同冻融循环作用泡沫/乳化沥青混合料力学性能Fig.1 The mechanical properties of foamed/emulsified asphalt mixtures under different freeze-thaw cycles

由图1(a)可知，ITS随冻融循环次数增加呈三阶段衰减趋势，经历前1～2次冻融循环和后8～10次冻融循环后，泡沫/乳化沥青冷再生混合料ITS下降较为明显，经历3～8次冻融循环过程中，ITS下降速率基本一致。冻融循环作用显著降低了泡沫/乳化沥青冷再生混合料的劈裂强度，经历10次冻融循环后，泡沫沥青、乳化沥青冷再生混合料的劈裂强度分别降低了48.6%、47.9%，两种冷再生混合料表现出了基本相同的力学强度与水稳定性。

由图1(b)可知，经历10次冻融循环后泡沫沥青、乳化沥青冷再生混合料的无侧限抗压强度分别降低了52.4%、38.6%，冻融循环作用后泡沫沥青冷再生混合料的无侧限抗压强度衰减幅度更大。随着冻融循环次数增加，泡沫/乳化沥青冷再生混合料的无侧限抗压强度均呈线性关系降低，拟合优化度R2>0.95，对比发现，随冻融循环次数增大，泡沫沥青冷再生混合料无侧限抗压强度衰减斜率远大于乳化沥青冷再生混合料。

由图1(c)可知，贯入剪切试验的压头远小于试件横断面，相当于设置侧向约束，故贯入剪切强度远大于无侧限抗压强度。在经历10次冻融循环过程中，泡沫沥青冷再生混合料的贯入剪切强度始终大于乳化沥青冷再生混合料。经历10次冻融循环后，泡沫沥青、乳化沥青冷再生混合料的贯入剪切强度分别降低了51.3%、49.2%。

分析冻融循环作用对冷再生混合料力学性能的劣化影响，冻融循环过程中伴随着固、液相态变化，冷再生混合料内部半连通空隙、连通空隙受膨胀力作用逐渐增大、连通，导致薄弱接触面处裂缝逐渐发展、贯通，空隙率增大同时细颗粒剥落、流失，泡沫/乳化沥青胶浆结构破坏；冻融循环作用过程中，受冻结膨胀力和融化浸水侵蚀渗透压力作用，劣化了沥青胶结料与集料的界面黏结强度，水浸入接触界面，结冰体积膨胀进一步破坏了泡沫/乳化沥青砂浆与集料之间的黏附强度、弱化了骨架嵌挤作用。由于泡沫沥青在冷再生混合料内部未形成膜状包裹，导致其泡沫沥青砂浆黏聚力和界面黏结强度小于乳化沥青冷再生混合料[12-15]，在冻融循环过程中，黏聚力衰减导致骨架嵌挤作用减弱更明显。

3 不同冻融循环作用泡沫/乳化沥青冷再生混合料微细观空隙结构

3.1 不同冻融循环泡沫/乳化沥青冷再生混合料实测空隙率

采用水中重法和工业CT无损检测法测试经历不同冻融循环后泡沫/乳化沥青冷再生混合料的空隙率，并建立水中重法实测空隙率与CT实测空隙率之间的关系，验证CT测试空隙率应用于分析泡沫/乳化沥青冷再生混合料微观空隙结构的合理性，结果见图2。

由图2(a)可知，CT测试空隙率为水中重法实测空隙率的96.7%，满足CT测试空隙率相差±15%以内的误差要求[4,7]，CT测试空隙率可用于冷再生混合料的微观空隙结构分析。CT测试得到的空隙率比水中重法实测空隙率降低了3.3%，主要是受CT测量精度的影响，小于10 μm的空隙体积统计为0 mm3，实际上这部分空隙体积虽小，但其数量庞大，这就导致CT实测空隙率小于水中重法实测空隙率。

图2 不同冻融循环作用泡沫/乳化/沥青冷再生混合料空隙率Fig.2 Voids of foamed/emulsified asphalt cold recycled mixture under different freeze-thaw cycles

由图2(b)可知，随着冻融循环次数增加，泡沫/乳化沥青冷再生混合料水中重法实测空隙率呈线性关系增大，拟合优化度大于0.95，冻融循环损伤作用导致两种冷再生混合料内部空隙率增大。10次冻融循环后，泡沫沥青、乳化沥青冷再生混合料的空隙率分别增大至14.6%、13.1%，空隙率增大幅度分别为58.7%、32.3%。泡沫沥青冷再生混合料空隙率增大斜率比乳化沥青冷再生混合料增大了49.4%，表明在冻融循环作用下，乳化沥青冷再生混合料有更好的空隙结构稳定性。

3.2 泡沫/乳化沥青冷再生混合料微细观空隙结构

3.2.1 空隙级配

参考文献[2-3,5-6]研究成果，泡沫/乳化沥青冷再生混合料内部的微观空隙从0～200 mm3均匀变化，类似于矿料级配，空隙大小组成也有一定级配，不同冻融循环作用下泡沫/乳化沥青冷再生混合料的空隙级配衰变规律见表8、表9。

由表8、表9可知：未经冻融循环作用，泡沫沥青、乳化沥青冷再生混合料马歇尔试件内部的空隙数量分别达到了11.09万个和12.34万个，其中小于0.1 mm3的空隙数量分别为总空隙数量的80.57%、78.43%，小于1 mm3空隙数量分别为总空隙数量的92.8%、91.6%，大于10 mm3的空隙占比约为1%，泡沫沥青冷再生混合料与乳化沥青冷再生混合料的空隙级配相类似，都具有空隙数量多、微空隙比例大的特点，独特的空隙组成使得泡沫/乳化沥青空隙率即使达到了9%～10%，但也表现出了良好的密实不透水性[5]。

表8 不同冻融循环次数泡沫沥青冷再生混合料空隙级配Table 8 Void gradation of foamed asphalt cold recycled mixture with different freeze-thaw cycles

表9 不同冻融循环次数乳化沥青冷再生混合料空隙级配Table 9 Void gradation of emulsified asphalt cold recycled mixture with different freeze-thaw cycles

随着冻融循环次数增加，泡沫/乳化沥青冷再生混合料马歇尔试件内部的总空隙数量减小、体积小于0.1 mm3的空隙数量比例减小、体积大于0.1 mm3的空隙数量比例增大。经历10次冻融循环后，泡沫沥青冷再生混合料马歇尔试件内部的总空隙数量由11.09万个降低至3.98万个，降低了64.1%；体积小于0.1 mm3空隙数量比例由80.57%降低至27.78%，降低了65.5%；体积大于1 mm3的空隙数量比例由7.21%增大至26.41%，增大了2.66倍。对于乳化沥青冷再生混合料，经历10次冻融循环后，马歇尔试件内部的总空隙数量由12.34万个降低至4.28万个，降低了65.3%；体积小于0.1 mm3空隙数量比例由78.43%降低至33.04%，降低了57.9%；体积大于1 mm3的空隙数量比例由8.37%增大至26.74%，增大了2.19倍。在水结冰膨胀力作用下，空隙体积得到扩张，小空隙逐渐扩展为大空隙，半封闭空隙结构破坏后与邻近空隙相连通、合并，从而导致空隙数量减少、空隙体积增大。在冻融循环作用下，伴随着宏观力学性能衰减，试件内部的空隙级配中的大空隙数量所占比例逐渐增大。

3.2.2 平均空隙直径

参考文献[2-5]研究成果，定义平均空隙直径为等体积空隙的当量球体直径。平均空隙直径统计结果见表10。

由表10可知，未经冻融循环作用，泡沫沥青、乳化沥青冷再生混合料的平均空隙直径仅为1.197 mm和1.147 mm，最大空隙直径仅为3.054 mm和3.115 mm。泡沫沥青冷再生混合料的平均空隙直径和最大空隙直径均略大于乳化沥青冷再生混合料，这可能是由于泡沫沥青选择性与填料结合，沥青的憎水性导致在点焊状泡沫沥青周围产生水分聚集现象，此外，泡沫沥青冷再生混合料的和易性较差，集料骨架之间未形成饱和填充，因此更易于产生大空隙。

表10 不同冻融循环次数泡沫/乳化沥青冷再生混合料平均空隙直径Table 10 Average void diameter of foamed/emulsified asphalt cold recycled mixture with different freeze-thaw cycles

随着冻融循环次数增加，泡沫/乳化沥青冷再生混合料的平均空隙直径和最大空隙直径增大，经历10次冻融循环后，泡沫沥青冷再生混合料平均空隙直径增大至2.329 mm，增大了94.6%，最大空隙直径增大至6.446 mm，增大了111.1%；乳化沥青冷再生混合料平均空隙直径增大至2.202 mm，增大了92.0%，最大空隙直径增大至6.324 mm，增大了103.0%，说明冻融循环膨胀应力促使微空隙向大空隙转移，大空隙数量增加，小空隙比例和空隙数量减小，平均空隙直径增大。

3.2.3 微观空隙竖向分布规律

统计不同冻融循环作用下马歇尔试件高度方向的平均空隙变化规律，结果见图3。

由图3可知，越靠近圆柱体中心部位，平均空隙直径越小，沿试件高度方向，平均空隙直径大小分布呈“C”字形，越靠近外侧，泡沫/乳化沥青冷再生混合料的平均空隙直径越大，分析其原因[2-3,5-6]，马歇尔试件两端的连通开口空隙和半封闭空隙数量多，并且在冻融循环试验过程中，冻结、融化均是由外到内进行，与外界接触的部分更容易受到冻融作用的影响。此外，试件两端的冷再生混合料，在试件制备过程中受人为因素扰动较大，初始空隙率大于试件中部，并且这部分空隙大多与外界连通，在冻融循环作用下，首先由外至内产生剥落、掉粒，因此冻融循环后试件两端的平均空隙直径相对较大。

图3 不同冻融循环作用下泡沫/乳化沥青冷再生混合料平均空隙直径的竖向分布规律Fig.3 Vertical distribution of average void diameter of foamed/emulsified asphalt cold recycled mixture under different freeze-thaw cycles

3.2.4 微观空隙结构与力学性能相关性

为了揭示微观空隙结构变化对泡沫/乳化沥青冷再生混合料宏观性能的影响，图4建立了泡沫/乳化沥青冷再生混合料平均空隙直径与劈裂强度、贯入剪切强度的相关性。

由图4可知，经历10次冻融循环作用后，随着平均空隙直径增大，泡沫/乳化沥青冷再生混合料劈裂强度、贯入剪切强度均呈指数函数关系减小，拟合优化度R2>0.95，表明在冻融循环作用下微细观空隙结构发生转变，平均空隙直径增大，宏观表现为劈裂强度、贯入剪切强度力学性能降低，采用平均空隙指标能较好评价冻融循环作用对冷再生混合料的劣化作用，泡沫/乳化沥青冷再生混合料内部微空隙数目减少、平均空隙直径增大是其力学性能衰减的根本原因。

图4 泡沫/乳化沥青冷再生混合料平均空隙直径与力学性能相关性Fig.4 Correlation between average void diameter and mechanical properties of foamed/emulsified asphalt cold recycled mixture

4 结论

(1)冻融循环作用显著降低了泡沫/乳化沥青冷再生混合料的力学性能，总体上，泡沫沥青与乳化沥青冷再生混合料表现出了基本相同的力学性能，乳化沥青比泡沫沥青冷再生混合料有更好的抗损害性能。

(2)冻融循环作用导致泡沫/乳化沥青冷再生混合料的空隙率增大，空隙级配中的体积小于0.1 mm3微孔比例减少，体积大于0.1 mm3的空隙比例增多。

(3)随着冻融循环次数增加，在水结冰膨胀力作用下，伴随着力学性能衰减，泡沫/乳化沥青冷再生混合料空隙体积得到扩张，小空隙逐渐扩展为大空隙，空隙数量减少、空隙体积增大，表现为平均空隙直径增大、微空隙比例减小、空隙级配逐渐退化。

(4)随着平均空隙直径增大，泡沫/乳化沥青冷再生混合料劈裂强度、贯入剪切强度均呈指数函数关系减小，在冻融循环作用下微细观空隙结构向有害空隙转变，平均空隙直径增大，宏观表现为劈裂强度、贯入剪切强度力学性能降低。采用平均空隙指标能较好评价冻融循环作用对冷再生混合料的劣化作用，泡沫/乳化沥青冷再生混合料内部微空隙数目减少、平均空隙直径增大是其力学性能衰减的根本原因。