熱再生瀝青混合料RAP分散情況的多尺度分析

陳鐵軍

(中鐵十六局集團路橋工程有限公司，北京 101500)

0 引言

“雙碳”目標的提出對我國公路建設與養(yǎng)護事業(yè)中方案的制定提出了新的挑戰(zhàn)，而瀝青混合料回收料(Reclaimed Asphalt Pavement, RAP)因受其較高的殘余價值的影響，在公路建設與養(yǎng)護中得到了廣泛應用[1-5]。瀝青面層中使用RAP可充分發(fā)揮其經(jīng)濟、環(huán)境效益。然而，與普通的熱拌瀝青混合料相比，熱再生瀝青混合料(Recycled Hot-mix Asphalt Mixture, RHMA)常面臨生產(chǎn)質(zhì)量不穩(wěn)定、耐久性不足等問題，嚴重制約了建設與養(yǎng)護單位對其的推廣應用。國內(nèi)外學者研究發(fā)現(xiàn)，RAP在RHMA中的分散特性以及RAP中老化瀝青在RHMA中與新瀝青的融合程度是造成RHMA質(zhì)量不穩(wěn)定的重要因素[6-7]。因此，為評價RAP在RHMA中的遷移以及RAP中老化瀝青與新瀝青之間的融合程度，國內(nèi)外學者分別從宏觀、中觀、微觀方面來評價新舊瀝青之間的融合程度。Ding等[8]采用傅里葉變換紅外光譜(Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FTIR)研究了3種類型RHMA中RAP與新瀝青之間的融合效率，發(fā)現(xiàn)溫拌技術可促進新舊瀝青之間的融合，而再生劑的摻加對融合效果的影響有限。Hou等[9]基于FTIR設計了新舊瀝青混融程度的評價模型，并采用不同粒徑的RAP與新集料制備RHMA，分析了拌和溫度、拌和時間、RAP含量以及溫拌劑對新舊瀝青融合效率的影響。Wu等[10]在實驗室制備RAP，并采用立方體粗集料作為新集料，研究了RAP加熱溫度、拌和時間對遷移和擴散的影響。Zou等[11]采用立方體木質(zhì)粗集料作為特征標記物，并采用3D熒光技術以及掃描共焦顯微鏡定量分析了新舊瀝青的混合與擴散，發(fā)現(xiàn)溫度影響顯著。Zhao等[12]采用鋼球作為標記物，結(jié)合分層抽提的方法研究了RHMA中新舊瀝青的融合與擴散。陳龍等[13]從瀝青層面研究發(fā)現(xiàn)，加熱溫度以及瀝青標號與RAP瀝青界面的融合速率、融合程度、界面擴散激活能呈正比。石鵬程等[14]采用FTIR及原子力顯微鏡試驗(Atomic Force Microscope, AFM)研究了新舊瀝青融合變化規(guī)律。還有學者從分子含量層面[15]、瀝青組分方面[16]研究了新舊瀝青或RHMA中新舊瀝青的融合與擴散過程。此外，Gao等[3]研究發(fā)現(xiàn)，工程中使用的RAP是結(jié)團RAP，且RAP的結(jié)團率與銑刨速度、銑刨深度等因素相關。綜上所述，現(xiàn)有研究采用室內(nèi)老化的RAP進行試驗，與工程中具有一定結(jié)團率的RAP不符，且在材料組成設計過程中沒有考慮到不同粒徑RAP在RHMA中的分散以及新舊瀝青融合情況。因此，現(xiàn)有RHMA中關于RAP中老化瀝青遷移與分散的研究與實際工程不能準確切合，有必要考慮采用工程中的RHMA材料組成設計試驗來研究RAP在RHMA中的分散情況。

本研究主要考慮拌和時間對RHMA中RAP分散以及新舊瀝青融合程度的影響。首先，采用磁鐵礦粗集料作為標記物，分別制備了4種拌和時間的RHMA，并采用抽提法以及旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)法提取了磁鐵礦表層的融合瀝青；其次，采用流變試驗、FTIR試驗、凝膠滲透色譜試驗(Gel Permeation Chromatography, GPC)、AFM試驗研究了融合瀝青性能、組分以及微觀形貌水拌和時間的變化趨勢；最后，采用示蹤法以及圖像處理法分析了不同拌和時間引起的融合瀝青老化程度差異成因。研究成果可為RHMA生產(chǎn)質(zhì)量均勻性控制提供一定的參考經(jīng)驗。

1 試驗材料與方案設計

1.1 原材料技術性能

試驗所用原材料主要包括70#基質(zhì)瀝青、新集料、RAP。70#基質(zhì)瀝青的基本性能指標見表1。新集料為石灰?guī)r，粒徑為0～20 mm，并采用分檔篩分的方法將新集料按照篩孔進行分檔，測得新集料的主要性能指標見表2。RAP來源于福銀高速三明段AC20中面層，通過破碎篩分的方式分為0～6 mm，6～12 mm，12～16 mm共3檔，采用離心分離法與阿布森法分別提取RAP中的集料與瀝青，測試RAP抽提前后的級配、瀝青含量，并分離RAP中集料與老化瀝青的基本性能指標，結(jié)果見表3、表4。此外，為表征RAP在熱拌過程中新舊瀝青之間的融合程度，采用磁鐵礦作為探針集料(新集料)[17]。在考慮RAP最大粒徑的基礎上，為區(qū)分新集料與RAP，分別選擇粒徑為16～19 mm，19～26.5 mm的磁鐵礦進行試驗。

表1 基質(zhì)瀝青技術指標

表2 新集料技術指標

表3 RAP抽提前后級配與瀝青含量

表4 RAP檢測項目與性能

1.2 研究方案設計

1.2.1 試驗拌和流程

根據(jù)再生瀝青混合料在拌和站中的生產(chǎn)流程、各環(huán)節(jié)的溫度控制、總拌和時間等方面，設計如圖1所示的流程進行室內(nèi)試驗模擬。試驗過程中，磁鐵礦的粒徑為16～19 mm，19～26.5 mm，在設計配合比的條件下，磁鐵礦采用等體積替代的方式進行試驗。

圖1 室內(nèi)試驗設計拌和流程

1.2.2 再生瀝青混合料級配設計

依托江西、福建、廣東等地區(qū)AC-20型再生瀝青混合料成功應用的經(jīng)驗，采用0～6 mm，6～12 mm，12～16 mm粒徑的RAP以等比摻加的方式設計再生瀝青混合料，RAP摻量為40%，設計再生瀝青混合料的瀝青含量為4.4%，RHMA礦料設計級配如圖2所示。

圖2 設計級配曲線

1.3 試驗方法

1.3.1 瀝青分離試驗

采用離心分離法將磁鐵礦中包裹的新舊瀝青與鐵礦石分離，并結(jié)合阿布森法將新舊瀝青溶液中的瀝青與溶劑分離。旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)時油浴溫度為90 ℃，在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)完成后，將收集到的老化瀝青置于燒杯中放置在80 ℃的真空干燥箱中12 h，進一步排出殘留在老化瀝青中的有機溶劑。

1.3.2 流變試驗

根據(jù)《動態(tài)剪切流變儀測定瀝青膠結(jié)料的流變性能的標準測試方法》(ASTM D7175)，采用DHR-1型動態(tài)剪切流變儀研究瀝青的高溫流變性能，測試瀝青的復數(shù)剪切模量(G*)。試驗采用直徑8 mm，間距2 mm的平板測試25 ℃瀝青流變性能(瀝青路面服役周期內(nèi)的代表溫度為25 ℃[18])，測試頻率為0.1～100 rad/s。首先采用應變掃描試驗確定瀝青粘結(jié)劑的線彈性區(qū)域，在獲得有限應變后采用頻率掃描試驗測試線性黏彈性響應范圍，并根據(jù)頻率掃描試驗結(jié)果繪制25 ℃瀝青復數(shù)剪切模量(G*)主曲線。每組試驗平行測試2個試樣。

根據(jù)《彎曲梁流變儀(BBR)測定瀝青膠結(jié)料的彎曲蠕變剛度的標準試驗方法》(ASTM D 6648—01,AASHTO T313—09)，采用Canon公司的TE-BBR型彎曲梁流變儀進行瀝青彎曲蠕變試驗，測試瀝青的彎曲蠕變勁度S和蠕變速率m值，評價瀝青的低溫性能。試件長127 mm、寬12.7 mm、厚6.35 mm，測試溫度為-18 ℃。每組試驗平行測試4個試樣。

1.3.3 FTIR試驗

采用傅里葉變換紅外光譜儀測試瀝青官能團組成與含量，測試范圍為4 000～600 cm-1，分辨率為4 cm-1。紅外光譜可反映聚合物中每個化學鍵的信息，其不同的吸收峰代表不同基團的振動形式。根據(jù)吸收峰的位置和形狀，可分析樣品中官能團、化學鍵和分子結(jié)構的變化情況。本次研究采用羰基(C=O)(1 672.210～1 722.357 cm-1)和亞砜基(S=O)(987.112～1 057.611 cm-1)定量表示瀝青的老化程度，并采用羰基指數(shù)(CI)與亞砜基指數(shù)(SI)定量評價拌和時間對瀝青老化程度變化的影響，計算如式(1)、式(2)所示:

(1)

(2)

式中,CI為羰基指數(shù)；SI為亞砜基指數(shù)；AC=O為波長為1 672.210～1 722.357 cm-1處羰基(C=O)的面積；AS=O為波長為987.112～1 057.611 cm-1處亞砜基(S=O)的面積；AR為波長為2 766.898～3 007.946 cm-1處參考位置的面積。

1.3.4 GPC試驗

采用Waters 1515型凝膠滲透色譜儀評價聚合物中不同分子的組分，研究瀝青性質(zhì)的變化。GPC試驗中，色譜柱是核心部件，當瀝青溶液進入色譜柱時，溶質(zhì)分子轉(zhuǎn)移到色譜柱固定相的微觀結(jié)構中。根據(jù)尺寸效應，分子的滲透概率取決于分子的體積。因此，由于大分子的體積較大，在浸出過程中與洗脫液流動的時間較短，而小分子與洗脫液流動的時間較長。因此，其可以實現(xiàn)基于分子體積的分離。此外，采用切割法定量分析GPC色譜圖，即在圖中等距切割曲線包圍的區(qū)域，并據(jù)此劃分大分子(Large Molecules Size, LMS)、中分子(Medium Molecules Size, MMS)和小分子(Small Molecules Size, SMS)。在本研究中，使用該方法將洗脫時間分為13段：前5段為LMS，第6～9段為MMS，第10～13段為SMS。此外，采用大分子含量指數(shù)(ILMS)指標定量評價拌和時間對瀝青老化程度變化的影響，計算如式(3)所示:

(3)

式中,ILMS為大分子含量指數(shù)；ALMS為大分子區(qū)域的面積；AS為不同尺寸分子區(qū)域的總面積。

1.3.5 AFM試驗

采用Bruker Icon型原子力顯微鏡觀察瀝青微觀表觀形貌，探針懸臂梁彈性系數(shù)采用0.4 N/m,輕敲模式，掃描頻率為1 Hz，掃描面積為20 um×20 um，分辨率為512 ppi×512 ppi。

1.3.6 元素示蹤試驗

采用131SC油性熒光示蹤劑示蹤新瀝青，并根據(jù)新瀝青在RHMA中的分布，評估不同拌和時間情況下RAP的分散特性。

首先，采用高速攪拌機制備10% 131SC油性熒光示蹤劑的新瀝青，拌和參數(shù)為：拌和速度500 r/min, 拌和時間10 min; 其次，按照圖1中的拌和流程制備不同拌和時間情況下的RHMA，并成型試件；接著，采用切割機對RHMA試件進行切片，并采用紫外燈照射切面，獲取圖像信息；最后，分析不同拌和時間情況下圖像之間的差異。一般認為，時間切面熒光分布越均勻時,RAP在RHMA中的分散程度越高。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 流變性能試驗結(jié)果

新瀝青、老化瀝青以及不同拌和時間條件下融合瀝青的復數(shù)剪切模量試驗結(jié)果如圖3所示。由圖3可見，新瀝青的復數(shù)剪切模量最小，老化瀝青最大；不同瀝青的復數(shù)剪切模量與角頻率呈正比。相同角頻率情況下，隨著拌和時間的增加，復數(shù)剪切模量呈增加的趨勢。此外，拌和時間為30 s時，融合瀝青的復數(shù)剪切模量較新瀝青顯著增加，而拌和時間高于30 s時，隨著拌和時間的增加，融合瀝青的復數(shù)剪切模量逐漸增加，瀝青抗高溫變形性能逐漸提高，新瀝青與RAP中游離的老化瀝青之間融合的比例逐漸增加。

圖3 復數(shù)剪切模量

圖4表明不同拌和時間條件下融合瀝青的低溫流變性能試驗結(jié)果。由圖4可見，新瀝青的彎曲蠕變勁度最小，老化瀝青最大，然而，蠕變速率指標則反之。隨著拌和時間的增加，融合瀝青的彎曲蠕變勁度指標逐漸增加，蠕變速率指標逐漸減小。由此可見，隨著拌和時間的增加，融合瀝青的低溫抗裂性能逐漸降低，說明新瀝青與RAP中游離的老化瀝青之間融合的比例逐漸增加。

圖4 低溫流變性能試驗結(jié)果

2.2 FTIR試驗結(jié)果

通過FTIR得到的不同瀝青紅外光譜試驗結(jié)果如圖5所示。由圖5可見，RAP中含有的老化瀝青與新瀝青在不同的拌和時間情況下，紅外光譜中沒有出現(xiàn)新的組分。當拌和時間為30 s時，融合瀝青中的S=O曲線變化趨勢顯著，而C=O曲線變化趨勢不明顯。當拌和時間為30，60 s時，融合瀝青中的S=O，C=O曲線變化趨勢基本一致。老化瀝青的S=O，C=O曲線變化趨勢與其他瀝青相比有顯著差異?？傮w來說，隨著拌和時間的增加，S=O，C=O曲線變化趨勢逐漸明顯，且逐漸向老化瀝青S=O，C=O曲線變化趨勢接近，說明拌和時間的增加將會進一步加劇RAP中老化瀝青與新瀝青之間的混融。

圖5 不同瀝青的紅外光譜

采用式(1)、式(2)中的參數(shù)定量評價不同拌和時間下S=O，C=O含量的變化，得到CI,SI與拌和時間之間的變化趨勢,如圖6所示。由圖6可見，新瀝青中的CI,SI最小，而老化瀝青則反之。隨著拌和時間的增加，融合瀝青中的CI逐漸增加，SI總體呈增加的趨勢。此外，拌和時間為30 s時融合瀝青中的CI,SI顯著增加，與新瀝青相比，增幅分別為116.4%,218.3%。

圖6 CI與SI結(jié)果的變化趨勢

2.3 GPC試驗結(jié)果

不同拌和時間條件下瀝青的相對含量(M)與重均分子量(Mw)之間的變化趨勢如圖7所示。由圖7可見，隨著拌和時間的增加，融合瀝青的老化程度逐漸增加，瀝青中小分子含量逐漸減少，大分子含量逐漸增多，導致色譜圖中的峰向右移動。采用式(3)計算不同拌和時間條件下融合瀝青中的LMS含量，如圖8所示。由圖8可見，隨著拌和時間的增加，融合瀝青中LMS的比例增加，說明拌和時間的延長促進了RAP中老化瀝青的分離，加劇了其與新瀝青之間的融合。

圖7 GPC試驗結(jié)果

圖8 不同拌和時間LMS含量變化趨勢

2.4 AFM試驗結(jié)果

不同拌和時間下瀝青AFM微觀形貌測試結(jié)果如圖9所示。研究表明[19-20]，瀝青表面形貌主要是蜂狀結(jié)構，由瀝青質(zhì)組成。此外，瀝青在發(fā)生老化過程中，瀝青中的小分子(飽和分和芳香分)更容易破碎，因其含有更多的不飽和鍵，小分子結(jié)構斷裂后聚合形成大分子(瀝青質(zhì))，瀝青質(zhì)的模量大于飽和分和芳香分的模量，由于大分子增多，瀝青的黏附力和模量增加。因此，受瀝青老化的影響，瀝青中將會出現(xiàn)數(shù)量較少但尺寸較大的蜂狀結(jié)構。由圖9可見，與其他瀝青相比，老化瀝青中含有最大尺寸的蜂狀結(jié)構數(shù)量最多，新瀝青中蜂狀結(jié)構的數(shù)量最少。此外，隨著拌和時間的增加，融合瀝青中蜂狀結(jié)構的數(shù)量逐漸減少，較大尺寸的蜂狀結(jié)構數(shù)量在逐漸增多，說明拌和時間的增加使新瀝青與RAP中老化瀝青之間發(fā)生融合，且拌和時間越長，融合瀝青中含有的老化瀝青比例越高。

圖9 不同瀝青AFM測試結(jié)果

為定量評價拌和時間對瀝青中蜂狀結(jié)構的影響，分別計算不同拌和時間條件下的平均蜂面積與蜂密度，結(jié)果如圖10所示。由圖10可見，隨著拌和時間的延長，融合瀝青中蜂密度與平均蜂面積在逐漸增加，說明融合瀝青的老化程度在逐漸增加。此外，蜂密度與平均蜂面積的增長速率隨拌和時間的延長而逐漸降低，說明RAP在與新瀝青、新集料拌和過程中，RAP中的老化瀝青與新瀝青之間由部分融合向完全融合的方向轉(zhuǎn)變，且隨著融合程度的增加，新舊瀝青之間的融合效率在逐漸降低。

圖10 蜂狀結(jié)構指標計算結(jié)果

2.5 元素示蹤結(jié)果

研究表明[2]，RAP粒徑相同的情況下，部分RAP是由粒徑較小的顆粒團聚體形成，如圖11所示。不同拌和時間情況下RHMA元素示蹤結(jié)果如圖12所示。結(jié)合圖11與圖12可知，在RHMA拌和過程中，受攪拌機的拌和作用力以及溫度降低RAP膠漿黏度的影響，RAP的分散程度會隨著拌和時間的增加而增加。由此可見，拌和時間的延長有利于RAP團聚顆粒的分散，促進其與新瀝青之間的相互遷移與融合。因此，在拌和時間較短時，新集料表面融合瀝青的老化程度較低，而隨著拌和時間的增加，RAP團聚顆粒分散，參與新舊瀝青之間融合的老化瀝青將會增多，新舊瀝青表面融合瀝青的老化程度逐漸增加。

圖11 不同粒徑RAP的CT掃描圖像

圖12 不同拌和時間RAP顆粒分散特性

3 結(jié)果討論

研究表明[21]，RAP在拌和過程中表面瀝青主要存在4種形態(tài)，分別為表層流動的液體老化瀝青、軟化而未達到流動狀態(tài)的老化瀝青、硬化的老化瀝青以及滲入集料表層微裂縫中的老化瀝青，如圖13所示。因此，RHMA中RAP表面的老化瀝青僅有液體老化瀝青以及軟化的老化瀝青參與新舊瀝青的融合過程。此外，根據(jù)不同拌和時間情況下新集料表層融合瀝青的流變性、官能團、分子含量、微觀形貌的試驗結(jié)果可知，隨著拌和時間的增加，融合瀝青的老化程度逐漸增加，這說明拌和時間的延長將有利于再生瀝青混合料中新舊瀝青之間的充分接觸融合。根據(jù)元素示蹤結(jié)果可知，隨著拌和時間的增加，RAP中團聚顆粒在RHMA中的分散程度更高。

圖13 RAP中老化瀝青拌和過程中存在形態(tài)

根據(jù)不同粒徑RAP團聚顆粒比例以及RAP中老化瀝青存在形態(tài)，在不同的拌和時間情況下，RAP中老化瀝青與新瀝青之間相互接觸融合可能經(jīng)歷3個階段,如圖14所示。

圖14 瀝青分散與混溶行為示意圖

(1)第1階段：初步接觸階段

該階段主要發(fā)生在拌和初期，RAP與新瀝青、新集料之間初步相互接觸，并發(fā)生部分新瀝青與RAP表面液體老化瀝青相互遷移行為。此外，受拌和過程中攪拌機的機械力作用，團聚顆粒分散，促使新瀝青與RAP表層老化瀝青之間相互遷移，使RAP與新集料、新瀝青之間的接觸更充分。

(2)第2階段：充分混合階段

該階段新瀝青與RAP中老化瀝青均勻覆蓋在新集料、RAP集料表面，新瀝青與RAP表層老化瀝青膠漿之間的遷移充分完成。

(3)第3階段：新老瀝青混融階段

該階段主要發(fā)生在新、老瀝青的分子層面，因新、老瀝青之間分子質(zhì)量的差異，新、老瀝青的接觸界面會發(fā)生瀝青融合，形成融合老化程度相對均勻的瀝青。

綜上所述，不同拌和時間情況下RAP團聚顆粒具有不同的分散狀態(tài)，其與新瀝青的接觸總表面積也會相應改變，表現(xiàn)為隨著拌和時間的增加而增加。RAP團聚顆粒在RHMA中解體、分散的過程中，RAP表面的液體老化瀝青與新瀝青、新集料相互接觸，使老化瀝青在新集料表面發(fā)生遷移，加劇了新集料表面瀝青的老化程度。因此，即便RHMA拌和時間達到90 s與120 s時，再生瀝青混合料中的RAP團聚顆?；痉稚?，此時磁鐵礦表面的融合瀝青老化程度也依然在不斷增加，這個結(jié)論在文獻[22]中也有相應報道。

雖然延長RHMA的拌和時間可顯著改善RAP的分散程度，提高RHMA中不同區(qū)域融合瀝青性能的均勻性。然而，拌和時間的增加將會顯著降低RHMA在工程中的生產(chǎn)效率，增加生產(chǎn)成本和生產(chǎn)過程中的能耗與碳排放，降低RHMA的經(jīng)濟與環(huán)境效益。因此，需要綜合考慮RHMA的經(jīng)濟、環(huán)境、性能方面以確定合理的拌和時間。

4 結(jié)論

(1)RHMA拌和過程中，隨著拌和時間的增加，融合瀝青的復數(shù)剪切模量、蠕變勁度模量、羰基與亞砜基指數(shù)、大分子含量、平均蜂面積逐漸增加，而蜂密度以及蠕變速率逐漸減小。由此可見，增加RHMA的拌和時間可提高新集料表面瀝青的老化程度，新舊瀝青之間的交互作用將會更顯著。

(2)工程中，RAP存在團聚顆粒，而隨著拌和時間的增加，RHMA中的RAP團聚顆粒數(shù)量在逐漸減少，分布更加均勻。由此可見，拌和過程中產(chǎn)生的機械力以及顆粒之間的相互作用將會破壞團聚顆粒，增加RAP表面老化瀝青與新瀝青、新集料之間的接觸面積，促進RHMA中新舊瀝青分散以及融合的均勻性。

(3)延長拌和時間將會顯著提高RHMA中融合瀝青的老化程度以及RAP分散的均勻性，然而，拌和時間會影響工程中RHMA生產(chǎn)過程中的經(jīng)濟、環(huán)境效益。因此，實際生產(chǎn)過程中，應綜合考慮RHMA的拌和時間與耐久性、經(jīng)濟、環(huán)境效益之間的關系，確定合理的拌和時間。