泡沫(乳化)沥青冷再生混合料的剪切性能

王 燕

(西安思源学院城市建设学院，陕西西安 710038)

泡沫(乳化)沥青冷再生混合料的剪切性能

王 燕

(西安思源学院城市建设学院，陕西西安 710038)

为了检验泡沫(乳化)沥青冷再生混合料抗剪切性能，采用简易三轴试验模拟路面内部沥青冷再生混合料的受力状态，分析沥青结合料的种类和掺量、试验级配、水泥掺量、RAP掺配比例对混合料抗剪切强度的影响。结果表明:泡沫(乳化)沥青冷再生混合料具有较大的内摩擦角和较小的黏聚力;泡沫(乳化)沥青最佳用量可采用简易三轴试验剪切强度峰值确定。

泡沫(乳化)沥青冷再生混合料;简易三轴试验;剪切强度;机理分析

1 原材料与试验方法

1．1 试验原材料及试件制备

试验选择中粒式泡沫(乳化)沥青冷再生混合料级配，RAP来源于施工现场，粗集料为石灰岩，细集料为石灰岩机制砂。经检测，RAP和新集料各项性能指标均满足《沥青路面再生技术规范》(JTG F41—2008)的要求。基质沥青采用SK90 A级道路石油沥青，选用工程中使用的阿克苏慢裂慢凝阳离子乳化剂，在室内以小型胶体磨自制乳化沥青，并采用维特根WLB110S泡沫沥青发泡机生产泡沫沥青，兼顾膨胀率和半衰期2个指标，确定最佳发泡温度为160℃，最佳发泡用水量为2．0%，在最佳发泡条件下泡沫沥青的膨胀率为25倍，半衰期为21 s。泡沫(乳化)沥青的技术指标满足规范要求。水泥采用P·O32．5普通硅酸盐水泥，试验时根据不同试验目的调整水泥掺量。每种沥青结合料选择5个级配，混合料合成级配见表1。泡沫沥青冷再生混合料合成级配分别记为FAGP1、FAGP2、FAGP3、FAGP4、FAGP5，乳化沥青冷再生混合料合成级配分别记为 EAGP1、EAGP2、EAGP3、EAGP4、EAGP5，室内试验选择的 5种混合料级配涵盖了工程中常用的级配范围和级配类型，具有一定的代表性。采用修正马歇尔法确定1．5%水泥掺量、80%RAP掺配比例下泡沫(乳化)沥青冷再生混合料的配合比设计结果，见表2。根据TMTS配套的磨具尺寸，以马歇尔标准密度为基准，成型高150 mm、直径为150 mm的圆柱体试件，40℃养生3 d后备用。

表1 泡沫(乳化)沥青冷再生混合料试验级配%

表2 泡沫(乳化)沥青冷再生混合料配合比设计结果

1．2 试验目的与方案

对比泡沫和乳化沥青冷再生混合料抗剪切性能，研究泡沫(乳化)沥青冷再生混合料对混合料级配变化的敏感性，每个沥青胶结料选择5个中粒式合成级配，研究细集料含量对泡沫(乳化)沥青冷再生混合料强度的影响;变化4种水泥掺量(0、1%、1.5%、2%、2．5%)和 5 种泡沫(乳化)沥青掺量(2.5%、3%、3.5%、4．0%、4．5%)，研究水泥和泡沫(乳化)沥青掺量对冷再生混合料强度的影响;变化4种RAP掺量(70%、80%、90%、100%)，研究 RAP掺量对泡沫(乳化)沥青冷再生混合料强度的影响;基于SEM技术研究水泥水化产物、水泥泡沫(乳化)沥青胶浆共混物相互作用机理。

1．3 简易三轴试验加载原理

三轴试验温度采用25℃，加载速率为1 mm·min－1，三轴试验加载见图1，试验结果见图2。图1、2中:τf为抗剪切强度;c为黏聚力;σ为作用于破坏面的正应力。

图1 简易三轴试验加载

2 泡沫(乳化)沥青冷再生混合料强度影响因素分析

2．1 级配对冷再生混合料强度的影响对比

2．1．1 泡沫与乳化沥青冷再生混合料强度对比

图2 简易三轴试验结果

为了对比泡沫沥青和乳化沥青冷再生混合料强度差异，采用表1所示的10种级配泡沫(乳化)沥青冷再生混合料在最佳沥青结合料用量下进行抗剪切强度试验，结果如图3所示。

图3 不同级配泡沫、乳化沥青冷再生混合料剪切强度对比

图3表明:泡沫沥青冷再生混合料三轴试验的内摩擦角为 42.6°～53.4°，黏聚力为 94.4～120 kPa;乳化沥青冷再生混合料三轴试验的内摩擦角为 41.8°～52．4°，黏聚力为 91.2～148.2 kPa。相比而言，泡沫沥青冷再生混合料具有较大的内摩擦角，而乳化沥青冷再生混合料具有较大的黏聚力。分析其原因为:泡沫沥青冷再生混合料内摩擦角与混合料级配组成和泡沫沥青“点焊状”接触有关，泡沫沥青在集料表面并未形成沥青膜，而是呈点、片状分布，受剪切时泡沫沥青冷再生混合料主要克服泡沫沥青砂浆内部的黏结失效破坏，集料与泡沫沥青砂浆之间缺少泡沫沥青的“润滑”作用，故呈现出较大的内摩擦角;乳化沥青冷再生混合料中的乳化沥青蒸发残留物在集料表面和沥青砂浆内部均形成了一定厚度的沥青膜，相比而言，沥青砂浆与集料之间的黏附性比较牢固，其剪切强度由沥青与集料之间的黏附作用和沥青砂浆之间黏结作用共同承担，剪切作用时由于沥青的“润滑”作用，混合料内部更易于产生沥青与集料之间的黏附失效破坏［9-13］。

2．1．2 不同级配泡沫(乳化)沥青冷再生混合料强度特性

对比图4不同级配泡沫(乳化)沥青冷再生混合料内摩擦角和黏聚力可以发现:对于泡沫沥青冷再生混合料，0．075mm筛孔通过百分率越大，泡沫沥青冷再生混合料受剪切破坏时的内摩擦角和黏聚力就越大，相关系数R2＞0.90，相关性显著;对于乳化沥青冷再生混合料，4．75、0．3 mm 筛孔通过百分率与混合料内摩擦角和黏聚力呈二次函数关系(图5)，相关系数R2＞0.85，相关性显著。工程实践中，为增大泡沫沥青冷再生混合料的抗剪切强度，可调整0.075 mm筛孔的通过百分率;为提高乳化沥青冷再生混合料的强度，可增大4.75 mm和0.3 mm筛孔的通过百分率。

图4 泡沫沥青冷再生混合料0.075 mm筛孔通过百分率与内摩擦角和黏聚力的关系

2．2 泡沫与乳化沥青冷再生混合料强度影响因素

2．2．1 泡沫(乳化)沥青用量的影响

《沥青路面再生技术规范》(JTG F41—2008)以

图5 乳化沥青冷再生混合料4.75、0.3 mm筛孔通过百分率与内摩擦角和黏聚力的关系

干劈裂强度峰值确定泡沫(乳化)沥青冷再生混合料的最佳沥青用量。本文基于简易三轴试验探讨泡沫(乳化)沥青用量对冷再生混合料抗剪切强度的影响，以验证中国现行规范“修正马歇尔”法确定最佳沥青用量的合理性，试验结果见图6。

图6 不同沥青结合料掺量的冷再生混合料的抗剪切强度

由图6可知，泡沫(乳化)沥青用量对冷再生混合料抗剪切强度有显著影响，随着泡沫(乳化)沥青用量增大，抗剪切强度、内摩擦角、黏聚力均呈先增大后减小的变化趋势，可见以简易三轴抗剪切强度峰值确定泡沫(乳化)沥青冷再生混合料的最佳泡沫沥青用量是可行的［14-15］。

2．2．2 水泥掺量的影响

为了研究水泥掺量对泡沫(乳化)沥青冷再生混合料强度的影响，试验选择FAGP1和EAGP4两种级配，固定RAP掺量为80%，变化4种沥青结合料用量和5种水泥掺量进行简易三轴试验，结果见表3。

由表3可知，相同泡沫沥青用量下，随着水泥掺量增大，泡沫(乳化)沥青冷再生混合料抗剪切强度、内摩擦角、黏聚力均呈增大趋势;相比不掺加水泥，掺加1%水泥时可显著增大泡沫(乳化)沥青冷再生混合料的抗剪切强度;掺加1%～2.5%水泥，随着水泥掺量增大泡沫(乳化)沥青冷再生混合料抗剪切强度虽呈增大趋势，但增加幅度较为缓慢;从工程经济性考虑，适宜的水泥掺量为1.0%～2%。方差分析结果表明:水泥作为冷再生混合料次级结合料，其掺量对泡沫(乳化)沥青冷再生混合料的抗剪切强度、内摩擦角、黏聚力均有显著影响;泡沫(乳化)沥青用量小于最佳沥青用量时，增大水泥掺量对冷再生混合料内摩擦角和黏聚力的提高较为明显，对抗剪切强度较小的冷再生混合料，增大水泥掺量可显著提高其混合料内部的黏聚力和内摩擦角［16-17］。

2．2．3 RAP 掺量的影响

RAP掺量对冷再生混合料节能减排效果和工程的经济性有重要影响。试验选择FAGP1和EAGP4两种级配，在最佳泡沫(乳化)沥青用量下，固定水泥掺量为1．5%，变化4种RAP掺量进行强度试验，结果见图7。

由图7可知，随着RAP掺量增大，泡沫(乳化)沥青冷再生混合料抗剪切强度、内摩擦角、黏聚力均呈下降趋势。方差分析结果表明，RAP掺量对泡沫(乳化)沥青冷再生混合料抗剪切强度、内摩擦角、黏聚力的影响不显著。相比不掺加RAP，掺加70%RAP后FAGP1和EAGP4的抗剪切强度、内摩擦角、黏聚力分别下降了 5.0%、0．76%、5.3% 和9.1%、6.23%、7.79%。在70%～90%RAP掺量范围内，增大RAP掺量对泡沫(乳化)沥青冷再生混合料强度影响不大。分析其原因为:集料与沥青结合料常温下为冷接触，并未激发RAP表面老化沥青的活性，泡沫(乳化)沥青冷再生混合料中的RAP只被当作“黑色集料”对待［18-19］。

3 影响泡沫(乳化)沥青冷再生混合料强度的机理

为探究沥青结合料和水泥掺量对泡沫(乳化)沥青冷再生混合料强度的影响机理，采用SEM扫描电镜试验、IPP数字图像处理技术，从细微观角度对泡沫(乳化)沥青冷再生混合料剪切破坏界面进行研究。

由SEM图像对比可知:不掺加水泥，圆柱体试件破坏界面的泡沫沥青胶浆将部分填料包裹，接触面较为平滑，沥青胶浆中有较多的空隙，这主要是冷再生混合料内部水挥发造成的;掺加水泥后，水泥水化产物钙矾石集料表面形成了凹凸不平的“褶皱”，加上水泥水化后在混合料内部提供了碱性环境，弥补了泡沫(乳化)沥青集料-沥青胶浆冷接触界面强度低的缺陷，更有利于增强沥青胶浆与集料之间的界面黏附强度和泡沫(乳化)沥青胶浆内部的黏结强度［20］。此外，水泥水化产物在泡沫(乳化)沥青冷再生混合料中起到次级结合料作用的同时，与沥青结合料相互包裹、交织、穿插，还起到了“加筋”作用，有效地将水挥发后残留的空隙填充、分割，减小了微观空隙结构中的大空隙，改变了泡沫(乳化)沥青冷再生混合料内部的细微观空隙结构［21］。水泥水化产物“刺入”泡沫沥青胶浆和集料的纹理中，改善了冷再生混合料内部的黏附强度和黏结强度，从而提高了泡沫(乳化)沥青冷再生混合料的内摩擦角和黏聚力。

表3 不同水泥掺量的冷再生混合料简易三轴试验结果

分析泡沫(乳化)沥青用量对冷再生混合料强度的影响:泡沫沥青独特的“点焊”状分布特性决定了泡沫沥青冷再生混合料强度的形成机理与乳化沥青冷再生混合料有所不同，增加泡沫沥青用量，泡沫沥青在混合料内部“点焊”状分布更密集，沥青所形成的胶结面更多，泡沫沥青胶浆内部相互的黏结强度更大;同时，增大泡沫沥青用量即增大了泡沫沥青与集料界面接触点的个数，沥青与集料之间的黏附效果更加明显，表现为增大泡沫沥青用量后混合料黏聚力增大［22］。圆柱体试件破坏界面泡沫沥青所占面积百分比与泡沫沥青冷再生混合料抗剪切强度之间的关系如图8所示。由图8可知:增大泡沫沥青用量后，抗剪切强度呈先增大后减小的趋势;当抗剪

图7 不同RAP掺量泡沫(乳化)沥青冷再生混合料简易三轴试验结果

强度达到峰值后，进一步增大泡沫沥青用量并不能提高泡沫沥青冷再生混合料的黏聚力，反而将已经形成稳定结构的泡沫沥青砂浆“稀释”，形成自由沥青，降低了泡沫沥青冷再生混合料沥青与集料之间的黏附强度和泡沫沥青砂浆自身的黏结强度，在外界荷载作用时，这部分自由沥青反而起到了“润滑”作用，更易于发生黏附失效和黏结失效现象。

4 结 语

(1)泡沫(乳化)沥青冷再生混合料三轴试验的

图8 剪切破坏界面泡沫沥青分布面积与混合料抗剪强度的关系

内摩擦角在40°～55°之间，黏聚力为100～150 kPa，泡沫沥青和乳化沥青冷再生混合料抗剪切性能相差不大，泡沫沥青冷再生混合料具有较大的内摩擦角和较小的黏聚力。

(2)级配对泡沫沥青和乳化沥青冷再生混合料抗剪切强度有显著影响，泡沫沥青冷再生混合料抗剪切强度与0.075 mm筛孔通过百分率呈正线性关系，乳化沥青冷再生混合料抗剪切强度与4.75、0.3 mm筛孔通过率呈二次函数关系。

(3)泡沫(乳化)沥青冷再生混合料剪切强度随沥青结合料用量的增加呈先增大后减小的变化趋势，适当提高水泥掺量可显著改善泡沫(乳化)沥青冷再生混合料的抗剪切强度，建议水泥掺量取1%～2．0%。泡沫(乳化)沥青用量对冷再生混合料抗剪切强度有显著影响，随着泡沫(乳化)沥青用量增大，抗剪切强度、内摩擦角、黏聚力均呈先增大后减小的变化趋势，可见以简易三轴抗剪切强度峰值确定泡沫(乳化)沥青冷再生混合料的最佳泡沫沥青用量是可行的。

(4)水泥对冷再生混合料强度的影响机理在于，水泥水化产物在泡沫(乳化)沥青冷再生混合料中起到了次级结合料的作用，水泥水化产物与沥青结合料相互包裹、交织、穿插，起到了“加筋”作用，有效地将水挥发后残留的空隙填充、分割，减小了微观空隙结构中的大空隙，改变了泡沫(乳化)沥青冷再生混合料内部的细微观空隙结构，弥补了冷再生混合料界面强度低的缺陷。

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Shear Properties of Cold Recycled Foamed(Emulsified)Asphalt Mixture

WANG Yan
(School of Urban Construction，Xi'an Siyuan University，Xi'an 710038，Shaanxi，China)

In order to examine the shear strength of cold recycled foamed(emulsified)asphalt mixture，the simple triaxial test was used to simulate the stress state of the cold recycled asphalt mixture under the pavement，the effects of different types and contents of asphalt binder，trial gradations，content of cement and the blending ratio of RAP on the shear strength of the mixture were analyzed．The results show that the cold recycled foamed(emulsified)asphalt mixture has a bigger internal friction angle and a smaller cohesion;the optimum amount of foamed(emulsified)asphalt can be determined by the peak of shear strength obtained from a simple triaxial test．

cold recycled foamed(emulsified)asphalt mixture;simple triaxial test;shear strength;mechanism analysis

U414

B

1000-033X(2017)09-0081-08

0 引 言

泡沫(乳化)沥青冷再生混合料是由泡沫(乳化)沥青结合料、新集料、RAP、活性填料及水组成的热力学不相容的悬浮空隙结构［1-4］。通常用来表征泡沫(乳化)沥青冷再生混合料强度特性的试验方法包括控制应力(应变)拉伸弯曲试验、等加载速率劈裂试验、无侧限抗压强度试验以及考虑围压的三轴试验［5-6］。在实际使用过程中，由于路面结构各面层处于拉、压、弯三向复杂应力状态，既有的试验条件所模拟的混合料受力状态与实际路面情况不完全相符，并不能完全反映沥青混合料所处的应力-应变状态［7-8］。三轴试验机(Triaxiai Material Testing System，TMTS)是南非斯坦陵布什大学自主研发的，该仪器是南非TG2泡沫沥青冷再生混合料国家规范配合比设计采用的标准试验仪器，美国沥青路面再生技术协会也研究了TMTS用于冷再生混合料检测的技术可行性，并建议将泡沫(乳化)沥青混合料的抗剪切指标作为确定冷再生混合料最佳泡沫(乳化)沥青用量的设计控制指标。

本文以南非生产的TMTS为试验研究平台，探讨泡沫(乳化)沥青结合料种类和用量、试验级配、RAP掺配比例、水泥掺量对泡沫(乳化)沥青冷再生混合料抗剪切性能、内摩擦角、黏结力的影响，进而揭示以上各种因素对泡沫(乳化)沥青冷再生混合料剪切性能的影响机理，为冷再生混合料的工程应用提供理论参考。

2017-01-30

国家自然科学基金项目(51462018)

王 燕(1982-)，女，陕西西安人，讲师，硕士，研究方向为建筑材料及施工技术。

［责任编辑:高 甜］