基于地聚反应的冷拌沥青混合料强度特性与机理探讨

张 岩，周圣杰，樊 亮

(山东省交通科学研究院，山东省新路面材料与工程技术实验室，济南 250100)

0 引 言

随着绿色建设理念不断深入，传统沥青路面建设和养护中发展出了冷拌冷铺沥青混合料技术。该技术不需要对矿料、沥青进行加热和高温摊铺，大大降低建设能耗和气体排放，是行业新技术发展的热点之一[1-2]。但由于冷拌沥青混合料(下文简称冷拌料)初期强度较小，道路结构中应用层位低，无法直接充当面层使用；或者只能应用在交通量小的农村低等级路面中[3]；限制了冷拌料的技术推广。为此，很多研究者开展了旨在提高冷拌料强度、粘结力、耐久性等方面的研究。如研究者利用水性环氧树脂改性乳化沥青作为冷拌沥青，可较好地提升冷拌料的高温与水稳定性[4-5]；将聚氨酯加入到岩沥青中制备冷拌沥青，可提高冷拌料的强度与低温抗裂的效果[6]；更多的研究者利用价格实惠的水泥、石灰等无机材料，将其掺加到乳化沥青冷拌料中，可较好地提高强度，降低工程造价[7-9]。

地聚反应是一种无机化学反应过程，不需要加热，物料体系的强度形成快，强度随养生龄期的增加而增加，耐久性好[10]，结合现状，本文基于地质聚合原理，采用无机材料和稀释沥青进行冷拌沥青混合料的研制和评价。利用地聚物作为添加剂，开发了基于地聚反应原理的冷拌料，进行了强度性能、水稳定性方面的检测和分析，确定了地聚物物料的最佳掺量，提出该冷拌料的适宜养生周期；并通过微观观测及离散元细观试验模拟，得出具有地聚反应的冷拌料强度特性及细观抗压机理。

1 实 验

1.1 材料组成与制备

1.1．1 稀释沥青

稀释沥青采用生产较为方便、价格实惠的溶剂型冷拌沥青，基质沥青选择壳牌70#基质沥青，相关指标如表1所示，稀释剂选择煤油，各项指标均满足 《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)(简称规范)要求。

表1 基质沥青技术指标Table 1 Technical indexes of base asphalt

1.1.2 地聚物物料

地聚添加剂为调配的地聚物，主要包括水玻璃(液态)、氢氧化钠(NaOH)无机碱等物质。其中，水玻璃为嘉兴市某化工公司生产，化学成分与物理参数如表2所示。

表2 水玻璃化学成分及物理参数Table 2 Chemical composition and physical parameters of sodium silicate

NaOH为天津市某化学试剂公司生产，相对分子质量为40.00，杂质最高质量分数为3.4%。本文采用水玻璃与NaOH按质量比为1 ∶1进行掺配使用。

1.1.3 矿料与级配

集料采用山东省济南地区石灰岩与石灰岩矿粉，各项指标均满足规范要求。为了使地聚物与矿粉及集料中石粉等更好地形成胶凝产物[11]，选择粒径较小、接触面积较大、结构稳定的SMA-5作为该冷拌料的级配类型，设计级配曲线图如图1所示。

图1 设计级配曲线图Fig.1 Design grading curves

根据规范及工程经验，油石比(文中油为基质沥青与添加剂总量)参照常规热拌沥青混合料，采用质量分数7%，基质沥青与稀释剂的稀释质量比采用4 ∶1。因矿粉过多会影响冷拌料的粘结性，矿粉适合掺量采用占集料总质量的3%～5%，并在保证骨架密实结构的基础上，合理调整集料的用量[12]。

1.1.4 冷拌沥青混合料的制备

冷拌料的生产过程中，采用沥青混合料拌合机进行拌和，拌和过程为先将集料与沥青拌和均匀后，再加入地聚添加剂与矿粉进行二次拌和。经多次拌和试验分析并参考规范要求，按表3中的不同温度对冷拌料的各部分进行加热，可实现充分拌和均匀。

由于地聚物为无机物，所以试件成型后，需要一定的养生时间生成强度，结合《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)的养生周期与地聚物自身特性，选择在室温密封条件下养生7 d作为养生条件。

表3 不同材料的加热温度Table 3 Heating temperatures of different materials

1.2 试验方法

地聚物生成的胶凝物质可以较好地提升冷拌料的抗压强度[13]，但过多的胶凝物会阻隔一部分沥青与集料的接触，降低冷拌料粘结性。为了更好地探究地聚添加剂对冷拌料强度的影响特性，本文采用马歇尔稳定度试验作为宏观试验方法，通过稳定度评价指标，对冷拌料的强度与稳定性等进行评价。

将尺寸为φ101.6 mm×H63.5 mm的马歇尔试件置于60 ℃水浴中0.5 h后，通过马歇尔稳定度仪进行加载试验，加载速率为50 mm/min，如图2～图3所示。

图2 试件在恒温条件下浸水Fig.2 Specimens immersed in water at constant temperature

图3 试件加载过程Fig.3 Loading process of specimen

为了验证材料的水稳定性，本文采用浸水马歇尔试验，该试验是在马歇尔稳定度试验的基础之上，将试件预先在一定温度的浸水条件下养生48 h后进行试验，计算得到残留稳定度指标，以此评价混合料在浸水条件下的强度与水稳定性能,公式如式(1)所示。

(1)

式中：MS0为残留稳定度，%；MS为稳定度；MS1为浸水48 h后的稳定度。

为了探究地聚添加剂对冷拌料强度的影响特性与细观机理，采用荧光显微镜与离散元分析方法，荧光显微镜可直接对物体的细观结构进行观测分析，而离散元方法则可通过模拟试验，得到内部力学特性及细观机理等[14-15]。

2 宏观强度分析

2.1 地聚添加剂掺量对强度的影响

本文采用地聚添加剂掺量逐级递加的方式，选择基质沥青与地聚添加剂的质量比4 ∶0、4 ∶1、4 ∶2、4 ∶3、4 ∶4、4 ∶5、4 ∶6进行分析，具体稳定度试验数据如表4所示。

表4 不同地聚添加剂掺量下的冷拌料稳定度Table 4 Stability of cold mix under different geopolymer additive content /kN

由表4可以看出，稳定度随地聚物掺量的增加先增大后减小，在4 ∶3时达到最大值，当掺量比例在4 ∶6时，稳定度远远小于平均值。原因在于初始胶凝产物的生成增加了混合料整体强度，但后期过多的胶凝物影响了沥青与集料的粘结力。

2.2 浸水对强度的影响

采用浸水马歇尔试验进行进一步分析，当掺量比例达到4 ∶5时，试件在60 ℃条件下浸水后已呈半松散状态，综合考虑为沥青含量较少，且经高温后变软，粘结性过低造成。所以，本文继续采用常温25 ℃条件下浸水48 h后的试件进行稳定度试验，并计算残留稳定度，得到不同地聚添加剂掺量下的试验结果，如表5所示。

表5 不同地聚添加剂掺量与温度下的冷拌料浸水马歇尔试验结果Table 5 Immersion Marshall test results of cold mix under different geopolymer additive content and temperatures

将数据整理后得到不同地聚添加剂掺量与温度下的冷拌料稳定度和残留稳定度的曲线如图4、图5所示。由图4可以看出，25 ℃下的稳定度均高于60 ℃下的稳定度，说明温度是影响强度的主要因素，而地聚物的添加并不能有效防治温度对强度的影响，但同等条件下，稳定度随地聚添加剂掺量变化的趋势基本一致，均在4 ∶3时达到峰值；从图5中的残留稳定度在不同温度下的变化趋势也可以看出，随地聚添加剂的增加，残留稳定度逐渐减小，一方面是由于沥青含量逐渐较小，使粘结性降低，另一方面也说明了地聚物的防水损害性相对较弱。

图4 不同地聚添加剂掺量与温度下冷拌料稳定度Fig.4 Stability of cold mix under different geopolymer additive content and temperatures

图5 不同地聚添加剂掺量与温度下冷拌料残留稳定度Fig.5 Residual stability of cold mix under different geopolymer additive content and temperatures

图6 地聚添加剂各区间残留稳定度减小速率Fig.6 Reduction rate of residual stability of geopolymer additive in each interval

分别以两种温度下相邻两点间的斜率作为残留稳定度的减小速率进行计算，公式如式(2)所示。

(2)

式中：v为残留稳定度的减小速率；di为i点在x轴的位置；msi为i点处的残留稳定度。图6为地聚添加剂各区间残留稳定度减小速率及拟合曲线。

由图6可以看出，减小速率v均表现为先减小后增大的趋势，在地聚添加剂质量分数1%～2%与2%～3%间强度损失率最小，而在相同的比例区间内，60 ℃的v普遍大于25 ℃下的v，说明温度越高，冷拌料的水损坏越严重，强度损失越快，当比例区间在2%～3%时，两种温度下的v最接近，说明该比例区间内的冷拌料稳定性最高，且受水损坏的影响最小，强度在不同温度下的减小率最低，温度敏感性也最低。

2.3 养生龄期对强度的影响

由于冷拌冷铺沥青路面属于面层，应尽早开放交通，不适合长时间养生。所以，本文采用在普通室内密封环境下，设定最长养生时间为14 d，养生时间内的起始时间点为成型试件完成时间，对总养生时间在0 d、3 d、7 d、10 d、14 d的试件进行稳定度试验，根据2.2节研究，基质沥青与地聚添加剂的掺配比例采用最佳掺量4 ∶3，试验结果如表6所示。

表6 不同养生时间下的稳定度Table 6 Stability under different curing time

由表6可以看出，当养生时间为0 d时，地聚添加剂形成强度低，试件的稳定度小于规范要求。但3 d之后，稳定度逐渐增加。为了更好地说明强度随龄期的变化，对不同养生时间的强度增长率进行分析，公式如式(3)所示。

(3)

式中：S为增长率；Ms为稳定度；D为养生时间，养生时间点间的强度增长量与增长率如图7、图8所示。

图7 不同养生时间段的稳定度增长变化Fig.7 Change of stability growth in different curing periods

图8 稳定度增长随养生时间的变化Fig.8 Change of stability growth with curing time

由图7可以看出强度增长随养生时间的增加逐渐下降，由10 d至14 d的稳定度只增加了0.44 kN，平均增长率仅约为0.15 kN/d。由图8可以看出，虽然从初始养生时间起，试件总体强度随养生时间的增加而增加，但强度增长率仍然逐渐减小。所以，在满足强度条件下，养生时间至少在3 d左右。

3 微观结构及细观强度机理

3.1 微观结构

采用荧光显微镜对具有地聚添加剂的冷拌料进行观测，如图9～图12所示。可以看出地聚添加剂所生成的胶凝物质与沥青共同作用，形成了一层附着于集料表面的粘结层，并粘附一些极小集料颗粒。而地聚物由于是在冷拌沥青与集料预先拌和后添加，所以胶凝物紧密地裹覆于集料与沥青的表面。当冷拌料外部受力时，外层的地聚物最先受力，而当冷拌料被破坏时，同样是外层地聚物先被破坏。

图9 放大10倍的荧光显微图像Fig.9 Fluorescence micrograph with magnification of 10

图10 附着于表面的细小集料颗粒(×10)Fig.10 Fine aggregate particles attached to the surface (×10)

图11 放大20倍的荧光显微图像Fig.11 Fluorescence micrograph with magnification of 20

图12 胶凝物与沥青间的相互粘结(×20)Fig.12 Mutual adhesion between binder and asphalt (×20)

3.2 离散元细观分析

通过PFC2D软件，对冷拌料试件进行马歇尔试验的离散元模拟，由于SMA-5中的集料偏细，棱角性不明显，所以直接采用圆形颗粒代替集料。由于一部分0～3 mm集料可以与沥青及地聚添加剂结合形成相应的砂浆体，所以，综合考虑该级配下的沥青用量，选择合理的虚拟成型级配比例，如表7所示，粗集料颗粒间的接触模型采用点接触，相关参数设置如表8所示。

表7 冷拌沥青混合料SMA-5级配与组成比例Table 7 Gradation and composition ratio of SMA-5 cold mix asphalt mixture

表8 点接触模型参数Table 8 Parameters of point contact model

沥青砂浆与地聚物则采用半径为0.6～1.18 mm的圆颗粒代替，添加地聚物的冷拌料不满足粘弹特性，所以采用平行粘结模型，模拟混合料间的粘结，参数参考相关文献[16]，如表9所示。

表9 平行粘结参数Table 9 Parallel bonding parameters

图13为模拟的虚拟马歇尔试件加载破坏的过程，其中，大粒径颗粒为3～5 mm粒径的集料，中等粒径颗粒为0～3 mm粒径的集料，沥青砂浆与地聚添加剂形成的胶凝物质均为小粒径颗粒。对上侧墙体设定50 mm/min的竖直向下的速度，下侧墙体设定0 mm/min的速度且位置坐标不随外力等因素发生变化，以此施加荷载。当试件被破坏时，可以看出损坏裂缝位于承压点的正下方。

图13 虚拟马歇尔试件加载破坏过程Fig.13 Damage process of virtual Marshall specimen during loading

图14为试件由初始状态至加载破坏的接触力分布，可以看出接触力随荷载的不断增加而增大，且主要分布于承压点的竖直方向，并在破坏后，裂缝处接触力消失，位于承压点下方，说明主要承受荷载的位置及易损点均位于承压点的正下方。

图14 加载过程中接触力分布Fig.14 Contact force distribution during loading

图15 试件破坏时受拉(外侧)与受压(内侧)位置Fig.15 Tensile (outside) and compression (inside) positions of specimen after damage

图15为试件破坏过程中混合料受拉(Tension)与受压(Compression)的力分布云图，可以看出试件内部受压外部受拉，当压力过大时产生裂缝。图16为试件破损时的粘结键断开图，可以看出裂缝处的粘结键已断裂，此处裂缝发生时，抗压强度达到最大，对应图17中曲线峰值处的应力，而模拟的应力-应变曲线(见图17)也与实际试验中的应力-应变变化一致，验证了离散元模拟稳定度试验的可行性。

由于集料在试件受压过程下的位移形态是直接反映内部细观变化的主要特征，所以本文对集料的位移变化进行了细观下的模拟分析，图18为荷载加压过程中集料颗粒的位移云分布图。

图16 粘结键的断裂Fig.16 Fracture of bond

图17 虚拟试验下的应力-应变曲线Fig.17 Stress-strain curve under virtual test

图18 试件受压至损坏过程中的集料位移云图Fig.18 Nephogram of aggregate displacement during compression to damage

由图18可以看出，初始加压时，试件处于稳压期，颗粒位移相对稳定，当压力逐渐增大时，试件内部开始出现位移方向的不稳定性，并且具有向压力反方向运动的趋势，形成内部涡流力，当压力继续增加时，由于试件强度无法抵抗外部荷载，颗粒由中部向两侧开始位移，随着压力的继续增大，最终发生破裂，破裂位置位于承压点的竖直方向，进一步说明了竖直方向是主要承受压力的方向。

综上所述，马歇尔试验过程中，承压点下的竖直方向是主要承受荷载的位置，而抵抗荷载与变形的能力大部分由竖直方向上的强度与刚度决定，所以，冷拌料中，单纯的以沥青为结合物，粘结力会得到加强，但形成的强度远不及地聚物充分养生后，所形成的胶凝裹覆下的强度。所以，依据上述分析，在不考虑水损害等条件的影响下，掺加一定的地聚添加剂，冷拌料的强度可得到较大的提升。

4 结 论

(1)随着地聚添加剂掺量的增加，冷拌料的稳定度先增大后减小，在基质沥青与地聚添加剂质量比为4 ∶3时达到峰值。

(2)温度是影响冷拌料稳定度的主要因素，而地聚物的添加并不能有效改变温度对强度的影响，随地聚添加剂的增加，残留稳定度逐渐减小，地聚物的防水损害性相对较弱，且浸水的温度越高，浸水时间越长，冷拌料的强度与水稳定性越低。

(3)通过对不同养生龄期下的稳定度试验结果分析，得出冷拌料强度随养生龄期的增加而增加，强度增长率随养生龄期的增加而逐渐减少，结合工程要求，建议养生时间应不少于3 d。

(4)通过荧光显微镜对冷拌料进行细观分析，沥青被地聚物生成的胶凝产物裹覆，进而粘附在集料颗粒的表面形成强度；进一步采用离散元方法模拟马歇尔稳定度试验，得到承压点下的竖直方向是主要承受荷载的位置，地聚物生成的胶凝物裹覆可以抵抗竖向荷载，较大地增加冷拌料的强度与刚度。