閆立群， 焦建斌， 任靖峰， 杜素軍， 王燕春

(1.山西路橋第七工程有限公司， 晉城 048000； 2.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點實驗室， 上海 201804； 3.新型道路材料國家地方聯(lián)合工程實驗室， 太原 030006)

目前中國公路建設(shè)已經(jīng)由建養(yǎng)并舉逐漸發(fā)展為養(yǎng)護(hù)為主的階段[1]，據(jù)統(tǒng)計，“十三五”期間，因瀝青路面養(yǎng)護(hù)維修、改建等每年產(chǎn)生的瀝青混合料回收料(reclaimed asphalt pavement， RAP)7×107～9×107t，并且中國范圍內(nèi)產(chǎn)生的RAP以每年約10%的速度增長[2-3]。RAP的再生利用是建設(shè)兩型社會和構(gòu)建綠色公路體系的必然要求。面臨著我國高速公路里程長、基數(shù)大、養(yǎng)護(hù)維修周期短、筑路材料資源緊缺的難題，RAP的再生利用任務(wù)更加迫切和繁重[4-6]。

將破損嚴(yán)重或結(jié)構(gòu)承載能力不足的瀝青路面銑刨回收后用于鋪筑泡沫瀝青冷再生結(jié)構(gòu)層，實現(xiàn)了半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換，延長瀝青路面使用壽命，克服了公路養(yǎng)護(hù)高資源占有、高能源消耗、高碳排放的難題[7-9]。相對于熱再生技術(shù)，冷再生技術(shù)具備RAP回收利用率高(RAP摻量為70%～100%)、施工便捷、冷拌冷鋪節(jié)能減排和顯著的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，相較于乳化瀝青冷再生技術(shù)，泡沫瀝青冷再生養(yǎng)生3～7 d后的早期強(qiáng)度高、鉆出完整芯樣所需的養(yǎng)生時間短(施工進(jìn)度快)、泡沫瀝青可適用于不同結(jié)構(gòu)層位的再生料(不存泡沫瀝青與RAP在融合性、配伍性問題)，同時也具備優(yōu)異的抗變形能力，泡沫瀝青最突出的優(yōu)勢在于其無化學(xué)添加劑及相對顯著的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，近年來在世界各國瀝青路面養(yǎng)護(hù)維修中得到了廣泛發(fā)應(yīng)用[4-8]。

泡沫瀝青冷再生在養(yǎng)護(hù)維修工程中一般作為高速公路路面結(jié)構(gòu)下面層兼結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)層，隨著其使用層位的不斷上移，這就要求泡沫瀝青冷再生混合料應(yīng)具備足夠的力學(xué)強(qiáng)度、剛度及優(yōu)異的路用性能與抗疲勞特性，以抵抗車輛荷載和環(huán)境溫度、水等綜合作用[10-14]。從對混合料強(qiáng)度的貢獻(xiàn)角度而言，泡沫瀝青是泡沫瀝青冷再生混合料的主要膠結(jié)料、水泥是次級膠結(jié)料，泡沫瀝青冷再生混合料中長期性能(服役期間)的強(qiáng)度來源主要由泡沫瀝青提供，水泥主要提供了早期強(qiáng)度(3～14 d)，水泥對冷再生混合料的強(qiáng)度貢獻(xiàn)先快后慢，整體緩慢且長期增長(強(qiáng)度增長持續(xù)約2年)。目前中國針對泡沫瀝青冷再生混合料的力學(xué)性能與路用性能方面已經(jīng)開展了部分研究[2-7]，已有研究主要關(guān)注礦料級配優(yōu)化設(shè)計、養(yǎng)生方法、試件成型方式及強(qiáng)度評價標(biāo)準(zhǔn)與性能提升等方面[8-14]。水泥和泡沫瀝青作為冷再生混合料的主要膠結(jié)料，有關(guān)泡沫瀝青冷再生混合料強(qiáng)度機(jī)理方面研究較少，研究泡沫瀝青用量和水泥摻量對泡沫瀝青冷再生混合料宏觀性能與強(qiáng)度機(jī)理的影響，為優(yōu)化泡沫瀝青冷再生混合料材料組成配比提供參考。

1 實驗材料與方案

1.1 原材料

(1)泡沫瀝青：采用A-90#基質(zhì)瀝青，按照《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTG 5521—2019)規(guī)范附錄C調(diào)整發(fā)泡溫度(155～165 ℃)、發(fā)泡水量(1%～3%)，通過發(fā)泡試驗確定泡沫瀝青膨脹率為25倍、半衰期為19 s，符合《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTG 5521—2019)膨脹率大于10倍、半衰期大于8 s的要求。

(2)水泥：P.S42.5水泥，指標(biāo)如表1所示。

(3)RAP：來源于太原繞城高速公路下面層(AC-25)，采用冷銑刨后二次篩分方式獲取瀝青?；旌狭匣厥樟?RAP)，RAP技術(shù)性能如表2所示。

(4)新集料：新集料采用10～20 mm石灰?guī)r碎石和0～5 mm石屑，性能符合《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTG 5521—2019)規(guī)范要求。

(5)水：飲用自來水。

(6)混合料配合比設(shè)計：采用中粒式泡沫瀝青冷再生混合料級配(表3)。在不添加泡沫瀝青情況下，變化含水率進(jìn)行擊實試驗獲得最大干密度對應(yīng)的為6.5%，在此基礎(chǔ)上折減20%，確定最佳含水率(optimal water content, OWC)為5.2%。水泥以內(nèi)摻形式參與合成級配，等質(zhì)量替代填料。

表1 水泥性能指標(biāo)

表2 RAP技術(shù)性能

表3 泡沫瀝青冷再生混合料礦料級配

1.2 試驗方案與方法

在工程中常用的0～2.5%水泥劑量范圍內(nèi)，試驗研究選擇0、1%、1.5%、1.8%、2.1%共5組水泥摻量，每種水泥摻量下，在2.0%～3.5%泡沫瀝青用量范圍內(nèi)間隔0.5%選擇4組泡沫瀝青用量。

(1)力學(xué)性能試驗：按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)、《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTG /T 5521—2019)相關(guān)要求與試驗方法進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗、劈裂強(qiáng)度試驗與動態(tài)壓縮模量試驗。根據(jù)文獻(xiàn)[2,7-9]，將劈裂強(qiáng)度(splitting strength，ITS)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(unconfined compressive strength，UCS)無側(cè)限圍壓下的最大、最小主應(yīng)力，根據(jù)莫爾圓推算冷再生混合料的內(nèi)摩擦角φ和黏聚力c抗剪切強(qiáng)度參數(shù)。動態(tài)壓縮模量加載頻率5 Hz，試驗溫度為20 ℃。

(2)路用性能試驗：試件制備、試驗條件與加載方式、試驗步驟等嚴(yán)格按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)、《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》(JTG D50—2017)進(jìn)行。

(3)泡沫瀝青在冷再生破壞界面的分散狀態(tài)評價：采用高清數(shù)碼相機(jī)獲取泡沫瀝青冷再生混合料破壞試件界面的圖像信息，基于閾值分割方法獲取劈裂破壞界面泡沫瀝青所占的面積(foamed asphalt area content，F(xiàn)FAC)。

(4)微觀空隙結(jié)構(gòu)：采用Y.CT Precision 型工業(yè)計算機(jī)體層攝影(computed tomography，CT)獲取不同水泥摻量的馬歇爾試件CT圖像，將CT掃描圖像導(dǎo)入工業(yè)CT處理軟件VGStudio MA進(jìn)行三維重構(gòu)，按照文獻(xiàn)[2-5]算法，利用VGStudio MAX軟件可以獲得正面、立面及側(cè)面3個正交角度的二維切片圖像顯示，并通過軟件自帶的重建算法實現(xiàn)冷再生混合料內(nèi)部空隙的三維立體效果顯示及數(shù)據(jù)分析。

2 水泥與乳化瀝青對冷再生混合料力學(xué)性能與路用性能的影響

2.1 力學(xué)性能試驗

力學(xué)性能試驗結(jié)果如表4所示，可得出如下結(jié)論。

(1)隨著水泥摻量的增大，泡沫瀝青冷再生混合料劈裂強(qiáng)度ITS、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度UCS、動態(tài)回彈模量E、抗剪切參數(shù)φ和c均顯著增大，尤其是UCS與動態(tài)回彈模量指標(biāo)，隨著水泥摻量增大，兩者一直呈增大趨勢。在2.0%、2.5%、3.0、3.5%泡沫瀝青用量范圍內(nèi)，水泥摻量由0增大至2.5%，泡沫瀝青冷再生混合料ITS分別增大了85.6%、41.2%、13%、11.1%，UCS分別增大了48.5%、59.7%、51.4%、50.8%、動態(tài)回彈模量E分別增大了108.5%、102.2%、102.2%、116.6%，黏聚力c分別增大了23.5%、11%、12.3%、6.8%，內(nèi)摩擦角φ分別增大了11.6%、15.6%、13.7%、15.4%。分析其原因，水泥水化產(chǎn)物在生長過程中不僅為冷再生混合料提供了早期強(qiáng)度，也能夠填充水在泡沫瀝青與集料接觸界面及泡沫瀝青砂漿內(nèi)部殘留的空隙，水泥水化產(chǎn)物錨固在泡沫瀝青砂漿與集料中，起到了類似加筋、橋接的作用。

表4 不同泡沫瀝青與水泥摻量的冷再生混合 料力學(xué)性能試驗結(jié)果

(2)相較于不摻加水泥，摻加1%水泥后，泡沫瀝青用量為2.0%、2.5%、3.0%、3.5%時，冷再生混合料的ITS分別增大了58.9%、22.4%、4.7%、2.7%，UCS分別增大了23.5%、20.1%、22%、17.2%、動態(tài)回彈模量E分別增大了60.4%、57.2%、53.3%、67.6%，黏聚力c分別增大了3.7%、4.8%、3.4%、4.8%，內(nèi)摩擦角φ分別增大了34.7%、19.8%、5.6%、3.1%，在泡沫瀝青摻量較低(2.0%、2.5%)時，摻加水泥顯著提高了泡沫瀝青冷再生混合料的劈裂強(qiáng)度與黏聚力。

(3)在泡沫瀝青用量為2.0%、2.5%、3.0%、3.5%條件下，相較于1.8%水泥摻量，摻加2.1%水泥后，冷再生混合料的ITS分別提高了3.8%、2.1%、2.2%、0.6%、UCS分別提高了1.5%、9.4%、5.1%、4.9%、動態(tài)模量分別提高了7.7%、9.4%、5.1%、4.9%、內(nèi)摩擦角φ分別提高了1.8%、1.9%、1.5%、2.1%、黏聚力c分別提高了1.5%、0.8%、1.3%、0.6%，綜合考慮水泥摻量對泡沫瀝青冷再生混合料力學(xué)性能的影響趨勢，水泥摻量控制為1%～1.8%較為適宜。

(4)在0～2.1%水泥摻量范圍內(nèi)，隨著泡沫瀝青用量增大，ITS、UCS、內(nèi)摩擦角φ、黏聚力c均先增大后減小，呈拋物線變化趨勢，并在3.0%泡沫瀝青用量時ITS、UCS、內(nèi)摩擦角φ、黏聚力c均達(dá)到峰值。因此可通過ITS或UCS試驗確定最佳泡沫瀝青用量。值得注意的是，變化水泥摻量對最佳泡沫瀝青影響不大，這是由于水泥與泡沫瀝青的強(qiáng)度形成機(jī)理不同，水泥作為次級膠結(jié)料在顆粒組成上只是等同于活性礦粉。

2.2 路用性能試驗

不同水泥和泡沫瀝青摻量條件下冷再生混合料路用性能試驗結(jié)果如表5所示?？傻贸鋈缦陆Y(jié)論。

(1)在2.0%、2.5%、3.0%、3.5%泡沫瀝青用量下，摻加1%水泥可以使DS提高至3 000次/mm以上，TSR、干濕ITS比從不足70%提高至80%以上，因此從水穩(wěn)定性和高溫性能考慮，泡沫瀝青冷再生混合料內(nèi)部應(yīng)摻加適量水泥。

表5 不同泡沫瀝青與水泥摻量的冷再生混合料 路用性能試驗結(jié)果

(2)隨著水泥摻量的增加，冷再生混合料彎拉強(qiáng)度、彎曲應(yīng)變均先增大后減小，在較低泡沫瀝青用量時(≤2.5%)，以峰值彎曲強(qiáng)度、彎曲應(yīng)變確定最佳水泥摻量為1.0%～1.5%，泡沫瀝青用量大于2.5%時，最佳水泥摻量為1.5%～1.8%。

(3)隨著泡沫瀝青用量增大，冷再生混合料動穩(wěn)定度減小，彎拉強(qiáng)度、彎曲應(yīng)變及TSR、干濕ITS比均增大。

(4)摻加1.5%～1.8%水泥與2.5%～3.5%泡沫瀝青后，冷再生混合料具有優(yōu)異的高溫性能與水穩(wěn)定性，可以滿足《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTG 5521—2019)高速公路下面層冷再生混合料的路用性能要求。

3 水泥與乳化瀝青對冷再生混合料微細(xì)觀結(jié)構(gòu)的影響

3.1 泡沫瀝青的分散狀況觀察

泡沫瀝青在劈裂試件破壞界面處的分散狀況如圖1所示。破壞界面FFAC，結(jié)果如表6所示。

圖1 泡沫瀝青在冷再生混合料破壞界面的分散狀況Fig.1 Dispersion of foam asphalt in cold recycling mixture interface

由圖1、表6可知，不同泡沫瀝青用量下冷再生混合料破壞界面的FFAC差異較大，ITS試驗試件破壞界面FFAC，隨著泡沫瀝青用量的增大而增大，實測FFAC數(shù)據(jù)離散性小，能夠滿足試驗誤差要求。2.0%、2.5%、3.0%、3.5%泡沫瀝青用量下，冷再生混合料破壞界面FFAC平均值分別為12.5%、29.4%、44.1%、55.3%，對應(yīng)的ITS均值分別為0.48、0.58、0.73、0.67 MPa。泡沫瀝青用量由2.0%增大至3.5%，F(xiàn)FAC由12.5%增大至53.3%，增大了3.4倍，尤其是泡沫瀝青由2.0%增大至2.5%、2.5%增大至3.0%、3.0%增大至3.5%時，泡沫瀝青用量僅間隔0.5%，但FFAC分別提高了135.1%、49.8%、25.3%，可見增大泡沫瀝青用量后，F(xiàn)FAC并非呈線性關(guān)系增大，隨著泡沫瀝青用量增大，F(xiàn)FAC增長率減小，尤其在較低摻量時，增大泡沫瀝青能顯著增大FFAC，可見在最佳泡沫瀝青用量范圍內(nèi)泡沫瀝青的分散效率最高。

圖2建立了FFAC與ITS的相關(guān)性，可見，隨著FFAC增大，ITS呈先增大后減小趨勢，兩者之間的二次函數(shù)擬合相關(guān)性R2>0.95。

表6 劈裂破壞界面的泡沫瀝青分散狀況

圖2 FFAC與ITS擬合關(guān)系Fig.2 Fitting relationship between FFAC and ITS

3.2 水泥對冷再生混合料微觀結(jié)構(gòu)的影響

3.2.1 微觀形貌分析

在3%泡沫瀝青用量條件下，對比不摻加水泥和1.5%水泥摻量下冷再生混合料破壞界面的掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)圖像，結(jié)果如圖3表示。

圖3 摻加水泥前后泡沫瀝青砂漿微觀形態(tài)Fig.3 Microscopic morphology of foamed asphalt mortar before and after adding cement

圖3(a)、圖3(b)為不摻水泥的泡沫瀝青砂漿微觀形貌，由于礦粉顆粒之間的相互干涉作用，泡沫瀝青砂漿的顯微結(jié)構(gòu)呈松散結(jié)構(gòu)、整個圖像填料表面顯得較為光滑，礦粉與瀝青之間只存在物理吸附，水揮發(fā)后殘留有孔洞，這為形成浸水后水進(jìn)入冷再生混合料內(nèi)部的通道。圖3(c)、圖3(d)為1.5%水泥摻量下泡沫瀝青膠漿微觀形貌，對比圖3(a)、圖3(b)，摻加水泥后泡沫瀝青砂漿微觀結(jié)構(gòu)形貌由蓬松狀轉(zhuǎn)變?yōu)榇貭罴咏钋稊D結(jié)構(gòu)，由于養(yǎng)生過程中，水化產(chǎn)物向空間發(fā)展、生成時受到礦粉顆粒和瀝青的阻礙，針刺狀水泥水化產(chǎn)物Aft錨固到填料和瀝青的紋理中，水泥的“錨固”“加筋”作用加之水泥自身的剛性，提高了接觸界面的粗糙度，摻加水泥后，泡沫瀝青砂漿微觀形貌得到顯著改善，水泥接觸界面形成的簇狀嵌擠的加筋結(jié)構(gòu)，為加強(qiáng)RAP與泡沫瀝青膠漿界面之間的黏結(jié)提供了良好基礎(chǔ)，這也是隨著水泥摻量的增加冷再生混合料抗壓強(qiáng)度、動態(tài)回彈模量、水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性等力學(xué)性能與路用性能提高的根本原因。

3.2.2 微觀空隙結(jié)構(gòu)

基于工業(yè)CT無損檢測技術(shù)獲取凍融前后冷再生混合料內(nèi)部每個獨(dú)立空隙的體積參數(shù)，并計算平均空隙直徑，結(jié)果如圖4所示，可得出如下結(jié)論。

圖4 摻加水泥前后泡沫瀝青冷再生混合料空隙結(jié)構(gòu)Fig.4 The void structure of foamed asphalt cold recycled mixture before and after adding cement

(1)未凍融，不摻加水泥的冷再生混合料空隙體積0.1 mm3≤V<1 mm3、V≤0.1 mm3的空隙數(shù)量分別為26.1%、61.7%，摻加1.5%水泥的冷再生混合料空隙體積0.1 mm3≤V<1 mm3、V≤0.1 mm3的空隙數(shù)量分別為14.9%、75.4%，摻加水泥顯著減少了冷再生混合料內(nèi)部小于0.1 mm3的空隙數(shù)量，水泥水化后增大了空隙級配中小于0.1 mm3微孔的數(shù)量。

(2)經(jīng)歷凍融循環(huán)作用后，不摻加水泥，冷再生混合料平均空隙直徑由0.589 5 mm增大至1.049 2 mm，增大了78%，空隙體積中0.1 mm3≤V<1 mm3空隙數(shù)量由26.1%增大至60.1%，增大130.3%，空隙體積中V≤0.1 mm3的空隙數(shù)量由61.7%減小至28.4%，減小為凍融前的46%。摻加1.5%水泥后，冷再生混合料平均空隙直徑由0.494 3 mm增大至0.834 7 mm，增大了68.7%，空隙體積中0.1 mm3≤V<1 mm3空隙數(shù)量由14.9%增大至37.8%，增大了153.7%，空隙體積中V≤0.1 mm3的空隙數(shù)量由75.4%減小至50.6%，減小為凍融前的67.1%，由此可見，凍融循環(huán)作用顯著增大了冷再生混合料內(nèi)部的平均空隙直徑，減小了小于0.1 mm3微空隙數(shù)量，降低了總空隙數(shù)量，摻加水泥有能夠降低凍融作用對冷再生混合料微觀空隙結(jié)構(gòu)的損傷作用，水泥水化產(chǎn)物具有抑制冷再生混合料內(nèi)部空隙增大的作用，并且維持空隙級配的穩(wěn)定，這是水泥改善泡沫瀝青冷再生水穩(wěn)定性的原因之一。

4 結(jié)論

(1)隨水泥摻量的增大，泡沫瀝青冷再生混合料劈裂強(qiáng)度ITS、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度UCS、動態(tài)回彈模量E、抗剪切參數(shù)φ和c均顯著增大，尤其是UCS、動態(tài)回彈模量E、動穩(wěn)定度DS和凍融劈裂強(qiáng)度比、干濕ITS比指標(biāo)，隨水泥摻量增大而增大。過多的水泥不利于冷再生混合料的低溫性能，推薦水泥摻量控制為1%～1.8%較為適宜。

(2)隨泡沫瀝青用量增大，ITS、UCS、內(nèi)摩擦角φ、黏聚力c均先增大后減小，并在3.0%泡沫瀝青用量時ITS、UCS、內(nèi)摩擦角φ、黏聚力c均達(dá)到峰值。動態(tài)回彈模量E、動穩(wěn)定度DS隨泡沫瀝青摻量增大而減小。摻加1.5%～1.8%水泥與2.5%～3.5%泡沫瀝青后，冷再生混合料具有優(yōu)異的高溫性能與水穩(wěn)定性。

(3)泡沫瀝青冷再生混合料中的瀝青呈獨(dú)特的“點焊”狀分散方式，F(xiàn)FAC與ITS兩者之間有良好的二次函數(shù)關(guān)系。增大泡沫瀝青后劈裂試件破壞界面的泡沫瀝青面積增大，這是冷再生混合料ITS隨泡沫瀝青用量增大呈先增大后減小的根本原因。

(4)水泥水化后形成的狀加筋嵌擠結(jié)構(gòu)增大了空隙級配中小于0.1 mm3微孔的數(shù)量，減小了冷再生混合料的平均空隙直徑，水泥水化產(chǎn)物具有抑制凍融作用下冷再生混合料內(nèi)部空隙增大的作用，并且維持空隙級配的穩(wěn)定。