再生剂渗透再生机理及其影响因素研究

肖庆一，张萌骐，张靖洁，2

（1.河北工业大学土木与交通学院，天津300401；2.河北锐安公路工程养护咨询有限公司，河北石家庄050000）

再生剂渗透再生机理及其影响因素研究

肖庆一1，张萌骐1，张靖洁1，2

（1.河北工业大学土木与交通学院，天津300401；2.河北锐安公路工程养护咨询有限公司，河北石家庄050000）

基于复合材料理论和Fick扩散定律，计算得出扩散系数直观地评价了各因素对再生剂渗透扩散性能的影响，结果表明：随着时间的延长，扩散程度加深，扩散系数减小；温度对扩散性能影响显著，温度升高，扩散系数增大；随着与再生剂和老化沥青初始界面距离的增加，扩散系数明显的减小，25 mm处再生剂浓度很低，扩散系数趋近于0；粘度越低的再生剂，扩散性能越强，170℃或者更高的温度，低粘度的再生剂会发生挥发现象.最后，根据研究结果对实际工程中再生混合料的拌和工艺提出了改进意见.

再生剂；渗透扩散；影响因素；扩散系数

0 引言

现阶段再生问题的研究中[1]，废旧沥青混合料再生中，老化沥青再生后的性能好坏直接影响了再生混合料的路用性能，再生剂在老化沥青中的扩散问题直接决定了再生沥青的性质.

目前针对于扩散渗透问题的研究均是将再生剂与老化沥青混合，测取再生沥青的性能进行扩散渗透性能的评价[2-12]，然而时间和温度的设置均与实际工程中有较大差距，且不能够很直观将再生剂的扩散渗透情况表现出来.因此文中基于Fick扩散定律设计试验方案，采用与实际生产工程中较为贴近的时间及温度，并结合复合材料理论求解出再生剂的扩散系数直观地评价了各影响因素对再生剂在老化沥青内部的渗透扩散的作用．

1 原材料性能和试验分析方法

1.1 原材料性能

1.1.1 沥青胶结料

本次试验采用50号沥青，依据《公路沥青路面施工技术规范实施手册》（JTG F40-2004），其常规性能指标的试验结果见表1.

1.1.2 再生剂

本次试验选用的再生剂为组分相同且相对含量接近的3种再生剂，将他们分别命名为S型再生剂、R型再生剂以及T型再生剂，经测定3种再生剂的性能指标如表2所示.

1.1.3 老化沥青制备

首先按《JTG E20-2011公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的将现有基质沥青进行旋转薄膜老化试验，制得短期老化沥青，之后将制得的短期老化沥青放入烘箱中制得与道路沥青长期老化的效果相近的长期老化沥青（在此之前一堆现有RAP进行了老化沥青抽提及性能测定试验，具体数据见表3）以进行进一步再生剂再生扩散研究．

由此种方法制得老化沥青的性质见表3.

表1 沥青胶结料试验结果与技术要求Tab.1 Basic properties and technical requirements of asphalt binder

表2 再生剂性能指标Tab.2 Basic properties of rejuvenator

表3 制备老化沥青及抽提沥青性能指标Tab.3 Basic properties of artificial aging asphalt and extraction asphalt

1.2 试验原理与方法

1.2.1 Fick定律

Fick定律常常被用来描述扩散行为，是目前描述材料扩散理论众多模型中应用的最多的一个[13]．使用Fick定律时，需要保证在试验过程中温度和压强不会发生变化，且不能存在大范围的静电作用．

Fick定律表达如下：

其中：c为浓度；t为时间；x为位置；D为扩散系数．

试验进行时，再生剂与沥青在初始状态时两者相邻界面的情况如图1所示，再生剂在沥青中的扩散过程可以用一维模型来进行描述.同时在研究时假定初始状态下，再生剂在再生剂层中的浓度为c，沥青层中的浓度为0．沥青和再生剂的厚度分别为αL、1-αL，总厚为L．

由以上假设及一系列推导公式可以计算得到在时间t位置x处再生剂的浓度c（x，t），如式（2）．

1.2.2 复合材料理论

图1 试件模型示意图Fig.1 Schematic diagram of specimen model

复合材料理论将需要进行复合的几种材料视为一个多相系统，并且复合材料的力学性能、热力学性能等都遵循一定的复合物定律方程[14]，Chaffin则认为Grunberg进行修正后的数学模型更贴近的描述了复合材料的粘度关系，表述为下式：

其中，x1、x2为2种材料的浓度或质量比；η1、η2为2种材料的粘度；G12为修正系数，与2种材料的性质有关．

1.2.3 试验分析方法

在老化沥青表面倒入足量的再生剂，放置在设定条件下进行再生，将再生后的老化沥青沿与再生剂的界面处分段切开，分别测定每一段的粘度．

具体操作如下：

1）在规格Φ30×150的试管倒入4 cm的老化沥青（约20 g），在室内冷却30 min；

2）将加热至110℃的再生剂倒入试管中（约8 g）；

3）将试管放置在金属材质的试管架上，放入已升至110℃的烘箱内，将烘箱调至所需温度，待达到设定温度后计时；

（4）到规定时间（1 h、2 h、3 h、4 h）后取出，冷却至室温后将其放入-10℃的冰箱内保温30 min；

（5）取出将玻璃试管轻轻敲碎，用刮刀将再生剂段除去，留下再生后的老化沥青，将再生沥青段沿两者的接触面切每1 cm一段切成三段．

图2 试验操作示意图Fig.2 Schematic diagram of test operation

2 试验结果与分析

按上文所述试验研究方案制备好试验试样，将3种再生剂加入到试验试样中，在140℃，150℃，160℃，170℃的试验温度下分别放置1 h，2 h，3 h，4 h后取出，在室温中冷却30 min，放入-10℃的冰箱中30 min，后取出，按示意图将试样分为A、B、C 3段，用布氏粘度仪（135℃）测定此3段再生沥青的粘度.试验过程中观察到170℃温度时，S型、T型再生剂均出现了较严重挥发现象．

表4 再生沥青粘度表Tab.4 Viscosity of recycled asphalt

2.1 试验结果

通过一系列的粘度数据[15]，可以根据时间和位置，求出各自对应的扩散系数，扩散系数可以更直观的表示出扩散程度．在试验过程中温度压强不变且不存在静电作用，扩散过程符合Fick定律，同时根据复合材料理论利用粘度数据推算出各段再生沥青中再生剂的浓度，加上Matlab程序的应用，最后计算得出扩散系数．

计算步骤如下：

1）各再生剂粘度换算

由于此次试验所用再生剂粘度偏低，其135℃的粘度不能通过试验直接得出，因此首先对3种再生剂30℃及60℃的粘度进行了测定，根据不同温度下油品的换算公式[16]，计算得到再生剂135℃的粘度分别为：S型6.82 mPa·s、R型13.96 mPa·s、T型7.04 mPa·s．

2）计算修正系数G12

按照再生剂与老化沥青混合质量比为1∶9，2∶8，3∶7，较为接近试验条件的比例，测定出混合前后各自的粘度，运用Grunberg进行修正后的复合材料数学模型（3），计算得出各再生剂与老化沥青混合时的修正系数G12：S型为5.92、R型为3.66、T型为4.49．

3）计算c（x，t）

根据已有粘度，以及试验时间和再生沥青所在位置，基于Grunberg进行修正后的复合材料数学模型（3）计算得出，各再生沥青段时间t，位置x处的再生剂浓度．计算过程中设再生剂中再生剂初始浓度为1，再生沥青段中再生剂浓度为0．

4）计算扩散系数

根据再生沥青粘度、扩散时间、所在位置及Fick扩散数学模型，编辑Matlab程序，最终得出与时间、位置、再生剂种类相关的扩散系数．

计算求得的扩散系数D如下表：

表5 再生剂扩散系数表Tab.5 Diffusion coefficien of rejuvenator

2.2 试验结果分析

2.2.1 时间对扩散程度的影响

此处研究时间对扩散程度影响选取了各试样中与再生剂接触最近的A段（5 mm处）的扩散系数数据，绘制成折线图如图3．

图3时间与扩散系数关系图Fig.3 Relationship between time and diffusion coefficient

图3 中a）、b）、c）、d）分别为140℃、150℃、160℃、170℃温度下，时间与扩散系数的关系图.由图可以看出，所有温度下，随着时间的延长，扩散系数在变小，且变小的趋势渐渐变缓，这说明扩散程度一直在继续，但扩散速率却一直在减慢．分析其原因，在最初时，再生剂与老化沥青之间的浓度差最大，两者间的分子运动最为强烈，随着时间的推移，两者浓度差越来越小，两者间分子接触几率变小，相互间的分子运动也减弱，因此扩散系数也越来越小；此外随着扩散的不断进行，再生剂与老化沥青之间的状态向着平衡趋近，因此扩散系数变小的走势也趋于平缓．

2.2.2 温度对扩散程度的影响

同样取各试样的A段（5 mm）处扩散系数数据来作为研究对象，将试验结果绘制成折线图，如图4．

图4中a）、b）、c）、d）试验时间分别为1 h、2 h、3 h、4 h下的，温度与扩散系数的关系图．由图可以看出在任何相同时间下扩散系数随着温度的升高而增大，且增大的趋势一直持续.温度是影响分子运动剧烈程度很重要的因素，因此随着温度的升高，再生剂与老化沥青两者间分子运动随着温度的升高剧烈程度增加，因此扩散系数增大．此外温度升高时，再生剂与老化沥青两者的粘度都会随着减小，较小的粘度也会有利于扩散的进行，同样也会使得扩散系数增大．

2.2.3 位置对扩散程度的影响

此处为使试验结果具有普遍性，分别取用了试验条件为150℃/2 h、150℃/3 h、160℃/2 h、160℃/3 h，试样中不同位置（A、B、C段分别对应5 mm、15 mm、25 mm）处扩散系数数据作为研究对象，试验数据绘制为折线图，如图5所示．

图5中a）、b）、c）、d）分别对应150℃/2 h、150℃/3 h、160℃/2 h、160℃/3 h试验条件下，位置与扩散系数关系图，由图可知，在相同温度和时间下，随着再生沥青与再生剂和老化沥青界面距离地增加，扩散系数也在迅速减小，并且趋近于0．距离两者接触面越远，浓度差就越小，导致两者间分子运动变弱，因此导致25 mm处的扩散系数很小，再生剂浓度很低．

2.2.4 再生剂种类对扩散程度的影响

图4 温度与扩散系数关系图Fig.4 Relationship between temperature and diffusion coefficient

图5 位置与扩散系数关系图Fig.5 Relationship between location and diffusion coefficient

由图3、图4、图5可以很明显的看出，在相同的实验条件和位置处，3种再生剂中扩散系数最大的一直都是S型再生剂，T再生剂次之，R型再生剂的扩散系数一直最小．且S型再生剂与T型再生剂在相同试验条件和位置处的扩散系数较为接近，而R型则相差较多．从3种再生剂的粘度为出发点分析可知，S型再生剂和T型再生剂粘度小且较为接近，R型较前2种粘度较大．因此可得出再生剂的渗透扩散性能与粘度有着密切的关系，粘度越小，扩散系数越大．此外，实验过程中S型与T型再生剂的挥发现象说明，再生剂粘度越小，挥发情况会加重．

3 结论

本文基于复合材料理论、Fick扩散定律，计算得出老化沥青再生过程中再生剂的扩散系数，更加直观地研究了温度、时间、位置和再生剂种类对扩散性能的影响，得到的结论如下：

1）随着时间的增加，扩散程度一直在加深；再生剂与老化沥青间浓度差逐渐减小，两者间的分子布朗运动频率减少，导致扩散系数在不断减小．此外，扩散的持续进行会使得再生剂与老化沥青间达到相对平衡状态，因此扩散系数变小的趋势会随着时间的推移而趋于平缓．

2）温度对扩散程度影响显著，随着温度的增加，再生剂与老化沥青间的分子运动剧烈程度加大，同时两者的粘度随之降低．因此温度升高，扩散程度加深，扩散系数也变大，且变大的趋势始终一致．考虑到可能存在挥发的问题，经研究在进行混合料拌合时推荐温度为160℃．

3）距离再生剂与老化沥青界面越远，两者浓度差越小，相互间分子运动降低，导致扩散系数很大程度的变小，在25 mm处再生剂浓度很低，扩散系数趋近于0．因此在进行混合料再生时，要保证再生剂能够最大程度的附着于RAP表面．

4）再生剂粘度越低，扩散系数越大，扩散程度越好，对于老化沥青针入度及粘度的改善越明显．170℃或者更高温度时粘度低的再生剂会发生挥发现象．

根据研究结果，在实际工程应用中建议选用粘度较低且挥发组分含量较低的再生剂；由于RAP加热时不能过高，同时为保证拌合时集料平均温度能达到160℃，建议根据RAP掺加比例适当调高新集料和拌合锅的温度；此外，为使再生剂能够充分与RAP表面老化沥青接触，混合料搅拌时建议首先进行RAP与再生剂的拌合步骤．

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[责任编辑 杨屹]

Study on The Mechanism and Influence Factors of Rejuvenator Penetration Regeneration

XIAO Qing-yi1,ZHANG Meng-qi1,ZHANG Jing-jie1,2
（1.School of civil Engineering and Transportation，Hebei University of Technology，Tianjin 300401，China；2.Hebei Ruian Highway Maintenance Engineering Consulting CO LTD，Hebei Shijiazhuang 050000，China）

Based on the composite material theory and the Fick diffusion law,the diffusion coefficient was calculated to evaluate the effect of various factors on the permeation and diffusion performance of the rejuvenator visually.The results show that with the increase of time,the degree of diffusion has been deepening,and the diffusion coefficient is getting smaller;the influence of temperature on the diffusion is very obvious:the higher the temperature,the greater the degree of diffusion and diffusion coefficient;the further the distance from the original level,the smaller the concentration difference is and so is the coefficient,at 25mm,the concentration of the rejuvenator is very low,and the diffusion coefficient is close to 0;the lower the viscosity of the regenerative agent,the better the effect of diffusion.Finally,according to the research results,the improvement of the mixing process of recycled mixture in practical engineering is put forward.

rejuvenator;permeation and diffusion;Influence factor;diffusion coefficient

U414

A

1007-2373（2017）04-0085-07

10.14081/j.cnki.hgdxb.2017.04.015

2016-12-03

天津市应用基础与前沿基础技术研究计划（15CYBJC23100），河北省自然科学基金（E2016202279）

肖庆一（1979-），男，副教授.通讯作者：张靖洁（1992-），女，851835179@qq.com.