王　宏

(中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西　西安　710068)

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不同水泥摻量乳化瀝青冷再生混合料細微觀空隙分布特征

王宏

(中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西西安710068)

摘要：基于馬歇爾試驗、工業(yè)CT的無損檢測技術以及VG軟件的三維重構功能，系統(tǒng)研究了0,1%, 1.5%,2%,2.5%,3%共6種水泥摻量下乳化瀝青冷再生混合料的強度特性、空隙率大小、最可幾空隙、空隙分形特征的變化規(guī)律。分析了最可幾空隙、空隙分形特征的數(shù)學模型表征，并建立了細微觀空隙分布特征與力學性能之間的回歸關系。試驗結果表明：水泥摻量對乳化瀝青冷再生混合料細微觀空隙分布特征有顯著的影響，乳化瀝青冷再生混合料空隙體積與其概率分布之間具有較好的洛倫茲分布關系，采用最可幾空隙和空隙分形維數(shù)可較好地表征水泥摻量對乳化瀝青冷再生混合料細微觀空隙特征的影響；隨著水泥摻量增大，最可幾空隙體積減小；摻加水泥改變了乳化瀝青冷再生混合料的整體空隙形狀特征，且水泥摻量越大，空隙形狀改變越明顯；水泥改變了凍融循環(huán)作用下乳化瀝青冷再生混合料的空隙衰變過程。

關鍵詞：道路工程；乳化瀝青冷再生混合料；馬歇爾試驗；空隙分布特征；最可幾空隙；空隙分形特征

0引言

目前乳化瀝青廠拌冷再生混合料中是否添加水泥，在實際工程操作中有著不同的做法；水泥對再生混合料性能影響如何，效果有好有壞，難下定論。室內研究發(fā)現(xiàn)，在乳化瀝青冷再生混合料中加入適量活性填料(如水泥、石灰等)，可顯著改善其早期強度、水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性及疲勞性能。關于水泥對乳化瀝青冷再生混合料技術性能的影響，國內外學者已經(jīng)開展了大量研究并取得了一些重要成果[1-5]，但這些成果主要集中在宏觀力學試驗方面，而關于水泥對乳化瀝青冷再生混合料細微觀結構性能的強度影響機理方面鮮見報道，僅有的一些研究成果只限于采用SEM定性描述了水泥水化產(chǎn)物對乳化瀝青冷再生混合料礦料界面和膠漿界面的影響。由于掃描電鏡試驗取樣過程和掃描試驗過程均具有較大的隨意性，且很難定量分析，試驗結果難以令人信服。為了從細微觀空隙角度揭示水泥對冷再生混合料的作用機理，本文首先研究水泥摻量對冷再生混合料干ITS(Indirect Tensile Strength)、濕ITS的影響，進一步借助X-ray無損檢測技術和VG軟件的三維重構功能系統(tǒng)研究不同水泥摻量乳化瀝青冷再生混合料的細微觀空隙分布特征，推薦乳化瀝青冷再生混合料適宜的水泥摻量范圍，以期為新版《瀝青路面再生技術規(guī)范》的修正以及乳化瀝青冷再生技術的推廣應用提供理論借鑒。

1主要原材料及試件準備

試驗選用的乳化瀝青由試驗室自制，其主要技術指標見表1；水泥選用某品牌PO32.5普通硅酸鹽水泥；回收舊瀝青路面(Reclaimed Asphalt Pavement， RAP)材料為陜西某高速公路瀝青路面銑刨料，RAP料檢測結果見表2。新集料為機制砂和石灰?guī)r碎石，根據(jù)RAP料、10～20 mm碎石(新集料)和機制砂的篩分試驗結果，確定其各自摻加比例為RAP料∶碎石∶石屑=78∶12∶10，混合料合成級配見表3。

表1　乳化瀝青技術指標檢測結果

表2　RAP料燃燒前后的級配組成

表3　乳化瀝青冷再生混合料合成級配

采用重型擊實試驗確定1.5%水泥摻量下乳化瀝青冷再生混合料的最佳拌和用水量為4.4%。按照濕ITS最大，同時兼顧干ITS和干濕ITS比較大的原則確定的最佳乳化瀝青用量為4.0%。為避免拌和用水量、養(yǎng)生溫度、試件成型方法、養(yǎng)生時間等外在因素對試驗結果的影響，試驗中唯一的變量為水泥摻量，水泥以外摻形式摻加，摻量為0，1%，1.5%，2%，2.5%，3%。

(1)混合料拌和：先將水泥、集料一起干拌90 s，再加入預定質量的拌和用水量攪拌90 s，最后加入乳化瀝青，攪拌90 s后觀察混合料顏色、乳化瀝青的裹附狀況是否異常，混合料拌和均勻后方可使用。

(2)試件成型及養(yǎng)生[1]：按照《公路瀝青路面再生技術規(guī)范》(JTGF41—2008)規(guī)定的馬歇爾擊實方法成型試件，將拌和均勻的混合料裝入試模，雙面擊實各50次后置于60 ℃鼓風烘箱中養(yǎng)生48 h,待試件養(yǎng)生結束后再趁熱雙面各擊實25次，室溫冷卻12 h后備用。為避免放置時間對試驗結果的影響，除凍融循環(huán)試驗外，其余試件需在7 d內完成試驗。

2基于X-ray技術測算乳化瀝青冷再生混合料的空隙率

2.1空隙率測算

試驗選用德國某公司225 KV工業(yè)CT掃描系統(tǒng)。VG Studio MAX三維可視化軟件的三維重構功能是實現(xiàn)CT掃描圖像三維可視化的重要手段，為得到乳化瀝青混合料馬歇爾試件內部空隙的空間分布規(guī)律和空隙的細微觀特征，本文采用該軟件自帶的缺陷分析模塊進行計算，經(jīng)室內反復調試，得到用于乳化瀝青冷再生混合料CT掃描試驗的主要參數(shù)，如表4所示。

表4　工業(yè)CT設備規(guī)格與參數(shù)

基于X-ray技術測算乳化瀝青冷再生混合料空隙率的試驗方法及步驟為：

(1)按照1.2節(jié)的試驗方法制備馬歇爾試件，每個水泥摻量共成型12個試件，將其隨機分為3組，每組4個，取2組(8個)用于表干法實測空隙率，4個進行工業(yè)CT無損掃描測試。(2)將用于CT掃描的試件用鋁箔封閉，調整掃描參數(shù)，進行CT掃描，以獲取圖像信息。(3)對獲取的CT掃描圖像信息進行三維重構，并對選取的空隙圖像進行物質分割處理(本文閾值分割采用雙峰法)。(4)將重構后的信息導入VG Studio MAX2.0軟件中的缺陷分析模塊，選擇“缺陷擴展”功能確定空隙的閾值。(5)設置待測算空隙體積的最大值(1 000 mm3)與最小值(0 mm3)。(6)待計算完成后，以表干法實測空隙率為基準，驗算VG測算空隙率的準確性。若CT實測空隙率與表干法實測空隙率差別較大，且肉眼觀察掃描圖像中有大孔尚未識別，需重新調整空隙圖像閾值重新進行計算。(7)待驗算合格后輸出如圖1b所示的計算表單。

圖1　CT實測空隙率計算結果Fig.1　Calculation result of CT measured voids

2.2試驗結果分析

如圖1所示，VG軟件計算輸出的表單信息包括馬歇爾試件內部每個獨立空隙的空間三維坐標，空隙的體積、空隙的表面積、以及空隙在馬歇爾試件內部x，y，z3個方向上的尺寸大小。不同水泥摻量乳化瀝青冷再生混合料實測空隙率和CT測算空隙率的結果見表5。由于CT掃描和表干法實測空隙率均不會對試件造成損傷，獲取CT圖像后將馬歇爾試件用于劈裂試驗，以便進一步建立細微觀空隙特征與宏觀力學性能之間的關系。不同水泥摻量的乳化瀝青冷再生混合料干ITS、濕ITS、TSR(Tensile Strength Ratio)的試驗結果見表6。

表5　不同水泥摻量乳化瀝青冷再生混合料空隙率

表6　不同水泥摻量乳化瀝青冷再生混合料ITS試驗結果

注：試驗溫度為15 ℃，試驗方法參考《公路瀝青路面再生技術規(guī)范》(JTGF41—2008)。

分析試驗結果可知：(1)CT測算的空隙率略小于表干法實測空隙率。0，1%，1.5%，2%，2.5%，3%水泥摻量下，CT實測空隙率分別為表干法實測空隙率的89.4%，88.1%，87.4%，86.7%，87.3%，92.8%，這與國內已有研究成果相吻合，滿足CT測算空隙率與實測空隙率相差15%～20%的誤差要求。CT實測空隙偏小的原因主要是由工業(yè)CT的掃描精度所致，乳化瀝青混合料中小于10 μm的空隙雖能識別，但從計算輸出的excel表單可以看到有大量的空隙體積統(tǒng)計為0 mm3，雖然軟件識別時將這部分空隙體積統(tǒng)計為0 mm3，但這部分空隙不但有一定的體積，而且其數(shù)量相當多，這就造成了CT測算空隙率和表干法實測空隙率有些差別。此外，VG軟件的缺陷檢測功能只統(tǒng)計了馬歇爾試件內部的閉口空隙體積，X-ray掃描試驗時雖采用鋁箔對試件進行了全封閉處理，但難免造成試件邊緣部位部分半封閉空隙的遺漏。(2)隨著水泥摻量的增大，乳化瀝青冷再生混合料空隙率有減小的趨勢，水泥摻量由0增大到2%，乳化瀝青冷再生混合料空隙率減小了1.8%，而水泥摻量由0增大到3%，乳化瀝青冷再生混合料空隙率減小了9.2%，表明小劑量水泥的摻加對乳化瀝青冷再生混合料的總空隙率并沒有明顯影響，但水泥摻量超過2%，水泥的摻加將對乳化瀝青冷再生混合料密實度產(chǎn)生顯著影響。(3)水泥摻量由0增大到2%，干ITS僅增大了7%，而濕ITS增大了51.1%，可見水泥作為活性填料添加后并沒有顯著提高乳化瀝青冷再生混合料的干ITS，而是較大程度提高了乳化瀝青冷再生混合料的濕ITS和干、濕ITS比；此外，隨著水泥摻量的增大，混合料濕ITS總體上呈增大變化趨勢，水泥摻量小于1%，隨著水泥摻量的增大,混合料濕ITS顯著增大，但水泥摻量超過2%后，ITS增加趨勢基本穩(wěn)定。

3水泥對乳化瀝青冷再生混合料細微觀空隙特征的影響

3.1細微觀空隙分布評價指標的選取

目前許多學者都提出采用平均孔徑和孔級配來揭示瀝青混合料的細微觀空隙分布特征[6-8]，但平均孔徑是一個統(tǒng)計概念下的平均值，無法排除試件成型過程中以及養(yǎng)生過程中人為因素導致的大孔體積變異性。經(jīng)初步統(tǒng)計擬合分析，乳化瀝青冷再生混合料微孔數(shù)量多、大孔數(shù)量少、空隙分布特征具有明顯的非均一特性。對此采用孔級配和平均孔徑指標并不能準確判斷出水泥摻量對乳化瀝青冷再生混合料細微觀空隙分布特征的影響，經(jīng)室內反復擬合回歸，本文以最可幾空隙和空隙分形維數(shù)為評價指標，研究水泥摻量對乳化瀝青冷再生混合料細微觀空隙分布特征的影響。

3.2最可幾孔徑

既然空隙分布特征具有非均一特性，且微孔數(shù)量居多，水泥對乳化瀝青冷再生混合料的加筋、填充作用勢必會對其內部細微觀空隙分布特征產(chǎn)生一定影響，如何定量描述水泥摻量對空隙分布特性的影響就顯得十分重要[8-12]。所謂的最可幾孔徑是指馬歇爾試件內部空隙中出現(xiàn)次數(shù)最多的空隙體積，最可幾空隙取決于空隙的分布形態(tài)，如果是正態(tài)分布，最可幾空隙就是平均空隙體積[10]。對于各水泥摻量的635×4張圖像的統(tǒng)計分析顯示，不同體積大小的空隙概率密度函數(shù)基本符合洛倫茲函數(shù)分布，本文以洛倫茲函數(shù)擬合峰值概率對應的空隙體積來表征最可幾空隙，擬合結果見圖2。

(1)

(2)

式中，f(x)為洛倫茲函數(shù)；xc為峰值空隙體積；A，W均為回歸系數(shù)。

圖2　不同水泥摻量乳化瀝青冷再生混合料最可幾空隙分布Fig.2　The most probable void distributions of emulsified asphalt cold recycled mixture with different cement contents

圖3　不同水泥摻量的乳化瀝青冷再生混合料最可幾孔徑分布規(guī)律Fig.3　The most probable void size distribution of emulsified asphalt cold recycled mixture with different cement contents

圖2最可幾空隙擬合結果表明，各水泥摻量下，乳化瀝青冷再生混合料空隙體積與其概率分布之間具有較好的洛倫茲分布關系。隨著水泥摻量的增大，最可幾空隙體積減小，6種水泥摻量下乳化瀝青冷再生混合料的最可幾空隙體積分別為0.247 35，0.189 18，0.175 19，0.150 56，0.144 40，0.125 16 mm3。相比不摻加水泥，1%和3%水泥可分別使最可幾空隙減小23.5%和49.4%，乳化瀝青冷再生混合料的最可幾空隙體積隨水泥摻量的增大呈二次函數(shù)關系遞減，擬合關系良好(見圖3)。其原因是加入水泥后，水泥水化產(chǎn)物在乳化瀝青膠漿內部相互交織、穿插、生長的同時，貫穿了乳化瀝青冷再生混合料的空隙，將大孔分隔成體積更小一級的空隙，宏觀表現(xiàn)為隨水泥摻量的增大，單位面積內空隙數(shù)量增多，小孔出現(xiàn)的概率增大；水泥摻量越大，水泥的加筋、填充作用越明顯。

3.3空隙分形特征

為了簡化計算，通常將混合料中的單個空隙等效成同體積的圓球或橢球。實際中，空隙形態(tài)多種多樣，空隙形狀雜亂無章，對材料中的微裂紋結構、空隙等不規(guī)則圖形，國外學者認為存在如下關系[8-13]：

(3)

對式(3)兩邊取對數(shù)后可得：

(4)

式中，P為空隙的周長；A為空隙面積；C為常數(shù)，回歸直線的斜率D為不規(guī)則圖形邊界線的分形維數(shù)。

雖然乳化瀝青冷再生混合料馬歇爾試件中的空隙形態(tài)雜亂無章，但同一批馬歇爾試件由于試驗級配、試件成型方法、CT掃描參數(shù)等內外因完全相同，相同水泥摻量的混合料試件內部空隙分布形狀應該具有一定的相似性。本文借鑒小島法研究思路對VG計算的空隙率結果進行擬合分析。假設乳化瀝青冷再生混合料內部空隙球體體積與球體表面積之間存在關系V=KSD，兩邊取自然對數(shù):

lnV=lnK+DlnS，

(5)

式中，V為空隙的體積；S為空隙表面積;K為擬合參數(shù)。

根據(jù)VG軟件輸出空隙率的計算結果進行擬合分析，不同水泥摻量下乳化瀝青冷再生混合料空隙表面積對數(shù)與體積對數(shù)之間的擬合關系見圖4。

圖4　不同水泥摻量乳化瀝青冷再生混合料空隙體積與空隙表面積雙對數(shù)擬合結果Fig.4　Double logarithmic fitting result of void volume and void surface area of emulsified asphalt cold recycled mixture with different cement contents

由圖4擬合結果可知，乳化瀝青冷再生混合料內部細微觀空隙體積與空隙表面積在雙對數(shù)坐標下具有較好的線性關系，相關系數(shù)R2均達到了0.99，擬合關系良好，表明不同水泥摻量的乳化瀝青冷再生混合料內部空隙形狀具有一定的相似性，細微觀空隙具有明顯的分形特征；以空隙體積與表面積雙對數(shù)擬合曲線的斜率表征乳化瀝青冷再生混合料的細微觀空隙分形特征[10]，在6種水泥摻量下，隨著水泥摻量的增大，擬合曲線斜率依次增大，截距的絕對值依次減小，可見水泥摻量對乳化瀝青冷再生混合料內部空隙分形特征有顯著的影響，水泥的摻加影響了冷再生混合料的細微觀空隙形狀特征。這也可以用來解釋不同水泥摻量乳化瀝青冷再生混合料強度差異的原因：除了水泥作為次級結合料提高了膠漿與集料之間的黏附性外，水泥水化產(chǎn)物所形成的二級界面改變了混合料內部的空隙形狀特征[5]，導致應力集中因子發(fā)生了變化，以致相同荷載作用對相同空隙大小、不同空隙形狀特征的材料造成的疲勞損傷不同，水泥的加入改善了乳化瀝青冷再生混合料的受力環(huán)境，在一定程度上可彌補集料-膠漿以及膠漿內部的界面缺陷。

圖5　不同水泥摻量乳化瀝青冷再生混合料空隙分形特征Fig.5　Void fractal characteristics of emulsified asphalt cold recycled mixture with different cement contents

4不同水泥摻量乳化瀝青冷再生混合料耐久性分析

為研究水泥摻量對乳化瀝青冷再生混合料耐久性的影響，采用凍融循環(huán)試驗并結合X-ray的無損檢測技術對凍融循環(huán)作用下不同水泥摻量的乳化瀝青冷再生混合料細微觀空隙進行探討，并以最可幾空隙作為評價指標。

凍融循環(huán)試驗步驟[1,14]：(1)各水泥摻量下每次凍融循環(huán)試驗需成型4個標準馬歇爾試件，相同水泥摻量完成凍融試驗需成型24個馬歇爾試件；(2)標準養(yǎng)生結束后，先將試件浸在25 ℃水中飽水0.5 h，取出試件在98.5 kPa真空條件下保持15 min，然后打開閥門，恢復常壓，試件在水中放置0.5 h；(3)取出試件放入塑料袋中，加入約10 mL的水，扎緊袋口，將試件放入-18 ℃恒溫冰箱中，保持12 h；(4)取出試件后立即放入25 ℃水浴中，撤去塑料袋，保溫12 h；保溫結束后將試件置于15 ℃鼓風烘箱中烘干，此為一個凍融循環(huán)。每次凍融循環(huán)結束，將烘干后的試件進行X-ray掃描。相同凍融次數(shù)、不同水泥摻量的乳化瀝青冷再生混合料最可幾空隙變化規(guī)律見表7和圖6。

表7　凍融循環(huán)后乳化瀝青冷再生混合料最可幾空隙體積變化規(guī)律

圖6　不同凍融循環(huán)后乳化瀝青冷再生混合料最可幾空隙體積變化規(guī)律Fig.6　The most probable void volume variation of emulsified asphalt cold recycled mixture after different freeze-thaw cycles

圖7　乳化瀝青冷再生混合料最可幾空隙與濕ITS之間的擬合關系　Fig.7　Fitting relationship between the most probable void and wet ITS of emulsified asphalt cold recycled mixture

從表7、圖6可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過凍融循環(huán)后，乳化瀝青冷再生混合料的最可幾空隙體積增大。在相同凍融次數(shù)下，隨著水泥摻量的增大，最可幾空隙體積增大的趨勢有所降低，水泥改變了凍融循環(huán)作用下乳化瀝青冷再生混合料的空隙衰變過程，加入水泥具有維持冷再生混合料空隙體積變化不大的作用，增強了混合料的抗凍融耐久性。此外，水泥摻量超過2%后最可幾空隙體積減小幅度明顯減小，考慮到過多的水泥摻量將導致乳化瀝青冷再生混合料剛性增大，會增大工程造價，與國內外的主流應用經(jīng)驗相吻合[14-16]，推薦適宜的水泥摻量不宜超過2%。由于CT掃描屬于無損檢測，CT掃描后的試件仍可用于劈裂試驗。圖7建立了馬歇爾試件最可幾空隙體積與其濕ITS之間的關系?？梢钥闯?，濕ITS與最可幾空隙體積之間具有較好的指數(shù)擬合關系，濕ITS隨最可幾空隙體積的增大呈指數(shù)關系減小，水泥影響了乳化瀝青冷再生混合料的最可幾空隙大小，進而影響了乳化瀝青冷再生混合料的濕ITS，摻加適量的水泥可提高乳化瀝青冷再生混合料的抗水損害能力，這也驗證了本文提出的最可幾空隙統(tǒng)計擬合模型是合理可行的。

5結論

(1)基于工業(yè)CT的無損掃描技術和VG軟件的缺陷檢測功能可以定量分析乳化瀝青冷再生混合料內部的細微觀空隙組成，CT測算的空隙率與表干法實測的空隙率之間線性擬合關系良好，相對誤差不超過11%。

(2)小劑量水泥的摻加對乳化瀝青冷再生混合料的總空隙率并沒有明顯影響，但水泥摻量超過2%時，增大水泥摻量將對乳化瀝青冷再生混合料的密實度產(chǎn)生顯著影響；水泥作為活性填料添加后并沒有顯著提高乳化瀝青冷再生混合料的干ITS，而是較大程度地提高了乳化瀝青冷再生混合料的濕ITS和干、濕ITS比。

(3)通過統(tǒng)計分析，本文選用的洛倫茲概率密度函數(shù)能較好地表征水泥摻量對乳化瀝青冷再生混合料內部最可幾空隙的影響。水泥水化產(chǎn)物在乳化瀝青冷再生混合料內部相互交織、穿插、生長的同時，減小了乳化瀝青冷再生混合料的最可幾空隙，隨著水泥摻量的增大，混合料內部空隙的比例增大。

(4)采用lnV=AlnS+B擬合方程可較好地評價乳化瀝青冷再生混合料內部的空隙形狀特征。乳化瀝青冷再生混合料內部空隙形狀具有明顯的分形特征，水泥的摻加改變了乳化瀝青冷再生混合料的整體空隙形狀特征，且水泥摻量越大，空隙形狀改變越明顯。

(5)水泥改變了凍融循環(huán)作用下乳化瀝青冷再生混合料的空隙衰變過程，增強了混合料的抗凍融耐久性，具有維持冷再生混合料空隙體積變化不大的作用。

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收稿日期：2015-02-05

作者簡介：王宏(1987-)，男，陜西商洛人，碩士.(recyclecold@126.com)

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.07.005

中圖分類號：U414

文獻標識碼：A

文章編號：1002-0268(2016)07-0027-08

Meso-microscopic Void Distribution Characteristics of Emulsified Asphalt Cold Recycled Mixture with Different Cement Contents

WANG Hong

(CCCC First Highway Consultants Co., Ltd., Xi’an Shaanxi 710078, China)

Abstract：Based on the Marshall test, nondestructive testing technology of industrial CT and the 3D reconstruction function of VG software，we systematically studied the variations of strength properties, voids sizes, the most probable voids, the void fractal characteristics of emulsified asphalt cold recycled mixture with different cement contents(0, 1%, 1.5%, 2%, 2.5%, 3%)，analysed the mathematical model representation of the most probable void and the void fractal characteristics，and established the fitting relationships between meso-microscopic void distribution characteristics and mechanical properties. The result shows that(1)cement content has significant impact on the meso-microscopic void distribution characteristics of emulsified asphalt cold recycled mixture, there is a good Lorentz distribution relationship between void volume and its probability distribution, and adopting the most probable void and void fractal dimension can well characterize the influence of cement dosage on meso-microscopic void characteristics of emulsified asphalt cold recycled mixture；(2)with the increase of cement dosage, the most probable void volume decreased;(3)adding cement changed the void shape characteristics of emulsified asphalt cold recycled mixture, the more the added dosage of cement, the more obvious the void shape change;(4)cement changed the void decay process of emulsified asphalt cold recycled mixture under the action of freeze-thaw cycle.

Key words：road engineering; emulsified asphalt cold recycled mixture; Marshall test； void distribution characteristics; the most probable void；void fractal characteristics