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【论文精选】王子豪郭留杰：冷再生混淆料老化前后微观结构及高温性能

宣布日期：

2024-02-26

摘要

我国公路建设生长已经quan面进入建设养护并重期，大宗公路需要修复和重建爆发了大宗的沥青路面旧料，基于资源节约型、情况友好型的生长趋势，冷再生技术正逐渐获得重视。外洋在冷再生技术研究方面起步较早，上世纪90年代后期，美国的 Illinois、Indiana--IN、State of Michigan、Minnesota等地一起展开了对冷再生沥青混淆料的研究，将差别地区的旧料与新料混淆重生，并进行路用性能试验，经比照发明，纵然再生混淆料中加入高达 50%的旧料，再生路面的路用性能仍旧满足美国规范要求。

利用再生料铺筑的路面结构与普通路面结构没有区别甚至路用性能更好。而Zaumanis等对RAP掺量在40%以上的混淆料进行了优化设计，混淆料在坚持路用性能较好的情况下具有显zhu的经济效益。在提升冷再生混淆料性能方面，Niazi研究了以粉末状波兰特水泥、粉末状石灰、石灰浆为外掺剂的乳化沥青冷再生混淆料，结果标明，掺加石灰和水泥均能提高冷再生混淆料的稳定度、回弹模量、拉伸强度、水稳定性能和抗yong久变形能力。而我国研究学者也发明，在乳化沥青冷再生混淆料中加入适量活性填料(如水泥、石灰等)，可显zhu改善其早期强度及疲劳性能。水泥因具有较高的性价比在冷再生技术中被广泛应用，对此研究学者也从微观和宏观方面对水泥乳化沥青冷再生混淆料展开了大宗的研究，微观方面：魏唐中等人借助情况扫描电镜剖析了水泥乳化沥青胶浆中的水化反应、乳化沥青破乳历程，结果标明：乳化沥青延缓了水泥的早期水化，而水泥可增进乳化沥青团聚破乳。杨彦海等人也通过扫描电镜测试了水泥对乳化沥青冷再生质料性能的影响，结果标明水泥的水化产品在胶浆中形成纤维状网络结构，具有“加筋”作用。王宏通过工业CT无损检测技术研究了水泥掺量对冷再生混淆料的细微观空隙漫衍影响,结果标明：水泥掺量越大，空隙形状改变越明显,增da水泥掺量将对乳化沥青冷再生混淆料的密实度爆发显zhu影响。宏观方面：吕政桦等人研究了乳化沥青用量、水泥掺量及RAP掺量对冷再生混淆料性能的影响纪律，结果标明：乳化沥青用量和水泥掺量对冷再生混淆料高温性能的影响zui为显zhu，RAP掺量对其水稳性能的影响zui大�；评谝栽偕闪鲜Ｓ嗉壑滴副暄芯苛怂嗳榛で嗬湓偕煜显谘吩偕讨新酚眯阅艿乃ケ浼吐�。耿九光等人接纳正交试验的要领研究了冷再生混淆料中各质料对其初期强度和后期残留强度的影响，指出各质料对冷再生料力学性能的影响水平因RAP 质量分数的差别而异。刘伟胜等人对乳化型冷拌冷铺沥青混淆料的静、动态回弹模量进行试验剖析，结果标明温度和频率对冷拌冷铺沥青混淆料影响较大。综上，现有研究主要集中于冷再生混淆料中水泥掺量、RAP掺量对其微观及宏观的影响研究，对老化后冷再生混淆料的性能研究鲜有报道，老化前后混淆料性能及微观结构也有待深入探讨。

鉴于此，本文接纳扫描电子显微镜和AMPT试验机对乳化沥青冷再生混淆料老化前后的微观结构变革及差别温度及频率下的混淆料动态力学性能进行剖析研究，为深入研究混淆料性能及优化冷再生技术提供依据。

试验质料与要领

试验质料

本试验接纳的基质沥青为房山沥青厂A-70号沥青，乳化沥青划分为自研乳化沥青（Ⅰ型）和某品牌乳化沥青（Ⅱ型），均为慢裂型，各项性能指标均切合要求，如见表1所示。

【论文精选】王子豪郭留杰：冷再生混淆料老化前后微观结构及高温性能

本试验接纳的旧料来自北京房山沥青厂，新集料为石灰岩，矿粉为石灰岩矿粉，水泥为普通32.5级，矿料性质均切合要求�；煜辖幽葾C-25型级配，各档料掺加比例为10~30mm（新）：10~15mm（新）：0~5mm（新）：10~20mm（旧）：0~10mm（旧）：水泥=12：8：17.5：29：32：1.5，集料各筛孔通过率如表2所示，混淆料油石比为4%，接纳旋转压实仪成型试件，并连同试模自然养生24h，再放入60℃烘箱中养生40h，后取出放在25℃室温下冷却8h。恒久老化接纳的是将切割成型的试件放入85℃烘箱中进行为期5天的恒久老化，然后自然冷却至室温备用。

【论文精选】王子豪郭留杰：冷再生混淆料老化前后微观结构及高温性能

试验要领

微观结构剖析接纳日本JEOL公司生产的JSM-6010LA型扫描电子显微镜，划分对两种冷再生混淆料进行自然养生24h后、室温安排1个月后和恒久老化后三种状态下的混淆料微观试验剖析。

动态模量试验接纳AMPT沥青混淆料性能试验机，测定老化前后两种冷再生混淆料在四个温度（5℃、20℃、35℃、50℃）和六个加载频率（0.1Hz、0.5Hz、1Hz、5Hz、10Hz、25Hz）下的动态模量和相位角，加载波形为正弦波。

微观试验结果剖析

老化前后两种冷再生混淆料划分在自然养生24h后、室温安排1个月后（考虑水泥养护成型期一般为28天）和恒久老化后三种状态下的扫描电镜试验结果，如图1所示。

【论文精选】王子豪郭留杰：冷再生混淆料老化前后微观结构及高温性能

图1中（a）和（d）为冷再生混淆料养生后的外貌微观结构，可以看出：

（1）外貌泛起出簇状且相互连接的网络结构，这是由于水泥与乳化沥青中水爆发的水化反应形成的水化产品，水泥的添加增进了乳化沥青的破乳，并与破乳后的沥青相互渗透融合在一起；

（2）水泥形成的水化产品使破乳沥青与再生料外貌相互联结，起到“加筋”的作用，加上破乳后沥青与旧沥青形成的黏聚力，使得冷再生混淆料早期强度快速提升。

图1中（b）和（e）为冷再生混淆料在室温（25℃）条件下安排一个月后的外貌微观结构，可以看出混淆料外貌形成了微孔结构，这是由于乳化沥青在破乳期间是一个憎水历程，形成的沥青膜裹覆在集料外貌，而水分则成游离状态疏散在混淆料体系中，当加入水泥后，水泥与一部分游离水反应，生成的水化产品填充了水分占据的空间，随着水化反应的不绝进行，水化产品的数量不绝增加，使混淆料结构越发密实，强度逐渐提高；同时水化反应中热量的释放也增进了其余游离水的蒸发，水分蒸发后形成了微孔隙，可见水泥对冷再生混淆料内部空隙的变革具有一定的改善作用，水泥的加入改善了冷再生混淆料的受力情况，在一定水平上弥补了集料-胶浆以及胶浆内部的界面缺陷。

图1中（c）和（f）为冷再生混淆料恒久老化后的外貌微观结构，可以看出外貌粗糙呈蜂窝状结构，孔隙巨细纷歧，老化前集料被包裹在胶浆中，结合紧密，孔径较小，老化后胶浆变得粗糙，孔径变大，这是由于混淆料在老化水平的历程中，沥青中轻质组分逐渐减少，并陪同着水泥水化产品的膨胀效应及化学反应，使得胶浆结构外貌粗糙，部分空隙相互连通变大，这会导致胶浆与集料的有效接触面积减小，黏附性降低，加上沥青老化后变硬，对抗裂性能有着负面的影响。但胶浆结构外貌孔隙漫衍均匀，孔隙闭合，且混淆料间的空隙被填充密实，这种结构整体上提高了混淆料的稳定性和强度。

动态模量试验结果剖析

动态模量和相位角剖析

动态模量是评价沥青混淆料对抗变形总能力的指标，动态模量越大，说明沥青混淆料的高温抗变形能力越强。相位角是表征质料黏弹性的指标，相位角越小，高温性能越好。图2、图3划分是老化前后两种冷再生沥青混淆料的动态模量和相位角与温度和频率间的变革纪律（图中O代表老化前Original，L代表恒久老化Long-term aging）。

【论文精选】王子豪郭留杰：冷再生混淆料老化前后微观结构及高温性能

从图2可以看出

（1）在差别的加载频率作用下，老化前后两种冷再生混淆料的动态模量和相位角随温度的升高，变革趋势相似，其中动态模量随温度逐渐减小，老化后比老化前增da，相位角随温度逐渐增da，老化后比老化前减小，这说明随着温度的升高，冷再生混淆料中的弹性部分逐渐向黏性部分转化，混淆料接近黏性质料，从而使其恢复变形能力减弱，抗变形能力减小，老化后抗变形能力优于老化前。

（2）在加载频率一准时，混淆料的动态模量随温度的升高逐渐减小，这是由于温度的升高，使结合料沥青的劲度模量减小，爆发黏性流动，导致混淆料的黏结力降低，在荷载作用下，混淆料中的骨架变形明显，使混淆料的回弹能力减弱，从而体现出动态模量随温度的升高而逐渐降低。

（3）比较两种冷再生混淆料相位角δ受温度的影响情况，以10Hz加载频率作用下为例，温度从5℃升高到50℃的历程中，相位角值增加量划分为Ⅰ型冷再生老化前10.79℃、恒久老化8.92℃，老化前后相差1.87℃，Ⅱ型冷再生老化前11.22℃、恒久老化8.02℃，老化前后相差3.20℃，这说明温度的变革对两种冷再生混淆料相位角的影响相差不大，但关于Ⅱ型冷再生混淆料，老化作用比温度对δ的影响更大。

（4）当加载频率（0.1Hz、1Hz）较低时，随温度的升高，动态模量减小变缓，相位角增加变缓，这是由于低频率作用下，混淆料近似黏性质料，当温度升高到一定值时，胶结料对黏度的影响不在起zhu导作用，而骨架作用变得突出，从而泛起动态模量下降减缓，相位角增加变缓[14-15]；当在中高等频率（10Hz、25Hz）时，随温度的升高，动态模量呈一定比例的减小，而相位角老化前在较高的温度下增加开始变缓，这是由于在中高频作用下，混淆料主要体现弹性特性，随着温度的升高弹性比例逐渐减小，黏性比例逐渐增da，所以动态模量随温度的升高而呈一定比例的减小，而相位角的增加也变缓。

图3为动态模量和相位角与频率间的变革曲线，可以看出：

（1）在差别温度下，老化前后两种冷再生混淆料的动态模量和相位角随频率的增da变革纪律相似，即动态模量逐渐增da，老化后比老化前增da，相位角逐渐减小，老化后比老化前减小，说明两种冷再生混淆料都随着频率的增da、老化水平的加深，高温抗变形能力获得提高。

（2）在同一温度下，动态模量、相位角与频率变革曲线的线性相关性良好，频率的增da，即车荷载对混淆料作用的时间变短，混淆料受到剪力爆发的变形就越小，所以动态模量呈上升的趋势，相位角呈下降的趋势。

（3）在0.1~25Hz规模内，比较差别温度下动态模量和相位角的变革量，在5℃时动态模量增加量（约为O:4000，L:4200）、相位角减小量（约为O:3.8，L:3.2），在20℃时动态模量增加量（约为O:3800，L:4000）、相位角减小量（约为O:4.4，L:3.5），在35℃时动态模量增加量（约为O:2800，L:3000）、相位角减小量（约为O:1.6，L:2.7），在50℃时动态模量增加量（约为O:1900，L:2300）、相位角减小量（约为O:0.6，L:1.8），可以看出随着温度的升高，在0.1~25Hz规模内动态模量增da和相位角减小的趋势均明显减缓，加载频率对混淆料的影响逐渐减小，温度的影响逐渐增da，这说明在0.1~25Hz规模内，随着温度的升高，由加载频率对混淆料的主要影响逐渐转变为温度为主要的影响。

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趁魅辙性能剖析

在NCHRP的研究报告中指出，将E*/sinδ作为评价沥青混淆料高温抗趁魅辙变形能力的指标，可以越发客观地反应出质料的趁魅辙性能，E*/sinδ越大，标明沥青混淆料对抗趁魅辙变形的能力越强。对老化前后两种冷再生混淆料划分在20℃和10Hz条件下进行剖析，如图4所示。

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（1）从图4（a）可以看出，老化前后两种冷再生混淆料的E*/sinδ随着频率的增da，泛起出增da的趋势，加载频率的增da，体现出荷载对路面作用的时间减少，从而使变形来缺乏疏散，路面不易爆发趁魅辙变形，因此随着加载频率的增da，沥青混淆料的高温抗趁魅辙能力越好。

（2）从图4（b）可以看出，随着温度的增加，E*/sinδ值都呈减小的趋势，这是由于温度的升高使沥青分子间相互作用的能力下降，胶结料从弹性逐渐向黏性转变，使E*/sinδ值减小，这说明温度越高沥青混淆料的高温性能越差，这与实际工程混淆料在较高温度下体现黏流态相符；另外，还可以看出E*/sinδ值的变革在20℃后下降明显变缓，35℃后趋于平缓，这是由于温度的升高，由沥青对黏度的影响逐渐转变为集料骨架起zhu导作用，再加上水泥作用下胶浆将混淆料间空隙填充密实，且外貌形成微孔结构，在应力的作用下，吸收了部分能量，提高了强度，所以E*/sinδ值下降变缓并趋于平缓，这说明冷再生混淆料可以在较高的温度下仍坚持一定的抗趁魅辙性能。

（3）从图4（a）、（b）可以看出，在差别温度和差别频率下，老化后的冷再生混淆料趁魅辙性能指标均明显大于老化前，这说明老化作用对混淆料的高温性能爆发了较大的影响，老化作用使沥青中轻质组分减少，重质组分增加，体现出更好地弹性性能，所以高温抗变形能力获得提高。Ⅰ型冷再生混淆料的E*/sinδ值在整个温度和频率规模内均大于Ⅱ型冷再生，说明Ⅰ型冷再生混淆料体现出更好的抗趁魅辙性能，优于Ⅱ型冷再生混淆料。

贮存模量与损失模量剖析

贮存模量E'表征沥青混淆料在变形历程中能量的贮存和释放，是E*的可恢复的弹性部分，损失模量E''表征沥青混淆料在变形历程中能量的散失，是E*的不可恢复的黏性部分，当在高温条件下，沥青混淆料应具有较高的贮存模量以提高其高温抗趁魅辙的能力，而在低温条件下，沥青混淆料应具有较高的损失模量以提高其低温抗开裂的能力。

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图5是老化前后两种冷再生混淆料的E'/E*、E''/E*与温度间的变革纪律，从图5（a）、（b）中可以看出：

（1）在5℃-50℃规模内，两种冷再生混淆料在老化前和恒久老化作用下，E'占E*的比例均明显高于E''占E*的比例，这说明混淆料中的贮存模量E'占zhu导作用，混淆料可以在较高的温度下体现出较好的弹性行为，从而体现出更好地对抗高温变形的能力，是有利于混淆料高温抗趁魅辙变形的，这与上述趁魅辙性能剖析结果相一致。

（2）还可以看出随着温度的升高，E'占E*的比例略微减小，而E''占E*的比例逐渐增加，黏性身分增多，这与沥青混淆料实际的情况是一致的，在相对较低的温度下，沥青混淆料处于弹性状态，温度的升高使沥青混淆料向黏流态转变，由于水泥的添加，改善了混淆料间受力情况，提高了混淆料的强度，所以可以在较宽的温度规模内仍体现出较高的弹性性能和抗变形能力。

（3）比较老化前后E'/E*与E''/E*的比例变革情况可知，老化后E'/E*的比例增da，E''/E*的比例减小，说明老化后使混淆料体现更好的抗高温变形能力，但增da和减小的幅度不大，老化作用对其影响较小。

结论

（1）水泥在沥青胶结料中形成簇状且相互连接的网络结构，提高了混淆料早期强度，随着水化产品的增加，混淆料内部空隙获得了改善，结构越发密实，强度逐渐提高。

（2）恒久老化后，胶浆外貌呈蜂窝状结构，胶浆与集料有效接触面积减小，这对集料的黏附性和抗开裂性能有着负面影响。

（3）在低温（5℃）时，加载频率对冷再生混淆料的动态模量和相位角影响较大，但随着温度的升高，受频率影响逐渐变小，而受温度影响逐渐增da。

（4）随着温度的升高，趁魅辙性能指标E*/sinδ下降变缓并趋于平缓，说明冷再生混淆料可以在较高的温度下仍坚持一定的抗趁魅辙性能，Ⅰ型冷再生混淆料抗趁魅辙性能优于Ⅱ型。

（5）老化前后两种冷再生混淆料中的贮存模量占比明显高于损失模量占比，可以在较宽的温度规模内体现出较高的弹性性能和抗变形能力，且老化后变革不大，受老化作用影响较小。

作者：王子豪，郭留杰? 公路养护技术国家工程研究中心；中公高科养护科技股份有限公司

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