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再生瀝青中新舊瀝青擴散特性


 

摘要


為掌握再生瀝青中新舊瀝青擴散特性,以提高再生瀝青混合料性能和舊瀝青的再生程度,采用老化瀝青和新瀝青制備雙層瀝青試樣,保溫使新舊瀝青擴散,在此基礎上,建立基于針入度和動態剪切流變(DSR)試驗的新舊瀝青擴散程度評價方法和指標,進而研究高溫和中溫條件下掃描保溫時間、保溫溫度、老化瀝青類型及老化程度對新舊瀝青擴散程度影響,設計正交試驗,并使用極差分析和方差分析方法研究各因素影響程度。結果表明:高溫條件下新舊瀝青擴散程度隨保溫時間的增加先增加后不變,隨老化程度的增加基質瀝青擴散程度逐漸增加,SBS改性瀝青則基本不變,且老化程度較低時SBS改性瀝青擴散程度優于基質瀝青,但老化程度嚴重時正好相反;老化時間、保溫溫度和保溫時間對新舊瀝青擴散程度的影響程度依次降低,其中老化時間和保溫溫度對其有顯著影響,而保溫時間無顯著影響;中溫掃描時,新舊瀝青擴散程度隨掃描時間的增加而增加,隨老化程度增加而減小,且基質瀝青擴散程度優于SBS改性瀝青;高溫和中溫條件下新舊瀝青擴散程度均隨溫度的增加而增加,且基質瀝青的zui佳增長溫度范圍高于SBS改性瀝青。故如需提高再生瀝青混合料中新舊瀝青擴散程度時應主要關注瀝青老化程度及適宜的新舊瀝青溫度。



關鍵詞:道路工程 | 再生瀝青 | 擴散特性 | DSR


20世紀90年代以來,中國高速公路通車里程不斷增長。在公路建設取得飛速發展的同時,不斷增長的交通量和日趨嚴重的超載現象造成路面發生明顯車轍、裂縫及表面松散等病害現象。目前,中國早期修建的高速公路已逐漸進入大、中修期,其過程會產生大量舊瀝青路面材料(RAP),若將其廢棄一方面會造成嚴重的環境污染,另一方面也會造成資源浪費。近年來中國公路發展理念逐漸向低碳、環保與可持續轉變,因此瀝青路面再生技術逐漸引起關注[1-2]。瀝青再生過程中,在一定溫度和攪拌條件下,新瀝青和再生劑與RAP表面舊瀝青混合,然后由外到內擴散與其混溶,使其性能得到恢復[3-7]。但研究發現,這一過程作用深度有限,裹附于RAP內部的舊瀝青未參與再生[8-12],因此新舊瀝青擴散特性對老化瀝青再生效果有重要影響。


目前,關于擴散特性研究的方法主要有:一是物理化學分析方法,如分子動力學模擬法、凝膠色譜分析、染色法、瀝青膠體結構的電導率評價法等,其從微觀角度分析擴散特性,試驗方法難度較大,且儀器昂貴;二是基于擴散模型和傳質模型,根據老化瀝青的針入度、黏度和質量變化等來評價其擴散程度[13-14]。上述方法一般關注再生劑在舊瀝青中的擴散研究,如Oliver使用氚元素對再生劑進行標記,然后將其噴于瀝青圓柱體上,并隔一定時間對瀝青試樣進行切片分析其放射性,以確定再生劑擴散深度,研究發現擴散與溫度具有Arrhenius關系,且分子形狀對擴散過程的影響程度比分子量更大[15]。李立寒等研究了再生劑和舊瀝青擴散程度的影響因素,發現再生劑黏度較高或舊瀝青老化程度嚴重時不利于再生劑擴散,而環境溫度和擴散時間增加時擴散程度明顯提高[16]。沈凡等研究了再生劑擴散深度與其作用效果關系,發現兩者成反比[17]。耿九光基于動態剪切流變(DSR)試驗對再生劑在不同類型瀝青中的擴散規律進行了研究,發現基質瀝青中的擴散系數大于改性瀝青,原因是前者的黏度較低[18]。許勐對再生劑與舊瀝青的擴散機理進行了分析,發現擴散的驅動力來源于范德華力和電場力,其隨著兩者勢能的穩定而結束[19]。Karlsson等采用傅里葉變換紅外光譜衰減全反射技術(FTIRATR)研究了再生劑在瀝青中的擴散特性,發現其擴散過程可用Fick模型描述,即舊瀝青對再生劑的攝取量與時間的1/2次方成正比[20]。徐萌研究了擴散劑分子極性和尺寸對其在瀝青中擴散程度的影響,發現極性較大、尺寸較小的分子容易發生擴散[21]。


現有研究涵蓋了再生劑在瀝青中的擴散特性分析方法、擴散機理、擴散模型、材料性質和環境因素對擴散程度的影響,但對新舊瀝青的擴散行為鮮有報道。實際應用中瀝青再生是新舊瀝青相互作用,且新瀝青與再生劑性能存在較大差別,因而研究新舊瀝青的擴散特性十分重要。為此,本文首先建立基于針入度和DSR試驗的新舊瀝青擴散程度評價方法,然后研究高溫和中溫條件下掃描保溫時間、保溫溫度、老化瀝青類型及老化程度對新舊瀝青擴散程度影響,并分析其影響程度排序,對進一步掌握舊瀝青再生程度,以及提高再生瀝青混合料性能有重要意義。



原材料與試驗方法

瀝青

舊瀝青采用殼牌70?;|瀝青和昆侖金鹿牌SBS-C改性瀝青經旋轉薄膜烘箱老化(RTFOT)后獲得,新瀝青采用殼牌90?;|瀝青?!豆窞r青路面再生技術規范》(JTG F41-2008)中規定進行熱再生的舊瀝青針入度(25℃,100g,5s)應大于20(0.1mm),故本文對70?;|瀝青和SBS改性瀝青進行了不同RTFOT時間下的針入度試驗,zui終確定老化時間zui大值為360min。


新舊瀝青擴散程度評價方法

針入度試驗

新舊瀝青接觸時會發生相互擴散。根據此原理,本文首先將50g舊瀝青加熱至130℃澆入針入度試模,冷卻后用同樣方法在其表面繼續澆入17g新瀝青,放入烘箱中保溫以加速新舊瀝青擴散,規定時間后取出試模冷卻,測試25℃針入度。同時以保溫時間為0h的針入度作為未發生擴散的基準值,然后根據式(1)計算針入度試驗下新舊瀝青擴散程度ΔP



未發生擴散時試模上層主要為低黏度的新瀝青,針入度值較高,隨著擴散的發生,新舊瀝青互相融合,針入度值逐漸降低,因此,其值越大表明擴散程度越明顯。


DSR試驗

為更jing確評價新舊瀝青擴散過程,將新、舊瀝青分別澆筑成直徑25mm、高0.5mm的試件,見圖1(a),進而疊合形雙層瀝青試樣,見圖1(b),并利用DSR進行測試,見圖1(c)。

采用美國TA公司產AR-1500DSR試驗儀對雙層瀝青試樣進行時間掃描(10000s)試驗,測試復數模量G*隨時間的變化。將新舊瀝青加熱充分攪拌后澆筑試件測試復數模量G*作為新舊瀝青完全擴散的基準值,然后根據式(2)計算DSR試驗下新舊瀝青擴散程度s,即



針入度分析

保溫時間對擴散程度ΔP影響

為分析保溫時間對不同類型老化瀝青擴散程度影響,分別對70?;|瀝青和SBS改性瀝青進行RTFOT老化180、270、360min。按上文提出方法制備新舊瀝青雙層試模,放入130℃烘箱中分別儲存0、2、4、8、12h后進行針入度測試,然后根據式(1)計算其擴散程度ΔP,結果如圖2所示。



由圖2可得如下結論:

(1)新舊瀝青擴散程度隨保溫時間增加呈先增加后基本不變趨勢,且前2h增加效果明顯。保溫時間由0h增加至2h時,2種類型瀝青擴散曲線斜率明顯較大,超過8h后斜率則基本趨近于0,這是由于擴散開始時新舊瀝青界面物質濃度差大,此時新瀝青中飽和分和芳香分等小分子組分迅速向舊瀝青擴散,兩者濃度差逐漸變小,擴散速率減慢。

(2)舊基質瀝青老化程度嚴重時,其與新瀝青擴散程度明顯提高,老化時間超過270min時效果更為明顯,且基本不受保溫時間影響,而SBS改性瀝青老化時間對其擴散程度影響較小。對于基質瀝青,其老化時間增加時擴散曲線近似以平行方式向上移動,其中時間由180min增加至270min時,4個保溫時間下的擴散程度平均值增加14.7%,而由270min增加至360min時則增加24.8%;對于SBS改性瀝青老化時間由180min增加至360min時,其4個保溫時間下的擴散程度平均值僅增加5.8%。這是由于基質瀝青中組分穩定性較差,受熱時輕質組分容易轉化為重質組分,因而隨著老化時間延長,其老化程度越嚴重,此時其與新瀝青界面的濃度差也增da,故擴散程度增加;SBS改性瀝青由于抗老化性能相對較好,老化時間超過180min后其老化程度仍增加較慢,對擴散程度影響較小。

(3)老化時間較短時,舊SBS改性瀝青與新瀝青的擴散程度優于基質瀝青,但老化時間較長時正好相反。RTFOT老化時間為180、270、360min時,SBS改性瀝青4個保溫時間下的擴散程度平均值較基質瀝青分別高出29.6%和15.6%,但老化時間增加到360min時,其平均值反而比基質瀝青降低4.5%。


保溫溫度對擴散程度ΔP影響

為分析保溫溫度對不同類型老化瀝青擴散程度影響,分別對70?;|瀝青和SBS改性瀝青進行RTFOT老化180、270、360min,制備新舊瀝青雙層試模分別放入60℃、100℃、130℃、160℃烘箱中儲存8h后進行針入度測試,根據式(1)計算其針入度試驗下擴散程度,結果如圖3所示。


由圖3可得如下結論:

(1)增加保溫溫度能有效提高新舊瀝青擴散程度。保溫溫度為60℃時,2種類型瀝青擴散程度均較低,3個老化時間下的平均值分別為2.60.4(0.1mm),而保溫溫度提高到160℃時,兩者平均值分別提高12.3倍和65.5倍。分析其原因:一方面新舊瀝青之間的擴散屬于布朗運動,而布朗運動本質屬于分子間的熱運動,故溫度升高時分子間運動程度加劇,進而使得擴散程度加強;另一方面,瀝青是一種黏彈性材料,溫度較低時黏度較大,其對新瀝青擴散造成較大阻力,而當溫度升高后,瀝青向流體轉變,黏度迅速減小,此時瀝青分子間的作用力也逐漸變小,有利于新瀝青的擴散。

(2)2種類型老化瀝青擴散程度對溫度敏感性存在差異,溫度超過130℃時基質瀝青擴散曲線斜率較大,而SBS改性瀝青斜率zui大的溫度范圍則是100~130℃。

(3)舊瀝青老化程度嚴重時,增加保溫溫度對提高其與新瀝青擴散程度更為有效。老化時間由180min增加至360min時,2種類型瀝青擴散曲線的斜率均呈逐漸增da趨勢。


各因素對擴散程度ΔP影響程度的分析

保溫溫度、保溫時間及老化時間對新舊瀝青擴散程度均有影響,為分析三者影響程度,本文選擇3因素4水平,如表1所示,設計L16(43)正交試驗,進而測定其針入度,結果如表2所示。


極差分析

為分析保溫溫度、保溫時間及老化時間對新舊瀝青擴散程度的影響程度,對表1中試驗結果進行極差分析,結果如表3所示。



由表3可知,老化時間、保溫溫度和保溫時間對新舊瀝青擴散程度的影響依次降低,但老化時間和保溫溫度的影響程度明顯高于保溫時間,其中老化時間和保溫溫度的極差值分別為保溫時間的5.3倍和4.6倍;結合前述研究成果可知,需提高再生瀝青混合料中新舊瀝青擴散程度以改善其路用性能時,應主要控制舊瀝青老化程度較小及適當提高新舊瀝青保溫溫度。


方差分析

為分析保溫溫度、保溫時間及老化時間對新舊瀝青擴散程度影響顯著性,使用SPSS軟件對表2中試驗結果進行方差分析,發現保溫溫度和老化時間對新舊瀝青擴散程度有顯著影響,而保溫時間無顯著影響。因此,對比前述保溫時間對擴散程度影響試驗結果可知,新舊瀝青的擴散過程所耗時間小于本文試驗用zui小保溫時間2h,室內試驗和現場生產過程中保溫時間不宜超過此值。同時,對于新舊瀝青擴散過程所需zui佳保溫時間,后文中進行了深入研究。



DSR分析

掃描溫度對擴散程度s影響

分別對70?;|瀝青和SBS改性瀝青進行RTFOT老化360min,按上文提出方法制備雙層瀝青試樣,分別進行60℃、70℃、80℃的DSR時間掃描試驗,然后根據式(2)計算其DSR試驗下的擴散程度s,結果如圖4所示。

由圖4可得如下結論:

(1)新舊瀝青擴散程度s隨掃描溫度的增加而增加,且2種瀝青增加幅度zui大的溫度范圍分別為70~80℃和60~70℃。掃描溫度由60℃增加至70℃時,整個掃描周期內基質瀝青和SBS改性瀝青的擴散程度平均值分別增加1.3%和12.3%,而溫度由70℃增加至80℃時,兩者分別增加6.6%和6.0%。

(2)新舊瀝青擴散程度隨掃描時間的增加而增加,基質瀝青表現較為明顯。掃描時間增加時,基質瀝青擴散程度逐漸提高,時間超過1000s后效果更明顯,SBS改性瀝青則提高較小。

(3)老化基質瀝青與新瀝青的擴散程度優于老化SBS改性瀝青,尤其當試驗溫度較低時表現更明顯。試驗溫度為60℃、70℃、80℃時基質瀝青DSR試驗下的擴散程度s平均值較SBS改性瀝青分別提高15.4%、4.4%、5.0%,這可能是由于同一RTFOT老化時間條件下基質瀝青老化更為嚴重,其與新瀝青接觸界面濃度差更大的緣故。


老化時間對擴散程度s影響

分別對70?;|瀝青和SBS改性瀝青進行RTFOT老化180、270、360min,按上文提出方法制備雙層試樣進行60℃的DSR時間掃描試驗,然后根據式(2)計算其擴散程度s,結果如圖5所示。


由圖5可得如下結論:

(1)新舊瀝青在中溫條件下進行擴散時,老化時間增加時其與新瀝青DSR試驗下的擴散程度s呈降低趨勢,但對于基質瀝青老化時間超過270min后擴散程度變化較小。老化時間由180min增加至270min時,2種瀝青整個掃描周期內擴散程度平均值分別降低7.6%和6.6%,而由270min增加至360min時,2者分別降低0.7%和6.9%。這與針入度試驗結果正好相反,原因可能為兩者保溫溫度存在較大差異所致。

(2)各老化時間下基質瀝青與新瀝青的擴散程度s高于SBS改性瀝青,且老化時間延長時2者差值有增da趨勢。老化時間為180、270min時,整個掃描周期內基質瀝青擴散程度平均值分別較SBS改性瀝青高10.2%和9.2%,而老化時間增加到360min時則提高15.4%。分析原因為基質瀝青抗老化能力較差,老化時間超過270min時,其老化程度變化已較小,故與新瀝青擴散程度變化較小。



結語


(1)制備由新瀝青和老化瀝青組成的雙層瀝青試樣模擬擴散過程,分別提出了基于針入度和DSR試驗的新舊瀝青擴散程度評價方法和指標。

(2)高溫下新舊瀝青擴散程度隨保溫時間的增加先增加后不變,隨老化程度的增加基質瀝青擴散程度逐漸增加,SBS改性瀝青則基本不變,且老化程度較低時SBS改性瀝青擴散程度優于基質瀝青,但老化程度嚴重時,正好相反;中溫下新舊瀝青擴散程度隨掃描時間的增加而增加,隨老化程度增加而減小,且基質瀝青擴散程度優于SBS改性瀝青。高溫和中溫下新舊瀝青擴散程度均隨溫度的增加而增加,且基質瀝青的擴散程度zui佳增長溫度范圍分別為130~160℃和70~80℃,SBS改性瀝青則分別為100~130℃和60~70℃。

(3)老化時間、保溫溫度和保溫時間對新舊瀝青擴散程度的影響程度依次降低,其中老化時間和保溫溫度對其有顯著影響,而保溫時間無顯著影響。故需提高再生瀝青混合料中新舊瀝青擴散程度以改善其路用性能時,應主要控制舊瀝青老化程度較小,并適當提高新舊瀝青保溫溫度。

(4)本文試驗結果建立于純瀝青的擴散基礎上,后期還應結合新舊瀝青在混合料中擴散特性進行分析。


全文完 發布于《長安大學學報(自然科學版)》2018年9月

作者簡介:劉朝暉(1968-),男,湖南邵陽人,教授,博士研究生導師

文章轉載于“瀝青路面”公眾號

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