基于瀝青熒光強(qiáng)度的再生瀝青融合效果評(píng)價(jià)

李煜彬， 王端宜， 郭秀林

(華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院， 廣東 廣州 510641)

隨著可持續(xù)發(fā)展和綠色道路理念的提出，瀝青路面再生技術(shù)得到了快速發(fā)展。人們不僅關(guān)注回收瀝青混合料(Reclaimed Asphalt Pavement, RAP)利用的數(shù)量，更加關(guān)注再生瀝青混合料的質(zhì)量和性能，而決定再生瀝青混合料質(zhì)量和性能的主要因素就是新舊瀝青的融合效果[1-3]。已有研究表明[4-5]：RAP在再生過(guò)程中可以分為3種假設(shè)狀態(tài)：① 黑石狀態(tài)。再生過(guò)程中舊瀝青沒(méi)有與新瀝青產(chǎn)生融合，RAP可視為黑色的石料，通過(guò)新?lián)脚涞臑r青進(jìn)行膠結(jié)；② 完全融合狀態(tài)。舊瀝青與新瀝青100%融合，共同作為新舊石料的膠結(jié)材料；③ 中間狀態(tài)。一定比例的舊瀝青和新瀝青融合，形成混合料的膠結(jié)材料。

為了研究再生瀝青中新舊瀝青的融合效果，Huang等[6]使用分層剝離法，將再生瀝青混合料中的RAP分離出來(lái)，依次浸泡在4個(gè)裝有三氯乙烯的燒杯中，萃取包裹在RAP集料表面不同層次的再生瀝青，分別測(cè)試再生瀝青樣品的復(fù)數(shù)模量來(lái)評(píng)價(jià)新舊瀝青的融合效果；Lee等[7]采用凝膠滲透色譜法(GPC)進(jìn)行分析，根據(jù)大分子(LMS)在再生瀝青中的比例來(lái)評(píng)估新舊瀝青的融合情況；Bowers等[8]使用傅里葉光譜(FTIR)技術(shù)，通過(guò)評(píng)價(jià)樣品的羥基百分率來(lái)評(píng)價(jià)再生瀝青樣品中新舊瀝青的融合狀態(tài)；石鵬程等[9]通過(guò)原子力顯微鏡對(duì)不同摻量新舊瀝青融合情況的變化規(guī)律進(jìn)行評(píng)價(jià)。然而，上述評(píng)價(jià)方法過(guò)于復(fù)雜，設(shè)備昂貴，難以應(yīng)用于實(shí)際工程。

熒光顯微分析作為快速簡(jiǎn)便的檢測(cè)方法，常被用于觀測(cè)改性瀝青的微觀結(jié)構(gòu)，如SBS的分布，環(huán)氧樹脂在瀝青中的融合情況等[10]。研究發(fā)現(xiàn)，新舊瀝青在相同的入射光下，會(huì)激發(fā)出不同的熒光強(qiáng)度。利用這一特性，熒光顯微分析被逐漸引入到新舊瀝青融合效果的研究中[11-13]?；谏鲜霰尘?，該文擬通過(guò)熒光顯微分析，對(duì)分層剝離后的各層再生瀝青進(jìn)行熒光強(qiáng)度檢測(cè)，提出技術(shù)指標(biāo)，更方便地評(píng)價(jià)再生瀝青中新舊瀝青的融合效果。

1 原材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

試驗(yàn)中，RAP為廣州市花都區(qū)省道S118上面層銑刨料，新瀝青采用某品牌改性瀝青(SBS I-D)。RAP經(jīng)抽提試驗(yàn)后的舊瀝青和新瀝青的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)如表1所示。RAP烘干后進(jìn)行燃燒篩分試驗(yàn)，集料級(jí)配見表2。新集料采用石灰?guī)r，級(jí)配見表3。采用兩種不同的溫拌劑，溫拌劑1摻量為瀝青質(zhì)量的3%，溫拌劑2摻量為瀝青質(zhì)量的5%。兩種溫拌劑的技術(shù)指標(biāo)如表4所示。為了研究不同溫拌劑對(duì)再生效果的影響，溫拌再生以及熱拌再生過(guò)程中不采用再生劑。

表1 新舊瀝青技術(shù)指標(biāo)

表2 RAP級(jí)配

表3 新集料級(jí)配

表4 溫拌劑技術(shù)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)原理及使用儀器

Florian Handle等[14]研究發(fā)現(xiàn)，瀝青在受到特定的激發(fā)光照射后，會(huì)產(chǎn)生能量躍進(jìn)，進(jìn)入激發(fā)狀態(tài)，從而產(chǎn)生一種比照射光波長(zhǎng)長(zhǎng)的肉眼可看到的光，這種現(xiàn)象稱為熒光效應(yīng)。瀝青的熒光效應(yīng)主要來(lái)源于瀝青分子中的共軛大π鍵和碳氧雙鍵中的電子躍遷。對(duì)于按二組分分類的瀝青而言，主要由輕質(zhì)油分產(chǎn)生熒光效應(yīng)；對(duì)于按四組分分類的瀝青而言，瀝青的熒光效應(yīng)主要來(lái)源于飽和分和芳香分。瀝青在老化過(guò)程中，輕質(zhì)油分減少，膠質(zhì)和瀝青質(zhì)的含量增高，使得舊瀝青的熒光強(qiáng)度減弱，如圖1所示。

圖1 新瀝青和舊瀝青熒光強(qiáng)度對(duì)比

研究中，采用OLYMPIUS(奧林巴斯)IX73倒置熒光顯微鏡(圖2)作為試驗(yàn)儀器，對(duì)瀝青樣本進(jìn)行熒光效應(yīng)強(qiáng)度檢測(cè)，儀器搭載有大型傳感器的SCMOS數(shù)碼相機(jī)，能夠清晰地將瀝青的熒光效應(yīng)轉(zhuǎn)化成圖像。

圖2 OLYMPUS IX73倒置熒光顯微鏡

1.3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

此次試驗(yàn)通過(guò)分層剝離法，分別制作各層次的溫拌和熱拌再生瀝青樣品，并基于再生瀝青的熒光強(qiáng)度，分析各層再生瀝青的融合情況，以及再生瀝青混合料中新舊瀝青的融合程度，試驗(yàn)過(guò)程如下：

(1) 分層剝離制樣。將RAP分別進(jìn)行溫拌和熱拌再生，然后使用分層剝離法，對(duì)再生后的RAP分3層進(jìn)行剝離，并萃取再生瀝青，制作再生瀝青樣品。再生瀝青混合料試驗(yàn)方案見表5。

表5 瀝青混合料再生試驗(yàn)方案

(2) 標(biāo)定樣品制作。為了標(biāo)定在不同新舊瀝青摻量下再生瀝青樣本的熒光強(qiáng)度，提取RAP中的舊瀝青，以20%為梯度增量，與新瀝青按0～100%的不同比例進(jìn)行拌和，獲得標(biāo)定樣品。

(3) 獲取樣品的灰度均值。利用熒光顯微鏡，獲取再生瀝青樣品和標(biāo)定樣品的熒光顯微圖像，經(jīng)Matlab軟件處理得出灰度均值，并采用瀝青樣品的灰度均值作為技術(shù)指標(biāo)，表征瀝青樣品的熒光強(qiáng)度。然后通過(guò)線性回歸，建立再生瀝青標(biāo)定樣品灰度均值與舊瀝青含量的關(guān)系方程。

(4) 再生瀝青樣品融合程度評(píng)價(jià)。根據(jù)再生瀝青樣品的灰度均值，通過(guò)回歸方程進(jìn)行計(jì)算，得出各樣品中舊瀝青的含量，進(jìn)而評(píng)價(jià)在RAP上各層再生瀝青的融合情況，以及對(duì)再生瀝青混合料中新舊瀝青的融合程度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。試驗(yàn)流程如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)流程圖

2 再生瀝青混合料與分層剝離

為了方便區(qū)分再生后的RAP，進(jìn)行試驗(yàn)前先將RAP進(jìn)行篩分，取小于9.5 mm的RAP，與大于9.5 mm的新集料和新瀝青進(jìn)行拌和，得到再生瀝青混合料。再生試驗(yàn)方案中RAP含量為40%，新瀝青用量為3.5%。

完成再生瀝青混合料拌制后，將混合料中粒徑小于9.5 mm的再生瀝青混合料分揀出來(lái)，取45 g。為減少礦粉對(duì)試驗(yàn)的影響，浸泡時(shí)用粒徑為400目的濾布對(duì)混合料進(jìn)行包裹。準(zhǔn)備3個(gè)燒杯，分別標(biāo)記序號(hào)，對(duì)應(yīng)每個(gè)樣本內(nèi)的外中內(nèi)3層瀝青。每個(gè)燒杯內(nèi)注入約75 mL四氫呋喃，用于溶解包裹RAP表面的瀝青。在進(jìn)行分層剝離時(shí)，將用濾布包裹著的再生混合料分別依次在3個(gè)燒杯內(nèi)進(jìn)行浸泡，前兩個(gè)燒杯內(nèi)浸泡時(shí)間保持相同，最后一個(gè)燒杯內(nèi)浸泡時(shí)間適當(dāng)延長(zhǎng)，直至濾布內(nèi)包裹在RAP表面的瀝青被完全溶解于四氫呋喃中。完成再生瀝青的萃取后，將燒杯放置于通風(fēng)櫥內(nèi)風(fēng)干，待液體蒸發(fā)至肉眼不可見后，放置于60 ℃烘箱中加熱約15 min，將燒杯內(nèi)四氫呋喃完全蒸發(fā)。

在進(jìn)行再生瀝青樣本分層剝離前，應(yīng)先進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，確定再生混合料在燒杯內(nèi)的浸泡時(shí)間，使得完成分層剝離后，每組樣品中各層瀝青的質(zhì)量大致相同。取熱再生后的RAP 4份,各45 g，分別進(jìn)行分層剝離試驗(yàn)。前兩個(gè)燒杯浸泡時(shí)間分別為30 s、1 min、2 min、3 min，在最后一個(gè)燒杯內(nèi)同樣地浸泡至裹附在石料表面的瀝青完全溶解為止。萃取得出各燒杯內(nèi)瀝青質(zhì)量后進(jìn)行比較，確定浸泡時(shí)間。試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，確定浸泡時(shí)間為2 min。

圖4 不同浸泡時(shí)間下各層瀝青質(zhì)量

獲得再生瀝青樣品后，將燒杯放入165 ℃烘箱內(nèi)加熱至流動(dòng)狀態(tài)，用刮勺輕輕刮拭燒杯上的瀝青，并滴在載玻片上，輕輕覆蓋上蓋玻片。隨后將玻片放入165 ℃烘箱內(nèi)加熱2 min左右，獲得厚度約為1 mm的再生瀝青樣品，同一瀝青樣品制作3個(gè)平行試樣。

3 熒光顯微分析

3.1 參數(shù)設(shè)置與試驗(yàn)方法

對(duì)樣品進(jìn)行熒光顯微分析時(shí)，為了將新舊瀝青明顯地區(qū)分開來(lái)，將熒光顯微鏡的發(fā)射光波長(zhǎng)設(shè)為450～490 mm，光強(qiáng)設(shè)置為12 cd，曝光時(shí)間設(shè)為1 s[13]，放大倍數(shù)為200倍。使用Matlab軟件將各樣品熒光顯微圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖，并用圖像中的灰度均值定量表示再生瀝青樣品的熒光強(qiáng)度。同一再生瀝青樣品設(shè)置3組平行試驗(yàn)，同一試驗(yàn)中取瀝青樣品5個(gè)不同位置進(jìn)行熒光顯微分析，并計(jì)算灰度均值。

為了驗(yàn)證再生瀝青加入溫拌劑后，瀝青的熒光強(qiáng)度不受影響，對(duì)新瀝青與加入溫拌劑1和溫拌劑2的溫拌瀝青熒光顯微圖像的灰度均值進(jìn)行比較，結(jié)果如下：加入溫拌劑1和溫拌劑2的溫拌瀝青的灰度均值為76.17、76.88，新瀝青的灰度均值為76.46，可見溫拌劑的加入不影響瀝青的灰度均值。

其次，為了證明使用400目濾布和四氫呋喃溶液進(jìn)行分層剝離試驗(yàn)后，萃取所得瀝青樣品的熒光強(qiáng)度與原瀝青一致，即試驗(yàn)過(guò)程不對(duì)瀝青樣品的熒光強(qiáng)度產(chǎn)生影響，取40 g未進(jìn)行再生試驗(yàn)的RAP浸泡在四氫呋喃溶液中15 min，進(jìn)行剝離試驗(yàn)，完成并制樣后與抽提所得舊瀝青同時(shí)進(jìn)行熒光顯微分析，對(duì)比所得樣品的灰度均值。試驗(yàn)結(jié)果見表6。

比較表6發(fā)現(xiàn)：剝離試驗(yàn)所得瀝青樣品的灰度均值較舊瀝青樣品的灰度均值小，但是相差不大，差值為0.17，可以認(rèn)為所得瀝青樣品的熒光強(qiáng)度與原瀝青基本一致，試驗(yàn)過(guò)程對(duì)瀝青樣品的熒光強(qiáng)度影響不大。

表6 舊瀝青與RAP分層剝離后瀝青灰度均值對(duì)比

3.2 回歸方程建立

通過(guò)獲取標(biāo)定樣品的灰度均值，對(duì)瀝青的熒光強(qiáng)度進(jìn)行標(biāo)定，建立回歸方程。以20%為梯度增量，將RAP中剝離出來(lái)的舊瀝青按含量為0%、20%、40%、60%、80%、100%與新瀝青在165 ℃下進(jìn)行拌和，并用玻璃棒攪拌約10 min。將融合后的瀝青樣品放進(jìn)165 ℃烘箱保溫15 min，使新舊瀝青均勻地融合，并制作標(biāo)定樣本。標(biāo)定瀝青樣品融合前后熒光顯微圖像見圖5、6。

圖5 標(biāo)定樣品新舊瀝青融合前熒光顯微圖像

圖6 保溫10 min后標(biāo)定瀝青樣品熒光顯微圖像

通過(guò)熒光顯微鏡，獲取瀝青標(biāo)定樣品的熒光顯微圖像，經(jīng)Matlab軟件處理后計(jì)算出標(biāo)定樣品的灰度均值,如表7所示。

表7 標(biāo)定樣品灰度均值

將標(biāo)定樣品的灰度均值與舊瀝青含量進(jìn)行對(duì)比，并作線性擬合，建立回歸方程。

回歸方程的表達(dá)式為：

y=-0.703 5x+76.259

(1)

回歸方程的相關(guān)度R2為0.98，有良好的線性關(guān)系?？梢钥闯觯盒聻r青與舊瀝青之間的熒光強(qiáng)度存在明顯差異，新瀝青的灰度均值更高，即新瀝青的熒光強(qiáng)度更強(qiáng)。隨著樣本中舊瀝青含量的提高，再生瀝青的灰度均值逐漸減少，呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3.3 再生瀝青樣品分層評(píng)價(jià)

將各層再生瀝青樣品進(jìn)行熒光顯微分析，通過(guò)Matlab軟件獲取灰度均值，并對(duì)照回歸方程，得出再生瀝青樣品中舊瀝青的含量，試驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8 不同再生瀝青樣品中舊瀝青含量

對(duì)于3種再生瀝青混合料，在瀝青膜厚度方向上，再生瀝青樣品中的舊瀝青含量均呈現(xiàn)從內(nèi)層至外層逐漸減少的趨勢(shì)；對(duì)于中間層再生瀝青樣品，舊瀝青含量均為40%～50%，且內(nèi)層再生瀝青中舊瀝青含量均小于100%，說(shuō)明在再生過(guò)程中，新瀝青確實(shí)能從外層擴(kuò)散進(jìn)入到舊瀝青的內(nèi)層，與舊瀝青進(jìn)行整體融合，但是各層瀝青融合程度不同。顯然，當(dāng)新瀝青擴(kuò)散至內(nèi)層越多，內(nèi)層中再生瀝青的舊瀝青含量越少，再生瀝青的融合程度越高。

熱拌再生混合料中，內(nèi)層再生瀝青的舊瀝青含量為56.18%，相比而言，溫拌再生混合料中內(nèi)層再生瀝青的舊瀝青含量較高，分別為59.01%和72.93%。說(shuō)明當(dāng)RAP含量為40%時(shí)，熱拌再生混合料中能有效擴(kuò)散進(jìn)入舊瀝青內(nèi)層的新瀝青更多，新舊瀝青的融合效果更好。對(duì)于兩種溫拌劑而言，在使用溫拌劑2的溫拌再生瀝青混合料中，新瀝青大多停留在舊瀝青的外層，外層再生瀝青中的舊瀝青含量為11.21%，新瀝青含量較高，有效擴(kuò)散進(jìn)入內(nèi)層與舊瀝青調(diào)和的新瀝青較少。相對(duì)而言，使用溫拌劑1的各層再生瀝青樣品中，中間層和內(nèi)層舊瀝青含量均低于使用溫拌劑2的再生瀝青樣品，接近熱拌再生瀝青樣品，但中間層再生瀝青的舊瀝青含量較熱拌再生瀝青少。說(shuō)明相對(duì)于熱拌再生瀝青混合料，使用溫拌劑1進(jìn)行溫拌再生時(shí)，新瀝青擴(kuò)散至中間層較多，相對(duì)而言進(jìn)入內(nèi)層與舊瀝青進(jìn)行調(diào)和的新瀝青較少。

3.4 新舊瀝青融合效果綜合評(píng)價(jià)

再生的過(guò)程中，新瀝青在一定的溫度下，通過(guò)攪拌的機(jī)械作用與RAP和新集料進(jìn)行拌和。在瀝青膜厚度方向上，新瀝青向裹附在RAP上的舊瀝青從外至內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)散，新舊瀝青進(jìn)行調(diào)和[15-16]。當(dāng)新舊瀝青融合程度越高，新瀝青擴(kuò)散進(jìn)入舊瀝青的比例越高，則再生瀝青混合料中內(nèi)層再生瀝青的舊瀝青含量越低，裹附在RAP內(nèi)層的再生瀝青樣品的灰度均值就越高，直至新舊瀝青達(dá)到完全融合。因此，可以利用內(nèi)層再生瀝青樣品中新瀝青的含量與新舊瀝青完全融合時(shí)新瀝青含量的比值，定量評(píng)價(jià)再生瀝青混合料中新舊瀝青的融合效果。

當(dāng)新舊瀝青完全融合時(shí)，再生瀝青混合料中各層瀝青的新瀝青含量應(yīng)完全相同。假設(shè)混合料中新瀝青含量為Cv，舊瀝青含量為CR,則完全融合時(shí)，再生瀝青混合料中內(nèi)層瀝青的新瀝青含量C應(yīng)為:

(2)

當(dāng)新舊瀝青部分融合時(shí)，假設(shè)通過(guò)熒光顯微分析得第3層瀝青中舊瀝青含量為C3，則各再生瀝青混合料中新舊瀝青融合程度BE如式(3)所示：

(3)

結(jié)合式(1)、(2)、(3)，計(jì)算出各再生瀝青樣品中新舊瀝青的融合程度。

計(jì)算結(jié)果為在RAP含量為40%的條件下，熱拌再生瀝青混合料的新舊瀝青融合程度為67.81%，而使用溫拌劑1和溫拌劑2的溫拌再生瀝青混合料的融合程度分別為63.43%和41.9%,均低于熱拌再生瀝青混合料。但是對(duì)于溫拌再生瀝青混合料，使用溫拌劑1作為溫拌劑進(jìn)行溫拌再生時(shí)，新舊瀝青的融合程度更高，更接近熱拌再生瀝青混合料。

4 結(jié)論

研究通過(guò)分層剝離法，分別制作各層次的溫拌和熱拌再生瀝青樣品，并基于再生瀝青的熒光強(qiáng)度，分層評(píng)價(jià)各再生瀝青樣品的融合情況，并綜合評(píng)價(jià)再生瀝青混合料中新舊瀝青的融合程度，得到如下結(jié)論：

(1) 通過(guò)熒光顯微分析，對(duì)再生瀝青中新舊瀝青的融合效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，改進(jìn)了對(duì)RAP進(jìn)行分層剝離后所得再生瀝青樣品的評(píng)價(jià)方法。對(duì)再生瀝青樣品進(jìn)行熒光顯微分析，能夠快速便捷地分析各層再生瀝青樣品融合情況，從而定量評(píng)價(jià)再生瀝青混合料中新舊瀝青的融合程度。

(2) 以灰度均值作為技術(shù)指標(biāo)，能夠定量評(píng)價(jià)再生瀝青樣品中新舊瀝青的融合情況。對(duì)于再生瀝青而言，隨著再生瀝青中舊瀝青含量的增加，再生瀝青的熒光強(qiáng)度減弱，灰度均值線性遞減。使用灰度均值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，能夠計(jì)算出各再生瀝青中舊瀝青的含量，從而能夠定量評(píng)價(jià)樣品中新舊瀝青的融合情況，對(duì)實(shí)際工程中選擇適合的再生工藝和溫拌劑，具有一定的指導(dǎo)和參考價(jià)值。

(3) 在不同的再生瀝青混合料中，包裹在RAP外的各層再生瀝青均呈現(xiàn)舊瀝青含量從外層到內(nèi)層遞增的趨勢(shì)。中層再生瀝青中舊瀝青含量約為50%左右，且內(nèi)層舊瀝青含量均小于100%，說(shuō)明再生過(guò)程中新瀝青向舊瀝青逐漸滲透，與舊瀝青進(jìn)行整體融合，但各層再生瀝青的融合程度不同。

(4) 熱拌再生瀝青混合料中新舊瀝青的融合程度高于溫拌再生瀝青混合料；對(duì)于使用不同溫拌劑的溫拌再生瀝青混合料，使用溫拌劑1比使用溫拌劑2的融合程度更高。