表面活性剂对乳化沥青冷再生混合料性能的影响

摘要：针对乳化沥青冷再生混合料（CRME）综合性能不足导致其不能用于路面上面层的问题，文章采用高效减水剂和润湿剂作为表面活性剂制备混合料进行试验研究，以期提高CRME综合性能和应用范围。试验结果表明：高效减水剂和润湿剂可降低CRME混合料的空隙率，同时提升间接拉伸强度、刚度模量、临界应变能密度等力学性能指标，这是由于两者能在一定程度上降低水泥-乳化沥青胶浆的黏度，同时有助于沥青膜的形成（高效减水剂作用）和提升乳化沥青润湿能力（润湿剂作用）；相比于润湿剂，加入高效减水剂后CRME表现出更好的力学性能，在最佳含水量下间接拉伸强度、劲度模量、临界应变能密度分别提高34%、8%、18%，建议添加高效减水剂来提升CRME的综合性能。

关键词：表面活性剂；高效减水剂；润湿剂；乳化沥青；冷再生混合料

U416.03A080263

0 引言

与热再生相比，冷再生混合料的拌和、摊铺、压实等均可在常温下进行，大大减少有害气体的排放，是一种技术可靠、环境友好、经济高效的沥青路面再生技术。常见的类型为乳化沥青冷再生混合料（CRME）［1-3］。但根据目前实际应用情况，CRME的体积和力学性能相对低于热再生沥青混合料，只能用于基层和低等级公路中下面层，这严重限制了其大范围应用推广［4］。

目前，国内外学者在提升CRME性能方面已展开相关研究，形成了一定经验成果［5］。2017年，金成等尝试加入水泥和生石灰来解决CRME早期强度低且增长缓慢的问题，经检测CRME在添加一定量水泥和生石灰后，各项性能均有提升，其中水泥的改善作用相对突出，通过强度增长拟合曲线确定了添加材料的比例［6］；2018年，刘海鹏等采用垂直振动成型方法制备不同级配的CRME试件，通过常规的沥青混合料室内试验探索CRME的最佳级配，试验结果显示CRME中矿粉、机制砂、9.5～19 mm粗集料的最佳掺量分别为3%、20%、20%［7］；2019年，武文斌针对两种路面结构来源的铣刨料进行差异化配合比设计，结果显示不同来源铣刨料相应的混合料性能指标也不同，上拌下贯式路面结构铣刨料制备的CRME易高温变形，而热拌沥青混合料铺装层铣刨料制备的CRME温度敏感性相对较低，高温稳定性优异［8］；同年，李文学等指出采取2次击实方法可显著提升CRME劈裂强度，同时大马歇尔试件尺寸更接近实际施工厚度，所以推荐2次击实成型大马歇尔试件为CRME试件成型方法［9］；2023年，杨普新认为养生条件是影响CRME力学强度和稳定性的重要因素之一，观察记录多种养生条件下试验数据可知现场养生条件下比室内养生条件下稳定度和劈裂强度分别提高5.5%、10.7%，进一步建议CRME养生时间和温度分别为7 d和25 ℃～40 ℃［10］。

目前提升CRME性能的研究多集中在提升粘结材料性能、优化配比、研发相适应的试验方法、添加功能性材料等方面［11］，而在调控各材料间相互作用方面研究很少。因此本研究采用高效减水剂和润湿剂作为表面调节剂制备混合料，探讨分析其作用机理，以期提升CRME的体积和力学性能［12］。

1 原材料及试件制备

1.1 原材料

CRME由乳化沥青、新集料、RAP、水泥和矿粉填料组成，其中乳化沥青为自制的阳离子慢裂慢凝乳化沥青（固含量60%），新集料为玄武岩性质，RAP从本地区某高速公路大中修工程中获得，水泥为P.O42.5普通硅酸盐水泥，矿粉填料为石灰岩性质，经检验CRME各项原材料满足相关规范及本研究应用要求。

在本研究中使用了两种表面活性剂，一种是聚羧酸系高效减水剂，另一种是润湿剂（其作用是增加外掺水和乳化沥青的接触角），均来自生产厂家成品。

1.2 配合比设计

本研究级配设计采用上面层常用的AC-13密级配，经配合比设计，新集料占总集料的20%，填料占总集料的6%（2%水泥+4%矿粉）。通过体积指标空隙率和力学指标间接拉伸强度确定外掺水和乳化沥青最佳掺量分别为3.5%和3.7%。

1.3 试样制备（图1）

2 试验方法及评价指标

2.1 刚度模量试验

刚度模量是沥青路面力学设计中最重要的参数，根据已有研究成果可知，在最大荷载10%～40%时荷载与位移呈极好的线性相关，所以刚度模量（E）在此荷载范围内通过式（1）计算得到。

E=0.3Fmax（4+πu-π）πh（u40%-u10%）（1）

式中：E——试件刚度模量；

h——试件厚度；

u10%——10%破坏荷载时的水平位移；

u40%——40%破坏荷载时的水平位移；

μ——试件的泊松比，本研究取0.3。

2.2 临界应变能密度试验

临界应变能密度（D）是根据试件中心应力和应变计算得到的，其值越大表示混合料抗裂和抗疲劳性能越好。临界应变能密度（D）按照式（2）进行计算。

D=∫ε00σijdεij（2）

式中：σij——应力分量；

εij——应力分量；

ε0——最大应力对应的应变值。

2.3 表观黏度试验

本研究采用布氏黏度计测定水泥-乳化沥青胶浆（由乳化沥青、水泥、表面活性剂、矿粉组成）在不同剪切速率下的表观黏度，对比不同表面活性剂对流变性能的影响。试验温度控制在20 ℃条件下，转子选用26.659 mm直径，为对比不同水灰比对水泥-乳化沥青胶浆流变性能的影响，保持乳化沥青/水泥以及矿粉/水泥配比不变，胶浆配比及类型见表1。

3 试验结果与讨论

3.1 表面活性剂掺量的确定

表面活性剂对乳化沥青冷再生混合料性能的影响/黄科榜

对CRME进行间接拉伸强度试验，通过对比确定不同表面活性剂最佳用量（表面活性剂占水泥的质量百分比），试验结果见图2。由图2可知，不论是高效减水剂还是润湿剂，其间接拉伸强度均随着表面活性剂的增加先增大后减小，分别在高效减水剂掺量为2%和润湿剂掺量为0.5%时间接拉伸强度最大，所以它们的最佳掺量分别为2%和0.5%，下一步性能对比研究均在此基础上进行。

3.2 不同表面活性剂CRME空隙率试验结果

图3为CRME空隙率（VV）的试验结果曲线图。由图3可知，添加表面活性剂可在一定程度上影响CRME的空隙率，添加高效减水剂和润湿剂后空隙率分别降低10.9%和5.6%，因此表面活性剂可使CRME更加致密。另一方面，空隙率最低值对应的外加水量分别为3%（高效减水剂）、4%（润湿剂）和4%（不添加表面活性剂），所以高效减水剂的加入可以降低CRME获得最佳压实状态所需的外加水。

在降低空隙率方面，高效减水剂和润湿剂作用机理不同。高效减水剂能显著降低水泥颗粒的絮凝结构和吸附能力，并提高乳化沥青与水泥混合后的稳定性，使CRME在压实过程中释放更多的自由水，这将有利于自身的压实。然而润湿剂的加入没有改变CRME获得最佳压实状态所需的外加水，它是通过提高水泥和乳化沥青间的润湿能力来提升胶结料的裹附能力，进而提升CRME密实性。

3.3 不同表面活性剂CRME间接拉伸强度试验结果

下页图4为不同表面活性剂处理的CRME间接拉伸强度（P）试验结果曲线图。根据图4呈现出的规律来看，高效减水剂和润湿剂均可在一定程度上提高CRME的间接拉伸强度，最高可分别提升34%和17%，其中高效减水剂在提升强度方面更胜一筹。

同时在制备CRME混合料时，观察发现3%外加水时CRME混合料的湿润度排序为：高效减水剂＞润湿剂＞不添加表面改性剂，即两种表面活性剂均可使粗集料表面更均匀的裹附水泥-乳化沥青胶浆，促使CRME的混合状态得到改善，CRME间接拉伸强度相应提高。从作用机理上分析，高效减水剂是通过降低水泥-乳化沥青胶浆的黏度提升其在集料表面的裹附能力，增强CRME的间接拉伸强度，而润湿剂是通过提升乳化沥青的润湿能力增强CRME的间接拉伸强度。

将图3和图4进行对比，发现表面活性剂对CRME强度的增强作用与表面活性剂降低空隙率息息相关。此外，这种增强作用还与表面活性剂对水泥和乳化沥青间相互作用的改善有关。对于添加润湿剂和不添加表面改性剂的CRME，其最大强度对应的外加水量低于最小空隙率对应的外加水量。已有研究表明，间接拉伸强度最大的CRME比空隙率最小的CRME具有更好的力学性能，所以，综合以上结论确定所有CRME最佳外掺水量为3%。

3.4 不同表面活性剂CRME刚度模量试验结果

不同表面活性剂CRME刚度模量（E）试验结果如图5所示。由图5可知，随着外加水量的增加，刚度模量先增大后减小，且添加表面活性剂后CRME刚度模量稍有提高，添加高效减水剂和润湿剂后最大刚度模量分别提高了8%和5%。

进一步将间接拉伸强度和刚度模量进行拟合，两者之间存在较强的相关性，如图6所示。由图6可知，刚度模量随间接拉伸强度的增大而增大，较高的刚度模量代表较好的抗变形能力，所以相比之下高效减水剂更有利于提高CRME的抗变形抗力。

3.5 不同表面活性剂CRME临界应变能密度试验结果

临界应变能密度（D）被证明是表征沥青混合料疲劳开裂的重要指标，能较好地表征CRME的断裂行为。不同外加水和表面活性剂的CRME的临界应变能密度如图7所示。

由图7可知，添加高效减水剂和润湿剂后CRME临界应变能密度的最大值分别提高18%和6%，即两种表面活性剂可不同程度提高抗断裂和抗疲劳开裂的能力，其中高效减水剂在提升抗裂方面更为有效。同时，随外加水量的增加，临界应变能密度呈先增大后减小的趋势，在3%外加水时达到峰值。

进一步将间接拉伸强度和临界应变能密度进行拟合，两者之间同样存在较强的相关性，如图8所示。临界应变能密度随间接拉伸强度的增大而增大，较高的临界应变能密度代表较好的抗裂能力，所以相比之下高效减水剂更有利于提高CRME的抗断裂和抗疲劳开裂能力。

3.6 不同表面活性剂对水泥-乳化沥青胶浆表观黏度的影响

表观黏度可以反映水泥-乳化沥青胶浆中乳化沥青与水泥颗粒间的相互作用程度，也可以影响CRME的压实状态和胶浆在集料表面的裹附能力。图9为不同表面活性剂的水泥-乳化沥青胶浆表观黏度柱状图。从图9可以看出，胶浆的表观黏度大小顺序为：不添加表面活性剂＞润湿剂＞高效减水剂，即高效减水剂的表观黏度最低。随着水灰比的增加，表观黏度不断减小，这符合水泥-乳化沥青胶浆的材料特性。高效减水剂可以大大降低胶浆的黏度，有利于胶浆在集料上裹附和CRME的密实，从而提高CRME的力学性能。虽然润湿剂降低胶浆黏度的能力弱于高效减水剂，但对CRME密实性也有一定贡献。此外润湿剂可显著提升胶浆的裹附能力，这些特性使润湿剂同样具备提升CRME力学性能的能力。综合以上结论，表面活性剂可提升CRME的体积和力学性能，但高效减水剂和润湿剂的作用机理不同，高效减水剂在提升CRME性能方面优于润湿剂。

4 结语

（1）高效减水剂可以降低CRME的空隙率，大大提高间接拉伸强度，同时可一定程提高抗变形能力。润湿剂也可以降低CRME的空隙率，提高间接拉伸强度，使抗变形能力不随强度的增加而降低。

（2）CRME的刚度模量和临界应变能密度与间接拉伸强度之间呈线性关系，这是由于表面活性剂使间接拉伸强度、刚度模量、临界应变能密度均得到提高。

（3）由于间接拉伸强度和临界应变能密度是抗裂性能的指标，而刚度模量是抗变形能力指标，因此添加表面活性剂有利于提高CRME抗裂和抗变形能力。在所有CRME中，含有高效减水剂的CRME具有最好的力学性能，相比于不添加表面活性剂其间接拉伸强度、刚度模量、临界应变能密度分别提高34%、8%、18%，因此建议添加高效减水剂来改善CRME的体积和力学性能。

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