0 引言

乳化沥青冷再生混合料作为环境友好型路面材料，常用于道路面层、基层的铺筑。在路面的整体性能方面，具有易于施工、降低建设成本等特点，并且能减少交通中断和用户不便，非常适合城市道路的维修养护；在节能环保方面，乳化沥青冷再生混合料在生产和使用过程中不会产生大量的CO，CO₂，SO₂和NO_X类等有毒气体，不会威胁生产施工人员的身体健康和对环境造成严重污染，具有节能减排、保护环境的特点^[1]。另一方面，乳化沥青混合料早期强度较低，其水分排干和性能提升需要一定时间，致使交通开放时间延迟，限制了其应用范围^[2]。在乳化沥青混合料中掺加一定量的水泥，通过水泥与水发生水化反映，可以吸收部分外掺水，从而加速了乳化沥青破乳，能够提高混合料的早期强度和刚度，使其具有良好的路用性能。

水泥乳化沥青混合料施工温度条件要求较低，可以在常温下施工，并且性能较好^[3]。针对乳化沥青冷再生混合料，国内外学者进行了大量相关研究，1997年美国国家沥青技术中心(National Center for Asphalt Technology，NCAT)总结了包括沥青路面冷再生混合料设计的研究成果^[4]；1983年出版了《沥青路面冷拌再生技术手册》^[5]。袁文豪、沙爱民等分析了水泥用量不同的结合料的强度增长规律和力学特性，得出了水泥乳化沥青复合结合料具有很强的优越性；郭银涛、耿九光等研究了水泥乳化沥青混合料配合比设计方法^[6]；严金海、倪富健等利用就地冷再生混合料的配合比设计程序，包括原材料选择、级配设计和性能评价，评价了改性乳化沥青-水泥就地冷再生混合料的性能^[7]。国内外对水泥乳化沥青混合料性能进行的研究大多是针对材料的宏观性能，没有系统分析其强度形成机理。本研究针对不同水泥掺量对乳化沥青冷再生材料的性能影响，从微观层面分析水泥在乳化沥青再生混合料中的作用机理，并结合宏观路用性能，确定最佳水泥掺量范围。

1 原材料选择及试验 1.1 乳化沥青

本次试验研究采用的乳化沥青为辽宁地区常用的慢裂型阳离子乳化沥青，其技术要求均符合规范^[7]要求，试验检测结果见表 1。

1.2 水泥

本次试验采用矿渣硅酸盐水泥，水泥等级为32.5，初凝时间为3.5 h，终凝时间为6.7 h，满足规范^[8-9]要求。水泥疏松、干燥，无聚团、结块、受潮变质。

1.3 回收沥青路面材料(RAP)

本次试验使用的回收沥青路面材料(RAP)来源于辽宁省某一级公路的铣刨料，通过RAP抽提测得：沥青含量为4.5%，含水率为0.85%。由于回收沥青路面材料在冷再生中当作“黑色集料”使用^[10]，本次试验采用未经抽提的RAP料筛分结果作为旧料级配，结果见表 2。

1.4 新集料

本次试验添加的新集料来源于辽阳小屯，规格为：16~19 mm，13.2~16 mm，9.5~13.2 mm和2.36~4.75 mm，新集料性能均符合规范^[11]要求。新集料筛分结果见表 3。

1.5 水

水在混合料中主要有两个作用：一是在拌和过程中促进乳化沥青分散、裹覆集料, 二是起润滑作用使混合料易于碾压成型^[12]。水的质量直接关系到乳化沥青能不能更好地分散、裹附集料发挥其胶结料的作用，水与其配伍性很关键，因此混合料中使用的水必须是可饮用水，洁净不含有机物等其他杂质，以免与乳化沥青发生反应影响混合料性质。

2 配合比设计 2.1 级配确定

乳化沥青冷再生混合料的级配类型采用中粒式，根据以往研究经验和级配曲线调整确定各档料的掺加比例。RAP：16~19 mm:13.2~16 mm:9.5~13.2 mm:2.36~4.75 mm=71.5:9:10:7:2.5，级配曲线如图 1所示。

2.2 最佳含水率确定

采用土工击实试验来确定最佳含水率，通过调节试件的含水率，得到含水率与干密度曲线，土工击实的干密度曲线如图 2所示，找到最大干密度对应的含水率即为最佳含水率^[13]。试验采用的乳化沥青用量为3.5%，变化外掺水率分别为3.0%，3.5%，4.0%，4.5%，5.0%，测得当外掺含水率为4.3%，最佳含水率为5.1%时获得最大干密度。

2.3 最佳乳化沥青用量确定

根据确定的级配组成和最佳含水率(5.1%)，选取乳化沥青用量为2.5%，3.5%，4.5%，5.5%进行试验。根据规范^[9]要求综合考虑马歇尔稳定度、浸水马歇尔残留稳定度及空隙率指标选取最佳乳化沥青用量^[14]，经试验结果分析得到最佳乳化沥青用量为3.5%。试验结果见表 4。

2.4 试验方案

为了研究水泥用量对乳化沥青冷再生材料性能的影响，采用水泥掺量为乳化沥青冷再生材料的0%，1%，2%，3%，4%和5%进行试验研究，具体试验过程主要从以下几方面展开：

(1) 基于PHILIPS-FEI Quanta 200扫描电镜观测不同水泥掺量下的乳化沥青冷再生材料胶浆的形貌和结构，分析水泥对乳化沥青冷再生材料微观结构的作用机理；

(2) 基于PHILIPS-FEI Quanta 200扫描电镜能谱分析仪和Nano Measurer，分析掺加水泥后乳化沥青胶浆中产生的晶体的成分和形态变化，从而分析水泥提高乳化沥青冷再生材料性能的作用机理；

(3) 对不同水泥掺量的乳化沥青冷再生混合料进行宏观性能试验研究，并结合微观分析结果，确定合理的水泥掺量。

3 微观特征分析 3.1 试样制备

根据级配组成、最佳含水率和乳化沥青用量的试验结果，采用马歇尔击实成型试件。将冷却后的试件击碎，用镊子在试件破裂面夹取胶浆，不同水泥掺量的试件取10个胶浆粒放入事先准备好的干净无污染容器中等待观测，以免胶浆颗粒表面污染影响微观结构观测^[15]。

3.2 微观结构分析

采用PHILIPS-FEI Quanta 200扫描电镜，分别对水泥掺量为0%，1%，2%，3%，4%，5%的乳化沥青冷再生胶浆微观结构进行观测，如图 3、图 4所示。

由图 3可以看到，未掺加水泥的乳化沥青冷再生胶浆表面比较光滑，而加入水泥的乳化沥青冷再生胶浆表面出现层针状和簇状(纤维状)结构。这些针状和簇状物是水泥与乳化沥青中的水相水化后生成的产物，晶体水化物插入乳化沥青混合料胶浆薄膜内部，或裸露在胶浆表面，或相互搭接，增加了集料与胶浆薄膜的粘结力，也有利于水化产物直接与集料粘结。这种水泥水化产物沥青薄膜相互交织形成了一种空间立体网格结构，其表面接触过渡良好，没有出现裂纹或断裂(如图 4所示)，对乳化沥青冷再生混合料起到了“加筋”作用。

为了更加清晰反映不同水泥掺量下的水泥水化产物的形貌特征，本研究采用Nano Measurer对图 2中的电镜扫描图进行标记分析。通过对水泥水化产物进行标记，得到晶体的长度及其分布百分比，分析结果如图 5所示。

由图 5可以看到，水泥水化产物的晶体长度随着水泥掺量的增加而增长。水泥掺量为1%~3%时，水泥水化后的晶体呈圆柱状，纤维较短(< 20 μm)，大多分布在10 μm左右；而水泥掺量大于4%时，水化后的晶体呈针状，纤维较长(部分水泥水化产物晶体长度 > 30 μm)。不同的晶体形态对乳化沥青冷再生胶浆的性能有不同影响，本研究通过宏观试验进一步验证不同水泥掺量对乳化沥青冷再生材料性能的影响。

3.3 能谱分析

普通硅酸盐水泥的主要成分包括：硅酸钙(C₃S)，硅酸二钙(C₂S)，铝酸三钙(C₃A)，铁酸四钙(C₄AF)及硫酸钙(CaSO₄)等^[16]，当水泥接触到水时，发生水化反应，水泥水化后的产物主要有：水化硅酸钙(C-S-H)、氢氧化钙(CH)、硫铝酸钙以及未水化熟料颗粒^[17]。为了分析掺加水泥后乳化沥青胶浆中产生的晶体物质是否是水泥水化产物，利用PHILIPS-FEI Quanta 200扫描电镜能谱分析仪，对水泥乳化沥青冷再生胶浆进行了电子能谱试验，分别在掺加水泥的晶体部分与未掺加水泥的胶浆部分各选定一点进行对比分析，得出胶浆所含主要元素的变化结果如图 6、图 7所示。

将图 6和图 7中的C，Si和Ca元素的质量比和原子比整理如表 5所示。

对比试验结果可知，未掺加水泥时C含量相对较高，说明沥青含量较大，水泥水化产物较少；而掺加水泥后Si，Ca元素含量相对较高，说明水泥中的硅酸三钙(C₃S)和硅酸二钙(C₂S)水化后，生了更多的C-S-H凝胶，C元素含量明显降低。因此，掺加水泥的乳化沥青胶浆中产生的晶体物质是水泥水化产物，一定量的水泥将有利于复合胶浆凝胶体数量的增加和微观结构的改善，对于提高乳化沥青混合料早期强度非常关键。

4 路用性能试验研究 4.1 高温稳定性

高温季节沥青路面在行车荷载的反复作用下强度与刚度下降，易产生病害，为了提高沥青路面的高温稳定性，使其在高温时具有足够的刚度和强度^[18]。本研究采用60 ℃车辙试验，用动稳定度来评价乳化沥青冷再生混合料高温性能。采用北京某公司生产的QCX-4型轻便组合式车辙试样成型机成型车辙试件，车辙试件成型后放入60 ℃鼓风烘箱中养生48 h，然后取出试件二次碾压10个往返后放入烘箱中养生12 h进行车辙试验。不同水泥用量下的乳化沥青冷再生材料的车辙动稳定度试验结果如图 8所示。

由图 8可知，乳化沥青冷再生混合料的动稳定度在未掺加水泥时较小，不足500次/mm。随水泥掺量的增加，乳化沥青冷再生混合料动稳定度显著增加，说明水泥的掺加，提高了乳化沥青冷再生混合料的高温性能。这主要是由于水泥水化产物与乳化沥青相互交织形成新的水泥沥青复合胶浆，使得集料与周围胶浆的黏结力增强。同时，刚性的水泥水化产物能够降低乳化沥青混合料在高温下劲度模量减小程度，有效地降低了乳化沥青混合料的温度敏感性，使得混合料在荷载作用下变形减小，抗流动变形能力增强。当水泥掺量小于3%时，水化产物快速填充了混合料空隙，提高了密实度，乳化沥青冷再生混合料动稳定度值增加迅速。当水泥掺量大于3%时，水泥不能完全水化，动稳定度增速相对平缓。

4.2 低温抗裂性

沥青混合料的低温抗裂性是指其低温条件下抵抗收缩变形的能力，路面病害大多从低温缩裂开始，水分从裂缝中不断进入路面结构中将使路面承载力下降，影响行车的舒适度，并直接影响到路面的使用寿命^[19]。

论文采用低温弯曲试验来研究不同水泥掺量下的乳化沥青冷再生混合料低温抗裂性能。首先，按照车辙试件成型的方法成型和养生试件，然后将冷却后的试件采用德国进口的平行双面切割锯将车辙试件切割成30 mm×35 mm×250 mm的小梁试件，按照规范^[20]要求采用LMT-2微机控制沥青混合料试验系统进行小梁低温弯曲试验，试验温度为-10 ℃。采用最大弯拉破坏应变指标评价其低温抗裂性，试验结果如图 9所示。

由图 9可知，随着水泥掺量增加，乳化沥青冷再生混合料的最大弯拉破坏应变值呈现出先增加后减小的趋势，由此推断存在最优掺量，这主要由于随水泥掺量的增加，水化后的晶体呈针状，粒径随之增长，在低温受力状态下易发生破坏。通过曲线拟合结果，当水泥掺量为1.5%时，得到最大弯拉破坏应变值，说明此时产生乳化沥青冷再生混合料具有最佳的低温抗裂性能，与未掺加水泥时相比，弯拉应变值变化显著。当水泥掺量为1.5%~3%时，曲线呈下降趋势，这是由于随着水化产物增加，混合料干缩加剧，造成弯拉应变加速下降；当水泥掺量为3%~5%时，水泥不能完全水化，混合料干缩减弱，此时未水化的水泥充当部分填料，增强了沥青与矿料之间的黏结力，使得乳化沥青冷再生混合料最大弯拉破坏应变值减小缓慢。

4.3 抗水损害

乳化沥青厂拌冷再生混合料的空隙率偏大，水分容易进入混合料内部造成水损害。同时，乳化沥青中水分蒸发完全后纯沥青对集料的裹覆呈不完全连续的“点焊”状，没有完整的沥青膜，所以黏结性较差，难以抵御反复的高压水侵蚀。沥青路面在水或冻融循环的反复作用下，沥青黏附性降低，导致沥青膜剥落，混合料的整体力学强度降低，从而路面产生各种病害，如坑槽、松散等损坏现象。

本次试验按照规范^[9]要求采用冻融劈裂试验来研究不同水泥掺量下的乳化沥青冷再生混合料的水稳定性能。采用冻融劈裂强度比评价其抗水损害性能，试验结果如图 10所示。

由图 10的拟合曲线可知，掺加了水泥的乳化沥青冷再生混合料，冻融劈裂强度比提高显著，且随水泥掺量的增加，冻融劈裂强度比逐渐增大。这主要由于水泥的水化产物与乳化沥青胶浆形成了沥青膜网状结构，增强了集料与乳化沥青胶浆粘结力，弥补了混合料内部缺陷并有效改善了乳化沥青混合料微观结构。当水泥用量为1%~3%时，水泥可以提高试件的相应强度，其冻融劈裂强度比增长趋势较为平稳；当水泥用量为3%~5%时，浸水前试件中尚未完全水化的水泥在浸水后发生二次水化，由此生成的水化产物可以提高试件强度，使得冻融劈裂强度比增加幅度变大。

5 结论

(1) 未掺加水泥的乳化沥青冷再生胶浆表面比较光滑，掺加水泥后，水泥与乳化沥青冷中的水相发生水化反应，产生了层针状和簇状(纤维状)的水化产物。水泥水化产物存在于RAP与沥青薄膜间、沥青薄膜之间和RAP之间，并且表面接触过渡良好，没有裂纹或断裂，对乳化沥青冷再生混合料起到了“加筋”作用。

(2) 乳化沥青胶浆中的晶体物质Si、Ca元素含量相对较高，说明水泥中的硅酸三钙(C₃S)和硅酸二钙(C₂S)水化后，生了更多的C-S-H凝胶，使得C等元素含量明显降低。因此，掺加水泥的乳化沥青胶浆中产生的晶体物质是水泥水化产物，一定量的水泥将有利于复合胶浆凝胶体数量的增加和微观结构的改善。

(3) 水泥水化产物与破乳后的沥青相互交织形成了水泥沥青胶浆，刚性的水泥水化产物能够有效降低乳化沥青混合料的温度敏感性，提高了乳化沥青冷再生混合料在高温下抗车辙能力；水泥掺量越多，水化后的晶体纤维越长，在低温受力状态下易发生破坏，对于乳化沥青冷再生混合料的低温抗裂性能存在最优的水泥掺量；水泥的掺加增强了集料与乳化沥青胶浆粘结力，弥补了混合料内部缺陷并有效改善了乳化沥青混合料微观结构，从而提高乳化沥青冷再生混合料的水稳定性能。

(4) 根据微观试验结果与宏观试验相结合，确定了冷再生材料在工程中的水泥掺量宜控制在1%~2%范围内。