热再生沥青混合料RAP分散情况的多尺度分析_陈铁军.pdf

第 卷 第 期 年 月公 路 交 通 科 技 .收稿日期：基金项目：中铁十六局集团科技项目（）。作者简介：陈铁军（），男，北京人，高级工程师（.）：.热再生沥青混合料 分散情况的多尺度分析陈铁军（中铁十六局集团路桥工程有限公司，北京）摘要：沥青混合料回收料（）在热再生沥青混合料（）中的分散情况会影响沥青路面的路用性能及耐久性。为探明热拌过程中 在 中的分散情况，采用磁铁矿作为探针集料代替部分再生沥青混合料中新集料，结合抽提与旋转蒸发法获取了不同热拌时间下的融合沥青。在此基础上，采用流变试验、傅里叶红外光谱试验、凝胶渗透色谱试验、原子力显微镜试验分析了不同热拌时间情况下融合沥青的性能、组成以及微观形貌。通过荧光示踪法以及图像分析法探究了不同热拌时间下 在 中的分散情况。结果表明：中融合沥青的复数剪切模量、弯曲蠕变劲度随拌和时间的增加而增加，蠕变速率则反之；融合沥青中羰基、亚砜基以及大分子含量与拌和时间呈正比；融合沥青“蜂状”结构的密度随拌和时间的增加而减小，平均“蜂状”结构面积则反之，因此，随着拌和时间的增加，中老化沥青与新沥青之间的融合程度显著提高；随着拌和时间的增加，中团聚颗粒在拌和过程中逐渐被破坏，进一步增加了 与新沥青、新集料之间的接触面积，促进了 表面老化沥青与新沥青之间的融合，加剧了融合沥青的老化程度。工程中，为保障 的生产质量以及使用耐久性，建议在考虑经济与环境效益的基础上适当延长 的拌和时间。关键词：道路工程；分散情况；荧光示踪法；沥青混合料回收料；拌和时间中图分类号：.文献标识码：文章编号：（）（.，.，）：（）.，.，.（），；（），；（）“”，公路交通科技第 卷 “”，；（），.，.：；（）；引言“双碳”目标的提出对我国公路建设与养护事业中方案的制定提出了新的挑战，而沥青混合料回收料（，）因受其较高的残余价值的影响，在公路建设与养护中得到了广泛应用。沥青面层中使用 可充分发挥其经济、环境效益。然而，与普通的热拌沥青混合料相比，热再生沥青混合料（，）常面临生产质量不稳定、耐久性不足等问题，严重制约了建设与养护单位对其的推广应用。国内外学者研究发现，在 中的分散特性以及 中老化沥青在 中与新沥青的融合程度是造成 质量不稳定的重要因素。因此，为评价 在 中的迁移以及 中老化沥青与新沥青之间的融合程度，国内外学者分别从宏观、中观、微观方面来评价新旧沥青之间的融合程度。等采用傅里叶变换红外光谱（，）研究了 种类型 中 与新沥青之间的融合效率，发现温拌技术可促进新旧沥青之间的融合，而再生剂的掺加对融合效果的影响有限。等基于 设计了新旧沥青混融程度的评价模型，并采用不同粒径的 与新集料制备，分析了拌和温度、拌和时间、含量以及温拌剂对新旧沥青融合效率的影响。等在实验室制备，并采用立方体粗集料作为新集料，研究了 加热温度、拌和时间对迁移和扩散的影响。等采用立方体木质粗集料作为特征标记物，并采用 荧光技术以及扫描共焦显微镜定量分析了新旧沥青的混合与扩散，发现温度影响显著。等采用钢球作为标记物，结合分层抽提的方法研究了 中新旧沥青的融合与扩散。陈龙等从沥青层面研究发现，加热温度以及沥青标号与 沥青界面的融合速率、融合程度、界面扩散激活能呈正比。石鹏程等采用 及原子力显微镜试验（，）研究了新旧沥青融合变化规律。还有学者从分子含量层面、沥青组分方面研究了新旧沥青或 中新旧沥青的融合与扩散过程。此外，等研究发现，工程中使用的 是结团，且 的结团率与铣刨速度、铣刨深度等因素相关。综上所述，现有研究采用室内老化的 进行试验，与工程中具有一定结团率的 不符，且在材料组成设计过程中没有考虑到不同粒径 在 中的分散以及新旧沥青融合情况。因此，现有 中关于 中老化沥青迁移与分散的研究与实际工程不能准确切合，有必要考虑采用工程中的 材料组成设计试验来研究 在 中的分散情况。本研究主要考虑拌和时间对 中 分散以及新旧沥青融合程度的影响。首先，采用磁铁矿粗集料作为标记物，分别制备了 种拌和时间的，并采用抽提法以及旋转蒸发法提取了磁铁矿表层的融合沥青；其次，采用流变试验、试验、凝胶渗透色谱试验（，）、试验研究了融合沥青性能、组分以及微观形貌水拌和时间的变化趋势；最后，采用示踪法以及图像处理法分析了不同拌和时间引起的融合沥青老化程度差异成因。研究成果可为 生产质量均匀性控制提供一定的参考经验。试验材料与方案设计.原材料技术性能试验所用原材料主要包括 基质沥青、新集料、。基质沥青的基本性能指标见表。新集料为石灰岩，粒径为 ，并采用分档筛分的方法将新集料按照筛孔进行分档，测得新集料的主 第 期陈铁军：热再生沥青混合料 分散情况的多尺度分析表 基质沥青技术指标.试验项目试验结果技术要求试验方法 针入度（.）.软化点.延度.要性能指标见表。来源于福银高速三明段 中面层，通过破碎筛分的方式分为 ，共 档，采用离心分离法与阿布森法分别提取 中的集料与沥青，测试 抽提前后的级配、沥青含量，并分离 中集料与老化沥青的基本性能指标，结果见表、表。此外，为表征 在热拌过程中新旧沥青之间的融合程度，采用磁铁矿作为探针集料（新集料）。在考虑 最大粒径的基础上，为区分新集料与，分别选择粒径为 ，.的磁铁矿进行试验。表 新集料技术指标.集料类型试验项目试验结果技术要求试验方法粗集料表观相对密度.针片状含量.压碎值.洛杉矶磨耗值.吸水率.细集料表观相对密度.砂当量.矿粉表观密度（）.表 抽提前后级配与沥青含量.筛孔尺寸 抽提前抽提后抽提前抽提后抽提前抽提后.沥青含量.表 检测项目与性能.材料类型指标试验结果试验方法含水率.砂当量.附录 中的沥青 针入度（.）.软化点.延度 脆断 动力黏度（）中粗集料压碎值.针片状含量.中细集料棱角性.研究方案设计.试验拌和流程根据再生沥青混合料在拌和站中的生产流程、各环节的温度控制、总拌和时间等方面，设计如图 所示的流程进行室内试验模拟。试验过程中，磁铁矿的粒径为 ，.，在设计配合比的条件下，磁铁矿采用等体积替代的方式进行试验。.再生沥青混合料级配设计依托江西、福建、广东等地区 型再生沥青混合料成功应用的经验，采用 ，粒径的 以等比掺加的方式设计再生沥青混合料，掺量为，设计再生沥青混合料的沥青含量为.，矿料设计级配如图 所示。.试验方法.沥青分离试验采用离心分离法将磁铁矿中包裹的新旧沥青与铁矿石分离，并结合阿布森法将新旧沥青溶液中的沥青与溶剂分离。旋转蒸发时油浴温度为 ，在旋转蒸发完成后，将收集到的老化沥青置于烧杯中放置在 的真空干燥箱中 ，进一步排出残留在老化沥青中的有机溶剂。.流变试验根据 动态剪切流变仪测定沥青胶结料的流变性能的标准测试方法（），采用 型动态剪切流变仪研究沥青的高温流变性能，测试沥青的复数剪切模量（）。试验采用直径 ，间距 的平板测试 沥青流变性能（沥青路面服役周期内的代表温度为 ），测试频率为.。首先采用应变扫描试验确定沥青粘结剂的线弹性区域，在获得有限应变后采用频率扫公路交通科技第 卷图 室内试验设计拌和流程.图 设计级配曲线.描试验测试线性黏弹性响应范围，并根据频率扫描试验结果绘制 沥青复数剪切模量（）主曲线。每组试验平行测试 个试样。根据 弯曲梁流变仪（）测定沥青胶结料的弯曲蠕变刚度的标准试验方法（，），采用 公司的 型弯曲梁流变仪进行沥青弯曲蠕变试验，测试沥青的弯曲蠕变劲度 和蠕变速率 值，评价沥青的低温性能。试件长、宽.、厚.，测试温度为。每组试验平行测试 个试样。.试验采用傅里叶变换红外光谱仪测试沥青官能团组成与含量，测试范围为 ，分辨率为。红外光谱可反映聚合物中每个化学键的信息，其不同的吸收峰代表不同基团的振动形式。根据吸收峰的位置和形状，可分析样品中官能团、化学键和分子结构的变化情况。本次研究采用羰基（）（.）和亚砜基（）（.）定量表示沥青的老化程度，并采用羰基指数（）与亚砜基指数（）定量评价拌和时间对沥青老化程度变化的影响，计算如式（）、式（）所示：，（），（）式中，为羰基指数；为亚砜基指数；为波长为 .处羰基（）的面积；为波长为.处亚砜基（）的 面 积；为 波 长 为 .处参考位置的面积。.试验采用 型凝胶渗透色谱仪评价聚合物中不同分子的组分，研究沥青性质的变化。试验中，色谱柱是核心部件，当沥青溶液进入色谱柱时，溶质分子转移到色谱柱固定相的微观结构中。根据尺寸效应，分子的渗透概率取决于分子的体积。因此，由于大分子的体积较大，在浸出过程中与洗脱液流动的时间较短，而小分子与洗脱液流动的时间较长。因此，其可以实现基于分子体积的分离。此外，采用切割法定量分析 色谱图，即在图中等距切割曲线包围的区域，并据此划分大分子（，）、中 分 子（，）和小分子（第 期陈铁军：热再生沥青混合料 分散情况的多尺度分析，）。在本研究中，使用该方法将洗脱时间分为 段：前 段为，第 段为，第 段为。此外，采用大分子含量指数（）指标定量评价拌和时间对沥青老化程度变化的影响，计算如式（）所示：，（）式中，为大分子含量指数；为大分子区域的面积；为不同尺寸分子区域的总面积。.试验采用 型原子力显微镜观察沥青微观表观形貌，探针悬臂梁弹性系数采用.，轻敲模式，扫描频率为 ，扫描面积为 ，分辨率为 。.元素示踪试验采用 油性荧光示踪剂示踪新沥青，并根据新沥青在 中的分布，评估不同拌和时间情况下 的分散特性。首先，采用高速搅拌机制备 油性荧光示踪剂的新沥青，拌和参数为：拌和速度 ，拌和时间；其次，按照图 中的拌和流程制备不同拌和时间情况下的，并成型试件；接着，采用切割机对 试件进行切片，并采用紫外灯照射切面，获取图像信息；最后，分析不同拌和时间情况下图像之间的差异。一般认为，时间切面荧光分布越均匀时，在 中的分散程度越高。试验结果分析.流变性能试验结果新沥青、老化沥青以及不同拌和时间条件下融合沥青的复数剪切模量试验结果如图 所示。由图 可见，新沥青的复数剪切模量最小，老化沥青最大；不同沥青的复数剪切模量与角频率呈正比。相同角频率情况下，随着拌和时间的增加，复数剪切模量呈增加的趋势。此外，拌和时间为 时，融合沥青的复数剪切模量较新沥青显著增加，而拌和时间高于 时，随着拌和时间的增加，融合沥青的复数剪切模量逐渐增加，沥青抗高温变形性能逐渐提高，新沥青与 中游离的老化沥青之间融合的比例逐渐增加。图 表明不同拌和时间条件下融合沥青的低温流变性能试验结果。由图 可见，新沥青的弯曲蠕变劲度最小，老化沥青最大，然而，蠕变速率指标图 复数剪切模量.图 低温流变性能试验结果.则反之。随着拌和时间的增加，融合沥青的弯曲蠕变劲度指标逐渐增加，蠕变速率指标逐渐减小。由此可见，随着拌和时间的增加，融合沥青的低温抗裂性能逐渐降低，说明新沥青与 中游离的老化沥青之间融合的比例逐渐增加。.试验结果通过 得到的不同沥青红外光谱试验结果如图 所示。由图 可见，中含有的老化沥青与新沥青在不同的拌和时间情况下，红外光谱中没有出现新的组分。当拌和时间为 时，融合沥青中的 曲线变化趋势显著，而 曲线变化趋势不明显。当拌和时间为，时，融合沥青中的，曲线变化趋势基本一致。老化沥青的，曲线变化趋势与其他沥青相比有显著差异。总体来说，随着拌和时间的增加，曲线变化趋势逐渐明显，且逐渐向老化沥青 ，曲线变化趋势接近，说明拌和时间的增加将会进一步加剧 中老化沥青与新沥青之间的混融。采用式（）、式（）中的参数定量评价不同公路交通科技第 卷图 不同沥青的红外光谱.图 与 结果的变化趋势.拌和时间下，含量的变化，得到，与拌和时间之间的变化趋势，如图 所示。由图 可见，新沥青中的，最小，而老化沥青则反之。随着拌和时间的增加，融合沥青中的 逐渐增加，总体呈增加的趋势。此外，拌和时间为 时融合沥青中的，显著增加，与新沥青相比，增幅分别为.，.。.试验结果不同拌和时间条件下沥青的相对含量（）与重均分子量（）之间的变化趋势如图 所示。由图 可见，随着拌和时间的增加，融合沥青的老化程度逐渐增加，沥青中小分子含量逐渐减少，大分子含量逐渐增多，导致色谱图中的峰向右移动。采用式（）计算不同拌和时间条件下融合沥青中的 含