摘要：針對(duì)乳化瀝青冷再生混合料（CRME）綜合性能不足導(dǎo)致其不能用于路面上面層的問(wèn)題，文章采用高效減水劑和潤(rùn)濕劑作為表面活性劑制備混合料進(jìn)行試驗(yàn)研究，以期提高CRME綜合性能和應(yīng)用范圍。試驗(yàn)結(jié)果表明：高效減水劑和潤(rùn)濕劑可降低CRME混合料的空隙率，同時(shí)提升間接拉伸強(qiáng)度、剛度模量、臨界應(yīng)變能密度等力學(xué)性能指標(biāo)，這是由于兩者能在一定程度上降低水泥-乳化瀝青膠漿的黏度，同時(shí)有助于瀝青膜的形成（高效減水劑作用）和提升乳化瀝青潤(rùn)濕能力（潤(rùn)濕劑作用）；相比于潤(rùn)濕劑，加入高效減水劑后CRME表現(xiàn)出更好的力學(xué)性能，在最佳含水量下間接拉伸強(qiáng)度、勁度模量、臨界應(yīng)變能密度分別提高34%、8%、18%，建議添加高效減水劑來(lái)提升CRME的綜合性能。

關(guān)鍵詞：表面活性劑；高效減水劑；潤(rùn)濕劑；乳化瀝青；冷再生混合料

U416.03A080263

0 引言

與熱再生相比，冷再生混合料的拌和、攤鋪、壓實(shí)等均可在常溫下進(jìn)行，大大減少有害氣體的排放，是一種技術(shù)可靠、環(huán)境友好、經(jīng)濟(jì)高效的瀝青路面再生技術(shù)。常見(jiàn)的類型為乳化瀝青冷再生混合料（CRME）［1-3］。但根據(jù)目前實(shí)際應(yīng)用情況，CRME的體積和力學(xué)性能相對(duì)低于熱再生瀝青混合料，只能用于基層和低等級(jí)公路中下面層，這嚴(yán)重限制了其大范圍應(yīng)用推廣［4］。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在提升CRME性能方面已展開(kāi)相關(guān)研究，形成了一定經(jīng)驗(yàn)成果［5］。2017年，金成等嘗試加入水泥和生石灰來(lái)解決CRME早期強(qiáng)度低且增長(zhǎng)緩慢的問(wèn)題，經(jīng)檢測(cè)CRME在添加一定量水泥和生石灰后，各項(xiàng)性能均有提升，其中水泥的改善作用相對(duì)突出，通過(guò)強(qiáng)度增長(zhǎng)擬合曲線確定了添加材料的比例［6］；2018年，劉海鵬等采用垂直振動(dòng)成型方法制備不同級(jí)配的CRME試件，通過(guò)常規(guī)的瀝青混合料室內(nèi)試驗(yàn)探索CRME的最佳級(jí)配，試驗(yàn)結(jié)果顯示CRME中礦粉、機(jī)制砂、9.5～19 mm粗集料的最佳摻量分別為3%、20%、20%［7］；2019年，武文斌針對(duì)兩種路面結(jié)構(gòu)來(lái)源的銑刨料進(jìn)行差異化配合比設(shè)計(jì)，結(jié)果顯示不同來(lái)源銑刨料相應(yīng)的混合料性能指標(biāo)也不同，上拌下貫式路面結(jié)構(gòu)銑刨料制備的CRME易高溫變形，而熱拌瀝青混合料鋪裝層銑刨料制備的CRME溫度敏感性相對(duì)較低，高溫穩(wěn)定性優(yōu)異［8］；同年，李文學(xué)等指出采取2次擊實(shí)方法可顯著提升CRME劈裂強(qiáng)度，同時(shí)大馬歇爾試件尺寸更接近實(shí)際施工厚度，所以推薦2次擊實(shí)成型大馬歇爾試件為CRME試件成型方法［9］；2023年，楊普新認(rèn)為養(yǎng)生條件是影響CRME力學(xué)強(qiáng)度和穩(wěn)定性的重要因素之一，觀察記錄多種養(yǎng)生條件下試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知現(xiàn)場(chǎng)養(yǎng)生條件下比室內(nèi)養(yǎng)生條件下穩(wěn)定度和劈裂強(qiáng)度分別提高5.5%、10.7%，進(jìn)一步建議CRME養(yǎng)生時(shí)間和溫度分別為7 d和25 ℃～40 ℃［10］。

目前提升CRME性能的研究多集中在提升粘結(jié)材料性能、優(yōu)化配比、研發(fā)相適應(yīng)的試驗(yàn)方法、添加功能性材料等方面［11］，而在調(diào)控各材料間相互作用方面研究很少。因此本研究采用高效減水劑和潤(rùn)濕劑作為表面調(diào)節(jié)劑制備混合料，探討分析其作用機(jī)理，以期提升CRME的體積和力學(xué)性能［12］。

1 原材料及試件制備

1.1 原材料

CRME由乳化瀝青、新集料、RAP、水泥和礦粉填料組成，其中乳化瀝青為自制的陽(yáng)離子慢裂慢凝乳化瀝青（固含量60%），新集料為玄武巖性質(zhì)，RAP從本地區(qū)某高速公路大中修工程中獲得，水泥為P.O42.5普通硅酸鹽水泥，礦粉填料為石灰?guī)r性質(zhì)，經(jīng)檢驗(yàn)CRME各項(xiàng)原材料滿足相關(guān)規(guī)范及本研究應(yīng)用要求。

在本研究中使用了兩種表面活性劑，一種是聚羧酸系高效減水劑，另一種是潤(rùn)濕劑（其作用是增加外摻水和乳化瀝青的接觸角），均來(lái)自生產(chǎn)廠家成品。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

本研究級(jí)配設(shè)計(jì)采用上面層常用的AC-13密級(jí)配，經(jīng)配合比設(shè)計(jì)，新集料占總集料的20%，填料占總集料的6%（2%水泥+4%礦粉）。通過(guò)體積指標(biāo)空隙率和力學(xué)指標(biāo)間接拉伸強(qiáng)度確定外摻水和乳化瀝青最佳摻量分別為3.5%和3.7%。

1.3 試樣制備（圖1）

2 試驗(yàn)方法及評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.1 剛度模量試驗(yàn)

剛度模量是瀝青路面力學(xué)設(shè)計(jì)中最重要的參數(shù)，根據(jù)已有研究成果可知，在最大荷載10%～40%時(shí)荷載與位移呈極好的線性相關(guān)，所以剛度模量（E）在此荷載范圍內(nèi)通過(guò)式（1）計(jì)算得到。

E=0.3Fmax（4+πu-π）πh（u40%-u10%）（1）

式中：E——試件剛度模量；

h——試件厚度；

u10%——10%破壞荷載時(shí)的水平位移；

u40%——40%破壞荷載時(shí)的水平位移；

μ——試件的泊松比，本研究取0.3。

2.2 臨界應(yīng)變能密度試驗(yàn)

臨界應(yīng)變能密度（D）是根據(jù)試件中心應(yīng)力和應(yīng)變計(jì)算得到的，其值越大表示混合料抗裂和抗疲勞性能越好。臨界應(yīng)變能密度（D）按照式（2）進(jìn)行計(jì)算。

D=∫ε00σijdεij（2）

式中：σij——應(yīng)力分量；

εij——應(yīng)力分量；

ε0——最大應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值。

2.3 表觀黏度試驗(yàn)

本研究采用布氏黏度計(jì)測(cè)定水泥-乳化瀝青膠漿（由乳化瀝青、水泥、表面活性劑、礦粉組成）在不同剪切速率下的表觀黏度，對(duì)比不同表面活性劑對(duì)流變性能的影響。試驗(yàn)溫度控制在20 ℃條件下，轉(zhuǎn)子選用26.659 mm直徑，為對(duì)比不同水灰比對(duì)水泥-乳化瀝青膠漿流變性能的影響，保持乳化瀝青/水泥以及礦粉/水泥配比不變，膠漿配比及類型見(jiàn)表1。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 表面活性劑摻量的確定

表面活性劑對(duì)乳化瀝青冷再生混合料性能的影響/黃科榜

對(duì)CRME進(jìn)行間接拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比確定不同表面活性劑最佳用量（表面活性劑占水泥的質(zhì)量百分比），試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2可知，不論是高效減水劑還是潤(rùn)濕劑，其間接拉伸強(qiáng)度均隨著表面活性劑的增加先增大后減小，分別在高效減水劑摻量為2%和潤(rùn)濕劑摻量為0.5%時(shí)間接拉伸強(qiáng)度最大，所以它們的最佳摻量分別為2%和0.5%，下一步性能對(duì)比研究均在此基礎(chǔ)上進(jìn)行。

3.2 不同表面活性劑CRME空隙率試驗(yàn)結(jié)果

圖3為CRME空隙率（VV）的試驗(yàn)結(jié)果曲線圖。由圖3可知，添加表面活性劑可在一定程度上影響CRME的空隙率，添加高效減水劑和潤(rùn)濕劑后空隙率分別降低10.9%和5.6%，因此表面活性劑可使CRME更加致密。另一方面，空隙率最低值對(duì)應(yīng)的外加水量分別為3%（高效減水劑）、4%（潤(rùn)濕劑）和4%（不添加表面活性劑），所以高效減水劑的加入可以降低CRME獲得最佳壓實(shí)狀態(tài)所需的外加水。

在降低空隙率方面，高效減水劑和潤(rùn)濕劑作用機(jī)理不同。高效減水劑能顯著降低水泥顆粒的絮凝結(jié)構(gòu)和吸附能力，并提高乳化瀝青與水泥混合后的穩(wěn)定性，使CRME在壓實(shí)過(guò)程中釋放更多的自由水，這將有利于自身的壓實(shí)。然而潤(rùn)濕劑的加入沒(méi)有改變CRME獲得最佳壓實(shí)狀態(tài)所需的外加水，它是通過(guò)提高水泥和乳化瀝青間的潤(rùn)濕能力來(lái)提升膠結(jié)料的裹附能力，進(jìn)而提升CRME密實(shí)性。

3.3 不同表面活性劑CRME間接拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

下頁(yè)圖4為不同表面活性劑處理的CRME間接拉伸強(qiáng)度（P）試驗(yàn)結(jié)果曲線圖。根據(jù)圖4呈現(xiàn)出的規(guī)律來(lái)看，高效減水劑和潤(rùn)濕劑均可在一定程度上提高CRME的間接拉伸強(qiáng)度，最高可分別提升34%和17%，其中高效減水劑在提升強(qiáng)度方面更勝一籌。

同時(shí)在制備CRME混合料時(shí)，觀察發(fā)現(xiàn)3%外加水時(shí)CRME混合料的濕潤(rùn)度排序?yàn)椋焊咝p水劑＞潤(rùn)濕劑＞不添加表面改性劑，即兩種表面活性劑均可使粗集料表面更均勻的裹附水泥-乳化瀝青膠漿，促使CRME的混合狀態(tài)得到改善，CRME間接拉伸強(qiáng)度相應(yīng)提高。從作用機(jī)理上分析，高效減水劑是通過(guò)降低水泥-乳化瀝青膠漿的黏度提升其在集料表面的裹附能力，增強(qiáng)CRME的間接拉伸強(qiáng)度，而潤(rùn)濕劑是通過(guò)提升乳化瀝青的潤(rùn)濕能力增強(qiáng)CRME的間接拉伸強(qiáng)度。

將圖3和圖4進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)表面活性劑對(duì)CRME強(qiáng)度的增強(qiáng)作用與表面活性劑降低空隙率息息相關(guān)。此外，這種增強(qiáng)作用還與表面活性劑對(duì)水泥和乳化瀝青間相互作用的改善有關(guān)。對(duì)于添加潤(rùn)濕劑和不添加表面改性劑的CRME，其最大強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的外加水量低于最小空隙率對(duì)應(yīng)的外加水量。已有研究表明，間接拉伸強(qiáng)度最大的CRME比空隙率最小的CRME具有更好的力學(xué)性能，所以，綜合以上結(jié)論確定所有CRME最佳外摻水量為3%。

3.4 不同表面活性劑CRME剛度模量試驗(yàn)結(jié)果

不同表面活性劑CRME剛度模量（E）試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，隨著外加水量的增加，剛度模量先增大后減小，且添加表面活性劑后CRME剛度模量稍有提高，添加高效減水劑和潤(rùn)濕劑后最大剛度模量分別提高了8%和5%。

進(jìn)一步將間接拉伸強(qiáng)度和剛度模量進(jìn)行擬合，兩者之間存在較強(qiáng)的相關(guān)性，如圖6所示。由圖6可知，剛度模量隨間接拉伸強(qiáng)度的增大而增大，較高的剛度模量代表較好的抗變形能力，所以相比之下高效減水劑更有利于提高CRME的抗變形抗力。

3.5 不同表面活性劑CRME臨界應(yīng)變能密度試驗(yàn)結(jié)果

臨界應(yīng)變能密度（D）被證明是表征瀝青混合料疲勞開(kāi)裂的重要指標(biāo)，能較好地表征CRME的斷裂行為。不同外加水和表面活性劑的CRME的臨界應(yīng)變能密度如圖7所示。

由圖7可知，添加高效減水劑和潤(rùn)濕劑后CRME臨界應(yīng)變能密度的最大值分別提高18%和6%，即兩種表面活性劑可不同程度提高抗斷裂和抗疲勞開(kāi)裂的能力，其中高效減水劑在提升抗裂方面更為有效。同時(shí)，隨外加水量的增加，臨界應(yīng)變能密度呈先增大后減小的趨勢(shì)，在3%外加水時(shí)達(dá)到峰值。

進(jìn)一步將間接拉伸強(qiáng)度和臨界應(yīng)變能密度進(jìn)行擬合，兩者之間同樣存在較強(qiáng)的相關(guān)性，如圖8所示。臨界應(yīng)變能密度隨間接拉伸強(qiáng)度的增大而增大，較高的臨界應(yīng)變能密度代表較好的抗裂能力，所以相比之下高效減水劑更有利于提高CRME的抗斷裂和抗疲勞開(kāi)裂能力。

3.6 不同表面活性劑對(duì)水泥-乳化瀝青膠漿表觀黏度的影響

表觀黏度可以反映水泥-乳化瀝青膠漿中乳化瀝青與水泥顆粒間的相互作用程度，也可以影響CRME的壓實(shí)狀態(tài)和膠漿在集料表面的裹附能力。圖9為不同表面活性劑的水泥-乳化瀝青膠漿表觀黏度柱狀圖。從圖9可以看出，膠漿的表觀黏度大小順序?yàn)椋翰惶砑颖砻婊钚詣緷?rùn)濕劑＞高效減水劑，即高效減水劑的表觀黏度最低。隨著水灰比的增加，表觀黏度不斷減小，這符合水泥-乳化瀝青膠漿的材料特性。高效減水劑可以大大降低膠漿的黏度，有利于膠漿在集料上裹附和CRME的密實(shí)，從而提高CRME的力學(xué)性能。雖然潤(rùn)濕劑降低膠漿黏度的能力弱于高效減水劑，但對(duì)CRME密實(shí)性也有一定貢獻(xiàn)。此外潤(rùn)濕劑可顯著提升膠漿的裹附能力，這些特性使?jié)櫇駝┩瑯泳邆涮嵘鼵RME力學(xué)性能的能力。綜合以上結(jié)論，表面活性劑可提升CRME的體積和力學(xué)性能，但高效減水劑和潤(rùn)濕劑的作用機(jī)理不同，高效減水劑在提升CRME性能方面優(yōu)于潤(rùn)濕劑。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）高效減水劑可以降低CRME的空隙率，大大提高間接拉伸強(qiáng)度，同時(shí)可一定程提高抗變形能力。潤(rùn)濕劑也可以降低CRME的空隙率，提高間接拉伸強(qiáng)度，使抗變形能力不隨強(qiáng)度的增加而降低。

（2）CRME的剛度模量和臨界應(yīng)變能密度與間接拉伸強(qiáng)度之間呈線性關(guān)系，這是由于表面活性劑使間接拉伸強(qiáng)度、剛度模量、臨界應(yīng)變能密度均得到提高。

（3）由于間接拉伸強(qiáng)度和臨界應(yīng)變能密度是抗裂性能的指標(biāo)，而剛度模量是抗變形能力指標(biāo)，因此添加表面活性劑有利于提高CRME抗裂和抗變形能力。在所有CRME中，含有高效減水劑的CRME具有最好的力學(xué)性能，相比于不添加表面活性劑其間接拉伸強(qiáng)度、剛度模量、臨界應(yīng)變能密度分別提高34%、8%、18%，因此建議添加高效減水劑來(lái)改善CRME的體積和力學(xué)性能。

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