引言 我国公路建设发展已经全面进入建设养护并重期，大量公路需要修复和重建产生了大量的沥青路面旧料，基于资源节约型、环境友好型的发展趋势，冷再生技术正逐渐得到重视。国外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合料的研究，将不同地区的旧料与新料混合重生，并进行路用性能试验，经对比发现，即使再生混合料中加入高达 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%以上的混合料进行了优化设计，混合料在保持路用性能较好的情况下具有显著的经济效益。在提升冷再生混合料性能方面，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合料，结果表明，掺加石灰和水泥均能提高冷再生混合料的稳定度、回弹模量、拉伸强度、水稳定性能和抗永久变形能力。而我国研究学者也发现，在乳化沥青冷再生混合料中加入适量活性填料(如水泥、石灰等)，可显著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合料展开了大量的研究，微观方面：魏唐中等人借助环境扫描电镜分析了水泥乳化沥青胶浆中的水化反应、乳化沥青破乳过程，结果表明：乳化沥青延缓了水泥的早期水化，而水泥可促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材料性能的影响，结果表明水泥的水化产物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合料的细微观空隙分布影响,结果表明：水泥掺量越大，空隙形状改变越明显,增大水泥掺量将对乳化沥青冷再生混合料的密实度产生显著影响。宏观方面：吕政桦等人研究了乳化沥青用量、水泥掺量及RAP掺量对冷再生混合料性能的影响规律，结果表明：乳化沥青用量和水泥掺量对冷再生混合料高温性能的影响最为显著，RAP掺量对其水稳性能的影响最大。黄磊以再生旧料残余价值为指标研究了水泥乳化沥青冷再生混合料在循环再生过程中路用性能的衰变规律。耿九光等人采用正交试验的方法研究了冷再生混合料中各材料对其初期强度和后期残留强度的影响，指出各材料对冷再生料力学性能的影响程度因RAP 质量分数的不同而异。刘伟胜等人对乳化型冷拌冷铺沥青混合料的静、动态回弹模量进行试验分析，结果表明温度和频率对冷拌冷铺沥青混合料影响较大。综上，现有研究主要集中于冷再生混合料中水泥掺量、RAP掺量对其微观及宏观的影响研究，对老化后冷再生混合料的性能研究鲜有报道，老化前后混合料性能及微观结构也有待深入探讨。
引言
我国公路建设发展已经全面进入建设养护并重期，大量公路需要修复和重建产生了大量的沥青路面旧料，基于资源节约型、环境友好型的发展趋势，冷再生技术正逐渐得到重视。国外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合料的研究，将不同地区的旧料与新料混合重生，并进行路用性能试验，经对比发现，即使再生混合料中加入高达 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%以上的混合料进行了优化设计，混合料在保持路用性能较好的情况下具有显著的经济效益。在提升冷再生混合料性能方面，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合料，结果表明，掺加石灰和水泥均能提高冷再生混合料的稳定度、回弹模量、拉伸强度、水稳定性能和抗永久变形能力。而我国研究学者也发现，在乳化沥青冷再生混合料中加入适量活性填料(如水泥、石灰等)，可显著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合料展开了大量的研究，微观方面：魏唐中等人借助环境扫描电镜分析了水泥乳化沥青胶浆中的水化反应、乳化沥青破乳过程，结果表明：乳化沥青延缓了水泥的早期水化，而水泥可促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材料性能的影响，结果表明水泥的水化产物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合料的细微观空隙分布影响,结果表明：水泥掺量越大，空隙形状改变越明显,增大水泥掺量将对乳化沥青冷再生混合料的密实度产生显著影响。宏观方面：吕政桦等人研究了乳化沥青用量、水泥掺量及RAP掺量对冷再生混合料性能的影响规律，结果表明：乳化沥青用量和水泥掺量对冷再生混合料高温性能的影响最为显著，RAP掺量对其水稳性能的影响最大。黄磊以再生旧料残余价值为指标研究了水泥乳化沥青冷再生混合料在循环再生过程中路用性能的衰变规律。耿九光等人采用正交试验的方法研究了冷再生混合料中各材料对其初期强度和后期残留强度的影响，指出各材料对冷再生料力学性能的影响程度因RAP 质量分数的不同而异。刘伟胜等人对乳化型冷拌冷铺沥青混合料的静、动态回弹模量进行试验分析，结果表明温度和频率对冷拌冷铺沥青混合料影响较大。综上，现有研究主要集中于冷再生混合料中水泥掺量、RAP掺量对其微观及宏观的影响研究，对老化后冷再生混合料的性能研究鲜有报道，老化前后混合料性能及微观结构也有待深入探讨。
鉴于此，本文采用扫描电子显微镜和AMPT试验机对乳化沥青冷再生混合料老化前后的微观结构变化及不同温度及频率下的混合料动态力学性能进行分析研究，为深入研究混合料性能及优化冷再生技术提供依据。
一
试验材料与方法
（一）试验材料
本试验采用的基质沥青为房山沥青厂A-70号沥青，乳化沥青分别为自研乳化沥青（Ⅰ型）和某品牌乳化沥青（Ⅱ型），均为慢裂型，各项性能指标均符合要求，如见表1所示。
本试验采用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，矿料性质均符合要求。混合料采用AC-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，混合料油石比为4%，采用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。长期老化采用的是将切割成型的试件放入85℃烘箱中进行为期5天的长期老化，然后自然冷却至室温备用。
（二）试验方法
微观结构分析采用日本JEOL公司生产的JSM-6010LA型扫描电子显微镜，分别对两种冷再生混合料进行自然养生24h后、室温放置1个月后和长期老化后三种状态下的混合料微观试验分析。
动态模量试验采用澳大利亚IPC Global公司生产的AMPT沥青混合料性能试验机，测定老化前后两种冷再生混合料在四个温度（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。
二
微观试验结果分析
老化前后两种冷再生混合料分别在自然养生24h后、室温放置1个月后（考虑水泥养护成型期一般为28天）和长期老化后三种状态下的扫描电镜试验结果，如图1所示。
图1中（a）和（d）为冷再生混合料养生后的表面微观结构，可以看出：（1）表面呈现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发生的水化反应形成的水化产物，水泥的添加促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）水泥形成的水化产物使破乳沥青与再生料表面相互联结，起到“加筋”的作用，加上破乳后沥青与旧沥青形成的黏聚力，使得冷再生混合料早期强度快速提升。
图1中（b）和（e）为冷再生混合料在室温（25℃）条件下放置一个月后的表面微观结构，可以看出混合料表面形成了微孔结构，这是由于乳化沥青在破乳期间是一个憎水过程，形成的沥青膜裹覆在集料表面，而水分则成游离状态分散在混合料体系中，当加入水泥后，水泥与一部分游离水反应，生成的水化产物填充了水分占据的空间，随着水化反应的不断进行，水化产物的数量不断增加，使混合料结构更加密实，强度逐渐提高；同时水化反应中热量的释放也促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合料内部空隙的变化具有一定的改善作用，水泥的加入改善了冷再生混合料的受力环境，在一定程度上弥补了集料-胶浆以及胶浆内部的界面缺陷。
图1中（c）和（f）为冷再生混合料长期老化后的表面微观结构，可以看出表面粗糙呈蜂窝状结构，孔隙大小不一，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，这是由于混合料在老化程度的过程中，沥青中轻质组分逐渐减少，并伴随着水泥水化产物的膨胀效应及化学反应，使得胶浆结构表面粗糙，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。但胶浆结构表面孔隙分布均匀，孔隙闭合，且混合料间的空隙被填充密实，这种结构整体上提高了混合料的稳定性和强度。
三
动态模量试验结果分析
（一）动态模量和相位角分析
动态模量是评价沥青混合料抵抗变形总能力的指标，动态模量越大，说明沥青混合料的高温抗变形能力越强。相位角是表征材料黏弹性的指标，相位角越小，高温性能越好。图2、图3分别是老化前后两种冷再生沥青混合料的动态模量和相位角与温度和频率间的变化规律（图中O代表老化前Original，L代表长期老化Long-term aging）。
从图2可以看出
（1）在不同的加载频率作用下，老化前后两种冷再生混合料的动态模量和相位角随温度的升高，变化趋势相似，其中动态模量随温度逐渐减小，老化后比老化前增大，相位角随温度逐渐增大，老化后比老化前减小，这说明随着温度的升高，冷再生混合料中的弹性部分逐渐向黏性部分转化，混合料接近黏性材料，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）在加载频率一定时，混合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，发生黏性流动，导致混合料的黏结力降低，在荷载作用下，混合料中的骨架变形明显，使混合料的回弹能力减弱，从而表现出动态模量随温度的升高而逐渐降低。
（3）比较两种冷再生混合料相位角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℃的过程中，相位角值增加量分别为Ⅰ型冷再生老化前10.79℃、长期老化8.92℃，老化前后相差1.87℃，Ⅱ型冷再生老化前11.22℃、长期老化8.02℃，老化前后相差3.20℃，这说明温度的变化对两种冷再生混合料相位角的影响相差不大，但对于Ⅱ型冷再生混合料，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，混合料近似黏性材料，当温度升高到一定值时，胶结料对黏度的影响不在起主导作用，而骨架作用变得突出，从而出现动态模量下降减缓，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，混合料主要体现弹性特性，随着温度的升高弹性比例逐渐减小，黏性比例逐渐增大，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化曲线，可以看出：
（1）在不同温度下，老化前后两种冷再生混合料的动态模量和相位角随频率的增大变化规律相似，即动态模量逐渐增大，老化后比老化前增大，相位角逐渐减小，老化后比老化前减小，说明两种冷再生混合料都随着频率的增大、老化程度的加深，高温抗变形能力得到提高。
（2）在同一温度下，动态模量、相位角与频率变化曲线的线性相关性良好，频率的增大，即车荷载对混合料作用的时间变短，混合料受到剪力产生的变形就越小，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范围内，比较不同温度下动态模量和相位角的变化量，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范围内动态模量增大和相位角减小的趋势均明显减缓，加载频率对混合料的影响逐渐减小，温度的影响逐渐增大，这说明在0.1~25Hz范围内，随着温度的升高，由加载频率对混合料的主要影响逐渐转变为温度为主要的影响。
（二）车辙性能分析
在NCHRP的研究报告中指出，将E*/sinδ作为评价沥青混合料高温抗车辙变形能力的指标，可以更加客观地反映出材料的车辙性能，E*/sinδ越大，表明沥青混合料抵抗车辙变形的能力越强。对老化前后两种冷再生混合料分别在20℃和10Hz条件下进行分析，如图4所示。
（1）从图4（a）可以看出，老化前后两种冷再生混合料的E*/sinδ随着频率的增大，呈现出增大的趋势，加载频率的增大，表现出荷载对路面作用的时间减少，从而使变形来不及分散，路面不易产生车辙变形，因此随着加载频率的增大，沥青混合料的高温抗车辙能力越好。（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合料的高温性能越差，这与实际工程混合料在较高温度下表现黏流态相符；另外，还可以看出E*/sinδ值的变化在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主导作用，再加上水泥作用下胶浆将混合料间空隙填充密实，且表面形成微孔结构，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，这说明冷再生混合料可以在较高的温度下仍保持一定的抗车辙性能。（3）从图4（a）、（b）可以看出，在不同温度和不同频率下，老化后的冷再生混合料车辙性能指标均明显大于老化前，这说明老化作用对混合料的高温性能产生了较大的影响，老化作用使沥青中轻质组分减少，重质组分增加，表现出更好地弹性性能，所以高温抗变形能力得到提高。Ⅰ型冷再生混合料的E*/sinδ值在整个温度和频率范围内均大于Ⅱ型冷再生，说明Ⅰ型冷再生混合料表现出更好的抗车辙性能，优于Ⅱ型冷再生混合料。
（三）储存模量与损失模量分析
储存模量E39;表征沥青混合料在变形过程中能量的储存和释放，是E*的可恢复的弹性部分，损失模量E39;39;表征沥青混合料在变形过程中能量的散失，是E*的不可恢复的黏性部分，当在高温条件下，沥青混合料应具有较高的储存模量以提高其高温抗车辙的能力，而在低温条件下，沥青混合料应具有较高的损失模量以提高其低温抗开裂的能力。
图5是老化前后两种冷再生混合料的E39;/E*、E39;39;/E*与温度间的变化规律，从图5（a）、（b）中可以看出：
（1）在5℃-50℃范围内，两种冷再生混合料在老化前和长期老化作用下，E39;占E*的比例均明显高于E39;39;占E*的比例，这说明混合料中的储存模量E39;占主导作用，混合料可以在较高的温度下表现出较好的弹性行为，从而表现出更好地抵抗高温变形的能力，是有利于混合料高温抗车辙变形的，这与上述车辙性能分析结果相一致。
（2）还可以看出随着温度的升高，E39;占E*的比例略微减小，而E39;39;占E*的比例逐渐增加，黏性成分增多，这与沥青混合料实际的情况是一致的，在相对较低的温度下，沥青混合料处于弹性状态，温度的升高使沥青混合料向黏流态转变，由于水泥的添加，改善了混合料间受力环境，提高了混合料的强度，所以可以在较宽的温度范围内仍表现出较高的弹性性能和抗变形能力。
（3）比较老化前后E39;/E*与E39;39;/E*的比例变化情况可知，老化后E39;/E*的比例增大，E39;39;/E*的比例减小，说明老化后使混合料表现更好的抗高温变形能力，但增大和减小的幅度不大，老化作用对其影响较小。
四
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，提高了混合料早期强度，随着水化产物的增加，混合料内部空隙得到了改善，结构更加密实，强度逐渐提高。
（2）长期老化后，胶浆表面呈蜂窝状结构，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合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大。
（4）随着温度的升高，车辙性能指标E*/sinδ下降变缓并趋于平缓，说明冷再生混合料可以在较高的温度下仍保持一定的抗车辙性能，Ⅰ型冷再生混合料抗车辙性能优于Ⅱ型。
（5）老化前后两种冷再生混合料中的储存模量占比明显高于损失模量占比，可以在较宽的温度范围内表现出较高的弹性性能和抗变形能力，且老化后变化不大，受老化作用影响较小。
