高摻RAP瀝青界面融合行為的量化評價

陳 龍, 陳宏斌, 李 朋, 胡 朋, 何兆益

(1.山東交通學院 交通土建工程學院, 山東 濟南 250357; 2.甘肅省交通科學研究院集團有限公司, 甘肅 蘭州 730030; 3.重慶交通大學 土木工程學院, 重慶 400074)

國內外針對廢舊瀝青路面材料(RAP)銑刨回收再生利用的研究始于20世紀70年代石油危機凸顯時期.截至目前,再生瀝青路面里程及在路網所占比例均逐年攀升,美國、歐洲、中國等相繼頒布了RAP循環再生應用施工技術指南[1-5].此外,各國在再生瀝青混合料等路面材料配合比組成設計、常規路用性能與黏彈流變本構特性評價、國省干線工程施工工藝關鍵節點控制等方面也取得了豐碩的研究成果[6-8].

然而,目前多數已知研究成果主要針對RAP再生工程現場應用性能合格與否進行判別,缺乏針對RAP表面廢舊瀝青與新添瀝青、再生劑(必要時)在界面區域擴散融合行為特征的深入研究報道,在多因素耦合條件下針對高摻RAP瀝青界面融合行為進行量化評價的研究尤其空缺[9].毋庸置疑,RAP瀝青界面滲透擴散、交互融合的行為特點及其最終呈現狀態均可直接影響再生瀝青混合料的實際應用性能,RAP瀝青與新添瀝青在界面融合的薄弱區域也極可能成為再生瀝青混合料功能失效首先發生的部位.因此,在各項影響因素及其組合作用下,科學合理地探究RAP瀝青與新添瀝青界面融合行為特點,精準量化表征并最大程度改善高摻RAP表面廢舊老化瀝青的物化特性和工作狀態,是獲得長壽命、耐久型再生瀝青混凝土及其路面的技術關鍵[10-12].

1 試驗材料與測試方案

1.1 試驗材料

選用的RAP瀝青為70#老化瀝青(經室內旋轉薄膜烘箱(RTFOT)+壓力老化儀(PAV)標準老化試驗制備獲得),新添瀝青分別采用70#和90#原樣瀝青,瀝青再生劑為課題組自制復合型化學再生劑RA-2,礦粉為石灰巖質(粒徑0.075mm及以下).原材料性能測試結果分別見表1、2.

表1 RA-2瀝青再生劑主要技術指標

表2 RAP瀝青和新添瀝青主要技術指標

1.2 測試方案

本文首先結合熒光顯微鏡(FM)和圖像分析軟件,分別從定性和定量角度驗證新添瀝青-RAP瀝青界面區域的存在.FM測試采用江南永新光學有限公司生產的XS-402型落射式熒光顯微儀,工作電流0.45A,放大倍率400倍.圖像分析采用美國Media Cybernetics公司開發的Image Pro Plus 6.0軟件,光學特征參數分別選取平均光密度(AOD)、累計光密度(IOD)和圖像灰度值(IGL).試樣制備方法為：將薄層刀片置于載玻片正中央,在其左右兩側分別涂抹RAP瀝青與新添瀝青;隨后拿去薄層刀片,將載玻片置于電爐上方稍許加熱,使左右兩側涂抹的瀝青在中間細微縫隙區域恰好接觸即可.

瀝青界面融合行為采用動態剪切流變儀(DSR)進行測試.表征界面融合的量化指標以菲克擴散定律為基準,從物理、力學和能量角度選取界面融合速率(DS)、融合程度(DOB)、界面擴散激活能(Q)、不同層位新添瀝青摻量1)(w)和瀝青層間分布離散系數(DDC)來進行評價,理論公式分別見式(1)～(4).

(1)

(2)

(3)

(4)

1)文中涉及的摻量均為質量分數.

將直徑8mm、厚度1mm的新添瀝青與RAP瀝青上下疊放,上方新添瀝青為擴散相,下方RAP瀝青為受體相,從瀝青結合料層面模擬50%RAP高摻量條件下(RAP瀝青與新添瀝青摻配質量比1∶1)再生混合料瀝青界面擴散融合能力.若制備瀝青膠漿界面試樣,則在RAP瀝青內摻配相應粉膠比的礦粉.隨后,采用鋁箔條將疊放試樣連同硅膠模具密封并一同置于烘箱加熱(最大程度減少界面擴散過程中瀝青熱氧老化),一定時間后取出試樣進行DSR測試[13-15].DSR試樣及層位劃分示意圖見圖1.

圖1 DSR試樣及層位劃分示意圖Fig.1 DSR sample and its layer distribution

2 結果與分析

2.1 熒光顯微試驗結果

通過對獲取的瀝青熒光顯微圖像進行定性分析可知,RAP瀝青與新添瀝青在發光顏色、發光亮度等方面均表現出較大差異：RAP瀝青呈現紫灰色,顏色較為深暗;新添瀝青呈現米黃色,顏色較為明亮.另外,觀測RAP瀝青與新添瀝青界面試樣亦可發現,其界面區域通過熒光顯微圖像能夠清晰識別.隨后,控制RAP瀝青摻量wRAP為0%、20%、40%、50%、60%、80%、100%,將RAP瀝青與新添瀝青混溶,各混溶瀝青試樣的光學特征參數(AOD、IOD、IGL)量化計算結果繪于圖2.由圖2可以明顯看出,混溶瀝青熒光顯微圖像的各項光學特征參數與RAP瀝青摻量呈現較好的線性函數關系,并且隨RAP瀝青摻量減少,各項光學特征參數均逐漸增大.

圖2 各混溶瀝青試樣的光學特征參數Fig.2 Optical characteristic parameters of miscible asphalt samples

2.2 DSR試驗結果

本文DSR試驗采用不同的加熱溫度θ(110、130、150℃)、加熱時間t(10、20、30、60、120min)這2項外在因素和不同粉膠比mf/ma(0、1.0、2.0)、新添瀝青標號(70#、90#)、是否添加再生劑這3項內在因素組合后進行測試,計算結果和分析結論分別如下.

2.2.1融合速率DS

首先以瀝青結合料試樣為例,對其界面融合速率DS進行量化分析,結果見圖3.

圖3 瀝青結合料界面融合速率DSFig.3 Diffusion speed of asphalt binder interface

由圖3可知,隨加熱時間延長,不同因素組合條件下的新添瀝青-RAP瀝青界面融合速率DS值均呈指數函數快速減小,并最終趨于穩定,說明提升瀝青界面融合行為的關鍵在加熱前期階段.另外,當加熱溫度較低時(110～130℃),同一時刻各試樣DS值之間的差異較小;當加熱溫度進一步升高(130～150℃),各試樣DS值之間的差異迅速增大.該現象說明高溫能夠加速提升瀝青界面融合速率,并且對70#新添瀝青效果尤為明顯.

以10min時DS與120min時DS的比值來表征瀝青界面融合速率DS衰減幅度,結果列于表3.由表3可以看出,較高的加熱溫度、90#新添瀝青以及添加再生劑均能夠有效降低DS衰減幅度(降幅可達10%～50%).

表3 瀝青結合料界面融合速率DS衰減幅度

對120min時不同粉膠比瀝青膠漿試件的DS值作進一步分析,結果列于圖4.由圖4可以看出：較高的加熱溫度、90#新添瀝青以及添加再生劑均能夠顯著改善DS值,并且當粉膠比較小時(mf/ma=0、1.0),其改善效果尤為明顯；同等條件下,當粉膠比較小時,使用90#新添瀝青和添加再生劑能夠使DS值分別提高2、10倍左右;并且加熱溫度每增長20℃,DS值能夠相對提高50%～120%左右,該現象進一步從正面角度驗證了上文分析的結論;但隨著粉膠比繼續增加(mf/ma=2.0),其改善幅度快速降低.

圖4 120min時不同粉膠比瀝青膠漿試件的DSFig.4 Diffusion speed of asphalt interface for asphalt mortars with different filler-asphalt ratios at 120min

2.2.2融合程度DOB

以瀝青結合料試樣為例,對界面融合程度DOB進行量化分析,結果見圖5.由圖5可知：隨著加熱時間、加熱溫度以及新添瀝青標號的增大,瀝青界面融合程度DOB均得到大幅提升;同等條件下,未添加再生劑的試樣DOB值均不足50%;而添加再生劑能夠相對提升DOB值2～3倍,并且最終可實現界面100%完全混溶狀態;另外,未添加再生劑時(圖5(a)),與70#新添瀝青相比,90#新添瀝青在各加熱溫度和加熱時間節點處對DOB值的提升幅度基本一致;但是,當添加再生劑時(圖5(b)),90#新添瀝青對DOB值的提升呈非勻速、非穩態變化,在加熱時間段后期對DOB值的改善效果明顯優于前期階段,并且隨加熱溫度增加逐級增長,說明添加再生劑能夠使瀝青界面融合程度的改善效果顯著并且持久,因此能夠更好地提升RAP瀝青界面再生性能.

對粉膠比分別為1.0、2.0的瀝青膠漿試樣界面融合程度進行計算,結果見圖6、7.由圖6、7可以看出：隨著粉膠比的增加,DOB值大幅遞減；當未添加再生劑時(圖6(a)和圖7(a)),在各加熱溫度和加熱時間節點處高標號新添瀝青對瀝青膠漿試樣DOB數值的提升幅度基本一致;但是當添加再生劑時(圖6(b)和圖7(b)),高標號新添瀝青對DOB數值的改善幅度隨加熱時間與加熱溫度的增長而逐級增長.表明在再生劑作用下,瀝青膠漿試樣界面融合程度的改善效果亦較顯著且持久,但其提升幅值隨粉膠比增加呈逐級下降趨勢.該結論與圖5中瀝青結合料試樣DOB分析結果完全一致.

圖5 瀝青結合料試樣界面融合程度Fig.5 DOB for asphalt binders (mf/ma=0)

圖6 mf/ma=1.0時瀝青膠漿試樣界面融合程度Fig.6 DOB for asphalt mortars (mf/ma=1.0)

圖7 mf/ma=2.0時瀝青膠漿試樣界面融合程度Fig.7 DOB for asphalt mortars (mf/ma=2.0)

圖8 90#新添瀝青在各層位中的摻量Fig.8 w in each layer for 90# virgin asphalt

2.2.3瀝青層間分布特征

以瀝青結合料試樣為例,對不同因素組合下90# 新添瀝青在各層位中的摻量w進行量化分析,結果見圖8.不同粉膠比瀝青膠漿試樣層間分布離散系數DDC計算結果分別見圖9～11.

圖9 瀝青結合料試樣層間分布離散系數Fig.9 DDC for asphalt binders (mf/ma=0)

由圖8～11可以看出：隨著加熱時間的延長、加熱溫度的提高以及再生劑的添加,各層位處所含90#新添瀝青摻量w逐漸接近混溶瀝青標準值0.5;瀝青層間分布離散系數DDC不斷降低,再生瀝青整體屬性趨于均勻一致;添加再生劑后,在各加熱溫度和加熱時間節點處,90#新添瀝青對試樣層間分布均勻性的提升幅度相比未添加再生劑時更為顯著,并且隨加熱時間延長其提升幅度增大.該現象表明再生劑對瀝青膠結料試樣在界面區域擴散融合的改善效果較為顯著且持久,但其提升幅度隨粉膠比增加而不斷下降.該行為不僅進一步有力證實了RAP瀝青與新添瀝青在界面區域的確能夠發生分子擴散交融反應,同時也驗證了前文基于融合速率DS和融合程度DOB分析得到的結論.

圖10 mf/ma=1.0時瀝青膠漿試樣層間分布離散系數Fig.10 DDC for asphalt mortars (mf/ma=1.0)

圖11 mf/ma=2.0時瀝青膠漿試樣層間分布離散系數Fig.11 DDC for asphalt mortars (mf/ma=2.0)

2.2.4界面擴散激活能Q

各瀝青膠結料試樣界面擴散激活能Q結果見表4.

表4 各瀝青膠結料試樣界面擴散激活能Q

由表4可知,隨著加熱時間的延長,各瀝青膠結料試樣Q值快速增長并且逐步趨于穩定.究其原因,主要在于新添瀝青、RAP瀝青分子在層間界面不斷交換,擴散相中新添瀝青摻量逐漸減小,受體相中新添瀝青摻量快速增加,二者梯度差值逐漸減弱,導致界面分子擴散驅動力逐漸不足(見圖8～11),該現象驗證了前文瀝青界面融合速率DS隨時間呈指數函數快速減小,界面融合的關鍵在加熱初期階段的結論.在同等條件下,90#新添瀝青與RAP瀝青在層間界面擴散需要打破的能量壁壘值較70#新添瀝青略高;添加再生劑后能夠明顯減小界面擴散所需的能量,這主要是因為90#新添瀝青與RAP瀝青膠體結構的差異程度較后兩者70#新添瀝青與RAP瀝青相對更大,需要更高的能量以激活瀝青界面分子,促使其發生擴散融合反應.因此,若新添瀝青、RAP瀝青性能差異較大,建議事先添加少量再生劑以部分恢復RAP瀝青性能.未添加再生劑時,摻入一定量礦粉能夠減少驅動瀝青界面擴散所需的能量.但是當添加再生劑且粉膠比較高時(mf/ma=2.0),Q值較低粉膠比條件下反而升高.究其原因,可能在于瀝青膠漿因礦粉存在而造成其內部空隙相對增多,因此能夠使瀝青分子在界面遷移相對更加容易.但高礦粉含量下添加再生劑將使其小分子有效填充瀝青膠漿內部空隙并裹附礦粉表面,從而發生激活界面擴散融合所需能量升高的行為,出現添加再生劑后作用效果反而下降的現象.

3 結論

(1)熒光顯微圖像及其光學特征參數(平均光密度AOD、累計光密度IOD、圖像灰度值IGL)、基于動態剪切流變的界面融合速率DS、融合程度DOB、各層位中新添瀝青摻量w、分布離散系數DDC和界面擴散激活能Q可以分別從定性、定量角度直觀表征RAP瀝青與新添瀝青界面融合特征.

(2)隨加熱時間延長,界面融合速率DS呈指數函數快速減小;粉膠比較小時,提高新添瀝青標號和添加再生劑可分別使DS值提升2、10倍左右,DS衰減幅度降低10%～50%;加熱溫度每提高20℃,DS提升50%～120%.

(3)界面融合程度DOB與再生劑、新添瀝青標號、加熱溫度和時間呈正相關關系,與粉膠比呈負相關關系.其中,添加再生劑可提升DOB值2～3倍并達到100%完全融合狀態,并且添加再生劑對瀝青界面融合的效果更為持久.

(4)隨加熱溫度及時間增加、新添瀝青標號提高以及再生劑添加,瀝青層間分布特征逐漸趨于均勻一致(DDC值逐漸趨于0),但其改善幅度隨粉膠比增加而下降.

(5)界面擴散激活能Q值隨加熱時間延長而快速增大并逐步趨穩,添加再生劑后Q值減小.該參數能夠從能量角度有效揭示新添瀝青、RAP瀝青分子界面融合的內在機制.