乳化沥青冷再生混合料的裂纹发展行为及抗裂机理研究中文摘要

目前，中国大部分高速公路已逐渐进入“老龄化”阶段，未来将面临繁重的养护任务。铣刨重铺作为传统的养护方式，在高速公路沥青路面中得到广泛应用。然而，铣刨重铺不但会造成沥青和集料等自然资源的严重浪费，并且对生态环境造成一定的污染，不符合国家建设绿色低碳公路的要求。乳化沥青冷再生技术能够节约沥青和集料资源，循环利用旧沥青路面材料，保护自然环境，具有显著的节能减排效益。然而与普通热拌沥青混合料不同，乳化沥青冷再生混合料是通过乳化沥青破乳产生粘结力而形成强度，其破乳过程需要一定的时间。因此，在实体工程中需要一定的养生时间，如此会导致施工工期延长，影响下一道工序。同时，早期强度不足将导致冷再生路面在后期出现松散、坑洞等病害。因此，开展乳化沥青冷再生混合料早期强度评价研究对于提高路面早期强度及缩短强度形成时间具有重要的意义。

强度形成机理

沥青混合料的强度特性与其自然属性有关，乳化沥青冷再生混合料的强度形成同样受到材料的粘聚力和内摩阻力的影响。

内摩阻力主要与矿料的级配类型、集料几何形状及表面特征相关，因此，在矿料级配及集料确定的情况下，其内摩阻力σ和内摩阻角φ也基本确定。由此可见，内聚力c是决定乳化沥青冷再生混合料强度的关键，其主要与乳化沥青和集料之间的粘结力密切相关。

乳化沥青是采用乳化剂将沥青均匀分散于水溶液中，乳化剂是一种表面活性剂，具有亲油和亲水的两重性质，能够吸附于沥青表面并吸引水分子形成一层水膜，阻碍沥青颗粒聚集。因此，可通过沥青表面水膜的蒸发作用自然破乳，使沥青颗粒重新聚集在一起发挥粘结作用。同时，乳化剂与集料相遇时会产生离子吸附，使集料表面迅速牢固地形成一层沥青薄膜，排除水分子，从而与集料产生粘结力。然而，仅依靠水分蒸发而自然破乳产生粘结力会大大延长路面强度的形成时间，为了使乳化沥青混合料快速获得早期强度，需要在保证其和易性的情况下，使乳化沥青快速破乳，一般采用添加水泥的方式，主要表现在以下3个方面的优势：①水泥的zeta电位为负值，会与阳离子乳化沥青产生电荷吸附，且水泥会与乳化沥青中的水分产生水化反应，并伴随水化热的产生，一方面加速了乳化沥青的破乳；另一方面促使了乳化沥青破乳颗粒之间的凝固，使得再生混合料尽快形成早期强度；②水泥水化后会产生了水化硅酸钙和氢氧化钙等水化产物，这些固相水化产物不但具有很高的强度，且与沥青膜交织将旧沥青混合料粘结成整体，提高整体强度；③乳化沥青破乳后产生的水分，阻隔了浆体集料的界面区结构致密性，而水泥水化后不但减小了二者之间的间距，且产生的c-S-h凝胶增加了界面粘附性能。

配合比设计

对乳化沥青的各项指标进行了试验检测，均满足技术要求。采用马歇尔设计方法确定的乳化沥青冷再生混合料矿料级配组成为：粗铣刨料:细铣刨料:新集料:水泥:矿粉＝28%:47%:20%:2%:3%。

采用4.0%的乳化沥青掺量，并分别采用3.0%、4.0%、5.0%、6.0%、7.0%的含水率对合成矿料进行击实试验，确定最佳含水量为4.7%。采用3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%共5个乳化沥青用量，在确定的最佳含水量基础上，结合空隙率、15℃劈裂强度试验等确定的最佳乳化沥青用量为4.3%。同时采用冻融劈裂试验对设计的乳化沥青冷再生混合料进行性能验证，结果满足技术要求，结果为：粗铣刨料:细铣刨料:新集料:水泥:矿粉:乳化沥青掺量:最佳含水量=28.0:47.0:20.0:2.0:3.0:4.3:4.7。

早期强度评价

粘结力试验

粘结力试验是将乳化沥青混合料标准试件置于粘结力试验仪上，以加载至试件断裂时的力值大小表征，进而评估乳化沥青冷再生混合料的早期强度。

参照规范，采用旋转压实仪成型试件，对乳化沥青冷再生混合料进行PMW粘结力试验，旋转次数为20次，试件直径为150mm、高为(80±3.0)mm。将试件脱模后立即放入到恒温恒湿箱中养生4h。将养生后的试件放在PMW粘结力仪上进行试验，一组3个平行试件。试验时将钢珠匀速流畅地落入悬臂梁末端放置的小桶中，直至试件断裂或变形超过13mm时结束试验，通过计算小桶中钢珠质量。

抗磨耗试验

抗磨耗试验是将标准试件置于磨耗试验仪上，通过对试件表面进行一定时间的磨耗，以松散颗粒的质量表征磨耗损失率指标，进而评估乳化沥青冷再生混合料的抗松散能力和早期强度形成的能力。

参照规范对乳化沥青冷再生混合料进行磨耗试验，试件除高度为(70±5.0)mm外，其成型方式、直径以及养生条件均与粘结力试验一致。将养生后的试件放在磨耗试验仪上进行试验，一组3个平行试件，平行试验的误差不超过0.5%。试验时启动磨耗仪，同时记录时间，试验终止条件为：试件发生大量松散或磨耗时间达到15min，此时，取下试件将松散颗粒清理干净，称取试件质量。

试验结果分析

采用不同的水泥用量，分别成型试件进行粘结力试验和抗磨耗试验，评估不同水泥掺量对冷再生混合料早期强度的影响，其中水泥掺量分别为0%、1%、1.5%和2.0%。

可知：乳化沥青冷再生混合料的粘结力值随着水泥用量的增加而增大，磨耗损失率逐渐减小，其中不掺加水泥的乳化沥青冷再生混合料粘结力值最小，磨耗损失率最大。粘结力值越大表明混合料内部整体性的初步形成和化学凝聚作用的基本完成，具有较好的早期强度，而磨耗损失率越小表明乳化沥青冷再生混合料的抗磨耗能力越大，早期强度越好。由此可见，水泥的添加对于乳化沥青冷再生混合料的早期强度形成及强度获取速率是有利的。

抗水损害性能

参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》和《公路沥青路面再生技术规范》中的相关规定分别进行干湿劈裂试验、浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，评估乳化沥青冷再生混合料的抗水损害性能。按照计算干湿劈裂强度比、残留稳定度和冻融劈裂强度比。

可知：乳化沥青冷再生混合料浸水前后稳定度和劈裂强度、冻融前后劈裂强度均随着水泥用量的增加而逐渐增加，干湿劈裂强度比、残留稳定度和冻融劈裂强度比也逐渐增大，其中，不添加水泥的冷再生混合料残留稳定度和冻融劈裂强度比接近规范中的下限要求，表明水泥的添加对于提高冷再生混合料的强度和抗水损害性能是有利的，且随水泥用量的不断增加其强度和抗水损害性能也逐渐增强。

结论

(1)通过粘结力试验和抗磨耗试验综合评估乳化沥青冷再生混合料的早期强度，添加水泥有利于提高冷再生混合料的早期强度，且随水泥掺量逐渐增加。

(2)通过浸水劈裂强度试验、浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验综合评估乳化沥青冷再生混合料的抗水损害性能，添加水泥有利于提高乳化沥青冷再生混合料的强度和水稳定性。

(3)尽管添加水泥对于乳化沥青冷再生混合料的早期强度、水稳定性和高温稳定性是有利的，然而水泥用量过多时致使混合料变脆，进而会导致低温性能降低，因此在冷再生混合料设计时需严格控制水泥用量。