基于红外光谱的RAP 老化沥青转移率研究

2024-03-22邹晓勇李宁吴闻秀王鑫徐晓和

中外公路 2024年1期

邹晓勇，李宁，吴闻秀，王鑫，徐晓和

（1.金华市公路与运输管理中心，浙江金华 321000；2.河海大学土木与交通学院，江苏南京 210098）

0 引言

随着可持续发展观念的大力倡导以及石料、沥青等不可再生资源价格的上涨，再生技术由于可以回收利用废旧路面材料（RAP），在路面建设与养护过程中得到了广泛的应用［1］。目前在再生沥青混合料设计时，新沥青和老化沥青被认为是充分相融的［2］。但在实际再生沥青混合料拌和生产过程中，老化沥青是以薄膜的形式紧密地裹覆于RAP 的表层，并不能完全转移下来，与新沥青接触发生融合［3-4］。所以，在制备再生沥青混合料时，RAP 中老化沥青的转移量是影响再生沥青混合料性能的重要因素。

国内外众多学者都对老化沥青的转移规律进行了研究。Zhao 等［4］通过凝胶渗透色谱（GPC）发现老化沥青的大分子比例（LMSP）高于新沥青，建立了老化沥青含量和LMSP 的关系，据此研究了不同RAP掺量下老化沥青的转移程度。结果表明：随着RAP掺量的提升，老化沥青转移率逐渐降低；Ding 等［5］借助荧光显微镜构建了老化沥青含量与平均灰度值（MGV）的关系，然后将再生混合料颗粒直接在荧光显微镜下观察，测定MGV，再根据公式计算老化沥青转移率。但该试验对样品的处理要求较高，既要保证观察面的平整度，又不能对表层的沥青造成损伤；苏卫国等［6］采用三聚氰胺作为新沥青的示踪剂，通过扫描电镜（SEM）观测示踪剂在老化沥青中的分布情况，间接反映老化沥青的转移情况；然而王勋［7］发现三聚氰胺这种纳米颗粒材料在沥青中分散时极易发生团聚，难以保证分散均匀性；杨毅文等［8］则以RAP 中的矿粉标记老化沥青，将再生混合料中的RAP 和新集料分离，测定转移至新集料上的矿粉质量来表征老化沥青的转移，并基于对流传质理论的特性研究了多种因素对老化沥青转移的影响；杨林等［9］和杨毅文等［8］的试验思路一致，但不同的是采用磁铁矿新集料，利用其易于分离的特性，将新集料和RAP 有效分离。此外，还有一些学者在开展再生剂的研究时发现，其能够有效提高老化沥青的转移程度［10-11］。

目前测定老化沥青转移率并没有一个被广泛认可的方法，并且标记法中的示踪剂通常较难均匀分布于沥青当中。本文采用一种通过红外光谱仪来研究老化沥青转移程度的试验方法。该方法先基于老化沥青和新沥青羰基指数（ICI）的差异，建立老化沥青含量和再生沥青羰基指数的线性关系基准图。然后将拌和后的新集料和RAP 分离，抽提新集料表面的再生沥青并测定羰基指数（ICI），最后根据公式计算转移率。同时研究了RAP 加热温度、拌和时间和再生剂对转移率的影响。研究结果对于再生沥青混合料的配比设计和施工具有重要意义。

1 老化沥青转移率检测方法

再生沥青混合料在拌和过程中，老化沥青从RAP 表层剥落、转移，与新添加的沥青进行融合形成再生沥青，然后重新分布于集料表面。但许多研究表明，并非全部的老化沥青参与融合，真正再生利用的仅是外层转移的部分老化沥青，内层较硬的老化沥青仍然紧密地黏附在集料上，作为集料的一部分存在，即所谓的“黑石”［12］，如图1 所示。

图1 再生沥青混合料中沥青分布示意图Figure 1 Asphalt distribution in recycled asphalt mixture

为量化表征老化沥青的转移状况，本文定义了老化沥青转移率（Mobilization rate，RMR）指标。转移率为实际转移并与新沥青发生融合的老化沥青质量占老化沥青总质量的百分率，计算公式为：

式中：RMR为转移率（%）；Wm为实际转移的老化沥青质量（g）；WR为RAP 中老化沥青的总质量（g）。

由于再生沥青中包含转移的老化沥青和新添加的沥青，则老化沥青所占比例可以通过式（2）计算：

式中：α为再生沥青中老化沥青所占比例；WV为新沥青的质量（g）。

将式（2）进行等式变换，可得：

式中：PV、PR分别为再生沥青混合料中新沥青和老化沥青的质量含量。

从式（3）可以看出：在再生混合料配合比设计完成之后，其PV，PR均为已知量。若要评估老化沥青的转移率，关键要确定参与融合的再生沥青中转移老化沥青所占比例α。但想要通过直接测量再生沥青的物理化学性质或者微观形态很难确定α值，因此本文提出一种间接计算的方法来确定α值，从而确定老化沥青的转移率RMR。

沥青的红外光谱图中，位于1 695 cm-1波数处的羰基（C=O）作为主要化学官能团之一，常用于监测沥青的氧化过程。随着沥青氧化的进行，羰基含量将逐渐增大［13］。所以老化沥青的羰基峰要明显高于新沥青，新沥青与老化沥青中羰基显著的差异性为确定α值提供了可行性。沥青老化前后，位于1 455 cm-1波数处的饱和C—C 振动键基本保持不变。因此羰基含量一般采用羰基指数（Carboxyl index，ICI）来表征，计算公式如式（4）所示：

式中：ICI为羰基指数，无量纲；AC=O为沥青红外光谱中1 695 cm-1处羰基的峰面积，波数范围为1 665～1 720 cm-1；AC—C为1 455 cm-1处饱和C—C 键的峰面积，波数范围为1 392～1 488 cm-1。

本文确定转移率的具体步骤为：

（1）抽提RAP 中的老化沥青，将其按照不同的比例与新沥青在室内混溶形成再生沥青，进行红外光谱试验并按式（4）计算ICI。

（2）以老化沥青含量α为横坐标，ICI为纵坐标建立坐标系，将步骤（1）中测得的数据点绘制于该坐标系中，拟合老化沥青含量α与再生沥青ICI的基准关系式。

（3）将步骤（2）中α与ICI的关系式代入式（3）中，从而建立RMR与ICI的关系式。

（4）拌和再生沥青混合料，抽提新集料上的沥青并通过红外光谱试验测得ICI值，基于步骤（3）中RMR与ICI的关系，最终即可算得转移率RMR。

2 材料与试验

2.1 原材料及配合比

本文采用的新沥青为江苏某沥青厂生产的PG 76-22 SBS 改性沥青，热拌再生剂和温拌再生剂分别来源于江苏和山东某公司。新沥青和再生剂的性能指标分别如表1、2 所示。

表1 SBS 改性沥青的基本性能指标Table 1 Basic performance indexes of SBS modified asphalt

表2 再生剂的基本性能指标Table 2 Basic performance indexes of regenerants

RAP 来源于江苏某服役11 年的高速公路上面层AC-13 混合料。将其破碎筛分出粒径小于4.75 mm的细颗粒，与粒径大于4.75 mm 的粗新集料拌和，形成新的AC-13 沥青混合料。原材料性质见表3，再生沥青混合料的配合比和级配曲线分别见表4 和图2。采用这种方式，有利于新集料与RAP 拌和后的分离，为新集料表层再生沥青ICI的测试提供了可行性。

表3 新集料和RAP 的性质Table 3 Properties of new aggregate and RAP

表4 再生混合料配合比Table 4 Mixture ratio of recycled mixture

2.2 样品制备与试验

本文采用5 种温度（85 ℃、110 ℃、135 ℃、160 ℃、185 ℃）对RAP 进行加热，以研究RAP 自身温度对老化沥青转移率的影响，新集料的加热温度恒定为190 ℃，在拌和前，材料均在相应的温度下保温2 h 以保证拌和时的温度均匀性。拌和过程中，先将RAP和新集料、再生剂进行拌和，再加入新沥青拌和，两次拌和时间相等，为探究拌和时间对老化沥青转移率的影响，总拌和时间选取90 s、180 s、270 s 共3 种时长。同时，为探究再生剂对老化沥青转移率的影响，本文采取不加再生剂、加热拌再生剂、加温拌再生剂3 种方式进行试验。根据再生剂厂商的推荐添加量及实际检测的再生效果，最终确定两种再生剂的添加量均为老化沥青质量的5%。试验样品制备条件见表5。

表5 试验样品制备条件Table 5 Preparation conditions of test samples

再生沥青混合料拌和完成后，待温度降至70 ℃以下，将颗粒分散，然后过4.75 mm 的筛网分离出RAP和裹附再生沥青的新集料颗粒（图3）。将新集料颗粒浸没于三氯乙烯中，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）中的试验步骤将沥青抽提，并进行3 次平行红外光谱测试，测试的波数范围为400～4 000 cm-1。红外光谱试验采用美国Nicolet IS20 红外光谱仪，按照衰减全反射法（ATR）进行［14］。通过OMINIC 软件对沥青的红外光谱图进行分析并测定ICI，沥青红外光谱试验如图4 所示。

图3 拌和后分离的新集料和RAPFigure 3 Separated new aggregate and RAP after mixing

图4 沥青红外光谱试验Figure 4 FTIR test of asphalt

3 试验结果与分析

3.1 羰基指数ICI的计算

图5 为新沥青与老化沥青的红外光谱图。

图5 沥青红外光谱图Figure 5 FTIR spectra of asphalt

从图5 中可以发现：老化沥青在1 695 cm-1波数处的羰基峰要明显高于新沥青。

采用式（4）计算再生沥青（不同老化沥青含量α）的羰基指数ICI，结果如图6 所示。

图6 再生沥青的羰基指数和老化沥青含量的关系Figure 6 Relationship between ICI and aged asphalt content of recycled asphalt

从图6 可以看出：随着老化沥青含量的增加，羰基指数ICI明显增大。拟合公式表明ICI与α值呈线性正相关，且相关系数R2大于0.95，说明二者具有较高的相互关联性。

3.2 老化沥青转移率的计算

图6 中已经得到再生沥青羰基指数ICI和老化沥青含量α的关系式，将其带入式（3）即可得到式（5），式（5）是由新集料上再生沥青的ICI测定值来计算RAP 中老化沥青转移率RMR的公式。

表6 以一具体实例展示老化沥青转移率的计算，RAP 加热温度为135 ℃，总拌和时间为180 s，第一次拌和时加入热拌再生剂。通过实例表明，采用本文所述方法确定老化沥青转移率是可行的。

表6 老化沥青转移率RMR计算实例Table 6 Example of RMR calculation of aged asphalt

3.3 不同因素对老化沥青转移率的影响

3.3.1 RAP 加热温度

图7 为拌和时间取180 s，添加热拌再生剂时，不同RAP 温度对老化沥青转移率RMR的影响。

图7 不同RAP 温度下的老化沥青转移率Figure 7 RMR of aged asphalt at different RAP temperatures

由图7 可知：① 将RAP 温度控制在85 ℃时，参与拌和过程后，老化沥青的转移率仅为22.1%。而将RAP 温度控制在185 ℃时，老化沥青的转移率则能达到49.7%，相比85 ℃的RAP 提升了约125%。这可能是由于长时间的老化及荷载作用，使沥青的黏度大幅增加并与集料的结合非常紧密，导致温度较低时沥青很难在机械拌和的作用下从RAP 表面大比例剥落；② 从图中老化沥青转移率随温度增加的变化趋势可以看出，RAP 温度从160 ℃提升至185 ℃时，转移率只有2.8%的增长，说明此时RAP 表面易剥落的老化沥青已有较大比例参与到再生过程中；③ 在RAP 温度从135 ℃提升到160 ℃的过程中，老化沥青转移率显著上升，上升幅度达15.5%。

目前实际施工过程中，RAP 温度一般在135 ℃左右，根据上述试验结果可知，适当提升加热温度可以使RAP 表面的老化沥青更多地参与到再生过程中，但温度不宜过高，否则会使沥青老化程度进一步加深，并且温度升高至一定程度后，对转移率的提升效果并不明显。

3.3.2 拌和时间

图8 为RAP 温度取135 ℃，添加热拌再生剂时，不同拌和时间对老化沥青转移率RMR的影响。

图8 不同拌和时间下的老化沥青转移率Figure 8 RMR of aged asphalt at different mixing time

由图8 可知：① 将总拌和时间控制在90 s，通过拌锅将RAP、新集料、新沥青以及再生剂进行拌和之后，老化沥青的转移率只有14.4%。延长拌和时间至270 s 时，拌和后的老化沥青转移率增长至34.5%，相比90 s 拌和时间的效果，提升了约140%。造成转移率相差如此大的原因可能是拌和的时间过短，导致机械搅拌过程中新集料与RAP 间的摩擦还不够充分、再生剂对老化沥青的软化效果还没有较好地发挥出来，导致老化沥青在拌和过程中剥落的比例较小；② 比较3 种拌和时间的试验数据可以发现，拌和时间为180 s 的老化沥青转移率比90 s 时升高了17%，但延长至270 s 时RMR只提升了3.1%，说明延长拌和时间能够显著提升老化沥青的转移率，但180 s 的拌和时长已经能使RAP 表面易剥落的老化沥青发生较大比例的脱落和转移，导致延长至270 s 的拌和效果提升有限，性价比较低。所以根据试验结果可知，标准的180 s 室内拌和时间足以保证较高比例的老化沥青从RAP 表面剥落，进一步延长拌和时间并不能明显提升老化沥青转移率。

3.3.3 再生剂

图9 为RAP 温度取135 ℃，拌和时间取180 s 时，再生剂对老化沥青转移率RMR的影响。

图9 不同再生剂添加情况下的老化沥青转移率Figure 9 RMR of aged asphalt at different regenerant additions

从图9 可知：通过添加不同再生剂，可以使老化沥青的转移率出现不同程度的增长。这是由于再生剂一般主要由轻质油分组成，相同温度下再生剂通常具备比沥青更好的流动性，并且与沥青具有良好的相容性，使得再生剂在渗透到老化沥青内部之后，让老化沥青得到一定的软化，进而更容易从RAP 表面剥落转移。温拌再生剂对老化沥青转移率的提升尤为显著，与不加再生剂的转移效果相比，提升了约50%，这是因为温拌再生剂不仅具有热拌再生剂的各种特性，还具备额外的降黏效果，使老化沥青的黏性进一步降低，令其剥落转移的比例进一步升高［15-16］。