高摻RAP瀝青界面融合行為的量化評價(jià)

陳 龍, 陳宏斌, 李 朋, 胡 朋, 何兆益

(1.山東交通學(xué)院 交通土建工程學(xué)院, 山東 濟(jì)南 250357; 2.甘肅省交通科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司, 甘肅 蘭州 730030; 3.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院, 重慶 400074)

國內(nèi)外針對廢舊瀝青路面材料(RAP)銑刨回收再生利用的研究始于20世紀(jì)70年代石油危機(jī)凸顯時(shí)期.截至目前,再生瀝青路面里程及在路網(wǎng)所占比例均逐年攀升,美國、歐洲、中國等相繼頒布了RAP循環(huán)再生應(yīng)用施工技術(shù)指南[1-5].此外,各國在再生瀝青混合料等路面材料配合比組成設(shè)計(jì)、常規(guī)路用性能與黏彈流變本構(gòu)特性評價(jià)、國省干線工程施工工藝關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)控制等方面也取得了豐碩的研究成果[6-8].

然而,目前多數(shù)已知研究成果主要針對RAP再生工程現(xiàn)場應(yīng)用性能合格與否進(jìn)行判別,缺乏針對RAP表面廢舊瀝青與新添瀝青、再生劑(必要時(shí))在界面區(qū)域擴(kuò)散融合行為特征的深入研究報(bào)道,在多因素耦合條件下針對高摻RAP瀝青界面融合行為進(jìn)行量化評價(jià)的研究尤其空缺[9].毋庸置疑,RAP瀝青界面滲透擴(kuò)散、交互融合的行為特點(diǎn)及其最終呈現(xiàn)狀態(tài)均可直接影響再生瀝青混合料的實(shí)際應(yīng)用性能,RAP瀝青與新添瀝青在界面融合的薄弱區(qū)域也極可能成為再生瀝青混合料功能失效首先發(fā)生的部位.因此,在各項(xiàng)影響因素及其組合作用下,科學(xué)合理地探究RAP瀝青與新添瀝青界面融合行為特點(diǎn),精準(zhǔn)量化表征并最大程度改善高摻RAP表面廢舊老化瀝青的物化特性和工作狀態(tài),是獲得長壽命、耐久型再生瀝青混凝土及其路面的技術(shù)關(guān)鍵[10-12].

1 試驗(yàn)材料與測試方案

1.1 試驗(yàn)材料

選用的RAP瀝青為70#老化瀝青(經(jīng)室內(nèi)旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱(RTFOT)+壓力老化儀(PAV)標(biāo)準(zhǔn)老化試驗(yàn)制備獲得),新添瀝青分別采用70#和90#原樣瀝青,瀝青再生劑為課題組自制復(fù)合型化學(xué)再生劑RA-2,礦粉為石灰?guī)r質(zhì)(粒徑0.075mm及以下).原材料性能測試結(jié)果分別見表1、2.

表1 RA-2瀝青再生劑主要技術(shù)指標(biāo)

表2 RAP瀝青和新添瀝青主要技術(shù)指標(biāo)

1.2 測試方案

本文首先結(jié)合熒光顯微鏡(FM)和圖像分析軟件,分別從定性和定量角度驗(yàn)證新添瀝青-RAP瀝青界面區(qū)域的存在.FM測試采用江南永新光學(xué)有限公司生產(chǎn)的XS-402型落射式熒光顯微儀,工作電流0.45A,放大倍率400倍.圖像分析采用美國Media Cybernetics公司開發(fā)的Image Pro Plus 6.0軟件,光學(xué)特征參數(shù)分別選取平均光密度(AOD)、累計(jì)光密度(IOD)和圖像灰度值(IGL).試樣制備方法為：將薄層刀片置于載玻片正中央,在其左右兩側(cè)分別涂抹RAP瀝青與新添瀝青;隨后拿去薄層刀片,將載玻片置于電爐上方稍許加熱,使左右兩側(cè)涂抹的瀝青在中間細(xì)微縫隙區(qū)域恰好接觸即可.

瀝青界面融合行為采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)進(jìn)行測試.表征界面融合的量化指標(biāo)以菲克擴(kuò)散定律為基準(zhǔn),從物理、力學(xué)和能量角度選取界面融合速率(DS)、融合程度(DOB)、界面擴(kuò)散激活能(Q)、不同層位新添瀝青摻量1)(w)和瀝青層間分布離散系數(shù)(DDC)來進(jìn)行評價(jià),理論公式分別見式(1)～(4).

(1)

(2)

(3)

(4)

1)文中涉及的摻量均為質(zhì)量分?jǐn)?shù).

將直徑8mm、厚度1mm的新添瀝青與RAP瀝青上下疊放,上方新添瀝青為擴(kuò)散相,下方RAP瀝青為受體相,從瀝青結(jié)合料層面模擬50%RAP高摻量條件下(RAP瀝青與新添瀝青摻配質(zhì)量比1∶1)再生混合料瀝青界面擴(kuò)散融合能力.若制備瀝青膠漿界面試樣,則在RAP瀝青內(nèi)摻配相應(yīng)粉膠比的礦粉.隨后,采用鋁箔條將疊放試樣連同硅膠模具密封并一同置于烘箱加熱(最大程度減少界面擴(kuò)散過程中瀝青熱氧老化),一定時(shí)間后取出試樣進(jìn)行DSR測試[13-15].DSR試樣及層位劃分示意圖見圖1.

圖1 DSR試樣及層位劃分示意圖Fig.1 DSR sample and its layer distribution

2 結(jié)果與分析

2.1 熒光顯微試驗(yàn)結(jié)果

通過對獲取的瀝青熒光顯微圖像進(jìn)行定性分析可知,RAP瀝青與新添瀝青在發(fā)光顏色、發(fā)光亮度等方面均表現(xiàn)出較大差異：RAP瀝青呈現(xiàn)紫灰色,顏色較為深暗;新添瀝青呈現(xiàn)米黃色,顏色較為明亮.另外,觀測RAP瀝青與新添瀝青界面試樣亦可發(fā)現(xiàn),其界面區(qū)域通過熒光顯微圖像能夠清晰識(shí)別.隨后,控制RAP瀝青摻量wRAP為0%、20%、40%、50%、60%、80%、100%,將RAP瀝青與新添瀝青混溶,各混溶瀝青試樣的光學(xué)特征參數(shù)(AOD、IOD、IGL)量化計(jì)算結(jié)果繪于圖2.由圖2可以明顯看出,混溶瀝青熒光顯微圖像的各項(xiàng)光學(xué)特征參數(shù)與RAP瀝青摻量呈現(xiàn)較好的線性函數(shù)關(guān)系,并且隨RAP瀝青摻量減少,各項(xiàng)光學(xué)特征參數(shù)均逐漸增大.

圖2 各混溶瀝青試樣的光學(xué)特征參數(shù)Fig.2 Optical characteristic parameters of miscible asphalt samples

2.2 DSR試驗(yàn)結(jié)果

本文DSR試驗(yàn)采用不同的加熱溫度θ(110、130、150℃)、加熱時(shí)間t(10、20、30、60、120min)這2項(xiàng)外在因素和不同粉膠比mf/ma(0、1.0、2.0)、新添瀝青標(biāo)號(hào)(70#、90#)、是否添加再生劑這3項(xiàng)內(nèi)在因素組合后進(jìn)行測試,計(jì)算結(jié)果和分析結(jié)論分別如下.

2.2.1融合速率DS

首先以瀝青結(jié)合料試樣為例,對其界面融合速率DS進(jìn)行量化分析,結(jié)果見圖3.

圖3 瀝青結(jié)合料界面融合速率DSFig.3 Diffusion speed of asphalt binder interface

由圖3可知,隨加熱時(shí)間延長,不同因素組合條件下的新添瀝青-RAP瀝青界面融合速率DS值均呈指數(shù)函數(shù)快速減小,并最終趨于穩(wěn)定,說明提升瀝青界面融合行為的關(guān)鍵在加熱前期階段.另外,當(dāng)加熱溫度較低時(shí)(110～130℃),同一時(shí)刻各試樣DS值之間的差異較小;當(dāng)加熱溫度進(jìn)一步升高(130～150℃),各試樣DS值之間的差異迅速增大.該現(xiàn)象說明高溫能夠加速提升瀝青界面融合速率,并且對70#新添瀝青效果尤為明顯.

以10min時(shí)DS與120min時(shí)DS的比值來表征瀝青界面融合速率DS衰減幅度,結(jié)果列于表3.由表3可以看出,較高的加熱溫度、90#新添瀝青以及添加再生劑均能夠有效降低DS衰減幅度(降幅可達(dá)10%～50%).

表3 瀝青結(jié)合料界面融合速率DS衰減幅度

對120min時(shí)不同粉膠比瀝青膠漿試件的DS值作進(jìn)一步分析,結(jié)果列于圖4.由圖4可以看出：較高的加熱溫度、90#新添瀝青以及添加再生劑均能夠顯著改善DS值,并且當(dāng)粉膠比較小時(shí)(mf/ma=0、1.0),其改善效果尤為明顯；同等條件下,當(dāng)粉膠比較小時(shí),使用90#新添瀝青和添加再生劑能夠使DS值分別提高2、10倍左右;并且加熱溫度每增長20℃,DS值能夠相對提高50%～120%左右,該現(xiàn)象進(jìn)一步從正面角度驗(yàn)證了上文分析的結(jié)論;但隨著粉膠比繼續(xù)增加(mf/ma=2.0),其改善幅度快速降低.

圖4 120min時(shí)不同粉膠比瀝青膠漿試件的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

以瀝青結(jié)合料試樣為例,對界面融合程度DOB進(jìn)行量化分析,結(jié)果見圖5.由圖5可知：隨著加熱時(shí)間、加熱溫度以及新添瀝青標(biāo)號(hào)的增大,瀝青界面融合程度DOB均得到大幅提升;同等條件下,未添加再生劑的試樣DOB值均不足50%;而添加再生劑能夠相對提升DOB值2～3倍,并且最終可實(shí)現(xiàn)界面100%完全混溶狀態(tài);另外,未添加再生劑時(shí)(圖5(a)),與70#新添瀝青相比,90#新添瀝青在各加熱溫度和加熱時(shí)間節(jié)點(diǎn)處對DOB值的提升幅度基本一致;但是,當(dāng)添加再生劑時(shí)(圖5(b)),90#新添瀝青對DOB值的提升呈非勻速、非穩(wěn)態(tài)變化,在加熱時(shí)間段后期對DOB值的改善效果明顯優(yōu)于前期階段,并且隨加熱溫度增加逐級(jí)增長,說明添加再生劑能夠使瀝青界面融合程度的改善效果顯著并且持久,因此能夠更好地提升RAP瀝青界面再生性能.

對粉膠比分別為1.0、2.0的瀝青膠漿試樣界面融合程度進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果見圖6、7.由圖6、7可以看出：隨著粉膠比的增加,DOB值大幅遞減；當(dāng)未添加再生劑時(shí)(圖6(a)和圖7(a)),在各加熱溫度和加熱時(shí)間節(jié)點(diǎn)處高標(biāo)號(hào)新添瀝青對瀝青膠漿試樣DOB數(shù)值的提升幅度基本一致;但是當(dāng)添加再生劑時(shí)(圖6(b)和圖7(b)),高標(biāo)號(hào)新添瀝青對DOB數(shù)值的改善幅度隨加熱時(shí)間與加熱溫度的增長而逐級(jí)增長.表明在再生劑作用下,瀝青膠漿試樣界面融合程度的改善效果亦較顯著且持久,但其提升幅值隨粉膠比增加呈逐級(jí)下降趨勢.該結(jié)論與圖5中瀝青結(jié)合料試樣DOB分析結(jié)果完全一致.

圖5 瀝青結(jié)合料試樣界面融合程度Fig.5 DOB for asphalt binders (mf/ma=0)

圖6 mf/ma=1.0時(shí)瀝青膠漿試樣界面融合程度Fig.6 DOB for asphalt mortars (mf/ma=1.0)

圖7 mf/ma=2.0時(shí)瀝青膠漿試樣界面融合程度Fig.7 DOB for asphalt mortars (mf/ma=2.0)

圖8 90#新添瀝青在各層位中的摻量Fig.8 w in each layer for 90# virgin asphalt

2.2.3瀝青層間分布特征

以瀝青結(jié)合料試樣為例,對不同因素組合下90# 新添瀝青在各層位中的摻量w進(jìn)行量化分析,結(jié)果見圖8.不同粉膠比瀝青膠漿試樣層間分布離散系數(shù)DDC計(jì)算結(jié)果分別見圖9～11.

圖9 瀝青結(jié)合料試樣層間分布離散系數(shù)Fig.9 DDC for asphalt binders (mf/ma=0)

由圖8～11可以看出：隨著加熱時(shí)間的延長、加熱溫度的提高以及再生劑的添加,各層位處所含90#新添瀝青摻量w逐漸接近混溶瀝青標(biāo)準(zhǔn)值0.5;瀝青層間分布離散系數(shù)DDC不斷降低,再生瀝青整體屬性趨于均勻一致;添加再生劑后,在各加熱溫度和加熱時(shí)間節(jié)點(diǎn)處,90#新添瀝青對試樣層間分布均勻性的提升幅度相比未添加再生劑時(shí)更為顯著,并且隨加熱時(shí)間延長其提升幅度增大.該現(xiàn)象表明再生劑對瀝青膠結(jié)料試樣在界面區(qū)域擴(kuò)散融合的改善效果較為顯著且持久,但其提升幅度隨粉膠比增加而不斷下降.該行為不僅進(jìn)一步有力證實(shí)了RAP瀝青與新添瀝青在界面區(qū)域的確能夠發(fā)生分子擴(kuò)散交融反應(yīng),同時(shí)也驗(yàn)證了前文基于融合速率DS和融合程度DOB分析得到的結(jié)論.

圖10 mf/ma=1.0時(shí)瀝青膠漿試樣層間分布離散系數(shù)Fig.10 DDC for asphalt mortars (mf/ma=1.0)

圖11 mf/ma=2.0時(shí)瀝青膠漿試樣層間分布離散系數(shù)Fig.11 DDC for asphalt mortars (mf/ma=2.0)

2.2.4界面擴(kuò)散激活能Q

各瀝青膠結(jié)料試樣界面擴(kuò)散激活能Q結(jié)果見表4.

表4 各瀝青膠結(jié)料試樣界面擴(kuò)散激活能Q

由表4可知,隨著加熱時(shí)間的延長,各瀝青膠結(jié)料試樣Q值快速增長并且逐步趨于穩(wěn)定.究其原因,主要在于新添瀝青、RAP瀝青分子在層間界面不斷交換,擴(kuò)散相中新添瀝青摻量逐漸減小,受體相中新添瀝青摻量快速增加,二者梯度差值逐漸減弱,導(dǎo)致界面分子擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)力逐漸不足(見圖8～11),該現(xiàn)象驗(yàn)證了前文瀝青界面融合速率DS隨時(shí)間呈指數(shù)函數(shù)快速減小,界面融合的關(guān)鍵在加熱初期階段的結(jié)論.在同等條件下,90#新添瀝青與RAP瀝青在層間界面擴(kuò)散需要打破的能量壁壘值較70#新添瀝青略高;添加再生劑后能夠明顯減小界面擴(kuò)散所需的能量,這主要是因?yàn)?0#新添瀝青與RAP瀝青膠體結(jié)構(gòu)的差異程度較后兩者70#新添瀝青與RAP瀝青相對更大,需要更高的能量以激活瀝青界面分子,促使其發(fā)生擴(kuò)散融合反應(yīng).因此,若新添瀝青、RAP瀝青性能差異較大,建議事先添加少量再生劑以部分恢復(fù)RAP瀝青性能.未添加再生劑時(shí),摻入一定量礦粉能夠減少驅(qū)動(dòng)瀝青界面擴(kuò)散所需的能量.但是當(dāng)添加再生劑且粉膠比較高時(shí)(mf/ma=2.0),Q值較低粉膠比條件下反而升高.究其原因,可能在于瀝青膠漿因礦粉存在而造成其內(nèi)部空隙相對增多,因此能夠使瀝青分子在界面遷移相對更加容易.但高礦粉含量下添加再生劑將使其小分子有效填充瀝青膠漿內(nèi)部空隙并裹附礦粉表面,從而發(fā)生激活界面擴(kuò)散融合所需能量升高的行為,出現(xiàn)添加再生劑后作用效果反而下降的現(xiàn)象.

3 結(jié)論

(1)熒光顯微圖像及其光學(xué)特征參數(shù)(平均光密度AOD、累計(jì)光密度IOD、圖像灰度值IGL)、基于動(dòng)態(tài)剪切流變的界面融合速率DS、融合程度DOB、各層位中新添瀝青摻量w、分布離散系數(shù)DDC和界面擴(kuò)散激活能Q可以分別從定性、定量角度直觀表征RAP瀝青與新添瀝青界面融合特征.

(2)隨加熱時(shí)間延長,界面融合速率DS呈指數(shù)函數(shù)快速減小;粉膠比較小時(shí),提高新添瀝青標(biāo)號(hào)和添加再生劑可分別使DS值提升2、10倍左右,DS衰減幅度降低10%～50%;加熱溫度每提高20℃,DS提升50%～120%.

(3)界面融合程度DOB與再生劑、新添瀝青標(biāo)號(hào)、加熱溫度和時(shí)間呈正相關(guān)關(guān)系,與粉膠比呈負(fù)相關(guān)關(guān)系.其中,添加再生劑可提升DOB值2～3倍并達(dá)到100%完全融合狀態(tài),并且添加再生劑對瀝青界面融合的效果更為持久.

(4)隨加熱溫度及時(shí)間增加、新添瀝青標(biāo)號(hào)提高以及再生劑添加,瀝青層間分布特征逐漸趨于均勻一致(DDC值逐漸趨于0),但其改善幅度隨粉膠比增加而下降.

(5)界面擴(kuò)散激活能Q值隨加熱時(shí)間延長而快速增大并逐步趨穩(wěn),添加再生劑后Q值減小.該參數(shù)能夠從能量角度有效揭示新添瀝青、RAP瀝青分子界面融合的內(nèi)在機(jī)制.