新旧沥青融合多尺度评价研究

王 娇



新旧沥青融合多尺度评价研究

王 娇

（西安外事学院，陕西 西安 710077）

应用纳米级技术和宏观力学技术展开对RAP料中旧沥青对新沥青结合料结构和性能的影响，并且对新旧沥青之间的融合程度进行评估。对新沥青、RAP料中抽提出的旧沥青及新旧沥青混合而得的复合沥青进行不同的原子力显微镜试验，除此之外，通过再生沥青的DSR试验和动态模量试验评估得到的新旧沥青融合程度与应用原子力显微镜试验得到的结果相比较。结果表明微观和宏观研究结果具有一致性。

沥青；RAP；融合

由于沥青价格的不断上涨以及环境保护的需求，研究沥青路面铺筑过程中增加RAP的掺量具有一定的意义[1-3]。一些科研机构开展了再生沥青混合料中旧沥青与新沥青融合程度研究。这些研究对理解RAP的添加对沥青混合料性能产生的影响做出了显著贡献，但是仅通过宏观性能试验的研究不足以说明再生沥青混合料的失效机理。在本文中，应用多种纳米级技术对RAP料中回收沥青、新沥青和再生沥青的微观结构及力学性能进行分析，从而对新旧沥青的融合程度进行研究。

1 试验项目

1.1 实验准备

采用40% RAP掺量的厂拌热再生沥青混合料，其中新沥青等级为PG64-28，混合料中沥青含量为5.7%，RAP料中沥青含量为4.79%，沥青替代百分比为33.6%，沥青替代百分比计算公式见式（1）。

对RAP料中的旧沥青进行抽提，并与新沥青（PG64-28）加热到135℃混合，搅拌5 min得到再生沥青，其中旧沥青掺量33.6%，新沥青掺量66.4%。根据规范AASHTO 229和AASHTO M320对三种沥青进行PG分级试验，结果见表1。

表1 沥青PG分级

用吸管分别吸取0.5 mL热沥青，将其滴在玻璃基片的中心制备新沥青、旧沥青和再生沥青片状试样。玻璃基片水平放置15 min中使沥青在基片上均匀分散形成光滑平整的沥青表面。

1.2 原子力显微镜技术

1.2.1 原子力显微镜成像技术

原子力显微镜技术作为一种研究材料行为的纳米级工具得到了越来越多的关注。本文采用Agilent5500LS型原子力显微镜对三种沥青的微观结构和力学性能进行分析研究，采用“轻敲模式”对新沥青、旧沥青和再生沥青表面进行扫描来研究其微观结构。在本文中，选择88%相对高的振幅设定值以及240 nm的自由振幅来分析研究3种沥青试样的粘弹性性质的差异。

1.2.2 压痕试验

首先要确保足够的压痕深度来消除试样表面对结果的影响，但同时压痕深度小于试样厚度的10%来保证测量结构不受试样玻璃基底的影响。因此纳米压痕试验采用350 nm/s的扫描速度，针尖选用倾角为20°锋利的四面椎体针，悬臂共振频率为126 kHz，试验温度为25 ℃。

1.2.3 力谱试验

对三种试样在25 ℃下进行力谱试验。力谱试验能够测量针尖接近、接触以及撤离试验表面过程中其与试验表面相互作用力的大小。在本研究中，力谱试验采用氮化硅针尖，这与沥青混合料中集料性质类似，来模拟沥青与集料界面的相互作用，从而所研究沥青与集料的粘附性能。

1.3 宏观性能试验

本文通过建立新沥青、旧沥青以及再生沥青的││的主曲线对3种沥青试样的流变性能进行研究。按照AASHTO TP62-03标准对所研究的高RAP掺量的再生沥青混合料进行动态模量试验。试验温度为4,25，40 ℃,每种温度条下采用6个不同加载频率（25, 10, 5, 1, 0.5,0.1 Hz）。整个实验过程中，温度均匀增加，加载频率由高到低变化。

2 结果和分析

2.1 微观结构分析

从图1新沥青的相位图中可以看出，沥青表面分布着深色区域，深色区域中椭圆形结构被称为蜂形结构[4,5]。由于沥青质的极性主要来源于沥青中的杂环原子，因此蜂形结构受到沥青质极性的影响。

图2表示RAP料中旧沥青的形貌图和相位图。与新沥青相比，RAP料中旧沥青的深色分散域与其周围平面区域的相位角差异规律相反。上述观察表明，在沥青老化过程中形成平面区域的沥青组分与形成分散域的沥青组分相比发生了明显的改变。图3中显示的旧沥青的蜂形结构的尺寸要明显小于图1中新沥青的蜂形结构的尺寸，这可能是由于沥青老化阻碍了沥青分子链的运动以及沥青中蜡组分的结晶。图3显示了再生沥青的相位图和形貌图，显然旧沥青的掺加改变了新沥青的微观结构。因此，图1至图3表明了再生沥青中新沥青与旧沥青确实发生了融合，且在纳米尺度下观察发现融合后再生沥青的均匀性较好。

(a)形貌图       (b)相位图

Flg.1 9×9μm Asphalt images

(a)形貌图       (b)相位图

Flg.2 9×9μm RAP asphalt images

(a)形貌图      (b)相位图

Flg.3 9×9μmImages of the composite binder

2.2 纳米压痕试验结果

在纳米压痕试验分析过程中，标准的荷载-位移曲线要转化为荷载-压痕深度曲线（图4），但与传统压痕试验不同的是原子力显微镜中压痕深度是由公式（2）的悬臂挠度和压电陶瓷激振器位移计算得出。值得注意的是，获得压痕曲线的一大难点是如何准确的从荷载-位移曲线中读出针尖与试样表面的接触点。本文利用接触力学理论来分析纳米压痕实验数据，并采用Sneddon修正方法对Hertzian模型进行修正来计算试样的弹性模量。

图4 沥青胶结料典型荷载-压痕曲线

（3）

式中：为悬臂挠度，为压电陶瓷激振器位移，reduced/1μ，reduced为损耗弹性模量,为试样的泊松比，为AFM探针倾角一半。

利用公式（3）计算新沥青、旧沥青以及复合沥青的弹性模量。图5显示了三种沥青试样的损耗模量的平均值和误差线。RAP料中旧沥青的模量值远大于新沥青和复合沥青，而复合沥青的模量值介于新沥青和旧沥青之间。本文对试验结果进行了分析，结果见表2，在95%的置信水平下，旧沥青对新沥青的模量具有显著性影响。结果表明RAP料中的旧沥青与新沥青混合发生了融合。

图5 纳米压痕试验不同沥青损耗模量

表2 纳米压痕试验方差分析结果

2.3 力谱试验结果

实验得到的荷载-位移曲线见图6。图6中阴影部分的面积代表针尖与试样表面结合能的大小，用其来评价沥青试样的粘结性质。图7比较了三种沥青结合能平均值的大小，其方差分析见表3，复合沥青的结合能要远小于新沥青的结合能，这表明RAP中旧沥青对新沥青的粘结性能有负面的影响。

图6 典型荷载位移曲线

图7 结合能

表3 力谱试验方差分析

2.4 融合分析

原子力显微镜的试验结果直接说明了复合沥青中新沥青与旧沥青确实发生了融合。纳米压痕试验在纳米尺度下检测到了沥青试样空间上的变化，并且能够用来量化新旧沥青的融合程度。33.6%的旧沥青与66.4%新沥青所形成的复合沥青的加权平均模量、实际测得的模量如图8所示。从图中可以得出，复合沥青实际试验所测得的模量要小于复合沥青的加权平均模量，这说明RAP旧料中有一部分旧沥青没有与新沥青发生融合。根据加权平均模量计算公式，28.5%的旧沥青与71.5%新沥青所形成的复合沥青的模量与复合沥青的实测值相一致，这表明大约有85%的RAP中的旧沥青与新沥青发生了融合。

图8 融合程度定量化分析结果

2.5 新旧沥青融合程度宏观分析

应用Bonaqnist推导出的方程来评估再生沥青混合料中RAP料旧沥青与新沥青的融合程度。为了实现该目标，首先应用Christensen-Anderson公式建立复合沥青的部分││主曲线，其次将从主曲线预估得到的││值代入Hirsch公式（4）来预估再生沥青混合料的││值。通过统计分析得出实测││和预估││值在95%置信水平下的置信区间，如果两个置信区间相重叠，结果表明再生沥青混合料中新旧沥青达到好的融合程度。

（5）

式中：││mix为混合料的动态模量，VMA为矿料间隙率，VFA为沥青饱和度。

图9中显示的是在25 ℃，不同频率下，40%RAP掺量的再生沥青混合料融合程度的宏观分析结果。测量││mix值与预估││mix值在95%置信水平下置信区间重叠，说明新旧沥青间的确发生了融合。然而这种方法只能定性而不能定量地评价新旧沥青的融合程度。因为该评价方法只是基于沥青的宏观性能而并没有考虑到RAP胶结料中各种微观因素的影响。

图9 新旧沥青融合宏观分析

Flg.9 Macroscale analysis of the blending between the RAP and virgin binders

3 结论

在本文中，应用多种分析方法研究了旧沥青对新沥青力学性能的影响以及新沥青与旧沥青之间的融合程度。应用了常用的和纳米级微观尺度技术，得出了如下的结论：

（1）原子力显微镜图像显示了复合沥青蜂形结构的面积小于新沥青蜂形结构的面积。此外，复合沥青与旧沥青深色分散域和周围平面区域的相位角的差异规律与新沥青相反。

（2）纳米压痕试验结果表明复合沥青的模量远小于旧沥青的模量但要大于新沥青的模量。

（3）力谱试验结果表明，RAP中旧沥青对新沥青的粘附性产生了不利影响。

（4）原子力显微镜下与混合料动态模量试验结果表明RAP料中旧沥青与新沥青确实发生了融合。原子力显微镜试验结果表明RAP料中大约有85%的旧沥青与新沥青发生融合。

［1］ 张继森,吴超凡,曾梦澜,朱沅峰．再生沥青混合料RAP掺量对使用性能的影响[J]．公路工程,2013(8):107-110.

［2］ 王明,刘黎萍,罗东．纳米尺度沥青微观结构特征演化分析[J]．中国公路学报,2017(1):10-16.

［3］ 兰青,徐伟,赵劲松．高比例RAP厂拌热再生沥青混合料在广惠高速公路试验与评价[J]．公路工程,2013(08):79-83.

［4］ 余红伟,马海花,魏徵．SEBS改性沥青的制备与性能研究[J]．弹性体,2016(05):5-8.

［5］Baumgartner G.(2010)"Butting and Moisture Resistance of Asphalt Mixtures Containing Polymer and Polyposphoric Acid Modified Bitumen"[C]. Presented at the Meeting of the AI Spring Meeting, Washington DC.

Multiscale Evaluation of the Composite Asphalt Binder in High-Reclaimed Asphalt Mixtures

（Xi’an International University, Shaanxi Xi’an 710077, China）

The effect of old asphalt on the structure and properties of the new asphalt binder was studied by using nanoscale technology and macro-mechanics technology, and the degree of fusion between the old asphalt and the new asphalt was evaluated. Atomic force microscopy tests of new asphalt, old asphalt extracted from RAP, compound asphalt of new asphalt and old asphalt were carried out. In addition, DSR test and dynamic modulus test of regenerated asphalt were used to evaluate the degree of fusion between new asphalt and old asphalt, evaluated result was compared with that obtained by atomic force microscopy test. The results show that the results of microscopic and macroscopic studies are consistent.

Asphalt; RAP; Mixture

TE 624

A

1671-0460（2017）08-1527-04

陕西省教育厅 碳纤维导电砂浆中长期性能研究，项目号：15JK2131。

2017-05-12

王娇(1981-)，女，山东烟台人，讲师，硕士研究生，2005年毕业于长安大学建筑工程学院，研究方向为工程结构及管理。E-mail： 23889324@qq.com。