基于紅外光譜的RAP 老化瀝青轉(zhuǎn)移率研究

鄒曉勇，李寧，吳聞秀，王鑫，徐曉和

（1.金華市公路與運輸管理中心，浙江 金華 321000；2.河海大學 土木與交通學院，江蘇 南京 210098）

0 引言

隨著可持續(xù)發(fā)展觀念的大力倡導以及石料、瀝青等不可再生資源價格的上漲，再生技術(shù)由于可以回收利用廢舊路面材料（RAP），在路面建設(shè)與養(yǎng)護過程中得到了廣泛的應(yīng)用［1］。目前在再生瀝青混合料設(shè)計時，新瀝青和老化瀝青被認為是充分相融的［2］。但在實際再生瀝青混合料拌和生產(chǎn)過程中，老化瀝青是以薄膜的形式緊密地裹覆于RAP 的表層，并不能完全轉(zhuǎn)移下來，與新瀝青接觸發(fā)生融合［3-4］。所以，在制備再生瀝青混合料時，RAP 中老化瀝青的轉(zhuǎn)移量是影響再生瀝青混合料性能的重要因素。

國內(nèi)外眾多學者都對老化瀝青的轉(zhuǎn)移規(guī)律進行了研究。Zhao 等［4］通過凝膠滲透色譜（GPC）發(fā)現(xiàn)老化瀝青的大分子比例（LMSP）高于新瀝青，建立了老化瀝青含量和LMSP 的關(guān)系，據(jù)此研究了不同RAP摻量下老化瀝青的轉(zhuǎn)移程度。結(jié)果表明：隨著RAP摻量的提升，老化瀝青轉(zhuǎn)移率逐漸降低；Ding 等［5］借助熒光顯微鏡構(gòu)建了老化瀝青含量與平均灰度值（MGV）的關(guān)系，然后將再生混合料顆粒直接在熒光顯微鏡下觀察，測定MGV，再根據(jù)公式計算老化瀝青轉(zhuǎn)移率。但該試驗對樣品的處理要求較高，既要保證觀察面的平整度，又不能對表層的瀝青造成損傷；蘇衛(wèi)國等［6］采用三聚氰胺作為新瀝青的示蹤劑，通過掃描電鏡（SEM）觀測示蹤劑在老化瀝青中的分布情況，間接反映老化瀝青的轉(zhuǎn)移情況；然而王勛［7］發(fā)現(xiàn)三聚氰胺這種納米顆粒材料在瀝青中分散時極易發(fā)生團聚，難以保證分散均勻性；楊毅文等［8］則以RAP 中的礦粉標記老化瀝青，將再生混合料中的RAP 和新集料分離，測定轉(zhuǎn)移至新集料上的礦粉質(zhì)量來表征老化瀝青的轉(zhuǎn)移，并基于對流傳質(zhì)理論的特性研究了多種因素對老化瀝青轉(zhuǎn)移的影響；楊林等［9］和楊毅文等［8］的試驗思路一致，但不同的是采用磁鐵礦新集料，利用其易于分離的特性，將新集料和RAP 有效分離。此外，還有一些學者在開展再生劑的研究時發(fā)現(xiàn)，其能夠有效提高老化瀝青的轉(zhuǎn)移程度［10-11］。

目前測定老化瀝青轉(zhuǎn)移率并沒有一個被廣泛認可的方法，并且標記法中的示蹤劑通常較難均勻分布于瀝青當中。本文采用一種通過紅外光譜儀來研究老化瀝青轉(zhuǎn)移程度的試驗方法。該方法先基于老化瀝青和新瀝青羰基指數(shù)（ICI）的差異，建立老化瀝青含量和再生瀝青羰基指數(shù)的線性關(guān)系基準圖。然后將拌和后的新集料和RAP 分離，抽提新集料表面的再生瀝青并測定羰基指數(shù)（ICI），最后根據(jù)公式計算轉(zhuǎn)移率。同時研究了RAP 加熱溫度、拌和時間和再生劑對轉(zhuǎn)移率的影響。研究結(jié)果對于再生瀝青混合料的配比設(shè)計和施工具有重要意義。

1 老化瀝青轉(zhuǎn)移率檢測方法

再生瀝青混合料在拌和過程中，老化瀝青從RAP 表層剝落、轉(zhuǎn)移，與新添加的瀝青進行融合形成再生瀝青，然后重新分布于集料表面。但許多研究表明，并非全部的老化瀝青參與融合，真正再生利用的僅是外層轉(zhuǎn)移的部分老化瀝青，內(nèi)層較硬的老化瀝青仍然緊密地黏附在集料上，作為集料的一部分存在，即所謂的“黑石”［12］，如圖1 所示。

圖1 再生瀝青混合料中瀝青分布示意圖Figure 1 Asphalt distribution in recycled asphalt mixture

為量化表征老化瀝青的轉(zhuǎn)移狀況，本文定義了老化瀝青轉(zhuǎn)移率（Mobilization rate，RMR）指標。轉(zhuǎn)移率為實際轉(zhuǎn)移并與新瀝青發(fā)生融合的老化瀝青質(zhì)量占老化瀝青總質(zhì)量的百分率，計算公式為：

式中：RMR為轉(zhuǎn)移率（%）；Wm為實際轉(zhuǎn)移的老化瀝青質(zhì)量（g）；WR為RAP 中老化瀝青的總質(zhì)量（g）。

由于再生瀝青中包含轉(zhuǎn)移的老化瀝青和新添加的瀝青，則老化瀝青所占比例可以通過式（2）計算：

式中：α為再生瀝青中老化瀝青所占比例；WV為新瀝青的質(zhì)量（g）。

將式（2）進行等式變換，可得：

式中：PV、PR分別為再生瀝青混合料中新瀝青和老化瀝青的質(zhì)量含量。

從式（3）可以看出：在再生混合料配合比設(shè)計完成之后，其PV，PR均為已知量。若要評估老化瀝青的轉(zhuǎn)移率，關(guān)鍵要確定參與融合的再生瀝青中轉(zhuǎn)移老化瀝青所占比例α。但想要通過直接測量再生瀝青的物理化學性質(zhì)或者微觀形態(tài)很難確定α值，因此本文提出一種間接計算的方法來確定α值，從而確定老化瀝青的轉(zhuǎn)移率RMR。

瀝青的紅外光譜圖中，位于1 695 cm-1波數(shù)處的羰基（C=O）作為主要化學官能團之一，常用于監(jiān)測瀝青的氧化過程。隨著瀝青氧化的進行，羰基含量將逐漸增大［13］。所以老化瀝青的羰基峰要明顯高于新瀝青，新瀝青與老化瀝青中羰基顯著的差異性為確定α值提供了可行性。瀝青老化前后，位于1 455 cm-1波數(shù)處的飽和C—C 振動鍵基本保持不變。因此羰基含量一般采用羰基指數(shù)（Carboxyl index，ICI）來表征，計算公式如式（4）所示：

式中：ICI為羰基指數(shù)，無量綱；AC=O為瀝青紅外光譜中1 695 cm-1處羰基的峰面積，波數(shù)范圍為1 665～1 720 cm-1；AC—C為1 455 cm-1處飽和C—C 鍵的峰面積，波數(shù)范圍為1 392～1 488 cm-1。

本文確定轉(zhuǎn)移率的具體步驟為：

（1） 抽提RAP 中的老化瀝青，將其按照不同的比例與新瀝青在室內(nèi)混溶形成再生瀝青，進行紅外光譜試驗并按式（4）計算ICI。

（2） 以老化瀝青含量α為橫坐標，ICI為縱坐標建立坐標系，將步驟（1）中測得的數(shù)據(jù)點繪制于該坐標系中，擬合老化瀝青含量α與再生瀝青ICI的基準關(guān)系式。

（3） 將步驟（2）中α與ICI的關(guān)系式代入式（3）中，從而建立RMR與ICI的關(guān)系式。

（4） 拌和再生瀝青混合料，抽提新集料上的瀝青并通過紅外光譜試驗測得ICI值，基于步驟（3）中RMR與ICI的關(guān)系，最終即可算得轉(zhuǎn)移率RMR。

2 材料與試驗

2.1 原材料及配合比

本文采用的新瀝青為江蘇某瀝青廠生產(chǎn)的PG 76-22 SBS 改性瀝青，熱拌再生劑和溫拌再生劑分別來源于江蘇和山東某公司。新瀝青和再生劑的性能指標分別如表1、2 所示。

表1 SBS 改性瀝青的基本性能指標Table 1 Basic performance indexes of SBS modified asphalt

表2 再生劑的基本性能指標Table 2 Basic performance indexes of regenerants

RAP 來源于江蘇某服役11 年的高速公路上面層AC-13 混合料。將其破碎篩分出粒徑小于4.75 mm的細顆粒，與粒徑大于4.75 mm 的粗新集料拌和，形成新的AC-13 瀝青混合料。原材料性質(zhì)見表3，再生瀝青混合料的配合比和級配曲線分別見表4 和圖2。采用這種方式，有利于新集料與RAP 拌和后的分離，為新集料表層再生瀝青ICI的測試提供了可行性。

表3 新集料和RAP 的性質(zhì)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 樣品制備與試驗

本文采用5 種溫度（85 ℃、110 ℃、135 ℃、160 ℃、185 ℃）對RAP 進行加熱，以研究RAP 自身溫度對老化瀝青轉(zhuǎn)移率的影響，新集料的加熱溫度恒定為190 ℃，在拌和前，材料均在相應(yīng)的溫度下保溫2 h 以保證拌和時的溫度均勻性。拌和過程中，先將RAP和新集料、再生劑進行拌和，再加入新瀝青拌和，兩次拌和時間相等，為探究拌和時間對老化瀝青轉(zhuǎn)移率的影響，總拌和時間選取90 s、180 s、270 s 共3 種時長。同時，為探究再生劑對老化瀝青轉(zhuǎn)移率的影響，本文采取不加再生劑、加熱拌再生劑、加溫拌再生劑3 種方式進行試驗。根據(jù)再生劑廠商的推薦添加量及實際檢測的再生效果，最終確定兩種再生劑的添加量均為老化瀝青質(zhì)量的5%。試驗樣品制備條件見表5。

表5 試驗樣品制備條件Table 5 Preparation conditions of test samples

再生瀝青混合料拌和完成后，待溫度降至70 ℃以下，將顆粒分散，然后過4.75 mm 的篩網(wǎng)分離出RAP和裹附再生瀝青的新集料顆粒（圖3）。將新集料顆粒浸沒于三氯乙烯中，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20—2011）中的試驗步驟將瀝青抽提，并進行3 次平行紅外光譜測試，測試的波數(shù)范圍為400～4 000 cm-1。紅外光譜試驗采用美國Nicolet IS20 紅外光譜儀，按照衰減全反射法（ATR）進行［14］。通過OMINIC 軟件對瀝青的紅外光譜圖進行分析并測定ICI，瀝青紅外光譜試驗如圖4 所示。

圖3 拌和后分離的新集料和RAPFigure 3 Separated new aggregate and RAP after mixing

圖4 瀝青紅外光譜試驗Figure 4 FTIR test of asphalt

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 羰基指數(shù)ICI的計算

圖5 為新瀝青與老化瀝青的紅外光譜圖。

圖5 瀝青紅外光譜圖Figure 5 FTIR spectra of asphalt

從圖5 中可以發(fā)現(xiàn)：老化瀝青在1 695 cm-1波數(shù)處的羰基峰要明顯高于新瀝青。

采用式（4）計算再生瀝青（不同老化瀝青含量α）的羰基指數(shù)ICI，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 再生瀝青的羰基指數(shù)和老化瀝青含量的關(guān)系Figure 6 Relationship between ICI and aged asphalt content of recycled asphalt

從圖6 可以看出：隨著老化瀝青含量的增加，羰基指數(shù)ICI明顯增大。擬合公式表明ICI與α值呈線性正相關(guān)，且相關(guān)系數(shù)R2大于0.95，說明二者具有較高的相互關(guān)聯(lián)性。

3.2 老化瀝青轉(zhuǎn)移率的計算

圖6 中已經(jīng)得到再生瀝青羰基指數(shù)ICI和老化瀝青含量α的關(guān)系式，將其帶入式（3）即可得到式（5），式（5）是由新集料上再生瀝青的ICI測定值來計算RAP 中老化瀝青轉(zhuǎn)移率RMR的公式。

表6 以一具體實例展示老化瀝青轉(zhuǎn)移率的計算，RAP 加熱溫度為135 ℃，總拌和時間為180 s，第一次拌和時加入熱拌再生劑。通過實例表明，采用本文所述方法確定老化瀝青轉(zhuǎn)移率是可行的。

表6 老化瀝青轉(zhuǎn)移率RMR計算實例Table 6 Example of RMR calculation of aged asphalt

3.3 不同因素對老化瀝青轉(zhuǎn)移率的影響

3.3.1 RAP 加熱溫度

圖7 為拌和時間取180 s，添加熱拌再生劑時，不同RAP 溫度對老化瀝青轉(zhuǎn)移率RMR的影響。

圖7 不同RAP 溫度下的老化瀝青轉(zhuǎn)移率Figure 7 RMR of aged asphalt at different RAP temperatures

由圖7 可知：① 將RAP 溫度控制在85 ℃時，參與拌和過程后，老化瀝青的轉(zhuǎn)移率僅為22.1%。而將RAP 溫度控制在185 ℃時，老化瀝青的轉(zhuǎn)移率則能達到49.7%，相比85 ℃的RAP 提升了約125%。這可能是由于長時間的老化及荷載作用，使瀝青的黏度大幅增加并與集料的結(jié)合非常緊密，導致溫度較低時瀝青很難在機械拌和的作用下從RAP 表面大比例剝落；② 從圖中老化瀝青轉(zhuǎn)移率隨溫度增加的變化趨勢可以看出，RAP 溫度從160 ℃提升至185 ℃時，轉(zhuǎn)移率只有2.8%的增長，說明此時RAP 表面易剝落的老化瀝青已有較大比例參與到再生過程中；③ 在RAP 溫度從135 ℃提升到160 ℃的過程中，老化瀝青轉(zhuǎn)移率顯著上升，上升幅度達15.5%。

目前實際施工過程中，RAP 溫度一般在135 ℃左右，根據(jù)上述試驗結(jié)果可知，適當提升加熱溫度可以使RAP 表面的老化瀝青更多地參與到再生過程中，但溫度不宜過高，否則會使瀝青老化程度進一步加深，并且溫度升高至一定程度后，對轉(zhuǎn)移率的提升效果并不明顯。

3.3.2 拌和時間

圖8 為RAP 溫度取135 ℃，添加熱拌再生劑時，不同拌和時間對老化瀝青轉(zhuǎn)移率RMR的影響。

圖8 不同拌和時間下的老化瀝青轉(zhuǎn)移率Figure 8 RMR of aged asphalt at different mixing time

由圖8 可知：① 將總拌和時間控制在90 s，通過拌鍋將RAP、新集料、新瀝青以及再生劑進行拌和之后，老化瀝青的轉(zhuǎn)移率只有14.4%。延長拌和時間至270 s 時，拌和后的老化瀝青轉(zhuǎn)移率增長至34.5%，相比90 s 拌和時間的效果，提升了約140%。造成轉(zhuǎn)移率相差如此大的原因可能是拌和的時間過短，導致機械攪拌過程中新集料與RAP 間的摩擦還不夠充分、再生劑對老化瀝青的軟化效果還沒有較好地發(fā)揮出來，導致老化瀝青在拌和過程中剝落的比例較??；② 比較3 種拌和時間的試驗數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，拌和時間為180 s 的老化瀝青轉(zhuǎn)移率比90 s 時升高了17%，但延長至270 s 時RMR只提升了3.1%，說明延長拌和時間能夠顯著提升老化瀝青的轉(zhuǎn)移率，但180 s 的拌和時長已經(jīng)能使RAP 表面易剝落的老化瀝青發(fā)生較大比例的脫落和轉(zhuǎn)移，導致延長至270 s 的拌和效果提升有限，性價比較低。所以根據(jù)試驗結(jié)果可知，標準的180 s 室內(nèi)拌和時間足以保證較高比例的老化瀝青從RAP 表面剝落，進一步延長拌和時間并不能明顯提升老化瀝青轉(zhuǎn)移率。

3.3.3 再生劑

圖9 為RAP 溫度取135 ℃，拌和時間取180 s 時，再生劑對老化瀝青轉(zhuǎn)移率RMR的影響。

圖9 不同再生劑添加情況下的老化瀝青轉(zhuǎn)移率Figure 9 RMR of aged asphalt at different regenerant additions

從圖9 可知：通過添加不同再生劑，可以使老化瀝青的轉(zhuǎn)移率出現(xiàn)不同程度的增長。這是由于再生劑一般主要由輕質(zhì)油分組成，相同溫度下再生劑通常具備比瀝青更好的流動性，并且與瀝青具有良好的相容性，使得再生劑在滲透到老化瀝青內(nèi)部之后，讓老化瀝青得到一定的軟化，進而更容易從RAP 表面剝落轉(zhuǎn)移。溫拌再生劑對老化瀝青轉(zhuǎn)移率的提升尤為顯著，與不加再生劑的轉(zhuǎn)移效果相比，提升了約50%，這是因為溫拌再生劑不僅具有熱拌再生劑的各種特性，還具備額外的降黏效果，使老化瀝青的黏性進一步降低，令其剝落轉(zhuǎn)移的比例進一步升高［15-16］。

4 結(jié)論

（1） 基于新瀝青和老化瀝青羰基指數(shù)的差異，通過紅外光譜試驗建立了老化瀝青含量與再生瀝青羰基指數(shù)的線性關(guān)系圖并作為基準，進而提出再生瀝青混合料中老化瀝青轉(zhuǎn)移率的量化計算方法。

（2） 拌和過程中，當RAP 溫度從135 ℃提升至160 ℃時，老化瀝青轉(zhuǎn)移率的增速最快，并在160 ℃時達到46.9%，但繼續(xù)升高溫度對轉(zhuǎn)移率提升不大。

（3） 室內(nèi)拌和時間由90 s 提升至180 s 時，老化瀝青轉(zhuǎn)移率提升了17%，并且標準180 s 拌和時間下的轉(zhuǎn)移率為31.4%，但進一步延長拌和時間則效果不佳。

（4） 添加再生劑能有效提高老化瀝青的剝落比例。相較于不添加再生劑，添加熱拌、溫拌再生劑能使老化瀝青轉(zhuǎn)移率分別提升7.4%、12%。