乳化瀝青冷再生混合料強度特性及機理研究

1、    乳化瀝青冷再生混合料強度特性及機理研究    王豐【摘 要】對于乳化瀝青冷再生配合比設計而言，其關鍵環(huán)節(jié)便是乳化瀝青配方設計，也即是乳化瀝青的選擇及其與rap料的配伍性設計驗證，乳化瀝青配方對于乳化瀝青冷再生混合料路用性能及后期的施工質量具有至關重要的影響。目前，國家及行業(yè)規(guī)范均未對冷再生乳化瀝青的配方設計提出明確的方法及要求。論文針對這一問題，從乳化瀝青冷再生混合料強度形成機理入手，探討了適用于冷再生的乳化瀝青配方設計理論與方法，論文對于乳化瀝青冷再生配合比設計具有重要參考價值?！娟P鍵詞】瀝青路面;冷再生;配合比設計;乳化瀝青配方;理

2、論研究study on strength characteristics and mechanism of emulsified asphalt cold recycled mixturewang feng（chongqing municipal design and research institute chongqing 400025）【abstract】for the cold recycled mix design of emulsified asphalt， the key part is the design of emulsified asphalt form

3、ula， which is the choice of emulsified asphalt and its compatibility with rap material. the emulsified asphalt formula is used for emulsified asphalt cold recycled mixed material road. performance and late construction quality have a critical impact. at present， national and industry norms do not pr

4、ovide clear methods and requirements for the formulation of cold regenerated emulsified asphalt. aiming at this problem， this paper starts with the formation mechanism of emulsified asphalt cold recycled mixture strength， and discusses the theory and method of emulsified asphalt formula design suita

5、ble for cold regeneration. the paper has important reference value for the design of emulsified asphalt cold regeneration mix.【key words】asphalt pavement;cold regeneration;mix design;emulsified asphalt formula;theoretical study1. 引言（1）乳化瀝青冷再生混合料組成包括乳化瀝青、舊瀝青、集料、水泥，乳化瀝青中又包含乳化劑、水和基質瀝青，其組成成分相對普通的熱拌瀝青混合料

6、復雜。但是，乳化瀝青冷再生混合料和熱拌瀝青混合料的主要成分都還是瀝青和礦料，兩者都為柔性路面結構，在力學響應模式等方面有許多共同之處，且二者在拌合、運輸、攤鋪、碾壓等施工過程也是極為相似的。（2）但是，與熱拌瀝青混合料相比，乳化瀝青冷再生也有其特殊之處，由于冷再生混合料中一般都含有水分，冷再生混合料的配合比設計和半剛性材料的配合比設計也存在相似之處。因此很多學者在進行乳化瀝青冷再生混合料設計時，最佳含水量按照半剛性基層的土工擊實試驗來確定，混合料的級配合成、最佳乳化瀝青用量、以及混合料的最終性能驗證過程則跟熱拌混合料比較相似。因此在進行瀝青路面再生技術規(guī)范（jtg f41-2008）編制時，由

7、于缺乏足夠的工程經驗和數據支持，乳化瀝青冷再生混合料的設計是在綜合半剛性基層和熱拌混合料的設計方法基礎上編制的。2. 乳化瀝青冷再生材料組成（1）事實上，乳化瀝青冷再生混合料是一種復雜的復合材料，其強度成型過程也較熱拌混合料要復雜的多。我國集料大部分是由硅酸鹽和碳酸鹽等礦物質組成，其表面被水潤濕后帶負電荷，而冷再生采用的為陽離子乳化瀝青，兩者在有水膜存在的情況下，瀝青微?？裳杆?、牢固地與礦料表面通過電荷作用吸附結合，最終粘結在一起。電荷作用的過程也是乳化瀝青破乳的過程，對乳化瀝青冷再生混合料來說，這個過程通常需要較長的時間。壓實不久的乳化瀝青冷再生混合料是由初步開始破乳并恢復瀝青性質的乳化瀝青

8、、大量的水、粗細銑刨料以及礦粉構成，某些情況下還包括較少量的水泥新加集料。壓實成型的混合料，在行車荷載和環(huán)境溫度作用下，水分不斷蒸發(fā)、乳化瀝青不斷破乳并恢復瀝青粘結性質，30天后乳化瀝青冷再生混合料含有很少量的水分，強度基本形成，最終達到與熱拌瀝青路面幾乎相同的使用效果。因此，在整個乳化瀝青冷再生路面成型的過程中，更多的是rap料與乳化瀝青之間的化學吸附起主導作用。（2）目前制定的瀝青路面再生技術規(guī)范和實施乳化瀝青冷再生設計和施工的絕大多數人員以混合料研究和施工為主，對乳化劑和乳化瀝青的知識缺乏足夠的了解，因此對乳化瀝青冷再生混合料的強度形成機理也缺乏深入的研究。3. 乳化瀝青冷再生混合料強度

9、形成機理（1）同熱拌瀝青混合料相比，乳化瀝青冷再生混合料強度構成因素同樣是材料的內聚力和內摩阻力;不同的是，乳化瀝青冷再生混合料的內聚力和內摩阻力有一個動態(tài)的變化過程，在混合料初期和后期對混合料強度的貢獻不同。內聚力主要由瀝青的粘聚力及瀝青與礦料的粘附力組成，內摩阻力主要由銑刨料之間的嵌擠和摩擦構成。乳化瀝青冷再生混合料的抗剪強度可通過三軸試驗方法應用摩爾-庫侖包絡線方程求得。（2）乳化瀝青冷再生混合料必須經過乳液與集料的粘附、分解破乳、水分蒸發(fā)等環(huán)節(jié)之后才能完全恢復原有的粘結性能，同時在壓實作用下，破乳后瀝青與銑刨料緊密粘結在一起并最終形成強度。攤鋪碾壓初始階段的乳化瀝青冷再生混合料，由于瀝

10、青粘結力較低，所以混合料內聚力較低;同時混合料中存在較多水分，水的粘度低于瀝青，水分在混合料中甚至起著“潤滑”作用，降低集料間內摩阻力，此時混合料初期強度主要來源于內摩阻力，即內摩阻力對強度的貢獻遠大于內聚力。隨著水分蒸發(fā)和行車荷載的壓實作用，乳化瀝青冷再生混合料密實度逐步增加，裹覆在銑刨料表面的瀝青、乳化劑的分布狀態(tài)進一步調整、強度不斷增強，30天后強度幾乎完全形成。此時混合料具有與熱拌瀝青混合料相同（接近）的路用性能，內聚力和內摩阻力同時起到重要作用，尤其是內聚力的提高，使強度有大幅的升高。（3）由于乳化瀝青在初期大部分還未破乳，未形成粘結力，內摩阻力在初期強度中起主要作用，后期由于路面的

11、壓實也會有一定的增長幅度，其大小主要與級配有關。但乳化瀝青冷再生混合料大多由假級配的rap料組成，實際級配組成中粗集料含量非常少，絕大部分集料粒徑較細，難以形成骨架嵌擠結構。因此隨著乳化瀝青的破乳、凝結，內聚力逐漸在乳化瀝青冷再生混合料體系中起主導作用，對整個混合料體系的強度貢獻更大。4. 乳化瀝青冷再生混合料內聚力形成機理瀝青混合料（包括乳化瀝青混合料）的內摩阻力與級配有關，內聚力則與瀝青膠結料密切相關，但與熱拌混合料有所不同，碾壓后的路面溫度降到環(huán)境溫度后，熱拌混合料的粘聚力就基本形成。但乳化瀝青冷再生需要經歷一個乳化瀝青破乳、凝結，路面水分蒸發(fā)的過程，整個過程非常復雜和漫長，這個過程中，

12、乳化劑的性質、乳化瀝青的固含量和用量是影響混合料內聚力的關鍵。因此本文將主要通過這幾個因素來探討乳化瀝青冷再生混合料粘聚力的強度形成機理。4.1 瀝青乳化原理及乳化劑的種類選擇。（1）對于乳化瀝青來說，直接將瀝青分散到水中需要克服巨大的界面張力作用，也就是說要施加很大的能量。且瀝青分散到很小的顆粒時，其比表面積增加非常大，這樣使產生的乳化瀝青體系具有很高的能量狀態(tài)，生成的乳液也不會穩(wěn)定，因此在生產乳化瀝青時，降低水的表面張力是非常必要的。表面活性劑由于具有親水基和憎水基的兩親分子結構，能吸附于油水相排斥的界面上，從而降低油水之間的界面張力，使油水混合液能夠在同一個體系內較為穩(wěn)定的存在

13、。瀝青乳化劑是表面活性劑的一種，在進行乳化瀝青生產時，乳化劑能夠降低瀝青與水之間的界面張力，同時由于乳化劑的離子特性，能夠在形成的乳液中，使瀝青顆粒帶上電荷并形成界面膜及水合層，使得乳化瀝青能夠有較長時間的穩(wěn)定儲存。（2）瀝青乳化劑的種類很多，但總體來說，親水基對瀝青乳化劑的性質影響較大，所以通常按離子類型和親水基的種類劃分。按離子類型分為陽離子、陰離子、兩性、非離子型瀝青乳化劑;按破乳速度則分為快裂、中裂、慢裂乳化劑。乳化瀝青冷再生中采用的主要為陽離子慢裂乳化劑，但這樣的乳化劑有很多種。雖然乳化劑在乳化瀝青中所占的比例較小，但其對乳化瀝青的生產、儲存及施工，均有較大的影響，所以，需要根據生產

14、乳液的用途、乳化效果來精心的選擇乳化劑的種類。在進行冷再生乳化瀝青配方設計時，要綜合考慮現場的氣候條件、設計厚度、混合料級配、水泥品種及摻量、rap料活性、拌和方式、成型方式、運距等等，因此在進行乳化劑選擇時將至少考慮三個方面：乳化劑類型的選擇、乳化劑效果的評價、乳化劑效率。4.2 乳化瀝青的固含量和用量。（1）乳化瀝青的固含量一般控制在5570%之間，再生用的乳化瀝青固含量甚至要求大于62%。較高的乳化瀝青的固含量不僅能夠節(jié)約運費（其中含有約40%的水），提高生產效率，而且還影響其與集料的裹覆狀況、儲存穩(wěn)定性、破乳速度等。（2）乳化瀝青冷再生混合料中的乳化瀝青最終是以瀝青膜的形式覆

15、蓋在集料表面，較高的乳化瀝青固含量能夠提高較大的粘度，與集料結合時瀝青膜的厚度也較厚，使混合料拌合時會有較理想的裹覆效果。同時較厚的瀝青膜厚度對于再生混合料的抗水損性能和疲勞性能都有很大的幫助。因此在乳化瀝青冷再生體系中，較高的乳化瀝青固含量和乳化瀝青用量是必要的。乳化瀝青的固含量還影響其儲存穩(wěn)定性和破乳速度。由于乳化瀝青的分散相粒子（瀝青微粒）直徑在0.110m的范圍內，遠遠大于溶液中分子的直徑，因此屬于粗分散的水包油體系，這種體系只能在一定的時間能處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，最終必然會出現油水分層現象，但合適的瀝青固含量能夠使乳化瀝青儲存較長的時間。乳化瀝青是相界面很大的多相體系，帶電荷的瀝青微粒

16、形成的液珠有自發(fā)凝結，以降低體系總界面能的傾向。雖然油水界面之間界面張力的降低有助于乳化瀝青的穩(wěn)定，但乳化瀝青中的液珠一直是處于相互碰撞的布朗運動中。如果碰撞過程中界面膜破裂，兩個液珠將并結成一個大液珠。這一過程繼續(xù)下去，使體系的自由能降低，最終將導致乳化瀝青的破乳分層。（3）瀝青固含量較低時，液珠界面上吸附的分子較少，界面膜的強度較差，宏觀上表現出乳化瀝青的粘度較小，體系阻止瀝青微粒下沉的浮力也較小，油水會較快的分層，體系失去相對穩(wěn)定狀態(tài);固含量逐漸增大，瀝青微粒形成的液珠排列逐漸緊密，界面膜也由比較緊密的、定向吸附的分子組成，界面膜的強度較高，碰撞過程中不易破裂。宏觀上則乳化瀝青的粘度也逐

17、漸增加，瀝青微粒在體系中處于較為平衡的狀態(tài)，乳化瀝青能夠較為穩(wěn)定的儲存;固含量繼續(xù)增大，液珠排列更加緊密，瀝青微粒雙電層結構外層的擴散層逐漸變薄，電位減小，界面膜的強度降低，瀝青微粒在碰撞過程中容易并結成團，導致乳化瀝青破乳分層。宏觀上表現為瀝青含量升高，乳化瀝青的粘度繼續(xù)增大，由于瀝青比表面積的增大沒有足夠多的水分來形成水包油的結構，造成結構破壞，乳化瀝青破乳，體系失去穩(wěn)定性。根據殼牌瀝青手冊，普通乳化瀝青的粘度在固含量67.5%左右出現拐點，固含量繼續(xù)增大，乳化瀝青的破乳速度會逐漸加快，體系的儲存穩(wěn)定性變差。（4）由于再生混合料在拌合過程中需要加入外加水，一方面是使rap料表面形成水膜界面

18、，便于乳化瀝青與集料的裹覆;另一方面也使乳化瀝青稀釋，固含量降低，乳化瀝青冷再生混合料體系的粘度降低，便于混合料拌合、攤鋪、碾壓等施工過程中的和易性。以冷再生施工時乳化瀝青固含量62%，用量3.5%，外加水（包括rap料本身含水率）2.5%計算，乳化瀝青的固含量相當于從62%降低到36.17%，因此體系粘度大為降低，具有較好的施工和易性。但混合料中的乳化瀝青在外界環(huán)境的影響、機械的拌合、以及rap料和水泥等強電解質的加入等作用下會逐漸破乳，水分會逐漸散失。相對而言就是乳化瀝青的固含量逐漸升高，粘度逐漸增大，混合料的內部粘聚力逐漸增大，施工和易性逐漸降低。理想的乳化瀝青冷再生混合料是希望在拌合和攤鋪的過程中，乳化瀝青具有較好的保水性，破乳速度較慢，混合料體系的粘度不至增加過大使混合料失去施工和易性。但是在碾壓階段又希望乳化瀝青能夠盡快破乳，將體系中的水分泌出，瀝青能夠盡快凝結形成強度，縮短混合料的養(yǎng)生時間，便于盡快通車。（5）因此，在進行冷再生乳化瀝