瀝青再生劑相容滲透性能評(píng)價(jià)綜述

盧均垚

摘要 隨著我國(guó)公路網(wǎng)的逐步完善，公路建設(shè)的方向逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)路面的養(yǎng)護(hù)和維修。廢舊瀝青混合料的再生技術(shù)具有良好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益，瀝青再生劑的相容滲透性對(duì)再生瀝青混合料的性能起著顯著作用。文章基于已有研究成果，從宏觀和微觀兩方面闡述了再生劑相容滲透性的性能評(píng)價(jià)方法，研究表明宏觀評(píng)價(jià)方法具有局限性，微觀評(píng)價(jià)方法更可靠，復(fù)合評(píng)價(jià)將成為新的研究趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞 再生劑;相容滲透性;評(píng)價(jià)方法

中圖分類號(hào) U414 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）03-0123-03

0 引言

廢舊瀝青混合料的熱再生技術(shù)是指將廢舊瀝青混合料預(yù)熱后，再與一定比例的再生劑、新瀝青和新集料進(jìn)行拌合，但實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，攪拌時(shí)間短，再生劑與老化瀝青無(wú)法有效滲透混溶，導(dǎo)致再生劑對(duì)老化瀝青的再生效果較差，再生瀝青混合料的路用性能不佳，限制了廢舊瀝青混合料的再生利用。

近年來(lái)，大量的研究者在再生劑與老化瀝青的相容滲透性評(píng)價(jià)方法取得一些成果，但是無(wú)法真實(shí)準(zhǔn)確反映再生劑與老化瀝青的相容滲透性，仍存在一些問(wèn)題：一是傳統(tǒng)的宏觀評(píng)價(jià)方法一定程度上能間接表征再生劑在老化瀝青中的相容滲透性，但仍存在局限性和不足，不能較為理想地反映再生劑在老化瀝青中的相容程度和融合過(guò)程;二是以Fick擴(kuò)散定律、對(duì)流傳質(zhì)理論和分子動(dòng)力學(xué)為主導(dǎo)的再生劑與老化瀝青相容滲透性評(píng)價(jià)方法效果不好;三是分層抽提法、動(dòng)態(tài)剪切流變實(shí)驗(yàn)和傅里葉紅外全反射光譜等成熟的評(píng)價(jià)方法難以真實(shí)地模擬再生劑在實(shí)際使用過(guò)程中的相容滲透作用，目前缺少切實(shí)有效的實(shí)驗(yàn)方法對(duì)再生劑的滲透性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)廢舊瀝青混合料的再生利用所提供的指導(dǎo)有限。

1 研究背景及意義

世界已筑高速公路中，瀝青路面占比達(dá)80%以上，我國(guó)高速公路里程截止到2020年已達(dá)16.1萬(wàn)km，圖1為2020年全國(guó)公路里程分技術(shù)等級(jí)構(gòu)成。瀝青路面占比更是高達(dá)90%[1]。國(guó)家公路網(wǎng)規(guī)劃至2030年，我國(guó)的公路總里程將會(huì)達(dá)到40.1萬(wàn)km[2]。

圖1 2020年全國(guó)公路里程分技術(shù)等級(jí)構(gòu)成

（數(shù)據(jù)來(lái)源：2020年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)）

目前，我國(guó)仍然投入大量人力財(cái)力建設(shè)瀝青路面。同時(shí)，瀝青路面隨使用年限增加，會(huì)出現(xiàn)各種病害，很多前期建成的瀝青路面已經(jīng)進(jìn)入養(yǎng)護(hù)維修階段。隨著使用時(shí)間的增加，瀝青路面會(huì)出現(xiàn)各種病害，需要大量的資源進(jìn)行修復(fù)，而且由于價(jià)格的不斷上漲，道路養(yǎng)護(hù)的投入也需要增加。同時(shí)，處理廢料的成本增加，環(huán)境受到嚴(yán)重污染，生態(tài)問(wèn)題將越來(lái)越嚴(yán)重[3-4]。

對(duì)于舊瀝青路面的修復(fù)，一般是先將要修復(fù)的區(qū)域刨除，然后將攪拌好的瀝青混合料鋪設(shè)在上面。在此過(guò)程中，大量廢料的產(chǎn)生，不僅會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，也會(huì)浪費(fèi)資源。瀝青路面修復(fù)需要重新使用新石料，增加了維護(hù)成本，破壞了生態(tài)環(huán)境。合理應(yīng)用廢舊瀝青混合料回收利用技術(shù)可以有效解決這些問(wèn)題。廢舊瀝青混合料回收利用技術(shù)是將銑刨得到的舊瀝青材料與新骨料、新瀝青和再生劑按一定比例均勻混合，得到滿足道路性能的新瀝青混合料，并重新鋪筑成瀝青路面以正常使用[5]。

瀝青路面回收技術(shù)不僅可以處理和回收廢舊瀝青，還可以減少新石開(kāi)采量，保護(hù)環(huán)境，減少資源消耗，是一種綠色環(huán)保的施工技術(shù)。據(jù)美國(guó)聯(lián)邦公路管理局（FHWA）的數(shù)據(jù)調(diào)研統(tǒng)計(jì)，廢舊瀝青混合料的合理回收利用，可節(jié)省53.4%的材料成本、25%的路面成本和50%的瀝青，具有良好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。

廢棄瀝青混合料有效利用的核心是如何恢復(fù)老化瀝青，甚至超越新瀝青的性能，再生劑是其中的關(guān)鍵。再生劑優(yōu)異的相容滲透性是決定再生瀝青和再生瀝青混合料性能的前提，將顯著影響再生瀝青路面最終的性能。再生劑與老化瀝青的相容滲透性評(píng)價(jià)方法是廢棄瀝青混合料再生過(guò)程中的研究重點(diǎn)，對(duì)瀝青路面再生技術(shù)具有重要意義。

2 國(guó)內(nèi)外研究成果

目前，評(píng)價(jià)再生劑與老舊瀝青相容滲透性的過(guò)程可簡(jiǎn)要概述為以下兩個(gè)過(guò)程：先將再生劑與老化瀝青充分剪切均勻后，得到再生瀝青，再測(cè)試再生瀝青的物理性能、流變性能以及化學(xué)組分變化來(lái)評(píng)價(jià)再生劑的相容滲透性。主要分為宏觀評(píng)價(jià)方法和微觀評(píng)價(jià)方法。

2.1 宏觀評(píng)價(jià)方法

歐陽(yáng)自強(qiáng)等[6]研究了以60 ℃粘度、針入度、軟化點(diǎn)和延度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，綜合反映再生劑對(duì)老化瀝青的再生效果，進(jìn)一步評(píng)價(jià)再生劑與老化瀝青的相容滲透作用和均勻程度。況棟梁[7]基于Fick擴(kuò)散定律，將老化瀝青與瀝青再生劑置于一定溫度下恒溫保溫，促進(jìn)再生劑滲透進(jìn)入老化瀝青內(nèi)部，通過(guò)測(cè)試?yán)匣癁r青再生前后的針入度變化來(lái)表征再生劑的滲透性能。

有研究學(xué)者將老化瀝青的再生認(rèn)為是再生劑對(duì)老化瀝青的活性激發(fā)過(guò)程，由于老化瀝青混合料與再生劑攪拌均勻后難以分離，采用4.75 mm的潔凈碎石作為舊集料，13.2 mm表面潔凈光滑、無(wú)裂紋的卵石作為新集料，進(jìn)行模擬新舊集料在老化瀝青再生前后的瀝青膠漿轉(zhuǎn)移率和老化瀝青的激活率，利用瀝青膠漿轉(zhuǎn)移率和老化瀝青的激活率評(píng)價(jià)再生劑的相容滲透性。成志強(qiáng)等[8]提出通過(guò)計(jì)算廢舊瀝青混合料再生前后有效瀝青膜厚度評(píng)價(jià)再生劑對(duì)老化瀝青混合料相容滲透性的方法，通過(guò)再生混合料構(gòu)成分析進(jìn)行有效瀝青公式推導(dǎo)，計(jì)算廢舊瀝青混合料中的有效瀝青含量，并采用比表面積系數(shù)法計(jì)算廢舊瀝青混合料的有效瀝青膜的厚度來(lái)評(píng)價(jià)再生劑對(duì)老化瀝青的相容滲透性。李曉民[9]測(cè)試?yán)匣癁r青再生前后的動(dòng)態(tài)剪切流變性質(zhì)，利用老化瀝青再生前后的復(fù)數(shù)模量、車轍因子、拉伸強(qiáng)度、蠕變?nèi)崃亢蛣?dòng)態(tài)模量等指標(biāo)的變化間接評(píng)價(jià)再生劑對(duì)老化瀝青的相容滲透作用。

有國(guó)外研究學(xué)者利用分層抽提方法研究對(duì)再生劑向老化瀝青內(nèi)部滲透的行為進(jìn)行研究：先在瀝青混合料攪拌鍋中將再生劑與預(yù)熱至一定溫度下的廢舊瀝青混合料拌和均勻后，再將拌和均勻的瀝青混合料依次在不同質(zhì)量的三氯乙烯中浸泡一定時(shí)間，然后將溶解的老化瀝青蒸餾回收，測(cè)試不同回收階段老化瀝青再生前后的粘度變化，以評(píng)價(jià)再生劑向老化瀝青內(nèi)部的滲透擴(kuò)散作用。

2.2 微觀評(píng)價(jià)方法

將正十二烷、十二烷酸和聯(lián)苯硅烷等有機(jī)物質(zhì)作為標(biāo)記物，采用削弱總反射傅里葉變換紅外光譜判斷再生劑分子性質(zhì)，并根據(jù)擴(kuò)散分子的尺寸大小、擴(kuò)散分子的極性等作為再生劑相容滲透性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。有國(guó)外研究學(xué)者將動(dòng)態(tài)剪切流變和斯托克愛(ài)因斯坦方程結(jié)合起來(lái)，以研究再生劑對(duì)老化瀝青內(nèi)部的滲透行為進(jìn)行模擬。利用示蹤劑將瀝青染成顏色，研究了在混合時(shí)間和混合溫度條件下，再生劑對(duì)老化瀝青的相容滲透作用。借助熒光劑的顯色效應(yīng)，觀察了紫外光條件下再生劑在馬歇爾標(biāo)本中的滲透和擴(kuò)散。

再生劑對(duì)老化瀝青的再生作用，會(huì)形成老化瀝青和再生瀝青的混合界面，新舊瀝青的微觀形貌存在一定差異。瀝青相圖由蜂狀結(jié)構(gòu)、平坦區(qū)和分散區(qū)三部分組成，瀝青老化過(guò)程中，分散區(qū)面積增大，而平坦區(qū)面積相應(yīng)減小。Nazzal等利用原子力顯微鏡（AFM）觀察再生劑對(duì)老化瀝青的蜂狀結(jié)構(gòu)、平坦區(qū)和分散區(qū)的改善效果，觀察新、舊瀝青的微觀形貌，研究新—舊瀝青融合的微觀差異性瀝青。借助AFM可以觀察再生劑與老化瀝青融合的融合區(qū)域及過(guò)渡區(qū)域，進(jìn)而可知融合范圍及程度，是一種量化再生劑相容滲透作用的途徑。Castorena等將TiO2作為老化瀝青再生后的示蹤劑，經(jīng)過(guò)磨細(xì)處理后加入再生劑中，對(duì)老化瀝青進(jìn)行再生。借助掃描電鏡（SEM）和能譜分析技術(shù)（EDS）研究了老化瀝青和再生瀝青的混溶區(qū)間圖。同時(shí)，將試樣進(jìn)行研磨、超聲和拋光等處理，制備成一定尺寸的試件，并對(duì)試件進(jìn)行導(dǎo)電處理，基于碳和鈦的質(zhì)量比差異對(duì)比老化瀝青再生前后的差異，以評(píng)價(jià)再生劑對(duì)老化瀝青的相容滲透性。趙占立[10]使用環(huán)烷酸鈷作為示蹤劑對(duì)再生瀝青進(jìn)行標(biāo)記，并利用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察示蹤劑在老化瀝青中的分散情況，以評(píng)價(jià)再生瀝青在老化瀝青中的分散和滲透情況。

有研究學(xué)者對(duì)Flory-Huggins方程進(jìn)行修正，計(jì)算得到了不同類型的再生劑與不同種類的老化瀝青的混合自由能，結(jié)合混合自由能討論了不同類型的再生劑與不同種類的老化瀝青之間的滲透行為，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，老化瀝青再生后自由能為負(fù)值時(shí)，再生劑能比較容易地滲透進(jìn)入老化瀝青內(nèi)部，反之則比較困難;再生劑和老化瀝青二者的溶解度相近時(shí)，兩者相容性較好，與相容性理論相符合。

研究學(xué)者基于凝膠滲透色譜和傅里葉變換紅外光譜能對(duì)瀝青中官能團(tuán)進(jìn)行識(shí)別這一原理，研究了老化瀝青再生前后的識(shí)別性官能團(tuán)羰基和亞砜基含量的變化，分析了瀝青各層中羰基與C=C的比例，老化瀝青再生后，羰基和亞砜基含量下降，根據(jù)老化瀝青再生后羰基和亞砜基含量的變化程度評(píng)價(jià)再生劑的相容滲透性。Vassaux等借助紅外顯微鏡，基于羰基空間分布的統(tǒng)計(jì)學(xué)處理定量評(píng)估再生瀝青與老化瀝青的混溶狀態(tài)。該評(píng)價(jià)方法具有無(wú)損特點(diǎn)，不改變?cè)瓰r青試樣的結(jié)構(gòu)，但在評(píng)價(jià)再生劑相容滲透性應(yīng)用方面成果較少，亟待進(jìn)一步研究。

3 建議

宏觀評(píng)價(jià)方法在一定程度上能間接評(píng)價(jià)再生劑在老化瀝青中相容滲透性能的優(yōu)劣，但具有局限性。如何從微觀尺度研究再生劑與老化瀝青的相容滲透性和混溶效果已經(jīng)成為新的熱點(diǎn)。

射傅里葉變換紅外光譜（FTIR-ATR）可以定量分析老化瀝青的識(shí)別性官能團(tuán)（羰基、亞砜基等）的含量，進(jìn)而評(píng)價(jià)再生劑與老化瀝青的滲透、混溶情況，反映再生劑對(duì)老化瀝青的相容滲透性。分層抽提技術(shù)結(jié)合凝膠滲透色譜可以觀察再生劑分子在老化瀝青中的遷移深度，評(píng)價(jià)再生劑對(duì)老化瀝青的滲透性能。利用原子力顯微鏡（AFM）觀察瀝青微觀表面形貌，能夠表征再生劑與老化瀝青之間混合區(qū)域。建議在考慮上述技術(shù)的基礎(chǔ)上，在再生劑中加入化學(xué)標(biāo)記物質(zhì)，如TiO2，利用AFM圖像及能譜儀定量分析化學(xué)標(biāo)記物質(zhì)在老化瀝青中的擴(kuò)散、分布情況，研究再生劑與老化瀝青內(nèi)在作用規(guī)律，并且定量分析瀝青表面微觀結(jié)構(gòu)同宏觀流變性能的關(guān)系，準(zhǔn)確掌握新—舊瀝青混合程度及分布均勻性對(duì)再生瀝青性能的影響。借助數(shù)學(xué)手段，如統(tǒng)計(jì)學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可以不改變?yōu)r青原有結(jié)構(gòu)，更為準(zhǔn)確地反映再生劑與老化瀝青內(nèi)在作用規(guī)律。同時(shí)在大數(shù)據(jù)背景下，將再生劑與老化瀝青滲透、混溶效果與再生瀝青混合料路用性能聯(lián)系起來(lái)，能大量減少配合比設(shè)計(jì)、優(yōu)化、驗(yàn)證工作量，對(duì)預(yù)測(cè)再生瀝青路面性能起到積極作用。

再生劑在老化瀝青中的擴(kuò)散機(jī)理、擴(kuò)散模型及量化相容滲透性的方法有待進(jìn)一步研究，為廢舊瀝青混合料的再生利用提供理論指導(dǎo)。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)在瀝青混合料中摻加再生劑，可以改善老化瀝青相容滲透性能，同時(shí)對(duì)提高廢舊瀝青混合料的循環(huán)利用具有重要意義，研究者從宏觀、微觀層面進(jìn)行了大量研究，但再生劑在老化瀝青中具體的擴(kuò)散行為和混溶行為尚不清楚，有待進(jìn)一步研究。

（2）宏觀方法評(píng)價(jià)再生劑對(duì)老化瀝青的相容滲透性能具有局限性和片面性，微觀評(píng)價(jià)方法成為研究趨勢(shì)。分層提取、凝膠滲透色譜、傅里葉紅外光譜、掃描電鏡、示蹤法和原子力顯微鏡等方法能有效評(píng)價(jià)再生劑的相容滲透性。

（3）掃描電鏡和能譜分析技術(shù)結(jié)合，示蹤法和原子力顯微鏡結(jié)合，凝膠滲透色譜和傅里葉紅外光譜結(jié)合等復(fù)合評(píng)價(jià)方法較單一評(píng)價(jià)方法更能從微觀反映再生劑對(duì)老化瀝青的相容滲透行為。

（4）紅外掃描電鏡和分子動(dòng)力學(xué)模擬對(duì)再生劑在老化瀝青相容滲透性研究成果較少，繼而可以進(jìn)一步研究，形成量化相容滲透性的新方法和新理論。

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