樊 亮，李亞楠，朱 輝，呂玉超，張玉貞

（1.山東省交通科學(xué)研究院，山東濟(jì)南250031；2.中國石油大學(xué)（華東）化學(xué)化工學(xué)院，山東青島266555；3.高速公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，山東濟(jì)南250031）

乳化瀝青路面冷再生是近年來新興的冷再生技術(shù)之一，它是將舊瀝青混合料（RAP）經(jīng)過適當(dāng)技術(shù)處理，摻加一定量的新集料、礦粉滿足一定的級配要求，添加適量乳化瀝青和水泥后在常溫條件下重新拌制生產(chǎn)瀝青混合料的技術(shù)[1?3]。從這種冷再生瀝青混合料的物相組成上來看，該技術(shù)可保證大量使用舊瀝青混合料，并在乳化瀝青、水泥雙重膠結(jié)的作用下，既發(fā)揮出瀝青類混合料的柔韌性，也能使混合料具有較高的承載強度；同時其常溫施工特點保證了其環(huán)境友好程度。

一般地，乳化瀝青冷再生瀝青混合料比熱拌瀝青混合料的物相體系更為復(fù)雜，其中的膠漿體系也尤為不同。熱拌瀝青混合料膠漿是以填料為分散相，以黏稠的瀝青為分散介質(zhì)形成的微分散體系；而乳化瀝青冷再生混合料則至少含有乳化瀝青殘留物+礦粉、乳化瀝青殘留物+水泥，甚至乳化瀝青殘留物+礦粉+水泥3個膠漿系統(tǒng)，這些膠漿均為非勻質(zhì)多相復(fù)合體系，界面結(jié)構(gòu)和黏結(jié)特性更為復(fù)雜，因此在混合料強度形成機理上與普通熱拌瀝青混合料有著明顯的區(qū)別。

目前對乳化瀝青冷再生混合料的研究還主要集中在配合比設(shè)計和宏觀性能上。如很多研究者強調(diào)水泥的作用，并認(rèn)為它可明顯改善冷再生混合料的早期強度和路用性能[4?6]，使水泥逐漸變?yōu)橐环N不可或缺的添加劑。但水泥用量會使混合料的剛性增強，柔性減弱[7?8]，并會明顯降低其抗疲勞性能[9]。有學(xué)者對冷再生膠漿進(jìn)行了一定程度的研究，并提出了某些作用機理，但都是基于對混合料微觀結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖片定性分析[10?11]，沒有進(jìn)行系統(tǒng)的實驗研究。因此，深入研究乳化瀝青冷再生混合料中的復(fù)合膠漿系統(tǒng)及其特點，對理解冷再生混合料的強度形成機制具有一定的意義。

本研究考察了3種膠漿系統(tǒng)，包括瀝青+礦粉、乳化瀝青殘留物+礦粉和乳化瀝青殘留物+水泥。在一定的粉膠比（水泥質(zhì)量與乳化瀝青殘留物的質(zhì)量比值）范圍內(nèi)，研究了3種膠漿系統(tǒng)在高溫條件下的流變特性及界面黏結(jié)性。

1 實驗部分

1.1 原材料

瀝青：韓國雙龍70#A級瀝青，技術(shù)指標(biāo)見表1。由表1可見，指標(biāo)滿足JTG F40現(xiàn)行規(guī)范技術(shù)要求[12]，標(biāo)記為 H。

表1 70#瀝青技術(shù)指標(biāo)Table 1 Specification indexes of grade 70 asphalt

乳化瀝青：采用慢裂慢凝性乳化劑，在膠體磨上對H瀝青進(jìn)行乳化(技術(shù)指標(biāo)見表2)，生產(chǎn)出殘留物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為62%的冷再生用乳化瀝青，其指標(biāo)滿足JTG F41《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》中相關(guān)技術(shù)規(guī)定,標(biāo)記為EH。

表2 乳化瀝青技術(shù)指標(biāo)Table 2 Specification indexes of asphalt emulsion

礦粉：采用5種不同產(chǎn)地的石灰?guī)r礦粉，其物理指標(biāo)雖然有所差異，但其指標(biāo)均滿足JTG F40現(xiàn)行規(guī)范中的礦粉技術(shù)要求；在制作膠漿時，均篩取0.075 mm 以下部分使用。標(biāo)記為 1#、2#、3#、4#、5#。

水泥：山水牌普通硅酸鹽水泥（P.O32.5），標(biāo)記為C。配置膠漿時，不過0.075 mm篩。

1.2 膠漿制備

礦粉?瀝青膠漿：將1#-5#五種礦粉按照粉膠比0.6、0.8、1.0、1.2、1.4進(jìn)行膠漿配置。詳細(xì)過程可參考文獻(xiàn)[13]。分別標(biāo)記為1?H、2?H、3?H、4?H、5?H。

礦粉?乳化瀝青殘留物膠漿：由于人工攪拌獲取的乳化瀝青殘留物與原樣瀝青的性質(zhì)更為接近[14]，先按照此方法制備充足的乳化瀝青殘留物，將1#-5#五種礦粉按照粉膠比 0.6、0.8、1.0、1.2、1.4進(jìn)行膠漿配置。方法同礦粉?瀝青膠漿。分別標(biāo)記為1?EH、2?EH、3?EH、4?EH、5?EH。

水泥?乳化瀝青殘留物膠漿：由于水泥加入乳化瀝青冷再生混合料后，其水化反應(yīng)會消耗混合料中一部分水分，并生成水化產(chǎn)物，從而加速混合料早期強度的形成。為模擬這種水泥膠漿的變化，首先在乳化瀝青中攪拌加入一定比例的水泥，攪拌15 min后，在室溫下靜置24 h，保證水泥發(fā)生一定程度的水化反應(yīng)。將靜置后的混合體系置于電熱套中，慢慢升溫，將其中的水分蒸出得到水泥?殘留物膠漿（C?EH）。

在乳化瀝青、水泥的比例設(shè)置上，參考了實際工程中常用的劑量設(shè)置。如乳化瀝青用量為相對于冷再生干集料質(zhì)量的百分比，分別為3.5%、4.5%、5.5%、6.5%；水泥用量為相對于干集料的質(zhì)量百分比，分別為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%；考慮到乳化瀝青的固含量，水泥與乳化瀝青殘留物的膠漿配置參數(shù)如表3所示。

表3 復(fù)合膠漿配置參數(shù)Table 3 Production r atios of compound mor tar s

1.3 檢測與表征

1.3.1 流變性能 利用AR2000ex動態(tài)剪切流變儀，獲取60℃下3種膠漿的復(fù)數(shù)模量和相位角，實驗條件為:應(yīng)力水平100 Pa、轉(zhuǎn)速10 rad/s、平板直徑25 mm、實驗間隙1 mm。

1.3.2 界面性能 采用界面黏結(jié)力系數(shù)作為表征參數(shù)，用來考察水泥水化帶來的膠漿性能差別。當(dāng)填料顆粒與基體之間形成明顯不同的界面相時，界面黏結(jié)性的好壞可以通過損耗因子的變化反映。按照式（1）評價不同膠漿的界面黏結(jié)力效果。

其中，tanδc為膠漿混合體系的損耗角正切，tanδm為基礎(chǔ)材料的損耗角正切，φ為填料顆粒體積分?jǐn)?shù)；B為填料?基體相互作用參數(shù)。該式物理意義為，B值越大，界面黏結(jié)力越強。乳化瀝青殘留物和瀝青密度1 g/cm3，礦粉（0.075 mm）密度3.34 g/cm3，水泥密度 1.4 g/cm3。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)數(shù)模量

為對比方便，且為了避免基礎(chǔ)瀝青（殘留物）的指標(biāo)不同帶來的影響，3種膠漿的模量變化按照與基礎(chǔ)瀝青（殘留物）的模量比值（Gm/G0）來表示，定義為模量增率。圖1為60℃時3種膠漿的模量增率隨粉膠比的變化規(guī)律。

圖1 3種膠漿模量隨粉膠比的變化及對比Fig.1 Modulus changes of three mortars with different filler dosages

分析認(rèn)為：

（1）任何膠漿系統(tǒng)的模量均大于基礎(chǔ)瀝青（殘留物）的模量。圖1（a）表明，對于礦粉?瀝青膠漿，在粉膠比0.6時，5種礦粉均能賦予膠漿兩倍于基礎(chǔ)瀝青的模量，并隨著粉膠比的提高而單調(diào)升高，在粉膠比為1.4時，膠漿體系模量可以3倍于基礎(chǔ)瀝青；圖1(b)表明，礦粉?乳化瀝青殘留物膠漿體現(xiàn)與瀝青膠漿相同的規(guī)律，其模量隨著粉膠比單調(diào)升高，在粉膠比1.4時可3倍于乳化瀝青殘留物。這種現(xiàn)象與已有研究中的無機礦粉填料硬化有關(guān)，即礦粉的添加增加了瀝青的高溫穩(wěn)定性，并呈現(xiàn)較好的線性增長關(guān)系[13]。

（2）對于水泥?乳化瀝青殘留物膠漿而言，圖1（c）表明，在不同乳化瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，膠漿模量大于基礎(chǔ)殘留物，但隨著粉膠比的升高，4種條件下的膠漿模量并不出現(xiàn)穩(wěn)定的單調(diào)上升趨勢。質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%、4.5%乳化瀝青用量下，模量隨水泥用量單調(diào)增長；而在質(zhì)量分?jǐn)?shù)5.5%、6.5%乳化瀝青用量下，當(dāng)水泥與乳化瀝青殘留物的質(zhì)量比在0.30、0.25時，膠漿模量存在最小值。

究其原因，可以認(rèn)為是水泥不同程度的水化產(chǎn)物造成的。一方面，水泥利用乳化瀝青破乳產(chǎn)生的水分發(fā)生水化作用，生成一部分水化硅酸鈣（C?S?H）等膠凝材料，但因為水膠比（見表1）的不同，水化程度有所不同，繼而形成了具有不同物質(zhì)組成和微觀結(jié)構(gòu)的膠漿體系。另外，水泥的水化過程是放熱過程，會增加乳化瀝青的破乳速度，有利于游離水的揮發(fā)，帶來實際水膠比的變化。正是因為水膠比不同帶來的不同的水化效果，水泥?乳化瀝青殘留物膠漿系統(tǒng)實際包含了水泥、水化物、殘留物等3種以上的物相組成，其中水化產(chǎn)物呈晶體狀態(tài)，與乳化瀝青殘留物交織混合；未水化水泥顆粒在整體膠漿系統(tǒng)中起到填充作用和微骨料作用[17?18]。相對于礦粉?瀝青膠漿、礦粉?乳化瀝青殘留物膠漿，這種膠漿的性能表征更為復(fù)雜，所體現(xiàn)的模量變化規(guī)律有所區(qū)別。

（3）圖1(d)各曲線對比表明，水泥?乳化瀝青殘留物膠漿因為水泥水化作用的存在，會體現(xiàn)更高的模量增率效果；水泥粉膠比0.7時，其膠漿模量即能達(dá)到礦粉粉膠比為1.4時的瀝青膠漿和乳化瀝青殘留物膠漿模量。正是因為這種模量增效行為的存在，可以賦予實際冷再生瀝青混合料的早期強度，改善其路用效果。

2.2 相位角

根據(jù)流變實驗，得到3種瀝青膠漿在不同粉膠比下的相位角，見圖2。由圖2可知，普通礦粉?瀝青膠漿與礦粉?乳化瀝青殘留物膠漿的60℃相位角基本穩(wěn)定，約在 86°～88°；這與樊亮等[13]已有的研究是一致的，即在高溫條件狀態(tài)下，無機礦粉基本不改變基礎(chǔ)瀝青（殘留物）的黏、彈性組成比例，僅提高膠漿的模量值。但對于水泥?乳化瀝青殘留物，其相位角比其他兩種膠漿要低，在80°～84°變化，并隨著粉膠比呈現(xiàn)拋物線變化。根據(jù)復(fù)數(shù)模量部分的相關(guān)分析，這種變化特點仍與水泥水化程度有關(guān)，水化物提高了膠漿的彈性組成，造成模量提高。

圖2 3種膠漿相位角隨粉膠比的變化Fig.2 Phase angle changes of three mortars with different filler dosages

2.3 界面黏結(jié)性能

基于不同膠漿的相位角數(shù)據(jù)，根據(jù)式（1）計算了膠漿的界面黏結(jié)力系數(shù)B，B值的變化如圖3所示。

圖3 3種膠漿的界面黏結(jié)力及對比Fig.3 Inter face adhesive coefficient of three mor tars with different filler dosages

分析認(rèn)為：

（1）礦粉?瀝青膠漿體系的界面黏結(jié)力隨著粉膠比的升高有所下降，而礦粉?乳化瀝青殘留物膠漿的界面黏結(jié)力則隨著粉膠比的提高線性上升；圖3(a)、(b)顯示5種礦粉均體現(xiàn)這樣的規(guī)律，并具有較高的相關(guān)系數(shù)R2。這種現(xiàn)象在文獻(xiàn)中尚未發(fā)現(xiàn)，但從材料組成中可以發(fā)現(xiàn)，兩種膠漿的唯一區(qū)別是膠漿的基礎(chǔ)瀝青不同，一種是普通70#瀝青，一種是基于此70#瀝青生產(chǎn)的乳化瀝青殘留物，差別在于后者的殘留水分和乳化劑帶來的影響。有關(guān)文獻(xiàn)表明，乳化劑的類型和劑量對乳化瀝青的黏度和殘留物的性能有較大影響[19?20]，因此對于這種現(xiàn)象應(yīng)該從物相組成上進(jìn)行解釋。

（2）水泥?乳化瀝青殘留物膠漿體系的界面黏結(jié)力系數(shù)變化規(guī)律與上述兩種膠漿明顯不同，不能體現(xiàn)出隨粉膠比變化的穩(wěn)定規(guī)律。圖3(c)表明，水泥?乳化瀝青殘留物膠漿在4種乳化瀝青用量下，B值隨著粉膠比的變化有升高，亦有降低，沒有穩(wěn)定的變化規(guī)律。說明水泥?乳化瀝青殘留物膠漿的復(fù)雜性，這種復(fù)雜性源于不同程度的水化程度和效果。雖然這種膠漿的界面黏結(jié)無統(tǒng)一規(guī)律，但是圖3(d)表明，水泥?乳化瀝青殘留物膠漿的界面黏結(jié)力與礦粉?瀝青膠漿相當(dāng)，甚至在某些粉膠比下遠(yuǎn)高于熱拌瀝青混凝土膠漿；同時在低粉膠比范圍內(nèi)遠(yuǎn)高于單獨利用礦粉的乳化瀝青殘留物膠漿。這就說明水泥在乳化瀝青冷再生中的應(yīng)用必要性，它對于提高瀝青混合料的界面黏結(jié)能力比單獨利用礦粉更具有黏結(jié)效果。

綜上分析認(rèn)為，在實際乳化瀝青冷再生混合料中，復(fù)合膠漿體系遠(yuǎn)非上述單純模擬的膠漿系統(tǒng)，且在不同時間所表現(xiàn)的方式是不同的。膠漿體系從拌合階段的礦粉?乳化瀝青、水泥顆粒?乳化瀝青，逐漸演變?yōu)榈V粉?乳化瀝青殘留物、水泥顆粒?乳化瀝青殘留物、水化產(chǎn)物?乳化瀝青殘留物的3個共存的、相互交織的膠漿系統(tǒng)。由于乳化瀝青冷再生瀝青混合料不可能按照一般的熱拌瀝青混合料進(jìn)行瀝青用量設(shè)計，繼而采用較大的瀝青含量。為了混合料最終強度的形成，必須加上水泥的固化作用，進(jìn)而達(dá)到使用目的。因此，乳化瀝青更多扮演著混合料初期穩(wěn)定的作用，水泥水化以及形成的復(fù)合膠漿系統(tǒng)才是形成最終路用強度的保障。

4 結(jié) 論

（1）水泥?乳化瀝青殘留物膠漿因為水泥水化作用的存在，會體現(xiàn)更高的模量增率效果；水泥粉膠比0.7時，其膠漿模量即能達(dá)到礦粉粉膠比為1.4時的瀝青膠漿和乳化瀝青殘留物膠漿模量。這種顯著的模量增效行為，可以賦予冷再生瀝青混合料更好的早期強度，有利于混合料的初期穩(wěn)定，改善路用效果。

（2）因為水泥水化程度和產(chǎn)物組成不同，水泥?乳化瀝青殘留物膠漿的黏彈性與普通礦粉?瀝青膠漿和礦粉?乳化瀝青膠漿不同，其模量和相位角不隨粉膠比而呈現(xiàn)線性單調(diào)的變化；其界面黏結(jié)力系數(shù)無穩(wěn)定規(guī)律。水泥?乳化瀝青殘留物膠漿的界面黏結(jié)力與礦粉?瀝青膠漿相當(dāng)，在某些粉膠比下遠(yuǎn)高于熱拌瀝青混凝土膠漿；在低粉膠比范圍內(nèi)遠(yuǎn)高于礦粉?乳化瀝青膠漿。說明水泥在乳化瀝青冷再生混合料中對于提高界面黏結(jié)能力更具效果。