泡沫沥青和水泥对冷再生混合料性能的影响机理

闫立群， 焦建斌， 任靖峰， 杜素军， 王燕春

(1.山西路桥第七工程有限公司， 晋城 048000； 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)

目前中国公路建设已经由建养并举逐渐发展为养护为主的阶段[1]，据统计，“十三五”期间，因沥青路面养护维修、改建等每年产生的沥青混合料回收料(reclaimed asphalt pavement， RAP)7×107～9×107t，并且中国范围内产生的RAP以每年约10%的速度增长[2-3]。RAP的再生利用是建设两型社会和构建绿色公路体系的必然要求。面临着我国高速公路里程长、基数大、养护维修周期短、筑路材料资源紧缺的难题，RAP的再生利用任务更加迫切和繁重[4-6]。

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沥青冷再生结构层，实现了半刚性基层沥青路面结构转换，延长沥青路面使用寿命，克服了公路养护高资源占有、高能源消耗、高碳排放的难题[7-9]。相对于热再生技术，冷再生技术具备RAP回收利用率高(RAP掺量为70%～100%)、施工便捷、冷拌冷铺节能减排和显著的经济优势，相较于乳化沥青冷再生技术，泡沫沥青冷再生养生3～7 d后的早期强度高、钻出完整芯样所需的养生时间短(施工进度快)、泡沫沥青可适用于不同结构层位的再生料(不存泡沫沥青与RAP在融合性、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及相对显著的经济优势，近年来在世界各国沥青路面养护维修中得到了广泛发应用[4-8]。

泡沫沥青冷再生在养护维修工程中一般作为高速公路路面结构下面层兼结构补强层，随着其使用层位的不断上移，这就要求泡沫沥青冷再生混合料应具备足够的力学强度、刚度及优异的路用性能与抗疲劳特性，以抵抗车辆荷载和环境温度、水等综合作用[10-14]。从对混合料强度的贡献角度而言，泡沫沥青是泡沫沥青冷再生混合料的主要胶结料、水泥是次级胶结料，泡沫沥青冷再生混合料中长期性能(服役期间)的强度来源主要由泡沫沥青提供，水泥主要提供了早期强度(3～14 d)，水泥对冷再生混合料的强度贡献先快后慢，整体缓慢且长期增长(强度增长持续约2年)。目前中国针对泡沫沥青冷再生混合料的力学性能与路用性能方面已经开展了部分研究[2-7]，已有研究主要关注矿料级配优化设计、养生方法、试件成型方式及强度评价标准与性能提升等方面[8-14]。水泥和泡沫沥青作为冷再生混合料的主要胶结料，有关泡沫沥青冷再生混合料强度机理方面研究较少，研究泡沫沥青用量和水泥掺量对泡沫沥青冷再生混合料宏观性能与强度机理的影响，为优化泡沫沥青冷再生混合料材料组成配比提供参考。

1 实验材料与方案

1.1 原材料

(1)泡沫沥青：采用A-90#基质沥青，按照《公路沥青路面再生技术规范》(JTG 5521—2019)规范附录C调整发泡温度(155～165 ℃)、发泡水量(1%～3%)，通过发泡试验确定泡沫沥青膨胀率为25倍、半衰期为19 s，符合《公路沥青路面再生技术规范》(JTG 5521—2019)膨胀率大于10倍、半衰期大于8 s的要求。

(2)水泥：P.S42.5水泥，指标如表1所示。

(3)RAP：来源于太原绕城高速公路下面层(AC-25)，采用冷铣刨后二次筛分方式获取沥青。混合料回收料(RAP)，RAP技术性能如表2所示。

(4)新集料：新集料采用10～20 mm石灰岩碎石和0～5 mm石屑，性能符合《公路沥青路面再生技术规范》(JTG 5521—2019)规范要求。

(5)水：饮用自来水。

(6)混合料配合比设计：采用中粒式泡沫沥青冷再生混合料级配(表3)。在不添加泡沫沥青情况下，变化含水率进行击实试验获得最大干密度对应的为6.5%，在此基础上折减20%，确定最佳含水率(optimal water content, OWC)为5.2%。水泥以内掺形式参与合成级配，等质量替代填料。

表1 水泥性能指标

表2 RAP技术性能

表3 泡沫沥青冷再生混合料矿料级配

1.2 试验方案与方法

在工程中常用的0～2.5%水泥剂量范围内，试验研究选择0、1%、1.5%、1.8%、2.1%共5组水泥掺量，每种水泥掺量下，在2.0%～3.5%泡沫沥青用量范围内间隔0.5%选择4组泡沫沥青用量。

(1)力学性能试验：按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)、《公路沥青路面再生技术规范》(JTG /T 5521—2019)相关要求与试验方法进行无侧限抗压强度试验、劈裂强度试验与动态压缩模量试验。根据文献[2,7-9]，将劈裂强度(splitting strength，ITS)、无侧限抗压强度(unconfined compressive strength，UCS)无侧限围压下的最大、最小主应力，根据莫尔圆推算冷再生混合料的内摩擦角φ和黏聚力c抗剪切强度参数。动态压缩模量加载频率5 Hz，试验温度为20 ℃。

(2)路用性能试验：试件制备、试验条件与加载方式、试验步骤等严格按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)、《公路沥青路面设计规范》(JTG D50—2017)进行。

(3)泡沫沥青在冷再生破坏界面的分散状态评价：采用高清数码相机获取泡沫沥青冷再生混合料破坏试件界面的图像信息，基于阈值分割方法获取劈裂破坏界面泡沫沥青所占的面积(foamed asphalt area content，FFAC)。

(4)微观空隙结构：采用Y.CT Precision 型工业计算机体层摄影(computed tomography，CT)获取不同水泥掺量的马歇尔试件CT图像，将CT扫描图像导入工业CT处理软件VGStudio MA进行三维重构，按照文献[2-5]算法，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。

2 水泥与乳化沥青对冷再生混合料力学性能与路用性能的影响

2.1 力学性能试验

力学性能试验结果如表4所示，可得出如下结论。

(1)随着水泥掺量的增大，泡沫沥青冷再生混合料劈裂强度ITS、无侧限抗压强度UCS、动态回弹模量E、抗剪切参数φ和c均显著增大，尤其是UCS与动态回弹模量指标，随着水泥掺量增大，两者一直呈增大趋势。在2.0%、2.5%、3.0、3.5%泡沫沥青用量范围内，水泥掺量由0增大至2.5%，泡沫沥青冷再生混合料ITS分别增大了85.6%、41.2%、13%、11.1%，UCS分别增大了48.5%、59.7%、51.4%、50.8%、动态回弹模量E分别增大了108.5%、102.2%、102.2%、116.6%，黏聚力c分别增大了23.5%、11%、12.3%、6.8%，内摩擦角φ分别增大了11.6%、15.6%、13.7%、15.4%。分析其原因，水泥水化产物在生长过程中不仅为冷再生混合料提供了早期强度，也能够填充水在泡沫沥青与集料接触界面及泡沫沥青砂浆内部残留的空隙，水泥水化产物锚固在泡沫沥青砂浆与集料中，起到了类似加筋、桥接的作用。

表4 不同泡沫沥青与水泥掺量的冷再生混合 料力学性能试验结果

(2)相较于不掺加水泥，掺加1%水泥后，泡沫沥青用量为2.0%、2.5%、3.0%、3.5%时，冷再生混合料的ITS分别增大了58.9%、22.4%、4.7%、2.7%，UCS分别增大了23.5%、20.1%、22%、17.2%、动态回弹模量E分别增大了60.4%、57.2%、53.3%、67.6%，黏聚力c分别增大了3.7%、4.8%、3.4%、4.8%，内摩擦角φ分别增大了34.7%、19.8%、5.6%、3.1%，在泡沫沥青掺量较低(2.0%、2.5%)时，掺加水泥显著提高了泡沫沥青冷再生混合料的劈裂强度与黏聚力。

(3)在泡沫沥青用量为2.0%、2.5%、3.0%、3.5%条件下，相较于1.8%水泥掺量，掺加2.1%水泥后，冷再生混合料的ITS分别提高了3.8%、2.1%、2.2%、0.6%、UCS分别提高了1.5%、9.4%、5.1%、4.9%、动态模量分别提高了7.7%、9.4%、5.1%、4.9%、内摩擦角φ分别提高了1.8%、1.9%、1.5%、2.1%、黏聚力c分别提高了1.5%、0.8%、1.3%、0.6%，综合考虑水泥掺量对泡沫沥青冷再生混合料力学性能的影响趋势，水泥掺量控制为1%～1.8%较为适宜。

(4)在0～2.1%水泥掺量范围内，随着泡沫沥青用量增大，ITS、UCS、内摩擦角φ、黏聚力c均先增大后减小，呈抛物线变化趋势，并在3.0%泡沫沥青用量时ITS、UCS、内摩擦角φ、黏聚力c均达到峰值。因此可通过ITS或UCS试验确定最佳泡沫沥青用量。值得注意的是，变化水泥掺量对最佳泡沫沥青影响不大，这是由于水泥与泡沫沥青的强度形成机理不同，水泥作为次级胶结料在颗粒组成上只是等同于活性矿粉。

2.2 路用性能试验

不同水泥和泡沫沥青掺量条件下冷再生混合料路用性能试验结果如表5所示。可得出如下结论。

(1)在2.0%、2.5%、3.0%、3.5%泡沫沥青用量下，掺加1%水泥可以使DS提高至3 000次/mm以上，TSR、干湿ITS比从不足70%提高至80%以上，因此从水稳定性和高温性能考虑，泡沫沥青冷再生混合料内部应掺加适量水泥。

表5 不同泡沫沥青与水泥掺量的冷再生混合料 路用性能试验结果

(2)随着水泥掺量的增加，冷再生混合料弯拉强度、弯曲应变均先增大后减小，在较低泡沫沥青用量时(≤2.5%)，以峰值弯曲强度、弯曲应变确定最佳水泥掺量为1.0%～1.5%，泡沫沥青用量大于2.5%时，最佳水泥掺量为1.5%～1.8%。

(3)随着泡沫沥青用量增大，冷再生混合料动稳定度减小，弯拉强度、弯曲应变及TSR、干湿ITS比均增大。

(4)掺加1.5%～1.8%水泥与2.5%～3.5%泡沫沥青后，冷再生混合料具有优异的高温性能与水稳定性，可以满足《公路沥青路面再生技术规范》(JTG 5521—2019)高速公路下面层冷再生混合料的路用性能要求。

3 水泥与乳化沥青对冷再生混合料微细观结构的影响

3.1 泡沫沥青的分散状况观察

泡沫沥青在劈裂试件破坏界面处的分散状况如图1所示。破坏界面FFAC，结果如表6所示。

图1 泡沫沥青在冷再生混合料破坏界面的分散状况Fig.1 Dispersion of foam asphalt in cold recycling mixture interface

由图1、表6可知，不同泡沫沥青用量下冷再生混合料破坏界面的FFAC差异较大，ITS试验试件破坏界面FFAC，随着泡沫沥青用量的增大而增大，实测FFAC数据离散性小，能够满足试验误差要求。2.0%、2.5%、3.0%、3.5%泡沫沥青用量下，冷再生混合料破坏界面FFAC平均值分别为12.5%、29.4%、44.1%、55.3%，对应的ITS均值分别为0.48、0.58、0.73、0.67 MPa。泡沫沥青用量由2.0%增大至3.5%，FFAC由12.5%增大至53.3%，增大了3.4倍，尤其是泡沫沥青由2.0%增大至2.5%、2.5%增大至3.0%、3.0%增大至3.5%时，泡沫沥青用量仅间隔0.5%，但FFAC分别提高了135.1%、49.8%、25.3%，可见增大泡沫沥青用量后，FFAC并非呈线性关系增大，随着泡沫沥青用量增大，FFAC增长率减小，尤其在较低掺量时，增大泡沫沥青能显著增大FFAC，可见在最佳泡沫沥青用量范围内泡沫沥青的分散效率最高。

图2建立了FFAC与ITS的相关性，可见，随着FFAC增大，ITS呈先增大后减小趋势，两者之间的二次函数拟合相关性R2>0.95。

表6 劈裂破坏界面的泡沫沥青分散状况

图2 FFAC与ITS拟合关系Fig.2 Fitting relationship between FFAC and ITS

3.2 水泥对冷再生混合料微观结构的影响

3.2.1 微观形貌分析

在3%泡沫沥青用量条件下，对比不掺加水泥和1.5%水泥掺量下冷再生混合料破坏界面的扫描电子显微镜(scanning electron microscope，SEM)图像，结果如图3表示。

图3 掺加水泥前后泡沫沥青砂浆微观形态Fig.3 Microscopic morphology of foamed asphalt mortar before and after adding cement

图3(a)、图3(b)为不掺水泥的泡沫沥青砂浆微观形貌，由于矿粉颗粒之间的相互干涉作用，泡沫沥青砂浆的显微结构呈松散结构、整个图像填料表面显得较为光滑，矿粉与沥青之间只存在物理吸附，水挥发后残留有孔洞，这为形成浸水后水进入冷再生混合料内部的通道。图3(c)、图3(d)为1.5%水泥掺量下泡沫沥青胶浆微观形貌，对比图3(a)、图3(b)，掺加水泥后泡沫沥青砂浆微观结构形貌由蓬松状转变为簇状加筋嵌挤结构，由于养生过程中，水化产物向空间发展、生成时受到矿粉颗粒和沥青的阻碍，针刺状水泥水化产物Aft锚固到填料和沥青的纹理中，水泥的“锚固”“加筋”作用加之水泥自身的刚性，提高了接触界面的粗糙度，掺加水泥后，泡沫沥青砂浆微观形貌得到显著改善，水泥接触界面形成的簇状嵌挤的加筋结构，为加强RAP与泡沫沥青胶浆界面之间的黏结提供了良好基础，这也是随着水泥掺量的增加冷再生混合料抗压强度、动态回弹模量、水稳定性、高温稳定性等力学性能与路用性能提高的根本原因。

3.2.2 微观空隙结构

基于工业CT无损检测技术获取冻融前后冷再生混合料内部每个独立空隙的体积参数，并计算平均空隙直径，结果如图4所示，可得出如下结论。

图4 掺加水泥前后泡沫沥青冷再生混合料空隙结构Fig.4 The void structure of foamed asphalt cold recycled mixture before and after adding cement

(1)未冻融，不掺加水泥的冷再生混合料空隙体积0.1 mm3≤V<1 mm3、V≤0.1 mm3的空隙数量分别为26.1%、61.7%，掺加1.5%水泥的冷再生混合料空隙体积0.1 mm3≤V<1 mm3、V≤0.1 mm3的空隙数量分别为14.9%、75.4%，掺加水泥显著减少了冷再生混合料内部小于0.1 mm3的空隙数量，水泥水化后增大了空隙级配中小于0.1 mm3微孔的数量。

(2)经历冻融循环作用后，不掺加水泥，冷再生混合料平均空隙直径由0.589 5 mm增大至1.049 2 mm，增大了78%，空隙体积中0.1 mm3≤V<1 mm3空隙数量由26.1%增大至60.1%，增大130.3%，空隙体积中V≤0.1 mm3的空隙数量由61.7%减小至28.4%，减小为冻融前的46%。掺加1.5%水泥后，冷再生混合料平均空隙直径由0.494 3 mm增大至0.834 7 mm，增大了68.7%，空隙体积中0.1 mm3≤V<1 mm3空隙数量由14.9%增大至37.8%，增大了153.7%，空隙体积中V≤0.1 mm3的空隙数量由75.4%减小至50.6%，减小为冻融前的67.1%，由此可见，冻融循环作用显著增大了冷再生混合料内部的平均空隙直径，减小了小于0.1 mm3微空隙数量，降低了总空隙数量，掺加水泥有能够降低冻融作用对冷再生混合料微观空隙结构的损伤作用，水泥水化产物具有抑制冷再生混合料内部空隙增大的作用，并且维持空隙级配的稳定，这是水泥改善泡沫沥青冷再生水稳定性的原因之一。

4 结论

(1)随水泥掺量的增大，泡沫沥青冷再生混合料劈裂强度ITS、无侧限抗压强度UCS、动态回弹模量E、抗剪切参数φ和c均显著增大，尤其是UCS、动态回弹模量E、动稳定度DS和冻融劈裂强度比、干湿ITS比指标，随水泥掺量增大而增大。过多的水泥不利于冷再生混合料的低温性能，推荐水泥掺量控制为1%～1.8%较为适宜。

(2)随泡沫沥青用量增大，ITS、UCS、内摩擦角φ、黏聚力c均先增大后减小，并在3.0%泡沫沥青用量时ITS、UCS、内摩擦角φ、黏聚力c均达到峰值。动态回弹模量E、动稳定度DS随泡沫沥青掺量增大而减小。掺加1.5%～1.8%水泥与2.5%～3.5%泡沫沥青后，冷再生混合料具有优异的高温性能与水稳定性。

(3)泡沫沥青冷再生混合料中的沥青呈独特的“点焊”状分散方式，FFAC与ITS两者之间有良好的二次函数关系。增大泡沫沥青后劈裂试件破坏界面的泡沫沥青面积增大，这是冷再生混合料ITS随泡沫沥青用量增大呈先增大后减小的根本原因。

(4)水泥水化后形成的状加筋嵌挤结构增大了空隙级配中小于0.1 mm3微孔的数量，减小了冷再生混合料的平均空隙直径，水泥水化产物具有抑制冻融作用下冷再生混合料内部空隙增大的作用，并且维持空隙级配的稳定。