水泥对泡沫沥青冷再生混合料强度影响机理

郝培文，蒋　鹤，王　宏，李志刚，王　春

(长安大学 道路结构与材料交通行业重点实验室，西安 710064)



水泥对泡沫沥青冷再生混合料强度影响机理

郝培文，蒋鹤，王宏，李志刚，王春

(长安大学 道路结构与材料交通行业重点实验室，西安 710064)

摘要：采用扫描电镜对掺加水泥前后回收沥青路面材料(RAP)、新集料、泡沫沥青胶浆微观形貌的分布特征等进行对比研究，进而采用工业CT的无损检测技术定量揭示了水泥对泡沫沥青冷再生混合料马歇尔试件内部孔隙特征的影响。研究结果表明，泡沫沥青冷再生混合料中水泥水化产物显著改善了集料表面的棱角性，从而增加了沥青与集料的粘附性；水泥水化物与沥青形成的胶浆复合物所构成的空间立体网格结构在混合料中起到“加筋”、填充作用，且显著增强了泡沫沥青胶浆的整体稳定性，从而提高了混合料的强度；水泥水化产物起到次级结合料的同时，还改变了混合料内部孔隙分布特征，增加了微孔隙数量，降低了内部孔隙的平均孔径，从而提高了混合料的水稳定性。

关键词：泡沫沥青冷再生混合料；水泥水化产物；泡沫沥青胶浆；孔隙分布特征

0引言

近年来，随着我国国家高速公路网的基本建成，我国早期建成的高等级公路陆续进入大中修期，而因维修养护产生的路面废旧材料也越来越多。在此背景下，沥青路面再生技术尤其是泡沫沥青冷再生技术以其经济、节能环保等独特优势，受到了国内外学者的高度重视，并且得到了较为广泛的研究与应用。

许多学者通过大量室内试验研究，从宏观力学性能上揭示水泥对泡沫沥青冷再生混合料的性能影响。李明[1]、田伟[2]研究了水泥对泡沫沥青冷再生混合料强度的影响，结果表明增加水泥用量可提高泡沫沥青混合料的劈裂强度，水泥作为活性填料，可明显改善泡沫沥青冷再生混合料的水稳定性。张捷[3]、李立寒[4]、金松菊[5]等研究表明，水泥的掺加有利于提高混合料的疲劳特性，尤其有利于提高低应力水平下泡沫沥青混合料的疲劳寿命，在小荷载作用下水泥所引发的脆性性质难以表现出来，在水泥和沥青的综合作用下会增强材料的抗疲劳性能，但在大荷载作用下由于水泥存在而带来的脆性性质会表现出来从而影响其抗疲劳性能。徐金枝[6]研究结果表明，少量的水泥在提高泡沫沥青冷再生混合料强度的同时，还可以有效增强冷再生混合料的水稳定性，同时发现不掺加水泥时泡沫沥青混合料整体粘结性很差，与级配碎石较为接近，在较小掺量条件下逐渐增多时则有助于提高再生混合料的刚度特性及抗疲劳性能。也有部分学者从微观角度，揭示水泥水化产物对混合料强度影响。N.Pouliot及M.H.Sadd等研究胶浆-集料界面的微观结构和模拟乳化沥青水泥混凝土的微观结构特性[7-8]。严金海[9]采用扫描电镜试验对水泥在乳化沥青冷再生混合料中破乳强度作用机理进行分析。

综上所述，多数学者仅仅从宏观力学角度，分析了水泥对泡沫沥青冷再生混合料性能的影响，但水泥对泡沫沥青冷再生混合料强度提升的机理研究并不深入。泡沫沥青冷再生混合料中水泥水化后次级结合料分布如何，次级结合料发挥的作用如何，仍有待进一步研究。本文为突出水泥对冷再生混合料界面强度的影响，引入二级界面概念：即将泡沫沥青冷再生混合料中集料(RAP和新集料)颗粒之间形成的界面、集料颗粒与泡沫沥青胶浆之间形成的界面、泡沫沥青胶浆中存在的各种界面统称为一级界面；而除去一级界面外，泡沫沥青混合料中因加入水泥后在混合料中产生的新界面，如加入水泥后水泥水化产物与集料颗粒之间形成的界面、水泥水化产物在泡沫沥青胶浆中形成的各种界面等则统称为二级界面(secondary interfaces)。本文主要借助工业CT、扫描电镜，从细微观角度揭示泡沫沥青冷再生混合料中水泥形成的二级界面对混合料强度的作用机理。

1实验

1.1原材料

1.1.1RAP

泡沫沥青冷再生混合料设计时一般不考虑RAP料中沥青的作用， RAP颗粒通常被作为“黑色集料”对待，将其自然风干后即可进行筛分试验。本文中采用的RAP料来源于陕西某高速公路沥青面层铣刨料，其筛分结果见表1。

表1　RAP料筛分试验结果

1.1.2泡沫沥青

本文选用SK90基质沥青，其发泡特性见表2。根据表2实验结果最终确定此种沥青的最佳发泡温度为150 ℃，最佳发泡用水量为1.5%。

表2　SK90基质沥青发泡实验结果

1.1.3新集料

为了确保冷再生混合料具有足够的力学强度，需加入一定的新集料对RAP级配进行改善。根据RAP筛分试验结果，本文选择掺加机制砂来调整冷再生混合料级配，所选机制砂技术指标见表3所示。

表3机制砂技术指标检测结果

Table 3 Technical indicators test results of machine-made sand

技术指标试验值规范要求值表观相对密度2.710≥2.5砂当量/%82≥60棱角性/s20.4≥30坚固性/%0.7≤12亚甲蓝/g·kg-11.8≤25<0.075mm含量/%9.5≤10

1.1.4水泥及水

本文采用32.5普通硅酸盐水泥，经检测水泥的各项技术指标均满足规范要求。拌和泡沫沥青冷再生混合料用水采用饮用水。

1.2配合比设计

1.2.1确定合成级配

根据RAP级配及石屑级配情况，确定合成级配。机制砂的掺量为20%，水泥以外掺的形式加入，泡沫沥青冷再生混合料合成级配见表4所示。

1.2.2确定泡沫沥青用量

以湿劈裂强度(湿ITS)峰值对应的泡沫沥青用量确定最佳泡沫沥青用量，同时需兼顾最佳泡沫沥青用量下的马歇尔试件干湿ITS比不小于75%，并根据重型击实试验确定泡沫沥青冷再生混合料最佳拌合用水量。最终确定泡沫沥青冷再生混合料最佳拌合用水率为5.0%，最佳沥青用量为2.8%。

表4　泡沫沥青冷再生混合料试验级配

2水泥对泡沫沥青冷再生混合料微观形貌的影响

2.1水泥对再生混合料集料表面微观形貌的影响

为了探究水泥对泡沫沥青冷再生混合料粗集料表面微观形貌的影响，分别提取1.5%水泥掺量和不掺加水泥马歇尔试件劈裂破坏界面处的RAP料、新集料用于扫描电镜试验。图1和2分别为不掺加水泥及掺加水泥集料表面的微观形貌。

图1　不掺加水泥RAP表面微观形貌

通常泡沫沥青冷再生混合料中RAP掺量在70%以上，由于其本身的棱角性比较差，而且RAP表面被1层老化的胶浆包裹，集料表面的孔隙和构造深度早已被旧沥青胶浆填充，再加上冷再生混合料在常温条件下拌和，泡沫沥青多与填料结合几乎不可能渗入RAP表面的纹理中。由于泡沫沥青冷再生混合料中RAP自身的特点以及混合料常温下施工等原因，形成如图1所示RAP表面的微观形态，较光滑。根据沥青与集料的机械粘附理论，泡沫沥青胶浆与RAP之间这种楔入与锚固作用形成的机械粘附力就显得很微弱，因此RAP与泡沫沥青胶浆形成的接触界面会成为冷再生混合料破坏的薄弱环节。

对掺加1.5%水泥后的泡沫沥青冷再生混合料马歇尔试件破坏界面处的RAP进行SEM扫描，RAP界面区微观形貌如图1及2所示。从图2(a)可以看出，RAP表面已被部分不连续分布的水泥水化产物裹附，而图1中未被水泥裹附部分的RAP表面仍呈现较光滑分布。从图2(b)可以看出，RAP表面的水泥水化产物呈簇状分布，水泥水化产物富集于RAP表面，使界面区表面凹凸不平，并锚固到RAP集料表面的沥青砂浆中，使混凝土RAP界面结构由平面转为立体结构，这就使得掺加水泥后RAP表面的微观形态得到了显著改善，从而加强了RAP与泡沫沥青胶浆界面之间的粘结性能。

图2　掺加1.5%水泥后RAP表面形貌

Fig 2 Surface micro-morphology of RAP mixed 1.5% cement

综上可知，水泥水化产物不仅生长在泡沫沥青颗粒表面，还能在新料表面形成簇状嵌挤结构，这种二级界面的产生，对于改善矿料表面的棱角性，改善分散的泡沫沥青微粒在矿料表面的粘附性，提高沥青一集料(新料、RAP)表面粘附性、弥补集料-胶浆界面缺陷，以及提高泡沫沥青冷再生混合料的抗剪切性能都有着十分重要的意义。以上结果也证明了水泥水化后的次级结合料作用，即可增大再生混合料的粘聚力和内摩阻角[6]。

2.2水泥对泡沫沥青胶浆微观形貌的影响

2.2.1水泥水化产物对泡沫沥青胶浆的加筋作用

图3为不掺水泥泡沫沥青胶浆微观形貌，由于填料表面被沥青包裹，整个图像填料表面显得较为光滑，泡沫沥青胶浆中的接触形式只有矿粉颗粒之间的接触、矿粉颗粒与泡沫沥青之间的接触，且由于填料颗粒之间的相互干涉作用，胶浆的显微结构显得较为松散。

图3　不掺加水泥泡沫沥青胶浆SEM图

Fig 3 Foamed asphalt mortar SEM images of RAP not mixed cement

图4为1.5%水泥掺量的冷再生泡沫沥青胶浆微观扫描形貌。

图4　掺加1.5%水泥后泡沫沥青胶浆SEM图

Fig 4 Foamed asphalt mortar SEM images of RAP mixed 1.5% cement

由扫描图片可以清晰地看到，水泥掺量虽少，但针刺状水泥水化产物AFt已经嵌入到填料和沥青的纹理中，交织形成了空间立体结构[9-11]，同时水泥水化产物在填料表面较集中，这主要是由于水化产物向空间发展、生成时受到集料的阻碍，造成水化产物聚集在填料表面，显然这种聚集势必会加强填料与泡沫沥青胶浆的界面粘结力。此外，还可以看到水泥水化产物贯穿于泡沫沥青胶浆中，由于水泥自身的刚性，这种“锚固”、“加筋”作用，水泥水化产物和泡沫沥青相互包裹形成的二级界面，在加强了胶浆与集料接触界面刚度的同时，又提高了胶浆与集料之间的粘附，这就是随着水泥掺量的增加泡沫沥青胶浆强度提高的原因之一。

2.2.2水泥水化产物对泡沫沥青胶浆的填充作用

比较图3和4也可以看出，不掺加水泥泡沫沥青胶浆中填料之间的接触多为填料颗粒之间形成的嵌挤和填料颗粒与泡沫沥青之间的相互包裹作用，由于填料颗粒之间的相互干涉，胶浆中的空隙只被一小部分沥青和填料颗粒填充，这造成了泡沫沥青胶浆结构中孔隙较多、孔隙体积较大且胶浆结构较为松散的微观形态。而掺加1.5%水泥后泡沫沥青胶浆中水泥水化产物生成的针刺状AFt和C-S-H呈网状分布，在填料与泡沫沥青薄膜间、填料与填料间起到了“填充”作用。

因此，泡沫沥青冷再生混合料中加入水泥，不仅可以改善集料表面的酸碱性，同时水泥水化产物形成的网状结构与沥青、矿粉颗粒相互包裹，也可以起到“加筋”和填充作用，从而增强了胶浆的整体稳定性，提高了泡沫沥青冷再生混合料的强度。

3水泥水化晶体对泡沫沥青冷再生混合料的孔隙特征的影响

已有研究结果表明，水泥的加入可以显著改善泡沫沥青冷再生混合料的力学强度和路用性能，不过除了“加筋”、“填充”作用外，水泥对混合料空隙率还有什么样的影响，仍待进一步明确。本文通过对比掺加水泥与不掺加水泥马歇尔试件的空隙率，发现是否掺加水泥对泡沫沥青冷再生混合料的毛体积密度影响不大，因此水泥对冷再生混合料总空隙的影响可以忽略不计。

3.1水泥对泡沫沥青冷再生混合料细微观空隙特征的影响

泡沫沥青冷再生混合料的空隙率通常可以达到8%～13%，其空隙率虽大，但几乎不渗水，主要原因是冷再生混合料的空隙分布特征与普通沥青混合料存在很大的差异。Colas公司采用电子自动扫描系统对热再生和冷再生两种混合料的内部孔隙进行了对比，结果表明，热再生混合料的孔隙体积大多集中在10-4～10-3mm3之间，而乳化沥青冷再生混合料的孔隙率集中在10～5 mm3以下，且热再生混合料的单位体积内的孔隙数量有330个，而冷再生单位体积孔隙数量可达到7 200个[13]。本文通过工业CT扫描系统和VG软件的缺陷检测功能对不掺加水泥和1.5%水泥掺量下的泡沫沥青冷再生混合料马歇尔试件进行研究发现，冻融前后不同体积大小的孔隙所占比例见表5和图5。具体扫描方法：将养生好的试件(每组4个平行试件)，进行CT扫描，扫描完成后对CT扫描的马歇尔断面信息进行三维重构。然后，将重构后的信息导入VGStudio MAX2.0软件中的缺陷分析模块，设定阈值后进行空隙计算。

表5水泥对泡沫沥青冷再生混合料孔级配的影响

Table 5 Effects of cement on hole grading of foam asphalt cold regeneration mix

比较项目1.5%水泥0%水泥1.5%水泥0%水泥孔隙体积/mm3冻融前所占总孔隙的比例/%冻融后所占总孔隙的比例/%≥1000.080.030.040.0350≤V<1000.090.080.080.0930≤V<500.110.140.120.1520≤V<300.180.190.170.2010≤V<200.540.620.460.785≤V<101.021.391.041.671≤V<57.6010.336.7312.190.1≤V<114.9726.0340.7660.09<0.175.4261.1750.6224.80

图5　冻融前后泡沫沥青冷再生混合料孔级配图

Fig 5 Hole grading chart of foamed asphalt cold recycling mixture before and after freezing

比较冻融前后的孔级配分析可知：(1) 在总空隙率基本保持不变的条件下，不掺加水泥混合料中小于0.1 mm3的孔隙仅占总孔隙数量的61.17%，加入水泥后小于0.1 mm3的孔隙比例增加到75.4%，同样小于1 mm3的孔隙比例由不到87.2%增加到90.3%多；(2) 从总孔隙数量来看，水泥加入后泡沫沥青冷再生混合料的总孔隙数量由不加水泥时的5.3万增加到6.5万。混合料中大于100 mm3的平均体积由不掺水泥时的251 mm3减小到180 mm3，平均表面积由2 325.7 mm2减小到1 666.5 mm2；因此，水泥的加入在起到次级结合料作用的同时也改变了泡沫沥青冷再生混合料的孔级配，增加了微孔数量，减少了有害孔数量，使得能够进入混合料内部的水分减少，且减少了沥青从胶浆中的剥落，对混合料的水稳定性起到了积极作用。

3.2水泥对冻融前后泡沫沥青冷再生混合料孔径大小的影响

泡沫沥青冷再生混合料，在冻融过程中临近的那些封闭非连通的孔隙、半连通孔隙、连通空隙由于水结冰产生的膨胀力作用下逐渐扩张，原来独立封闭的闭口空隙变为开口空隙或者体积更大的闭口空隙。半封闭空隙逐渐和闭口空隙连通形成开口空隙，从而导致再生混合料内部空隙大小及孔级配发生变化，进而影响到泡沫沥青冷再生混合料的抗冻融性能。

从界面强度理论角度出发，冻融循环之所以使混合料的强度降低，主要是冻融后泡沫沥青冷再生混合料的界面受到破坏，如图6所示，水泥在沥青与集料之间形成的二级界面被破坏，原来嵌入集料与沥青之间的针状水泥水化产物被拉断，从而造成混合料强度下降。

图6　冻融后泡沫沥青胶浆微观形貌

Fig 6 Micro-morphology of foam asphalt mastic after freezing

通过表5实验数据，比较是否掺加水泥对冻融后泡沫沥青冷再生混合料孔级配变化的影响可知，掺加水泥的泡沫沥青冷再生混合料马歇尔试件中小于0.1 mm3的孔隙数量百分比比不掺加水泥的增加了104.1%，而0.1～1 mm3之间孔隙所占比例则是不掺加水泥比掺加1.5%水泥的增加了32.2%，小于5 mm3的孔隙所占总孔隙数量百分比两者仅差1%。

比较冻融前后的孔级配可知，掺加1.5%水泥冻融前后泡沫沥青混合料马歇尔试件小于0.1 mm3时的孔隙所占比例减小了32.8%；0.1～1 mm3的孔隙所占比例则增加了73.3%。而不掺加水泥小于0.1 mm3时的孔隙所占比例减小了51%，0.1～1 mm3的孔隙所占比例则增加了47.4%。从总孔隙数量来看，冻融后水泥掺量为1.5%的马歇尔试件总孔隙数量约为5万个，而不掺水泥的马歇尔试件总孔隙数量不足4万个。

另外从表6所示冻融前后是否掺加水泥对泡沫沥青冷再生混合料的平均孔径的影响可知，掺加1.5%水泥后马歇尔试件平均孔径由冻融前的0.52 mm增大到0.83 mm，增加了59.6%，而不掺加水泥马歇尔试件平均孔径由冻融前的0.58 mm增大到1.02 mm，增加了75.9%。

表6冻融前后是否掺加水泥对泡沫沥青冷再生混合料的平均孔径的影响

Table 6 Effects of cement whether adding or not on the average pore size of foam asphalt cold regeneration before and after freezing

水泥掺量/%试件编号未冻融平均孔径/mm平均值/mm冻融后平均孔径/mm平均值/mm012340.570.590.590.560.581.011.050.991.031.021.512340.490.530.540.510.520.830.830.840.820.83

综合以上分析结果，再对水泥掺加与否对泡沫沥青冷再生混合料平均孔径的影响进行方差分析，分析结果见表7。F值是回归方程的显著性检验，表示的是模型中被解释变量与所有解释变量之间的线性关系在总体上是否显著做出推断；P值为结果可信程度的一个指标，P值小于0.05，说明其差异显著，拒绝原假设。由表7中水泥掺量及冻融中P值均小于0.05，因此，认为水泥对泡沫沥青冷再生混合料冻融前后的孔级配和平均孔径均具有显著影响。由于混合料中二级界面的产生改变了其内部孔隙特征，水泥水化产物在泡沫沥青胶浆内部相互交织、穿插、生长的同时针状的水泥水化产物贯穿了泡沫沥青冷再生混合料的孔隙，将大孔分隔成体积更小一级的孔隙，单位面积内孔隙数量多，孔径也较小，这就表明水泥的加入可提高混合料的抗冻融性能，对提高泡沫沥青冷再生混合料的水稳定性也具有积极作用。

3.3水泥对泡沫沥青冷再生混合料孔隙空间三维形态的影响

采用双lg坐标对VG计算输出的孔隙体积和表面积结果进行拟合，拟合结果见图7-10。拟合得到的直线斜率和截距即可表征泡沫沥青冷再生混合料孔隙在空间的三维形态。

表7冻融前后是否掺加水泥对泡沫沥青冷再生混合料的平均孔径的影响方差分析

Table 7 Analysis of variance of effects of cement whether adding or not on the average pore size of foam asphalt cold regeneration before and after freezing

项目自由度SumofsquaresMeansquareFvaluePvalue水泥掺量10.062450.0624537.57683.60188E-5是否冻融10.562650.56265338.552171.08492E-10Model20.62510.31255188.064492.54111E-10Error130.021610.00166--Correctedtotal150.64671---

图7不掺加水泥混合料孔隙表面积与体积的双对数回归关系

Fig 7 The double logarithmic regression relationship in the mix pore surface area without mixing cement and volume

图8掺加1.5%水泥混合料孔隙表面积与体积回归关系

Fig 8 Regression relationship in the mix pore surface area mixing 1.5% cement and volume

图9不掺水泥混合料冻融后孔隙表面积与体积回归关系

Fig 9 Regression relationship of mix pore surface area without mixing cement and volume after free-zing

图10掺加1.5%水泥混合料冻融后孔隙表面积与体积回归关系

Fig 10 Regression relationship of mix pore surface area mixing 1.5% cement and volume after free-zing

由图7-10的拟合曲线可知，是否加入水泥对泡沫沥青冷再生混合料冻融前后的孔隙维数有很大影响，不掺加水泥冻融前后回归直线的斜率分别为1.80256和1.53277，相比减小了14.96%，而掺加1.5%水泥后直线斜率由1.7369减小到1.7252，仅减小了0.67%。因此加入水泥不仅可以改变泡沫沥青冷再生混合料的孔隙形状，也可以减弱冻融循环作用下混合料内部孔隙的变化过程。

4结论

(1)水泥水化产物在粗集料表面形成的二级界面——簇状嵌挤结构，不仅可以改善RAP表面的棱角性，弥补集料-胶浆界面缺陷、提高沥青与集料之间的粘附性，而且对泡沫沥青混合料的水稳定性及抗剪性能也都具有重要意义。

(2)水泥水化产物穿插到集料纹理中，交织形成空间立体结构并贯穿于泡沫沥青胶浆中，不仅在泡沫沥青冷再生混合料中起到“加筋、锚固作用”，而且在填料与泡沫沥青薄膜间、填料与填料间起到了“填充”作用，从而增强了整个泡沫沥青胶浆的稳定性，提高了混合料强度。

(3)水泥的加入不仅可以改变混合料内部孔级配，减少大孔的数量，增加微孔的数量，使混合料内部孔隙分布更为均匀，从而阻止水分进入混合料内部，有效提高混合料水稳定性，同时还可以有效保持混合料内部孔隙三维形状，减弱冻融循环作用下混合料内部孔隙的变化过程，增强了混合料抗冻融能力。

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Influence mechanism of cement on the strength of foamed asphalt cold recycled mixture

HAO Peiwen，JIANG He，WANG Hong，LI Zhigang，WANG Chun

(Key Laboratory of Road Structure and Materials MOC PRC,Chang’an University, Xi’an 710064,China)

Abstract:Surface micro-profiles characters of RAP, new material and foamed asphalt mortar were studied by SEM, then quantitative nondestructive detection of CT was adopted to reveal the influence of the cement on internal pore characteristics of Marshall specimen made by foamed asphalt. The results indicate that cement hydration products in foamed asphalt cold recycled mixture significantly improve the aggregate angularity, therefore the adhesion between asphalt and aggregate increase; composite mastics consisting of cement hydration products and asphalt film form a spatial structural network which had fiber-reinforcement and filling effect in mixture, significantly enhance the overall stability of the foamed asphalt mortar and the strength of the mixture; As a secondary binder, cement hydration products also change the gradation of inner pore, increase the number of micro pores and reduced the average diameter of internal pore, so as to improve the water susceptibility of foamed asphalt mixture.

Key words:foamed asphalt cold recycled mixture； cement hydration products；foamed asphalt mortar； internal pore characteristics

DOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.03.017

文献标识码：A

中图分类号：U416.26

作者简介：郝培文(1967-)，男，内蒙古和林人，教授，博士生导师，主要从事沥青与沥青混合料研究。

文章编号：1001-9731(2016)03-03090-07

收到初稿日期：2015-02-02 收到修改稿日期：2015-09-18 通讯作者：李志刚，E-mail: 515145816@qq.com