高掺RAP沥青界面融合行为的量化评价

陈 龙, 陈宏斌, 李 朋, 胡 朋, 何兆益

(1.山东交通学院 交通土建工程学院, 山东 济南 250357; 2.甘肃省交通科学研究院集团有限公司, 甘肃 兰州 730030; 3.重庆交通大学 土木工程学院, 重庆 400074)

国内外针对废旧沥青路面材料(RAP)铣刨回收再生利用的研究始于20世纪70年代石油危机凸显时期.截至目前,再生沥青路面里程及在路网所占比例均逐年攀升,美国、欧洲、中国等相继颁布了RAP循环再生应用施工技术指南[1-5].此外,各国在再生沥青混合料等路面材料配合比组成设计、常规路用性能与黏弹流变本构特性评价、国省干线工程施工工艺关键节点控制等方面也取得了丰硕的研究成果[6-8].

然而,目前多数已知研究成果主要针对RAP再生工程现场应用性能合格与否进行判别,缺乏针对RAP表面废旧沥青与新添沥青、再生剂(必要时)在界面区域扩散融合行为特征的深入研究报道,在多因素耦合条件下针对高掺RAP沥青界面融合行为进行量化评价的研究尤其空缺[9].毋庸置疑,RAP沥青界面渗透扩散、交互融合的行为特点及其最终呈现状态均可直接影响再生沥青混合料的实际应用性能,RAP沥青与新添沥青在界面融合的薄弱区域也极可能成为再生沥青混合料功能失效首先发生的部位.因此,在各项影响因素及其组合作用下,科学合理地探究RAP沥青与新添沥青界面融合行为特点,精准量化表征并最大程度改善高掺RAP表面废旧老化沥青的物化特性和工作状态,是获得长寿命、耐久型再生沥青混凝土及其路面的技术关键[10-12].

1 试验材料与测试方案

1.1 试验材料

选用的RAP沥青为70#老化沥青(经室内旋转薄膜烘箱(RTFOT)+压力老化仪(PAV)标准老化试验制备获得),新添沥青分别采用70#和90#原样沥青,沥青再生剂为课题组自制复合型化学再生剂RA-2,矿粉为石灰岩质(粒径0.075mm及以下).原材料性能测试结果分别见表1、2.

表1 RA-2沥青再生剂主要技术指标

表2 RAP沥青和新添沥青主要技术指标

1.2 测试方案

本文首先结合荧光显微镜(FM)和图像分析软件,分别从定性和定量角度验证新添沥青-RAP沥青界面区域的存在.FM测试采用江南永新光学有限公司生产的XS-402型落射式荧光显微仪,工作电流0.45A,放大倍率400倍.图像分析采用美国Media Cybernetics公司开发的Image Pro Plus 6.0软件,光学特征参数分别选取平均光密度(AOD)、累计光密度(IOD)和图像灰度值(IGL).试样制备方法为：将薄层刀片置于载玻片正中央,在其左右两侧分别涂抹RAP沥青与新添沥青;随后拿去薄层刀片,将载玻片置于电炉上方稍许加热,使左右两侧涂抹的沥青在中间细微缝隙区域恰好接触即可.

沥青界面融合行为采用动态剪切流变仪(DSR)进行测试.表征界面融合的量化指标以菲克扩散定律为基准,从物理、力学和能量角度选取界面融合速率(DS)、融合程度(DOB)、界面扩散激活能(Q)、不同层位新添沥青掺量1)(w)和沥青层间分布离散系数(DDC)来进行评价,理论公式分别见式(1)～(4).

(1)

(2)

(3)

(4)

1)文中涉及的掺量均为质量分数.

将直径8mm、厚度1mm的新添沥青与RAP沥青上下叠放,上方新添沥青为扩散相,下方RAP沥青为受体相,从沥青结合料层面模拟50%RAP高掺量条件下(RAP沥青与新添沥青掺配质量比1∶1)再生混合料沥青界面扩散融合能力.若制备沥青胶浆界面试样,则在RAP沥青内掺配相应粉胶比的矿粉.随后,采用铝箔条将叠放试样连同硅胶模具密封并一同置于烘箱加热(最大程度减少界面扩散过程中沥青热氧老化),一定时间后取出试样进行DSR测试[13-15].DSR试样及层位划分示意图见图1.

图1 DSR试样及层位划分示意图Fig.1 DSR sample and its layer distribution

2 结果与分析

2.1 荧光显微试验结果

通过对获取的沥青荧光显微图像进行定性分析可知,RAP沥青与新添沥青在发光颜色、发光亮度等方面均表现出较大差异：RAP沥青呈现紫灰色,颜色较为深暗;新添沥青呈现米黄色,颜色较为明亮.另外,观测RAP沥青与新添沥青界面试样亦可发现,其界面区域通过荧光显微图像能够清晰识别.随后,控制RAP沥青掺量wRAP为0%、20%、40%、50%、60%、80%、100%,将RAP沥青与新添沥青混溶,各混溶沥青试样的光学特征参数(AOD、IOD、IGL)量化计算结果绘于图2.由图2可以明显看出,混溶沥青荧光显微图像的各项光学特征参数与RAP沥青掺量呈现较好的线性函数关系,并且随RAP沥青掺量减少,各项光学特征参数均逐渐增大.

图2 各混溶沥青试样的光学特征参数Fig.2 Optical characteristic parameters of miscible asphalt samples

2.2 DSR试验结果

本文DSR试验采用不同的加热温度θ(110、130、150℃)、加热时间t(10、20、30、60、120min)这2项外在因素和不同粉胶比mf/ma(0、1.0、2.0)、新添沥青标号(70#、90#)、是否添加再生剂这3项内在因素组合后进行测试,计算结果和分析结论分别如下.

2.2.1融合速率DS

首先以沥青结合料试样为例,对其界面融合速率DS进行量化分析,结果见图3.

图3 沥青结合料界面融合速率DSFig.3 Diffusion speed of asphalt binder interface

由图3可知,随加热时间延长,不同因素组合条件下的新添沥青-RAP沥青界面融合速率DS值均呈指数函数快速减小,并最终趋于稳定,说明提升沥青界面融合行为的关键在加热前期阶段.另外,当加热温度较低时(110～130℃),同一时刻各试样DS值之间的差异较小;当加热温度进一步升高(130～150℃),各试样DS值之间的差异迅速增大.该现象说明高温能够加速提升沥青界面融合速率,并且对70#新添沥青效果尤为明显.

以10min时DS与120min时DS的比值来表征沥青界面融合速率DS衰减幅度,结果列于表3.由表3可以看出,较高的加热温度、90#新添沥青以及添加再生剂均能够有效降低DS衰减幅度(降幅可达10%～50%).

表3 沥青结合料界面融合速率DS衰减幅度

对120min时不同粉胶比沥青胶浆试件的DS值作进一步分析,结果列于图4.由图4可以看出：较高的加热温度、90#新添沥青以及添加再生剂均能够显著改善DS值,并且当粉胶比较小时(mf/ma=0、1.0),其改善效果尤为明显；同等条件下,当粉胶比较小时,使用90#新添沥青和添加再生剂能够使DS值分别提高2、10倍左右;并且加热温度每增长20℃,DS值能够相对提高50%～120%左右,该现象进一步从正面角度验证了上文分析的结论;但随着粉胶比继续增加(mf/ma=2.0),其改善幅度快速降低.

图4 120min时不同粉胶比沥青胶浆试件的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

以沥青结合料试样为例,对界面融合程度DOB进行量化分析,结果见图5.由图5可知：随着加热时间、加热温度以及新添沥青标号的增大,沥青界面融合程度DOB均得到大幅提升;同等条件下,未添加再生剂的试样DOB值均不足50%;而添加再生剂能够相对提升DOB值2～3倍,并且最终可实现界面100%完全混溶状态;另外,未添加再生剂时(图5(a)),与70#新添沥青相比,90#新添沥青在各加热温度和加热时间节点处对DOB值的提升幅度基本一致;但是,当添加再生剂时(图5(b)),90#新添沥青对DOB值的提升呈非匀速、非稳态变化,在加热时间段后期对DOB值的改善效果明显优于前期阶段,并且随加热温度增加逐级增长,说明添加再生剂能够使沥青界面融合程度的改善效果显著并且持久,因此能够更好地提升RAP沥青界面再生性能.

对粉胶比分别为1.0、2.0的沥青胶浆试样界面融合程度进行计算,结果见图6、7.由图6、7可以看出：随着粉胶比的增加,DOB值大幅递减；当未添加再生剂时(图6(a)和图7(a)),在各加热温度和加热时间节点处高标号新添沥青对沥青胶浆试样DOB数值的提升幅度基本一致;但是当添加再生剂时(图6(b)和图7(b)),高标号新添沥青对DOB数值的改善幅度随加热时间与加热温度的增长而逐级增长.表明在再生剂作用下,沥青胶浆试样界面融合程度的改善效果亦较显著且持久,但其提升幅值随粉胶比增加呈逐级下降趋势.该结论与图5中沥青结合料试样DOB分析结果完全一致.

图5 沥青结合料试样界面融合程度Fig.5 DOB for asphalt binders (mf/ma=0)

图6 mf/ma=1.0时沥青胶浆试样界面融合程度Fig.6 DOB for asphalt mortars (mf/ma=1.0)

图7 mf/ma=2.0时沥青胶浆试样界面融合程度Fig.7 DOB for asphalt mortars (mf/ma=2.0)

图8 90#新添沥青在各层位中的掺量Fig.8 w in each layer for 90# virgin asphalt

2.2.3沥青层间分布特征

以沥青结合料试样为例,对不同因素组合下90# 新添沥青在各层位中的掺量w进行量化分析,结果见图8.不同粉胶比沥青胶浆试样层间分布离散系数DDC计算结果分别见图9～11.

图9 沥青结合料试样层间分布离散系数Fig.9 DDC for asphalt binders (mf/ma=0)

由图8～11可以看出：随着加热时间的延长、加热温度的提高以及再生剂的添加,各层位处所含90#新添沥青掺量w逐渐接近混溶沥青标准值0.5;沥青层间分布离散系数DDC不断降低,再生沥青整体属性趋于均匀一致;添加再生剂后,在各加热温度和加热时间节点处,90#新添沥青对试样层间分布均匀性的提升幅度相比未添加再生剂时更为显著,并且随加热时间延长其提升幅度增大.该现象表明再生剂对沥青胶结料试样在界面区域扩散融合的改善效果较为显著且持久,但其提升幅度随粉胶比增加而不断下降.该行为不仅进一步有力证实了RAP沥青与新添沥青在界面区域的确能够发生分子扩散交融反应,同时也验证了前文基于融合速率DS和融合程度DOB分析得到的结论.

图10 mf/ma=1.0时沥青胶浆试样层间分布离散系数Fig.10 DDC for asphalt mortars (mf/ma=1.0)

图11 mf/ma=2.0时沥青胶浆试样层间分布离散系数Fig.11 DDC for asphalt mortars (mf/ma=2.0)

2.2.4界面扩散激活能Q

各沥青胶结料试样界面扩散激活能Q结果见表4.

表4 各沥青胶结料试样界面扩散激活能Q

由表4可知,随着加热时间的延长,各沥青胶结料试样Q值快速增长并且逐步趋于稳定.究其原因,主要在于新添沥青、RAP沥青分子在层间界面不断交换,扩散相中新添沥青掺量逐渐减小,受体相中新添沥青掺量快速增加,二者梯度差值逐渐减弱,导致界面分子扩散驱动力逐渐不足(见图8～11),该现象验证了前文沥青界面融合速率DS随时间呈指数函数快速减小,界面融合的关键在加热初期阶段的结论.在同等条件下,90#新添沥青与RAP沥青在层间界面扩散需要打破的能量壁垒值较70#新添沥青略高;添加再生剂后能够明显减小界面扩散所需的能量,这主要是因为90#新添沥青与RAP沥青胶体结构的差异程度较后两者70#新添沥青与RAP沥青相对更大,需要更高的能量以激活沥青界面分子,促使其发生扩散融合反应.因此,若新添沥青、RAP沥青性能差异较大,建议事先添加少量再生剂以部分恢复RAP沥青性能.未添加再生剂时,掺入一定量矿粉能够减少驱动沥青界面扩散所需的能量.但是当添加再生剂且粉胶比较高时(mf/ma=2.0),Q值较低粉胶比条件下反而升高.究其原因,可能在于沥青胶浆因矿粉存在而造成其内部空隙相对增多,因此能够使沥青分子在界面迁移相对更加容易.但高矿粉含量下添加再生剂将使其小分子有效填充沥青胶浆内部空隙并裹附矿粉表面,从而发生激活界面扩散融合所需能量升高的行为,出现添加再生剂后作用效果反而下降的现象.

3 结论

(1)荧光显微图像及其光学特征参数(平均光密度AOD、累计光密度IOD、图像灰度值IGL)、基于动态剪切流变的界面融合速率DS、融合程度DOB、各层位中新添沥青掺量w、分布离散系数DDC和界面扩散激活能Q可以分别从定性、定量角度直观表征RAP沥青与新添沥青界面融合特征.

(2)随加热时间延长,界面融合速率DS呈指数函数快速减小;粉胶比较小时,提高新添沥青标号和添加再生剂可分别使DS值提升2、10倍左右,DS衰减幅度降低10%～50%;加热温度每提高20℃,DS提升50%～120%.

(3)界面融合程度DOB与再生剂、新添沥青标号、加热温度和时间呈正相关关系,与粉胶比呈负相关关系.其中,添加再生剂可提升DOB值2～3倍并达到100%完全融合状态,并且添加再生剂对沥青界面融合的效果更为持久.

(4)随加热温度及时间增加、新添沥青标号提高以及再生剂添加,沥青层间分布特征逐渐趋于均匀一致(DDC值逐渐趋于0),但其改善幅度随粉胶比增加而下降.

(5)界面扩散激活能Q值随加热时间延长而快速增大并逐步趋稳,添加再生剂后Q值减小.该参数能够从能量角度有效揭示新添沥青、RAP沥青分子界面融合的内在机制.