1. 引言
在当今时代，随着城市化进程的加速推进以及交通量的持续攀升，道路建设规模不断扩大。与此同时，全社会对环境保护的重视程度日益加深，对道路材料的可持续性与性能提出了更为严苛的要求。传统的热拌沥青混合料在道路建设中曾占据主导地位[1]-[4]，但其生产过程存在诸多弊端。一方面，热拌沥青混合料需要将骨料和沥青加热至较高温度，这一操作不仅消耗大量能源，据相关统计，每生产1吨热拌沥青混合料，能耗约为15~20千克标准煤；另一方面，高温加热过程会导致大量污染物排放，如二氧化硫、氮氧化物以及粉尘等，对环境造成严重污染。
冷再生沥青混合料技术作为一种极具潜力的绿色道路材料技术[5]-[10]，应运而生并逐渐受到广泛关注。该技术充分利用旧沥青路面铣刨后的材料，通过添加沥青乳液和无机添加剂等，经过拌和、摊铺和压实等一系列工序，最终形成新的路面结构层。其中，沥青乳液在常温下具有良好的流动性，能够在较低温度条件下迅速且均匀地包裹骨料，从而有效降低能源消耗；无机添加剂则通过复杂的化学反应，改善混合料的物理力学性能，提升路面质量。因此，深入研究含沥青乳液和无机添加剂的冷再生沥青混合料性能，对于推动道路工程的绿色可持续发展、降低建设成本、延长道路使用寿命具有极为重要的现实意义。
国内外众多学者围绕冷再生沥青混合料开展了广泛且深入的研究。在沥青乳液方面[11]-[13]，研究主要聚焦于不同类型沥青乳液的破乳特性、与骨料的粘附性能以及对混合料初期强度形成的影响机制。例如，阳离子快裂型沥青乳液破乳速度较快，能够在短时间内形成初期强度，但可能会对后期强度增长产生一定限制；而阳离子慢裂型沥青乳液破乳速度相对较慢，有利于在较长时间内保持混合料的工作性能，对后期强度发展较为有利。
在无机添加剂的研究领域[14]-[16]，主要关注其种类、掺量对混合料强度增长以及耐久性提升的作用机制。以普通硅酸盐水泥为例，其在水化过程中，水泥中的硅酸三钙C3S和硅酸二钙C2S等矿物成分会与水发生反应，生成大量的水化硅酸钙C-S-H凝胶和氢氧化钙Ca(OH)2晶体，这些产物填充在骨料之间的空隙中，增强了混合料的骨架结构和粘结性能，从而显著提高强度和耐久性。
然而，当前研究在沥青乳液与无机添加剂的协同作用对冷再生沥青混合料性能的综合影响方面，仍存在明显不足。虽然已经对沥青乳液和无机添加剂各自的作用进行了大量研究，但对于两者在混合料中如何相互作用、协同影响性能的研究还不够系统和深入。此外，对于不同原材料特性与混合料性能之间的定量关系研究也有待进一步加强，现有的研究成果大多停留在定性描述阶段，缺乏精确的数学模型和量化分析，这在一定程度上限制了冷再生沥青混合料技术的精准应用和优化设计。
2. 实验方法及材料
2.1. 原材料
2.1.1. 沥青乳液
选用阳离子慢裂型沥青乳液，其技术指标如下：沥青含量为50%，筛上剩余量(1.18 mm筛)不超过0.1%，恩格拉粘度(E25)为5~10，蒸发残留物含量不低于48%，残留物针入度(25˚C, 100 g, 5 s)为60~100 (0.1 mm)，残留物延度(15˚C)不小于40 cm。
2.1.2. 无机添加剂
采用普通硅酸盐水泥作为无机添加剂，其强度等级为42.5，初凝时间不早于45 min，终凝时间不迟于10 h，安定性合格，3 d抗压强度不低于17 MPa，28 d抗压强度不低于42.5 MPa。
2.1.3. 骨料
再生骨料取自新疆地区某旧沥青路面铣刨料，经过筛分处理后，其级配满足规范要求。新骨料选用石灰岩碎石，其压碎值不大于26%，洛杉矶磨耗损失不大于30%，表观相对密度不小于2.60，坚固性不大于12%，针片状含量不大于15%。
2.2. 实验设备
使用强制间歇式搅拌机进行混合料拌和；采用万能材料试验机测试混合料的抗压强度、劈裂强度和抗剪强度；利用车辙试验机评价混合料的高温稳定性；通过低温弯曲试验机测试混合料的低温抗裂性；借助浸水马歇尔试验仪和冻融劈裂试验仪评估混合料的水稳定性。
2.3. 实验方案
2.3.1. 配合比设计
采用马歇尔设计方法，以再生骨料与新骨料的比例为6:4，固定水泥掺量分别为3%、4%、5%，沥青乳液用量在4%~6%范围内变化，设计不同配合比的冷再生沥青混合料，具体配合比如表1所示。
Table 1. Design of mix proportion (Recycled aggregate:New aggregate = 3:2)
表1. 配合比设计(再生骨料：新骨料 = 3:2)
编号 |
水泥掺量(%) |
沥青乳液用量(%) |
编号 |
水泥掺量(%) |
沥青乳液用量(%) |
1 |
3 |
4 |
9 |
4 |
5.5 |
2 |
3 |
4.5 |
10 |
4 |
6 |
3 |
3 |
5 |
11 |
5 |
4 |
4 |
3 |
5.5 |
12 |
5 |
4.5 |
5 |
3 |
6 |
13 |
5 |
5 |
6 |
4 |
4 |
14 |
5 |
5.5 |
7 |
4 |
4.5 |
15 |
5 |
6 |
8 |
4 |
5 |
|
|
|
2.3.2. 性能测试
对不同配合比的冷再生沥青混合料进行全面的力学性能测试。在测试抗压强度时，将混合料按照标准方法制成边长为150 mm的立方体试件。试件成型后，放置在标准养护条件下(温度20 ± 2℃，相对湿度95%以上)养护至规定龄期(7 d、14 d、28 d)。然后在万能材料试验机上，以0.5 MPa/s的加载速率进行加载直至破坏，记录破坏荷载，并根据公式计算抗压强度。
劈裂强度测试采用直径为100 mm、高为100 mm的圆柱体试件。同样在标准养护条件下养护至规定龄期后，在万能材料试验机上，以0.05 MPa/s的加载速率进行加载，通过劈裂破坏荷载计算劈裂强度。
抗剪强度测试采用直剪试验方法，试件尺寸为边长150 mm的立方体。在标准养护至28 d后，在万能材料试验机上，按照规定的加载速率进行加载，测定抗剪强度。
同时，进行路用性能测试。高温稳定性测试时，将混合料按照标准方法制成尺寸为300 mm × 300 mm × 50 mm的车辙板试件。试件在60℃的车辙试验机中，以0.7 MPa的轮压和42次/min的行走速度进行车辙试验，记录试件在一定时间内的变形情况，通过公式计算出车辙动稳定度，以此评价混合料的高温稳定性。
低温抗裂性测试时，将混合料制成尺寸为250 mm × 30 mm × 35 mm的小梁试件。在−10℃的低温弯曲试验机中，以50 mm/min的加载速率进行弯曲试验，测量小梁试件破坏时的弯曲应变，以此评价混合料的低温抗裂性。
水稳定性测试包括浸水马歇尔残留稳定度测试和冻融劈裂强度比测试。浸水马歇尔残留稳定度测试时，先将马歇尔试件在常温下浸水48 h，然后在规定的加载速率下测定其残留稳定度；冻融劈裂强度比测试时，将圆柱体试件进行冻融循环处理(−18℃冷冻16 h，60℃水浴24 h为一个循环)，经过规定次数的冻融循环后，测定其劈裂强度，并与未经过冻融循环的试件劈裂强度相比，计算冻融劈裂强度比，以此评价混合料的水稳定性。
3. 结果及分析
3.1. 力学性能
3.1.1. 抗压强度
随着水泥掺量的增加，冷再生沥青混合料的抗压强度呈现出显著的上升趋势。从微观层面剖析，水泥中的主要矿物成分，如硅酸三钙C3S和硅酸二钙C2S，在与水接触后迅速发生水化反应。C3S水化生成水化硅酸钙C-S-H凝胶和氢氧化钙Ca(OH)2，C2S的水化反应相对较慢，但同样生成C-S-H凝胶，这些产物相互交织，逐步构建起稳固的刚性骨架结构，极大地增强了混合料的整体承载能力。
Table 2. Compressive strength of cold reclaimed asphalt mixture under different working conditions
表2. 不同工况条件下冷再生沥青混合料抗压强度
编号 |
水泥掺量(%) |
沥青乳液用量(%) |
7 d抗压强度(MPa) |
28 d抗压强度(MPa) |
编号 |
水泥掺量(%) |
沥青乳液用量(%) |
7 d抗压强度(MPa) |
28 d抗压强度(MPa) |
1 |
3 |
4 |
2.0 |
3.0 |
9 |
4 |
5.5 |
2.7 |
3.9 |
2 |
3 |
4.5 |
2.2 |
3.2 |
10 |
4 |
6 |
2.5 |
3.7 |
3 |
3 |
5 |
2.4 |
3.4 |
11 |
5 |
4 |
2.6 |
4.2 |
4 |
3 |
5.5 |
2.3 |
3.3 |
12 |
5 |
4.5 |
2.9 |
4.5 |
5 |
3 |
6 |
2.1 |
3.1 |
13 |
5 |
5 |
3.5 |
5.8 |
6 |
4 |
4 |
2.3 |
3.6 |
14 |
5 |
5.5 |
3.3 |
5.5 |
7 |
4 |
4.5 |
2.6 |
3.8 |
15 |
5 |
6 |
3.1 |
5.2 |
8 |
4 |
5 |
2.8 |
4.0 |
|
|
|
|
|
在相同水泥掺量条件下，沥青乳液用量的变化对混合料抗压强度的影响呈现出先增后减的规律。当沥青乳液用量处于较低水平时，随着用量的增加，其良好的流动性使其能够充分包裹骨料，填充骨料间的微小空隙，有效提高了混合料的密实度，进而增强了抗压强度。然而，当沥青乳液用量超过一定阈值后，过多的沥青乳液会在骨料表面形成较厚的润滑膜，削弱了水泥水化产物之间以及水泥与骨料之间的粘结力，导致抗压强度下降。
以7 d龄期为例，水泥掺量为3%时，沥青乳液用量从4%增加到5%，抗压强度从2.0 MPa提升至2.4 MPa；而当沥青乳液用量进一步增加到6%时，抗压强度降至2.1 MPa。28 d龄期时，水泥掺量为5%、沥青乳液用量为5%的混合料抗压强度达到5.8 MPa，这一数据充分验证了上述规律。详细数据见表2。
3.1.2. 劈裂强度
劈裂强度的变化趋势与抗压强度具有相似性。水泥掺量的增加，通过其水化反应生成的大量胶凝产物，不仅增强了骨料之间的粘结强度，还使混合料内部结构更加紧密，从而显著提高了劈裂强度。同时，沥青乳液在其中发挥着不可或缺的作用。适量的沥青乳液能够在骨料表面形成连续的粘结膜，增强了骨料与沥青之间的粘附力，使得混合料在承受拉应力时，能够更好地协同工作，减少内部裂缝的产生和扩展，进而提高劈裂强度。
在14 d龄期时，水泥掺量为4%、沥青乳液用量为5.5%的混合料劈裂强度达到0.6 MPa；到28 d龄期时，劈裂强度增长至0.8 MPa。对比不同水泥掺量和沥青乳液用量下的劈裂强度数据可以发现，当水泥掺量从3%提高到4%，且沥青乳液用量保持在5%~5.5%范围时，劈裂强度有较为明显的提升。这进一步表明了水泥和沥青乳液在提高混合料抵抗拉应力方面的协同作用。具体数据见表3。
Table 3. Splitting strength of cold reclaimed asphalt mixture under different working conditions
表3. 不同工况条件下冷再生沥青混合料劈裂强度
编号 |
水泥掺量(%) |
沥青乳液用量(%) |
14 d劈裂强度(MPa) |
28 d劈裂强度(MPa) |
编号 |
水泥掺量(%) |
沥青乳液用量(%) |
14 d劈裂强度(MPa) |
28 d劈裂强度(MPa) |
1 |
3 |
4 |
0.4 |
0.5 |
9 |
4 |
5.5 |
0.6 |
0.8 |
2 |
3 |
4.5 |
0.42 |
0.52 |
10 |
4 |
6 |
0.58 |
0.78 |
3 |
3 |
5 |
0.45 |
0.55 |
11 |
5 |
4 |
0.52 |
0.72 |
4 |
3 |
5.5 |
0.44 |
0.54 |
12 |
5 |
4.5 |
0.58 |
0.8 |
5 |
3 |
6 |
0.41 |
0.51 |
13 |
5 |
5 |
0.6 |
0.85 |
6 |
4 |
4 |
0.48 |
0.6 |
14 |
5 |
5.5 |
0.59 |
0.83 |
7 |
4 |
4.5 |
0.52 |
0.65 |
15 |
5 |
6 |
0.56 |
0.8 |
8 |
4 |
5 |
0.55 |
0.7 |
|
|
|
|
|
3.1.3. 抗剪强度
抗剪强度随着水泥掺量的增加而显著增大。水泥水化产物填充了骨料间的空隙，使得骨料排列更加紧密，增大了颗粒间的摩擦力。同时，这些水化产物与骨料表面发生化学反应，形成化学键合，进一步增强了颗粒间的粘结力。沥青乳液在抗剪性能提升方面也发挥着重要作用。其在骨料表面形成的粘结膜，不仅提高了骨料之间的粘附性，还在一定程度上起到了应力传递和分散的作用，使得混合料在受到剪切力时，能够更有效地抵抗破坏。
当水泥掺量为4%、沥青乳液用量为5%时，混合料在28 d龄期的抗剪强度达到1.2 MPa。与其他配合比相比，这一配合比下的抗剪强度相对较高，表明在该配比下，水泥的胶凝作用和沥青乳液的粘结作用达到了较好的协同效果。通过对不同配合比抗剪强度数据的分析可以发现，水泥掺量从3%增加到4%时，抗剪强度有较为明显的提升；而沥青乳液用量在4%~5%范围内变化时，对抗剪强度的影响较为显著。详细数据见表4。
Table 4. Shear strength of cold reclaimed asphalt mixture under different working conditions
表4. 不同工况条件下冷再生沥青混合料抗剪强度
编号 |
水泥掺量(%) |
沥青乳液用量(%) |
28 d抗剪强度(MPa) |
编号 |
水泥掺量(%) |
沥青乳液用量(%) |
28 d抗剪强度(MPa) |
1 |
3 |
4 |
0.8 |
9 |
4 |
5.5 |
1.15 |
2 |
3 |
4.5 |
0.85 |
10 |
4 |
6 |
1.1 |
3 |
3 |
5 |
0.9 |
11 |
5 |
4 |
1.0 |
4 |
3 |
5.5 |
0.88 |
12 |
5 |
4.5 |
1.1 |
5 |
3 |
6 |
0.82 |
13 |
5 |
5 |
1.2 |
6 |
4 |
4 |
0.95 |
14 |
5 |
5.5 |
1.18 |
7 |
4 |
4.5 |
1.05 |
15 |
5 |
6 |
1.15 |
8 |
4 |
5 |
1.2 |
|
|
|
|
3.2. 路用性能
3.2.1. 高温稳定性
车辙动稳定度测试结果清晰地表明，随着水泥掺量的增加，冷再生沥青混合料的高温稳定性得到显著提高。在高温环境下，水泥水化产物形成的刚性骨架结构能够有效限制骨料的相对位移，抵抗因车辆荷载反复作用而产生的变形。当水泥掺量从3%增加到5%时，60℃车辙动稳定度从1500次/mm大幅提高到3000次/mm以上。
沥青乳液用量对高温稳定性的影响较为复杂。适量的沥青乳液能够使混合料具有更好的整体性，增强骨料之间的粘结力，从而在一定程度上提高高温稳定性。然而，当沥青乳液用量过多时，在高温下沥青乳液容易变软，其粘度降低，无法有效地约束骨料的运动，导致高温稳定性下降。例如，在水泥掺量为3%时，沥青乳液用量从4%增加到5%，车辙动稳定度从1500次/mm提高到1700次/mm；但当沥青乳液用量进一步增加到6%时，车辙动稳定度降至1550次/mm。具体数据见表5。
Table 5. Rutting stability of cold recycled asphalt mixture under different working conditions
表5. 不同工况条件下冷再生沥青混合料车辙动稳定度
编号 |
水泥掺量(%) |
沥青乳液用量(%) |
60℃车辙动稳定度(次/mm) |
编号 |
水泥掺量(%) |
沥青乳液用量(%) |
60℃车辙动稳定度(次/mm) |
1 |
3 |
4 |
1500 |
9 |
4 |
5.5 |
2400 |
2 |
3 |
4.5 |
1600 |
10 |
4 |
6 |
2300 |
3 |
3 |
5 |
1700 |
11 |
5 |
4 |
2800 |
4 |
3 |
5.5 |
1650 |
12 |
5 |
4.5 |
3000 |
5 |
3 |
6 |
1550 |
13 |
5 |
5 |
3200 |
6 |
4 |
4 |
2000 |
14 |
5 |
5.5 |
3100 |
7 |
4 |
4.5 |
2200 |
15 |
5 |
6 |
3050 |
8 |
4 |
5 |
2500 |
|
|
|
|
3.2.2. 低温抗裂性
低温弯曲破坏应变测试结果显示，沥青乳液用量的增加对低温抗裂性具有显著的改善作用。在低温环境下，沥青乳液中的沥青质和胶质等成分能够保持一定的柔韧性，当混合料受到低温收缩应力时，沥青乳液能够通过自身的变形来吸收和分散应力，有效减少裂缝的产生和发展。当沥青乳液用量从4%增加到6%时，−10℃小梁弯曲破坏应变从2000 με提高到3000 με以上。
然而，水泥掺量过高会对低温抗裂性产生不利影响。水泥水化产物在低温下呈现出较高的脆性，过多的水泥会使混合料整体的柔韧性下降，导致在低温环境下容易产生裂缝。例如，在沥青乳液用量为5%时，水泥掺量从3%增加到5%，−10℃小梁弯曲破坏应变从2400 με降低到2200 με。详细数据见表6。
Table 6. Bending failure strain of cold reclaimed asphalt mixture under different working conditions
表6. 不同工况条件下冷再生沥青混合料弯曲破坏应变
编号 |
水泥掺量(%) |
沥青乳液用量(%) |
−10℃小梁弯曲破坏应变(με) |
编号 |
水泥掺量(%) |
沥青乳液用量(%) |
−10℃小梁弯曲破坏应变(με) |
1 |
3 |
4 |
2000 |
9 |
4 |
5.5 |
2500 |
2 |
3 |
4.5 |
2200 |
10 |
4 |
6 |
2700 |
3 |
3 |
5 |
2400 |
11 |
5 |
4 |
1800 |
4 |
3 |
5.5 |
2600 |
12 |
5 |
4.5 |
2000 |
5 |
3 |
6 |
2800 |
13 |
5 |
5 |
2200 |
6 |
4 |
4 |
1900 |
14 |
5 |
5.5 |
2400 |
7 |
4 |
4.5 |
2100 |
15 |
5 |
6 |
2600 |
8 |
4 |
5 |
2300 |
|
|
|
|
3.2.3. 水稳定性
浸水马歇尔残留稳定度和冻融劈裂强度比测试结果表明，水泥掺量和沥青乳液用量的合理增加均能有效提高冷再生沥青混合料的水稳定性。水泥的水化产物填充了混合料的空隙，减少了水分的侵入路径，同时，水泥与骨料之间的化学反应增强了骨料表面的活性，提高了骨料与沥青之间的粘附力。沥青乳液在骨料表面形成的保护膜，进一步阻止了水分的侵入，并且其粘结作用使得骨料与沥青之间的粘结更加牢固。
Table 7. Stability index of cold reclaimed asphalt mixture under different working conditions
表7. 不同工况条件下冷再生沥青混合料水稳定性指标
编号 |
水泥掺量(%) |
沥青乳液用量(%) |
浸水马歇尔残留稳定度(%) |
冻融劈裂强度比(%) |
编号 |
水泥掺量(%) |
沥青乳液用量(%) |
浸水马歇尔残留稳定度(%) |
冻融劈裂强度比(%) |
1 |
3 |
4 |
75 |
70 |
9 |
4 |
5.5 |
85 |
81 |
2 |
3 |
4.5 |
78 |
72 |
10 |
4 |
6 |
84 |
80 |
3 |
3 |
5 |
80 |
75 |
11 |
5 |
4 |
84 |
80 |
4 |
3 |
5.5 |
79 |
74 |
12 |
5 |
4.5 |
85 |
82 |
5 |
3 |
6 |
77 |
73 |
13 |
5 |
5 |
88 |
85 |
6 |
4 |
4 |
82 |
78 |
14 |
5 |
5.5 |
87 |
84 |
7 |
4 |
4.5 |
83 |
80 |
15 |
5 |
6 |
86 |
83 |
8 |
4 |
5 |
86 |
82 |
|
|
|
|
|
当水泥掺量为4%、沥青乳液用量为5%时，浸水马歇尔残留稳定度达到85%以上，冻融劈裂强度比达到80%以上。对比不同配合比的水稳定性数据可以发现，在水泥掺量从3%增加到4%的过程中，浸水马歇尔残留稳定度和冻融劈裂强度比均有较为明显的提升；而沥青乳液用量在4.5%~5%范围内时，对水稳定性的改善效果最佳。具体数据见表7。
4. 结语
本研究通过对含沥青乳液和无机添加剂的冷再生沥青混合料的全面实验和分析，得出以下结论：
(1) 沥青乳液和无机添加剂对冷再生沥青混合料性能有显著影响。合理选择沥青乳液类型和用量、无机添加剂种类和掺量，能有效提升混合料的力学性能和路用性能。
(2) 在力学性能方面，水泥掺量的增加显著提高抗压强度、劈裂强度和抗剪强度，沥青乳液用量在一定范围内也有积极作用。
(3) 在路用性能方面，水泥掺量增加可显著提高高温稳定性，沥青乳液用量增加可显著改善低温抗裂性，两者合理增加均可提高水稳定性。
(4) 综合考虑各项性能，推荐水泥掺量为4%~5%，沥青乳液用量为5%~5.5%的配合比用于实际工程。