乳化沥青冷再生混合料强度特性及机理研究
王丰
【摘?要】对于乳化沥青冷再生配合比设计而言，其关键环节便是乳化沥青配方设计，也即是乳化沥青的选择及其与RAP料的配伍性设计验证，乳化沥青配方对于乳化沥青冷再生混合料路用性能及后期的施工质量具有至关重要的影响。目前，国家及行业规范均未对冷再生乳化沥青的配方设计提出明确的方法及要求。论文针对这一问题，从乳化沥青冷再生混合料强度形成机理入手，探讨了适用于冷再生的乳化沥青配方设计理论与方法，论文对于乳化沥青冷再生配合比设计具有重要参考价值。
【关键词】沥青路面;冷再生;配合比设计;乳化沥青配方;理论研究
Study on Strength Characteristics and Mechanism of Emulsified Asphalt Cold Recycled Mixture
Wang 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 formula， 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 provide 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 suitable 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 study
1. 引言
（1）乳化沥青冷再生混合料组成包括乳化沥青、旧沥青、集料、水泥，乳化沥青中又包含乳化剂、水和基质沥青，其组成成分相对普通的热拌沥青混合料复杂。但是，乳化沥青冷再生混合料和热拌沥青混合料的主要成分都还是沥青和矿料，两者都为柔性路面结构，在力学响应模式等方面有许多共同之处，且二者在拌合、运输、摊铺、碾压等施工过程也是极为相似的。
（2）但是，与热拌沥青混合料相比，乳化沥青冷再生也有其特殊之处，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设计和半刚性材料的配合比设计也存在相似之处。因此很多学者在进行乳化沥青冷再生混合料设计时，最佳含水量按照半刚性基层的土工击实试验来确定，混合料的级配合成、最佳乳化沥青用量、以及混合料的最终性能验证过程则跟热拌混合料比较相似。因此在进行《沥青路面再生技术规范》（JTG F41-2008）编制时，由于缺乏足够的工程经验和数据支持，乳化沥青冷再生混合料的设计是在综合半刚性基层和热拌混合料的设计方法基础上编制的。
2. 乳化沥青冷再生材料组成
（1）事实上，乳化沥青冷再生混合料是一种复杂的复合材料，其强度成型过程也较热拌混合料要复杂的多。我国集料大部分是由硅酸盐和碳酸盐等矿物质组成，其表面被水润湿后带负电荷，而冷再生采用的为阳离子乳化沥青，两者在有水膜存在的情况下，沥青微粒可迅速、牢固地与矿料表面通过电荷作用吸附结合，最终粘结在一起。电荷作用的过程也是乳化沥青破乳的过程，对乳化沥青冷再生混合料来说，这个过程通常需要较长的时间。压实不久的乳化沥青冷再生混合料是由初步开始破乳并恢复沥青性质的乳化沥青、大量的水、粗细铣刨料以及矿粉构成，某些情况下还包括较少量的水泥新加集料。压实成型的混合料，在行车荷载和环境温度作用下，水分不断蒸发、乳化沥青不断破乳并恢复沥青粘结性质，30天后乳化沥青冷再生混合料含有很少量的水分，强度基本形成，最终达到与热拌沥青路面几乎相同的使用效果。因此，在整个乳化沥青冷再生路面成型的过程中，更多的是RAP料与乳化沥青之间的化学吸附起主导作用。
（2）目前制定的《沥青路面再生技术规范》和实施乳化沥青冷再生设计和施工的绝大多数人员以混合料研究和施工为主，对乳化剂和乳化沥青的知识缺乏足够的了解，因此对乳化沥青冷再生混合料的强度形成机理也缺乏深入的研究。
3. 乳化沥青冷再生混合料强度形成机理
（1）同热拌沥青混合料相比，乳化沥青冷再生混合料强度构成因素同样是材料的内聚力和内摩阻力;不同的是，乳化沥青冷再生混合料的内聚力和内摩阻力有一个动态的变化过程，在混合料初期和后期对混合料强度的贡献不同。内聚力主要由沥青的粘聚力及瀝青与矿料的粘附力组成，内摩阻力主要由铣刨料之间的嵌挤和摩擦构成。乳化沥青冷再生混合料的抗剪强度可通过三轴试验方法应用摩尔-库仑包络线方程求得。
（2）乳化沥青冷再生混合料必须经过乳液与集料的粘附、分解破乳、水分蒸发等环节之后才能完全恢复原有的粘结性能，同时在压实作用下，破乳后沥青与铣刨料紧密粘结在一起并最终形成强度。摊铺碾压初始阶段的乳化沥青冷再生混合料，由于沥青粘结力较低，所以混合料内聚力较低;同时混合料中存在较多水分，水的粘度低于沥青，水分在混合料中甚至起着“润滑”作用，降低集料间内摩阻力，此时混合料初期强度主要来源于内摩阻力，即内摩阻力对强度的贡献远大于内聚力。随着水分蒸发和行车荷载的压实作用，乳化沥青冷再生混合料密实度逐步增加，裹覆在铣刨料表面的沥青、乳化剂的分布状态进一步调整、强度不断增强，30天后强度几乎完全形成。此时混合料具有与热拌沥青混合料相同（接近）的路用性能，内聚力和内摩阻力同时起到重要作用，尤其是内聚力的提高，使强度有大幅的升高。
（3）由于乳化沥青在初期大部分还未破乳，未形成粘结力，内摩阻力在初期强度中起主要作用，后期由于路面的压实也会有一定的增长幅度，其大小主要与级配有关。但乳化沥青冷再生混合料大多由假级配的RAP料组成，实际级配组成中粗集料含量非常少，绝大部分集料粒径较细，难以形成骨架嵌挤结构。因此随着乳化沥青的破乳、凝结，内聚力逐渐在乳化沥青冷再生混合料体系中起主导作用，对整个混合料体系的强度贡献更大。
4. 乳化沥青冷再生混合料内聚力形成机理
沥青混合料（包括乳化沥青混合料）的内摩阻力与级配有关，内聚力则与沥青胶结料密切相关，但与热拌混合料有所不同，碾压后的路面温度降到环境温度后，热拌混合料的粘聚力就基本形成。但乳化沥青冷再生需要经历一个乳化沥青破乳、凝结，路面水分蒸发的过程，整个过程非常复杂和漫长，这个过程中，乳化剂的性质、乳化沥青的固含量和用量是影响混合料内聚力的关键。因此本文将主要通过这几个因素来探讨乳化沥青冷再生混合料粘聚力的强度形成机理。
4.1?沥青乳化原理及乳化剂的种类选择。
（1）对于乳化沥青来说，直接将沥青分散到水中需要克服巨大的界面张力作用，也就是说要施加很大的能量。且沥青分散到很小的颗粒时，其比表面积增加非常大，这样使产生的乳化沥青体系具有很高的能量状态，生成的乳液也不会稳定，因此在生产乳化沥青时，降低水的表面张力是非常必要的。表面活性剂由于具有亲水基和憎水基的两亲分子结构，能吸附于油水相排斥的界面上，从而降低油水之间的界面张力，使油水混合液能够在同一个体系内较为稳定的存在。沥青乳化剂是表面活性剂的一种，在进行乳化沥青生产时，乳化剂能够降低沥青与水之间的界面张力，同时由于乳化剂的离子特性，能够在形成的乳液中，使沥青颗粒带上电荷并形成界面膜及水合层，使得乳化沥青能够有较长时间的稳定储存。
（2）沥青乳化剂的种类很多，但总体来说，亲水基对沥青乳化剂的性质影响较大，所以通常按离子类型和亲水基的种类划分。按离子类型分为阳离子、阴离子、两性、非离子型沥青乳化剂;按破乳速度则分为快裂、中裂、慢裂乳化剂。乳化沥青冷再生中采用的主要为阳离子慢裂乳化剂，但这样的乳化剂有很多种。虽然乳化剂在乳化沥青中所占的比例较小，但其对乳化沥青的生产、储存及施工，均有较大的影响，所以，需要根据生产乳液的用途、乳化效果来精心的选择乳化剂的种类。在进行冷再生乳化沥青配方设计时，要综合考虑现场的气候条件、设计厚度、混合料级配、水泥品种及掺量、RAP料活性、拌和方式、成型方式、运距等等，因此在进行乳化剂选择时将至少考虑三个方面：乳化剂类型的选择、乳化剂效果的评价、乳化剂效率。
4.2?乳化沥青的固含量和用量。
（1）乳化沥青的固含量一般控制在55～70%之间，再生用的乳化沥青固含量甚至要求大于62%。较高的乳化沥青的固含量不仅能够节约运费（其中含有约40%的水），提高生产效率，而且还影响其与集料的裹覆状况、储存稳定性、破乳速度等。
（2）乳化沥青冷再生混合料中的乳化沥青最终是以沥青膜的形式覆盖在集料表面，较高的乳化沥青固含量能够提高较大的粘度，与集料结合时沥青膜的厚度也较厚，使混合料拌合时会有较理想的裹覆效果。同时较厚的沥青膜厚度对于再生混合料的抗水损性能和疲劳性能都有很大的帮助。因此在乳化沥青冷再生体系中，较高的乳化沥青固含量和乳化沥青用量是必要的。乳化沥青的固含量还影响其储存稳定性和破乳速度。由于乳化沥青的分散相粒子（沥青微粒）直径在0.1～10μm的范围内，远远大于溶液中分子的直径，因此属于粗分散的水包油体系，这种体系只能在一定的时间能处于相对稳定的状态，最终必然会出现油水分层现象，但合适的沥青固含量能够使乳化沥青储存较长的时间。乳化沥青是相界面很大的多相体系，带电荷的沥青微粒形成的液珠有自发凝结，以降低体系总界面能的倾向。虽然油水界面之间界面张力的降低有助于乳化沥青的稳定，但乳化沥青中的液珠一直是处于相互碰撞的布朗运动中。如果碰撞过程中界面膜破裂，两个液珠将并结成一个大液珠。这一过程继续下去，使体系的自由能降低，最终将导致乳化沥青的破乳分层。
（3）沥青固含量较低时，液珠界面上吸附的分子较少，界面膜的强度较差，宏观上表现出乳化沥青的粘度较小，体系阻止沥青微粒下沉的浮力也较小，油水会较快的分层，体系失去相对稳定状态;固含量逐渐增大，沥青微粒形成的液珠排列逐渐紧密，界面膜也由比较紧密的、定向吸附的分子组成，界面膜的强度较高，碰撞过程中不易破裂。宏观上则乳化沥青的粘度也逐渐增加，沥青微粒在体系中处于较为平衡的状态，乳化沥青能够较为稳定的储存;固含量继续增大，液珠排列更加紧密，沥青微粒双电层结构外层的扩散层逐渐变薄，ζ电位减小，界面膜的强度降低，沥青微粒在碰撞过程中容易并结成团，导致乳化沥青破乳分层。宏观上表现为沥青含量升高，乳化沥青的粘度继续增大，由于沥青比表面积的增大没有足够多的水分来形成水包油的结构，造成结构破坏，乳化沥青破乳，体系失去穩定性。根据《壳牌沥青手册》，普通乳化沥青的粘度在固含量67.5%左右出现拐点，固含量继续增大，乳化沥青的破乳速度会逐渐加快，体系的储存稳定性变差。
（4）由于再生混合料在拌合过程中需要加入外加水，一方面是使RAP料表面形成水膜界面，便于乳化沥青与集料的裹覆;另一方面也使乳化沥青稀释，固含量降低，乳化沥青冷再生混合料体系的粘度降低，便于混合料拌合、摊铺、碾压等施工过程中的和易性。以冷再生施工时乳化沥青固含量62%，用量3.5%，外加水（包括RAP料本身含水率）2.5%計算，乳化沥青的固含量相当于从62%降低到36.17%，因此体系粘度大为降低，具有较好的施工和易性。但混合料中的乳化沥青在外界环境的影响、机械的拌合、以及RAP料和水泥等强电解质的加入等作用下会逐渐破乳，水分会逐渐散失。相对而言就是乳化沥青的固含量逐渐升高，粘度逐渐增大，混合料的内部粘聚力逐渐增大，施工和易性逐渐降低。理想的乳化沥青冷再生混合料是希望在拌合和摊铺的过程中，乳化沥青具有较好的保水性，破乳速度较慢，混合料体系的粘度不至增加过大使混合料失去施工和易性。但是在碾压阶段又希望乳化沥青能够尽快破乳，将体系中的水分泌出，沥青能够尽快凝结形成强度，缩短混合料的养生时间，便于尽快通车。
（5）因此，在进行冷再生乳化沥青配方设计时，实际上是一个平衡的过程，平衡强度、性能和施工和易性的过程。我们希望设计出的乳化沥青配方能够较好的符合上述施工过程中的需要，配方设计的破乳速度过快和过慢都容易出现工程质量问题。配方设计的过快，乳化沥青在拌合和运输过程中可能就已大量破乳，容易造成混合料拌合电流过大，经常需要停机清理，混合料因结团而卸车困难、碾压粘轮、横向裂纹、压实度不足等现象;配方设计的过慢，混合料则对水敏感性很强，稍微增加用水量就会导致混合料浆态流淌，粘车、碾压弹簧现象，对天气也非常敏感，遇下雨则很难形成强度。
5. 结论
相对于热拌沥青混合料来说，乳化沥青混合料的强度形成机理是一个非常复杂的过程。本文结合化学和道路材料两方面的知识，分别从微观角度和宏观角度对乳化沥青冷再生混合料的强度形成机理进行分析，结论如下：
（1）乳化沥青冷再生混合料的强度完全形成非常漫长，需要经历水分不断蒸发、乳化沥青不断破乳并恢复沥青粘结性质的过程。
（2）乳化沥青冷再生混合料的强度仍然由内聚力和内摩阻力形成，内摩阻力与级配有关，内聚力与乳化沥青的粘结性能有关。在强度形成初期，乳化沥青并未破乳化，内摩阻力起主要作用，之后随着乳化沥青的破乳，内聚力呈大幅度增加，并逐渐占主导地位。
（3）乳化剂种类、乳化沥青的固含量和用量通过影响乳化沥青与集料的裹覆状况、乳化沥青的破乳速度和储存稳定性来影响乳化沥青冷再生混合料内聚力的形成，并分析了其影响机理。
