RAP中有效瀝青膜厚度測定

成志強，陳先勇，陳輝強，侯 俊，徐棟良

(1.重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，重慶400074;2.重慶重交再生資源開發(fā)有限公司，重慶400060)

0 引言

隨著我國公路建設(shè)事業(yè)的不斷發(fā)展，公路的改擴建及路面翻修每年都會產(chǎn)生廢舊瀝青混合料數(shù)千萬噸［1］，高效利用廢舊材料的再生瀝青混合料技術(shù)備受關(guān)注。由于瀝青混合料路面在使用過程中，受到車輛荷載以及自然因素的影響，廢舊瀝青中各組分含量失衡，瀝青穩(wěn)定性變差，呈現(xiàn)出老化變硬、稠度變大、流動性變差的特性［2］。當(dāng)舊瀝青混合料(Reclaimed Asphalt Pavement，RAP)用于再生瀝青混合料配合比設(shè)計時，在混合料拌和過程中舊瀝青能否與舊集料分離，均勻分布在再生瀝青混合料中，能否起到良好的膠結(jié)作用，目前我國在這方面的研究尚少。

傳統(tǒng)再生瀝青混合料在計算新瀝青摻配比例時，采用式(1)［3］:

式中:x為新瀝青材料的摻配比例，%;iR為再生瀝青混合料的瀝青用量，%;io為舊料瀝青含量，%;P為舊料摻配率，%。

用式(1)計算再生混合料新瀝青質(zhì)量時，采用總瀝青質(zhì)量減去RAP中舊瀝青質(zhì)量，顯然這種計算方法的前提假設(shè)條件為RAP中的舊瀝青為百分之百利用。而研究表明［4］:RAP在溫拌再生過程中，僅有67%～87%的舊瀝青可再生利用。

假若RAP中的舊瀝青在拌和過程中未能較好的分散于再生混合料中，則會出現(xiàn):①RAP混合料顆粒表面再次裹覆新瀝青，使舊集料表面瀝青膜厚度增加，而新集料瀝青膜變薄，影響再生瀝青混合料路用性能;②新、舊瀝青在接觸面上存在瀝青組分濃度差突變界面，一定程度上影響混合料路用性能。瀝青再生相容性理論認(rèn)為瀝青是以瀝青質(zhì)為溶質(zhì)，而以軟瀝青為溶劑形成的高分子濃溶液。由于舊瀝青中瀝青質(zhì)濃度較大，新瀝青在裹覆RAP混合料時，新、舊瀝青在接觸面上形成瀝青質(zhì)濃度突變界面，瀝青質(zhì)與軟質(zhì)瀝青在該界面處相互擴散的速度非常慢，且在一定的溫度下單純的機械拌和不易使新、舊瀝青形成穩(wěn)定的高分子濃溶液，宏觀上影響再生混合料路用性能;③新、舊瀝青在再生混合料中混溶狀態(tài)不良，RAP中舊瀝青達(dá)不到理想的再生效果，導(dǎo)致新瀝青添加較多，經(jīng)濟效益較差。

筆者分析了RAP中舊瀝青的存在狀態(tài)，提出RAP有效瀝青膜厚度的概念;然后通過擬合不同瀝青混合料空隙率與油石比的關(guān)系曲線，計算得出不同混合料在同一空隙率下的油石比，從而利用有效瀝青公式計算RAP中有效瀝青含量，在此基礎(chǔ)上采用比表面積系數(shù)法計算RAP中有效瀝青膜的厚度;最后研究了添加劑種類與有效瀝青含量的關(guān)系，進(jìn)一步提出提高有效瀝青含量的方法。

1 舊瀝青的存在狀態(tài)

研究表明［5］舊瀝青在RAP中主要以吸收瀝青和表層瀝青兩種狀態(tài)存在。舊瀝青存在狀態(tài)示意如圖1。

圖1 舊瀝青在RAP中存在狀態(tài)Fig.1 State of old asphalt in RAP

1.1 吸收瀝青

瀝青混合料在拌和時，瀝青中的某一組分由于擴散作用會沿著礦料微孔滲入其內(nèi)部。且當(dāng)?shù)V料具有較高的空隙率時，能夠選擇性地吸收瀝青中的某些組分進(jìn)行化學(xué)吸附反應(yīng)［6］，對瀝青起到組分蒸餾的作用，被集料空隙所吸收的瀝青稱為吸收瀝青。

1.2 表層瀝青

RAP顆粒中總瀝青扣除被集料吸收的瀝青稱之為表層瀝青。

美國NCHRP曾對RAP在再生混合料中所處狀態(tài)，提出了3種假設(shè):①黑石頭假設(shè)。假設(shè)舊瀝青混合料像黑石頭一樣存在于新的混合料中，舊瀝青完全不和新瀝青混合，新瀝青是混合料中的膠結(jié)材料;②完全混合狀態(tài)。假設(shè)新舊瀝青是完全融和在一起的，形成穩(wěn)定均勻的瀝青，混合均勻的瀝青作為混合料的膠結(jié)材料;③實際混合假設(shè)。假設(shè)舊瀝青與新瀝青是部分融和，一定比例的舊瀝青與新瀝青共同起到膠結(jié)作用。

而在RAP實際再生過程中，有一定厚度比例的表層瀝青可以起到膠結(jié)作用，而另一部分表層瀝青與吸收瀝青則在再生混合料中起到了集料的作用。RAP混合料中裹覆在舊集料表面的一定的厚度范圍內(nèi)的瀝青(圖2)，能夠有效填充礦料間隙，且在再生瀝青混合料中起到一定的膠結(jié)作用，該厚度稱之為RAP有效瀝青膜厚度δ。

圖2 RAP有效瀝青膜厚度Fig.2 Effective asphalt film thickness in RAP

2 混合料構(gòu)成示意圖及公式推導(dǎo)

再生瀝青混合料是一種結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的材料，是由礦質(zhì)骨料、瀝青膠漿、空氣組成。其中，裹覆在RAP表面的新瀝青、RAP表層有效瀝青、裹覆在新集料表面的表層新瀝青共同組成瀝青膠漿，而RAP表層無效瀝青、舊集料吸收瀝青、吸收新瀝青、舊集料及新集料則共同承擔(dān)礦質(zhì)骨料的作用。

在Superpave設(shè)計方法中，大量的路面殘余空隙率調(diào)查得出，AC-13I瀝青混合料在一定使用年限后的最終壓實空隙率為4%［7］。而再生瀝青混合料在壓實成型過程中，起骨架作用的礦質(zhì)骨料構(gòu)成部分，其體積是不可壓縮的，對再生混合料空隙率不構(gòu)成影響;而起到潤滑作用的瀝青膠漿構(gòu)成部分，則會影響到再生混合料空隙率的大小。由于RAP混合料中的表層無效瀝青在壓實成型的過程中，對新集料不具備有潤滑的作用，再生瀝青混合料壓實到4%的空隙率，主要是其有效瀝青的作用。

在礦料級配、壓實溫度和壓實功率相同的試驗條件下成型的瀝青混合料試件，空隙率相同時，其有效瀝青含量也相同。筆者通過對空隙率為4%的新拌普通瀝青混合料與再生瀝青混合料有效瀝青含量進(jìn)行對比，反算出RAP中有效瀝青的含量。再生瀝青混合料中成分組成如圖3，由于空氣質(zhì)量不計，在計算過程中略去空氣部分。

圖3 再生瀝青混合料中成分組成Fig.3 Reclaimed asphalt mixture compositions

在以下公式推導(dǎo)過程中:

1)b代表瀝青，b(V)代表新瀝青，b(R)代表舊瀝青;s代表集料，s(V)代表新集料，s(R)代表舊集料;

2)再生混合料中新瀝青包括:裹覆在新集料上的新瀝青b［V-s(V)］、裹覆在RAP顆粒表面的新瀝青 b［V-s(R)］;

3)裹覆在新集料上的新瀝青b［V-s(V)］包括:被新集料吸收新瀝青ba(V)、表層新瀝青be(V);

4)RAP混合料中舊瀝青b(R)包括:表層瀝青b(RS)、吸收瀝青ba(R);

5)RAP混合料中表層瀝青b(RS)包括:表層有效瀝青be(RS)、表層無效瀝青bu(RS);

6)RAP混合料中無效瀝青bu(R)包括:表層無效瀝青bu(RS)、吸收瀝青ba(R)。

2.1 普通瀝青混合料

普通瀝青混合料各成分示意如圖4。其中各參數(shù)按美國瀝青協(xié)會MS-2推薦的經(jīng)驗公式計算［8］。

圖4 普通混合料各成分示意Fig.4 Conventional asphalt mixture composition diagram

瀝青占混合料的質(zhì)量百分比Pb(V):

表層瀝青占混合料質(zhì)量百分比Pbe(V):

吸收瀝青占集料質(zhì)量的百分比Pba(V):

集料有效相對密度γse:

集料合成表觀相對密度γsa:

集料合成毛體積相對密度γsb:

上式中:Mb(V)為瀝青總質(zhì)量，g;Ms(V)為集料質(zhì)量，g;γ1，…，γn為各種集料相對應(yīng)的毛體積相對密度，g;γ'1，…，γ'n為各種集料相對應(yīng)的表觀相對密度，g/cm2;P1，…，Pn為各種集料成分的配比，總和為100。

2.2 再生瀝青混合料

再生瀝青混合料各成分示意如圖5。

圖5 再生瀝青混合料中各成分示意Fig.5 Reclaimed asphalt mixture compositions diagram

再生瀝青混合料中添加新瀝青的比例:

再生混合料中總有效瀝青的比例:

再生混合料中總瀝青比例Pb(VR):

上式中:Mbe(RS)為RAP混合料中舊集料表面有效瀝青質(zhì)量，g;Mbu(R)為RAP混合料中無效瀝青質(zhì)量，g;Mb(R)為RAP混合料中總瀝青質(zhì)量，g;Ms(R)為RAP混合料中舊集料質(zhì)量，g。

考慮到不同RAP混合料油石比不同，引入有效瀝青含量比ACeff來表征某一RAP混合料中的有效瀝青占總舊瀝青的質(zhì)量比，其計算公式為［4］:

2.3 RAP中有效瀝青膜厚度

計算RAP中有效瀝青膜厚度時，采用規(guī)范［9］推薦的方法計算各級配中集料粒徑的表面積，各粒徑比表面積系數(shù)和RAP中舊集料級配如表1。

表1 比表面積系數(shù)和RAP舊集料級配Table 1 Aggregate surface area coefficient and RAP aggregate gradation

按照表1中的比表面積系數(shù)可計算RAP舊集料合成級配比表面積之和為7.073 m2/kg。忽略RAP舊集料空隙吸收瀝青對瀝青膜厚度的影響，RAP總瀝青膜厚度δo和RAP有效瀝青膜厚度δ按式(12)、式(13)計算:

式中:為SA為RAP舊集料合成級配比表面積之和，m2;Mbe(RS)為RAP混合料中舊集料表面有效瀝青質(zhì)量，g;ρb為RAP混合料中舊瀝青在25℃的密度，g/cm3;Pb(R)為舊瀝青占RAP混合料質(zhì)量的百分比，%;Pbu(R)為表層無效瀝青占RAP混合料質(zhì)量的百分比，%;Ps為集料各粒徑的質(zhì)量通過百分率，%。

3 試驗

油石比采用3.9%，4.4%，4.9%，5.4%，5.9%，分別成型AC-13I再生瀝青混合料以及AC-13I普通瀝青混合料進(jìn)行對比分析。

3.1 原材料

采用全自動抽提儀器測定RAP中舊瀝青含量，測定值為3.8%。為了與RAP混合料材料統(tǒng)一，新瀝青采用SK-70#，新集料采用石灰?guī)r，其各項指標(biāo)滿足《規(guī)范》［9］要求。RAP摻配比為40%。外加劑E為一種普通表面活性添加劑水溶液，借助混合料拌和過程可均勻分散在熱瀝青中，同時在膠結(jié)料中形成臨時性水膜結(jié)構(gòu)，在壓實混合料的過程起到一定潤滑作用。外加劑F-E為一種含有硅烷偶聯(lián)結(jié)構(gòu)的表面活性復(fù)合添加劑，其F成分可與RAP混合料表層舊瀝青進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，達(dá)到活化處理的目的。

3.2 級配控制

通過混合料抽提試驗將舊瀝青與舊集料進(jìn)行分離，舊集料烘干至恒重，然后將其篩分，得到舊集料級配［11］。

再生混合料的級配與普通瀝青混合料不同，再生料的級配是由舊料和新料混合組成［12］。通過添加不同粒徑新集料的方式，調(diào)整再生瀝青混合料級配，最終達(dá)到目標(biāo)級配。再生混合料級配調(diào)整如圖6。

圖6 混合料級配Fig.6 Mixture gradation

3.3 溫度控制

相同配合比條件下瀝青混合料空隙率隨著壓實溫度的增加而顯著降低，為使試驗具有可比性，故使RAP預(yù)熱溫度設(shè)為110℃，普通瀝青混合料和再生瀝青混合料中新加瀝青預(yù)熱溫度150℃，新集料預(yù)熱溫度為160℃，拌和溫度為140℃，混合料出料后置于120℃的烘箱保溫2 h［10］，然后采用馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)擊實法進(jìn)行混合料壓實成型［13］，每個試件質(zhì)量為1 225 g。

3.4 試驗結(jié)果

不同混合料空隙率測定結(jié)果如表2。通過回歸得出油石比y與普通混合料空隙率x關(guān)系曲線如圖7。

表2 空隙率測定結(jié)果Table 2 Results of VV

圖7 普通混合料空隙率與油石比關(guān)系曲線Fig.7 VV and bitumen-aggregate ratio of coventional mixture

依據(jù)回歸式計算得出當(dāng)空隙率為4%時，普通混合料油石比為4.75%。同理得出添加E、EF及無添加劑的再生混合料在空隙率為4%時的油石比，同時根據(jù)式(2)～式(13)計算普通瀝青混合料與再生瀝青混合料中各參數(shù)，結(jié)果如表3、表4。

表3 普通瀝青混合料試驗計算結(jié)果Table 3 Test calculation results table of conventional asphalt mixture

表4 再生瀝青混合料試驗計算結(jié)果Table 4 Test calculation results table of reclaimed asphalt mixture

由表3可知，在相同油石比條件下，E再生混合料空隙率比再生混合料空隙率低，說明外加劑E在混合料成型過程中，起到一定的潤滑作用。外加劑E主要為表面活性添加劑水溶液，借助混合料拌和過程均勻分散在熱瀝青中，而表面活性劑會富集在熱瀝青與水分界面處，在膠結(jié)料中形成臨時的水膜結(jié)構(gòu)。該水膜結(jié)構(gòu)不受溫度影響，且在瀝青混合料拌和成型過程中起到潤滑作用，一定程度上提高了混合料的壓實效果，但E外加劑對提高RAP表層有效瀝青含量不起作用。

由表4可知:

1)再生混合料、E再生混合料、F-E再生混合料的 Pbv(VR)分別為3.839%，3.937%，2.997%。F-E 再生混合料Pbv(VR)明顯大于其余兩種混合料，說明F-E再生瀝青混合料中RAP中有效舊瀝青含量增高，致使添加新瀝青比例減少。

2)再生混合料、E再生混合料、F-E再生混合料的有效瀝青含量比 ACeff分別為 58.650%，56.051%，93.976%，進(jìn)一步說明F-E添加劑極大程度提高RAP表層有效瀝青的含量。

3)根據(jù)式(9)計算得出RAP混合料表面總瀝青膜厚度為4.889 μm。再生混合料、E再生混合料、F-E再生混合料的有效瀝青膜厚度分別為2.912，2.785，4.604 μm，添加 E 與無添加劑的RAP瀝青膜厚度基本相同，而添加F-E的RAP瀝青膜厚度接近于RAP總瀝青膜厚度，說明F-E外加劑有助于提高RAP有效瀝青膜的厚度。主要原因為F-E外加劑中F成分對RAP混合料舊瀝青表面進(jìn)行活化處理，使表層瀝青大部分被激活，同時在拌和過程中借助攪拌槳高速剪切力的作用，使RAP表層有效瀝青較好地分散于再生混合料中，有效減輕由于新、舊瀝青瀝青質(zhì)含量不同所致的濃度差界面。

3.5 圖片驗證

為直觀比較外加劑E和F-E對RAP瀝青混合料舊瀝青表面作用效果，首先將RAP混合料置于110℃條件下保溫2 h，然后采用外加劑E和F-E分別對其表面進(jìn)行處理，處理后效果如圖8。

圖8 E和F-E對RAP表面處理效果Fig.8 Treatment effect of RAP surface by E ＆ F-E

由圖8可發(fā)現(xiàn)，經(jīng)外加劑F-E處理后的RAP混合料表面其瀝青呈現(xiàn)油光狀態(tài)，而外加劑E處理后的RAP混合料表面則與RAP原樣無異。說明F-E外加劑中其有效成分極大程度地激活RAP混合料中的舊瀝青，有效提高RAP有效瀝青膜厚度，具有較高的經(jīng)濟效益。但E-F成分與RAP舊瀝青作用的微觀結(jié)構(gòu)分析以及再生混合料宏觀性能需進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

1)通過再生混合料空隙率反算RAP中有效瀝青的方法驗證了美國NCHRP第3種假設(shè)的合理性，即RAP舊瀝青與新瀝青是部分融和，一定比例的舊瀝青與新瀝青共同起到膠結(jié)作用。

2)當(dāng)影響混合料空隙率的因素控制在相同的試驗條件下，成型普通瀝青混合料與再生瀝青混合料并進(jìn)行對比分析;兩者空隙率相同時，其有效瀝青含量也相同;通過對比普通瀝青混合料中有效瀝青含量，反算出再生瀝青混合料中總的有效瀝青含量，進(jìn)一步計算出RAP混合料中有效瀝青含量，并根據(jù)比表面積系數(shù)法計算出RAP中有效瀝青膜厚度，此方法在理論上可行。

3)外加劑E在混合料拌和過程中起到一定的潤滑作用，但其對RAP表層有效瀝青含量的提高基本不起作用;無添加劑的再生混合料中RAP有效瀝青膜厚度分別為2.912 μm，通過添加F-E外加劑后，RAP有效瀝青膜厚度提高到4.604 μm，外加劑 F-E對RAP混合料顆粒表面進(jìn)行活化處理，進(jìn)一步提高RAP表層有效瀝青膜厚度。

4)外加劑E-F較大幅度提高RAP混合料中有效瀝青含量，意味著再生混合料所需添加新瀝青的降低，但E-F成分與RAP舊瀝青作用的微觀結(jié)構(gòu)分析以及再生混合料宏觀性能需進(jìn)一步研究。

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