乳化沥青复合冷再生混合料界面及其性能研究

徐周聪， 周浩南， 张 浩， 郑世伦， 梁旭之

(1.招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆 400067； 2.同济大学， 上海 201800； 3.山区道路工程与防灾减灾技术国家地方联合工程实验室， 重庆 400067；4.重庆交通大学， 重庆 400067； 5.贵州省遵义公路管理局， 贵州 遵义 563100)

路面在运营中受自然环境、交通荷载的影响，路面结构在其寿命周期内，出现不同程度的损坏，而路面再生技术[1]是针对路面损害以及路面材料再生的一项重要研究，其中“复合冷再生技术”是指将铣刨好的沥青面层旧料(RAP料)和半刚性基层旧料(RBP料)按一定的比例进行掺配，并加入一定量的水泥、乳化沥青或泡沫沥青等，经厂拌形成冷再生混合料，直接用于路面基层，实现RAP料与RBP料的再生利用。乳化沥青再生混合料是一种常用的材料，其强度受到诸多因素的影响。王卫斌[2]对水泥乳化沥青冷再生混合料的性能进行了研究，分析了不同情况下性能的影响因素；王宏等[3]对乳化沥青混合料的拌和用水量和水泥掺量的方式进行了研究；牛维宏等[4]利用硫铝酸盐作为添加剂进行正交试验，探究了水泥掺量对乳化沥青混合料的破乳时间和强度的影响；Tarefder等[5]为研究聚合物改性沥青的水稳敏感性，对聚合物改性沥青的粘聚力使用了AFM电镜进行了测试；Castorena等[6]通过SEM电镜与EDS能谱仪观测了微观状态下再生沥青混合料中新旧沥青的融合程度；Chen等[7]通过SEM电镜观测了不同拌和顺序下混合料中各材料的界面微观形态特征；刘继中等[8]采用SEM电镜等对复合材料的微观结构进行分析；Xiao等[9]利用扫描电镜和计算机断层扫描技术，观测到由不同材料组成的水泥乳化沥青混合料的细观图像和空隙特征。综上分析，已有成果聚焦乳化沥青各材料量的改变对混合料力学性能的影响研究，而本文在已有成果基础上研究水泥和RAP掺量对混合料稳定性、强度的影响，同时为了能更好地解释其变化机理，采用SEM电镜和EDS能谱仪，观测在混合料水泥、RAP料掺量的变化下，研究各界面的微观形态和各含元素的变化。

1 试验原材料及试验级配

1.1 原材料

本文使用的原材料包括乳化沥青、水泥、RAP料、RBP料。其中后2类均采用旧高速公路面层铣刨料。该高速公路路面原结构为20 cm水泥稳定碎石基层+5 cm AC-13沥青混凝土面层。

1) 乳化沥青

乳化沥青的技术指标[10]如表1所示。

2) RAP料和RBP料

RAP料与RBP料均采用高速公路面层铣刨料，其筛分结果如表2所示。

表1 乳化沥青技术指标

表2 回收旧料筛分结果

1.2 试验级配

1) 确定级配组成

根据JTG/T 5521—2019《公路沥青路面再生技术规范》中乳化沥青冷再生混合料中粒式级配范围的要求，本文设计了以下3种满足要求的合成级配，如表3所示。

2) 确定最佳乳化沥青含量

对不同乳化沥青掺量下的混合料进行了各级配马歇尔稳定度测试，结果如图1所示。由图1可知，对于各级配混合料，乳化沥青掺量为5%时，马歇尔稳定度均达到最大值。因此，选取5%乳化沥青作为冷再生混合料最佳乳化沥青掺量。

2 乳化沥青混合料断面空隙特征

2.1 断面组成特征的获取方式

通过使用扫描电子显微镜(SEM)、环境扫描仪(ESEM)等对乳化沥青混合料的界面微观形态特征进行分析，从而获取其断面的组成[12-13]。

表3 乳化沥青冷再生混合料的合成级配

图1 各级配马歇尔稳定度测试结果

2.2 断面的分割处理方法

针对混合料断面的图像处理技术主要有以下几种：阈值分割法、区域分割法、便于分割法、特定理论分割法。本文采用阈值分割法对图像进行处理。

2.3 乳化沥青混合料空隙特征

对乳化沥青混合料的断面进行分割后，通过Imagej软件，获得断面特征。整个断面的空隙率可以根据断面像素点的个数来计算。由空隙率的大小可推测混合料的性能以及其他影响[14]。

本文在最佳水泥与最佳乳化沥青掺量下，对3种级配成型的混合料马歇尔试件进行切割并进行图像处理，Imagej软件统计的断面空隙特征结果如表4所示。

从表4可知，3种级配下各试件的空隙特征相近。

3 乳化沥青再生混合料界面微观形态

1) CA胶浆-RAP料界面

利用SEM电镜，可清晰看出CA胶浆-RAP料界面的微观形态，如图2所示。

表4 各级配马歇尔试件空隙特征

从图2(a)可看出，图右下角的集料包裹着一层黑色的老化沥青带，这两相之间没有明显的过渡带，沥青膜厚度约为16 μm；CA胶浆与老化沥青存在明显结合面，但图2(b)、(c)中某些粘结界面能看到CA胶浆与老化沥青已经开始融合；图2(d)界面中已有晶体析出区域。

(a) 无明显过渡带区域

(b) 界面融合区域

(c) 界面融合区域

(d) 晶体析出区域

为掌握分层材料中各相沿垂直于粘结面方向的分布、粘结面本身的元素组成，对垂直于粘结面的方向进行了大约150 μm的线扫描，并分析了其中C、S、O等3个元素，结果如图3所示。

(a) 150 μm线扫描区域

(b) 碳元素

(c) 硫元素

(d) 氧元素

从图3可以看出，在0 μm～68 μm范围内，C、S元素活跃，O元素不活跃，说明该范围为水泥乳化沥青相，反之，在82 μm～150 μm内O元素活跃，C、S元素不活跃，说明该范围为石料；在这两相之间有一个宽度为14 μm凸起的活峰值，说明这个区域为老化沥青区域，与前文电镜分析的结果吻合。综上可推测出CA胶浆与老化沥青在此处产生了交融，部分水泥水化产物渗入了此区域，这说明在105 ℃与60 ℃的养护条件下部分新旧沥青产生了融合。

2) CA胶浆-RBP料界面

水泥乳化沥青CA胶浆-RBP料界面微观形态如图4所示。

(a) 明显裂缝界面

(b) 粘结较好界面

由图4可见，CA胶浆与RBP料的界面存在有2种状态：一是如图4(a)中有明显裂缝，二是如图4(b)的较好粘结。由于图4(a)中的旧水泥与集料有一定的空隙，但尚未完全脱落，且缝隙较小，导致CA胶浆无法裹附；图4(b)左下角则可明显看出对已开始剥落的水泥石，CA胶浆能将其很好地裹附起来。

同样，采用150 μm线扫描，结果如图5所示。

(a) 150 μm线扫描区域

(b) 碳元素

(c) 硫元素

(d) 氧元素

分析图5中C、S、O等3个元素的含量变化，结果表明0 μm～78 μm范围内C元素和S元素活跃，O元素不活跃，说明此时的区域为水泥乳化沥青相，在78 μm～87.4 μm范围内各元素均有凸起的活跃峰，说明CA胶浆对RBP料浸入深度为9.4 μm，在87.4 μm后，CA胶浆与水化水泥的粘结面中的C元素达到了峰值，O元素也在逐步上升，这说明这个部位正在由沥青相向水化水泥相转变。

3) CA胶浆-新集料界面

水泥乳化沥青CA胶浆-新集料界面微观形态如图6所示。

(a) 界面1

(b) 界面2

(c) 界面3

(d) 界面4

(e) 界面5

由图6(b)可知，CA胶浆-新集料各个界面粘结状态介于CA胶浆-RAP料与CA胶浆-RBP料之间，没有CA胶浆-RAP料界面粘结紧密，但粘结稳定性较CA胶浆-RBP料高，无明显薄弱区域。

对CA胶浆-新集料分层材料沿垂直于结合面方向进行500 μm长度的EDS元素线扫描分析，扫描分析结果如图7所示。

(a) 150 μm线扫描区域

(b) 碳元素

(c) 硫元素

(d) 氧元素

据图7中C、S、O元素活跃峰的分布可知，测试区域左侧为水泥乳化沥青，右侧为新集料，在50.6 μm～61.0 μm范围内各元素含量分布均存在一个峰值，故可推断水泥乳化沥青胶浆对新集料浸入深度为10.4 μm。

结合混合料中各材料与胶结料的界面微观状态与微观组成可知：在粘结良好的界面，沥青与各种集料的浸入深度为7 μm～10 μm，此时的界面若受到拉力而破坏，将产生粘聚破坏，即CA胶浆材料本身会先于其他集料界面产生的破坏，此时界面粘附性能取决于CA胶浆材料本身，故仅以增加CA胶浆用量的方法来增强混合料性能是不可取的；且由于RAP料表面老化沥青与CA胶浆在界面处产生了一定程度的融合，对CA胶浆本身性能会产生一定的影响。因此，在冷再生混合料中粘结良好的界面，RBP料与CA胶浆的粘结性能要优于RAP料。

4 乳化沥青的力学性能试验结果与分析

利用SEM电镜和EDS能谱仪观测到在改变水泥和RAP料掺量后，CA胶浆与RAP料、RBP料和新集料的界面微观特征，下面本文将采取宏观试验，对乳化沥青混合料的力学性能试验进行分析。

4.1 水泥掺量的影响

水泥用量是乳化沥青冷再生混合料强度最大的影响因素[15]，不同水泥掺量下混合料的马歇尔稳定度和劈裂强度的测试结果如图8所示。

(a) 马歇尔稳定度

(b) 劈裂强度

由图8(a)可知，乳化沥青混合料的马歇尔稳定度，在乳化沥青掺量相同的情况下，1%～2%水泥掺量范围内，随着掺量的增加，马歇尔稳定度也相应增大，这是由于水泥可增加混合料的早期强度，部分水泥水化可提高冷再生混合料的强度。但随乳化沥青量的增加，马歇尔稳定度呈下降趋势，当乳化沥青掺量为5%时，马歇尔稳定度达到最大值；由图8(b)可知，在乳化沥青掺量相同的情况下，随水泥掺量的增加，劈裂强度却在减小，但乳化沥青掺量对劈裂强度的影响与马歇尔稳定度影响类似，均为先增加后减小，且在含量为5%时达到最大值[16]。由此可得，过高的水泥掺量会导致混合料劈裂强度不足，过低则会导致乳化沥青混合料马歇尔稳定度不足。因此，在综合考虑所在性能指标后，选择乳化沥青掺量为5%、水泥掺量为1.5%作为混合料最佳掺量。

4.2 级配组成的影响

在选择乳化沥青掺量为5%、水泥掺量为1.5%为前提条件下，与前文不同级配集料(级配1、2、3)拌和下，其混合料的性能如表5所示。

表5 不同级配混合料性能试验结果

由表5可知，随RAP料掺量的不断增加，混合料的马歇尔稳定度与劈裂强度都在降低，这是因为随RAP料掺量的增加，混合料中的细集料增多，可更好地起到填充作用；但RAP料过多时，CA胶浆与老化沥青会产生一定程度的融合，阻断了二者的相互作用，所以在混合料配合比设计时应控制好RAP料的掺量。同时，随RAP料掺量的增加，微观状态下，混合料各物质之间表现出了很好的相容性，乳化沥青与水泥水化产物形成了贯穿体系，使得水泥的水化产物在一定程度上对乳化沥青具有很好的支撑和裹附作用，极大地提高了混合料的稳定性。

5 结论

通过SEM电镜、EDS能谱仪对混合料中各材料与胶结料的界面微观形态、微观组成进行分析，获取了不同级配水泥乳化沥青胶浆混合料的断面组成特征，研究了水泥和RAP料的掺量变化对混合料界面强度及其性能的影响，得出以下结论：

1) 混合料级配对空隙率及胶结料厚度有显著影响，RAP料的掺入会使混合料空隙率降低，当RAP料掺量为30%时，胶结材料的厚度更大，分布更为均匀。

2) CA胶浆-新集料界面粘结状态介于CA胶浆-RAP料与CA胶浆-RBP料之间。RBP料由于表面裹附水泥石的缘故。 其胶浆的粘附状态受到了影响，实际工程中应采取措施降低旧路面水泥石形状对其强度的影响。

3) 乳化沥青胶浆的粘附性能取决于其本身胶浆材料的性质，针对粘结良好的界面，沥青与各种集料的侵入深度约为7 μm～10 μm，此时界面受拉产生的破坏为粘结破坏；RAP料表面老化沥青在界面处与乳化沥青胶浆产生了融合，降低了乳化沥青胶浆的性能，因而粘结良好的界面粘附能力RBP料>RAP料。

4) 水泥掺量对混合料的力学性能影响非常突出。随水泥掺量的增加，造成各物质之间的界面稳定性增大，其混合料的马歇尔稳定度会上升，劈裂强度也会增大。当乳化沥青掺量为5%时，马歇尔稳定度和劈裂强度达到峰值。

5) 增加一定量的水泥和RAP料，不仅能提高混合料各物质之间的界面稳定性和相容性，还能提高界面强度，同时也能改善混合料的力学性能，但过高的水泥和RAP料都会对乳化沥青混合料的强度产生不利影响。建议在实际工程中，应严格控制复合冷再生混合料中水泥和RAP料的掺量，在本文试验案例中以1.5%的水泥掺量、30%的RAP料含量为最优掺量。