↑ 点击上方“陇原公路技术”关注我们
摘 要
再生沥青混合料（Reclaimed Asphalt Pavement，RAP）是指将旧沥青路面经过翻挖、回收、破碎、筛分后，与再生剂、沥青材料、集料等按一定比例重新拌和成的混合料。目前对RAP料的质量控制主要由室内试验检测，尚不能较为快速、准确地对其质量进行评估。本文采用便携式傅里叶变换红外光谱仪（FT-IRS）作为主要设备，以本文开发的快速抽提工艺为主要技术，采用PAV老化、RTFO老化和动态剪切流变试验，基于羰基指数（ICO）分析对比沥青老化程度，通过量化新拌沥青混合料的老化程度来测定现场混合料中的RAP含量。结果表明羰基指数可以成功地定量沥青和沥青混合料老化，而亚砜基指数不足以确定沥青的老化程度；在未老化沥青的羰基指数和RAP已经确定的情况下，可以通过新拌沥青混合料的光谱分析来确定厂拌沥青混合料中RAP的含量；快速提取工艺可以从混合料中产生足够的沥青用于FT-IR测试，整个过程简洁快速，为快速检测混合料中RAP含量与现场质量控制监测提供了新的思路。
关 键 词
沥青混合料；沥青老化；快速抽提工艺；RAP掺量；红外光谱仪
1 研究的背景和意义
沥青路面在服役过程中，产生大量再生废旧沥青混合料。目前，在满足基本路用性能的前提下，针对不同RAP掺量的再生沥青混合料进行高温稳定性、低温稳定性和水稳定性等室内宏观性能的研究，并通过现场摊铺、碾压等施工技术要求来控制路面质量。目前，在混合料设计施工方面低掺量RAP混合料（25%掺量）已具有较为成熟的技术，而针对25%以上高RAP掺量的再生沥青混合料在设计和施工等方面的理论依据和技术指导还较为缺乏。随着红外光谱分析技术的快速发展，红外光谱在道路材料中的广泛应用，并且红外光谱在现场材料指纹识别方面取得了较为丰硕的成果。其中美国SHRP2 R06（B）项目中提出的“采用光谱设备对常用建筑材料进行现场指纹识别的评估应用”，主要包括对现场RAP氧化性能的评估；1996年美国密歇根州立大学的 wei 等人利用傅立叶变换红外光谱仪准确检测出了改性沥青中 SBS 的含量；肖瑶在沥青指纹识别快速检测技术在高速公路沥青质量控制中的应用一文中利用沥青指纹识别快速检测技术，可以在施工现场对基质沥青的纯度和 SBS 改性沥青改性剂的含量进行有效控制。但是针对红外光谱应用于再生沥青混合料质量快速评估检测研究相对匮乏，因此有必要进行深入研究。
2 实验方法及原理
沥青老化实验
沥青实验室老化采用两种加速老化方法：RTFO老化和PAV老化。
（1）RTFO老化
对于RTFO老化，沥青样品在163℃保温1~24h，并在1、2、4、8、16、24 h收集样品。
（2）PAV老化
在PAV老化过程中，未老化沥青样品分别在100°C、2.1 MPa压力下保存20、40、60和80 h，分别命名为1-PAV、2-PAV、3-PAV和4-PAV。
沥青混合料老化
将松散的沥青混合料放置在实验室的压力通风烘箱中，在两种不同的温度下老化。将沥青混合料分为两组：一组沥青混合料在135°C下老化24 h，分别于2、4、12和24 h后采集样品；另一组沥青混合料在85°C下老化5 d，分别在1、3、5 d后收集样品。然后采用本文开发的快速抽提工艺提取老化沥青混合料中的沥青。最后，使用傅里叶变换红外光谱对老化后的数据进行采集。
动态剪切流变试验
根据AASHTO T315-12规范，将RAP料中抽提的PAV老化沥青进行DSR试验，测定其复数模量，RAP料按照ASTM D2172和ASTM D5404规范进行抽提并回收。本研究采用正溴丙烷作为抽提溶剂，DSR测试采用25 mm平行板，选用的初始测试温度为 58℃， 6℃为温度梯度确定高温性能分级，控制应变为12%，加载频率为10 rad/s，当测定G*/sinδ值等于1.0 kPa时所对应的测试温度。
红外光谱试验
本文采用Agilent 4300便携式红外光谱仪进行光谱数据采集，它是一种便携式的手持式光谱分析仪，可用于测量实验室以及现场条件下的固体和液体样品。因为单反射金刚石ATR样品接口在固体、液体和黏弹性状态下测量高吸收材料的灵活性以及抗腐蚀的能力较强，所以采用单反射金刚石ATR样品接口进行数据采集。样品通过刮刀放置在ATR传感器覆盖200μm有源传感器区域，每个光谱以4 cm-1的分辨率在600~4000 cm-1的光谱区域收集，采用默认的MicrolabMobile5.3版软件，平均记录24个光谱。在每次扫描之前，还要采集背景光谱以避免任何杂质对传感器区域的干扰，从而阻碍样品光谱的扫描过程。
图1便携式傅里叶变换红外光谱仪
快速抽提工艺
本研究开发了一种快速抽提工艺，该工艺使用二氯甲烷（DCM）作为溶剂。快速抽提工艺能在15 min内以最少的时间和最高的效率在现场实施。首先收集热拌沥青混合料，并在露天放置10~15 min降温；然后取约100 g松散的沥青混合料放入玻璃容器中；然后将约100 mL的DCM倒入瓶中，为了保证DCM与混合料接触不会被蒸发，要保证沥青混合料在空气中冷却；随后，适度摇晃瓶子，密闭静置5 min，然后将溶解的沥青用80 μm的过滤器过滤，将过滤后的液体收集在比表面积较大的金属盘中，由于FT-IR分析需要极少量的沥青混合料残渣，所以不需要对整个液体进行抽滤。其次将收集到的液体的金属盘露天放置10 min，使所有的DCM都蒸发。最后将沥青混合料残渣用金属刮刀收集后置于FT-IR晶体上进行光谱收集。
图2 沥青混合料快速抽提工艺
3 实验结果及分析
红外光谱分析
为了确定由于老化条件的不同，沥青混合料和从沥青混合料中抽提沥青中新官能团的存在，在指纹图谱区域(650~1800 cm-1)进行了光谱分析，通过沥青和从沥青混合料中抽提沥青的红外光谱图官能团区的波峰位置和强度以及指纹区图谱的变化差异，鉴定出易老化的主要功能群。通过测量对C=O和S=O官能团的定量过程定义为羰基指数(ICO)和亚砜基指数(ISO)。为测量峰值，通过连接峰两侧的谷点绘制基线，通过观察发现，无论沥青类型或老化强度如何，峰值出现的位置都保持不变。通过PG64-22(NC)沥青生产的不同老化级别采用四种老化方法制备的。沥青分别进行红外光谱分析得到的6个不同波数(cm-1)下的峰高平均值及变异系数(CV)，除了波数为1695 cm-1外，峰值如预期的那样不受老化条件的影响。其中百分比变异系数提供了数据收集过程的可靠性度量。
原样沥青的老化指数
从图3(a)中可以看出，未老化沥青的ICO扩散量高于老化沥青。未老化沥青在与羰基相对应的吸光度光谱中具有较低的吸收峰，因为羰基在未老化沥青混合料中的浓度非常低，该值受到峰值两侧谷值吸收值变化的影响，但是老化沥青具有明显更高的峰值高度值，受谷值吸收值变化的影响较小。从图3(b)中可以看出，老化沥青的变化要比未老化沥青高的多，ISO的较大变化表明，由于老化产生的亚砜基浓度不一致，不能作为量化老化的可靠指标。而羰基指数对老化沥青的可变性较小，因此可以认为该指数比亚砜基指数更可靠的表征老化指标。
| |
(a)羰基指数 | (b)亚砜基指数 |
图3 未老化沥青图谱 | |
提取工艺对羰基和亚砜基指数的影响
通过快速抽提工艺将提取后的溶液分别通过80μm和25μm过滤器过滤，残留物的光谱表明，在波长1030cm-1处存在显著的大峰，具有不同的吸收值。在老化或未老化的沥青混合料中，亚砜基在1030cm-1处出现峰值，但对于老化程度相近的沥青，峰高应相等，有可能通过过滤器的细小颗粒在残留物中添加了一些二氧化硅，二氧化硅在1000 cm-1的波长处出现峰值。评定沥青老化程度不能只用一个亚砜基指数来定量。在波数1695cm-1处没有干扰，这与羰基也是由于细粉的溶剂有关，因此，该提取方法可以成功地利用羰基指数来量化混合料的老化程度。未老化沥青和从未老化沥青混合料中提取到的沥青的ICO平均值分别为0.0146和0.0140，仅相差4.1 %。快速提取方法的有效性可以通过提供未老化沥青的ICO和从未老化沥青混合中提取的沥青的ICO上得出。
图4 沥青混合料吸收光谱
提取工艺对羰基和亚砜基指数的影响
图5呈现出羰基指数随老化时间增加而增加的总体趋势。与几位研究者的研究结果相反，ICO并不随老化过程持续时间呈线性增加。此外，从PAV老化的三个平均数据点( 20、40、60 h )得出了结论，结果出现差异的原因可能是本研究采用常规PAV盘，PAV老化时间长达80 h。在老化过程初期，增加的速率较高，但随着时间的推移，增加的速率逐渐减小。RTFO可在24 h内产生类似的老化指数( 0.0376 )，PAV可在80 h内达到( 0.0372 )，虽然在最后，这些指数是相等的，但在开始时，RTFO比PAV沥青老化的速度更快。
| |
(a)长期老化 | (b)短期老化 |
| |
(c)135℃烘箱老化 | (d)85℃烘箱老化 |
图5 不同老化方法下羰基指数随老化时间的变化 | |
老化方式对亚砜基指数的影响
通过对四种类型的老化样品的亚砜基指数(ISO)、老化沥青的亚砜基指数进行测定，结果如图6所示。通过观察，ISO持续增加到一定的老化水平，超过某一点，它开始下降，这也证实了前面的一些研究。有一种可能性是，一些亚砜基可能分解成砜类物质，从而在加速老化过程延长后降低亚砜基的强度，RTFO和PAV老化沥青的这种趋势是相似的，所以，仅仅通过观察某种沥青的ISO值，不可能确定其老化状态，因为它的老化趋势不明确。
其次，在混合老化的情况下，ISO没有遵循任何明显的趋势。同时还观察到，提取的沥青中的S=O官能团具有较宽的吸光度谱，与老化产物不成正比，这种在1030 cm-1左右较大的吸光度，是由于与集料中存在的硅氧官能团重叠所致。由于ISO没有提供任何结论性结果，因此该参数不用于确定RAP或沥青的老化程度。
(a)短期老化
(b) 长期老化
图6 实验室老化沥青混合料下的亚砜基指数
RAP料老化分析
通图7(a)显示了从不同的地点收集的十种不同RAPs的羰基指数，它们是根据以升序排列的羰基含量命名的。每个RAP料的平均羰基指数是从每个RAP料的两种不同提取物获得的10个单独的光谱中计算出来的。红外光谱可以量化表征RAP的老化程度，并以此调整热拌沥青混合料(HMA)中RAP的最大含量。所有RAP料的老化程度都高于1-PAV老化水平，十个RAPs中有七个的老化程度高于4-PAV水平，PAV老化预测了沥青在现实生活中经历的实际老化的局限性。结果表明，沥青的在役寿命老化产生的羰基含量远高于实验室混合老化。PAV老化预测了沥青在现实生活中经历的实际老化的局限性。结果表明，沥青的在役寿命老化产生的羰基含量远高于实验室混合老化。图10(b)是PAV老化和传统提取的RAP料对羰基指数的高温等级（以摄氏度为单位的温度G*/sinδ=1kPa）图，高温等级与羰基指数均呈线性关系，R2值在0.80以上。从图中看到与RAP料羰基指数相近的PAV老化沥青比RAP料具有更高的刚度，PAV老化沥青的刚度增加速率远远高于RAP料。在实际应用中，老化过程在不增加刚度的前提下，增加羰基含量，与PAV老化过程中发生的速率相同。加速老化方法可以促进分子团聚的速度快于自然老化过程在较长时间内所产生的速度，这可能是实验室老化沥青刚度较高的原因。
(a)短期老化
(b)长期老化
图7 实验室老化沥青混合料下的亚砜基指数
厂拌沥青混合料的质量控制
图8 羰基指数随老化沥青含量的变化
为了定量分析沥青混合料中RAP的含量，假定沥青混合料中羰基指数随混合料中老化沥青用量的增加而线性增加。为了建立羰基指数线性变化的假设，用10 %、20 %、40 %和80 %的老化沥青制备了四种沥青混合料，其中0 %和100 %分别代表未老化和高老化沥青。为便于本研究采用4-PAV老化沥青代替RAP。图8为羰基指数从0.0163 (未老化沥青)增加到0.0381(老化沥青)，随老化沥青百分比的增加而增加。从图8中可以看出，所有点都位于通过连接最低点和高度值得到的直线周围，R2值为0.98。
(a) RAP-8以16%设计RAP料
(b) RAP-9以15.4%设计RAP料
图9 预测和检验厂拌沥青混合料中RAP料占比
图9(a)为RAP-8的厂拌的测试结果。这种混合料由15%的RAP集料和5.0%的设计沥青含量组成，RAP中沥青的贡献率为0.8%，得到的RAP比例为0.16或16%，未老化沥青和RAP的羰基指数分别为0.0158和0.0521。图12(b)为同一厂拌沥青中采集的三种不同样品的羰基指数，羰基指数略有不同，可用于计算混合料中相应的RAP料百分比。如果未老化沥青的ICO对应于0%，而RAP料的ICO对应于100%RAP料，由RAP-8以16%的设计RAP制成的混合料中RAP的百分比从16%到20%不等。另一种由15.4%设计RAP制成的混合料，其含量在14%到22%之间，有可能在混合料中使用较高量RAP的可能性，或者RAP没有从收集样品的地方正确混合。
5 结论
（1）羰基指数可以成功地定量沥青和沥青混合料老化。对于所有四种实验室老化方法，羰基指数随着老化时间的增长逐渐增加，但ICO的增加速率不是线性的，随着老化的进行，其增长幅度变慢。
（2）亚砜基指数不足以确定沥青的老化程度。沥青混合料亚砜基指数的测定受沥青混合料中存在的细小纤维的影响。
（3）现有的RAPs比实验室老化沥青或沥青混合料有更高的羰基指数。但是在羰基含量相似的情况下，实验室老化的沥青表现出比RAPs更高的刚度，傅里叶变换红外光谱可以用于根据老化程度筛选RAP。
（4）本文开发了一种快速提取工艺，可以从混合料中产生足够的沥青用于FT-IR测试，这个过程非常简单且省时。
（5）在未老化沥青的羰基指数和RAP已经确定的情况下，可以通过新拌沥青混合料的光谱分析来确定厂拌沥青混合料中RAP的含量。
文献信息：Arafat, Shams; Noor, Lamiya; Wasiuddin, Nazimuddin M.; Salomon, Delmar (2020). Development of a Test Method to Measure RAP Percentage in Asphalt Mixes in the Field Using a Handheld FT-IR Spectrometer. Journal of Materials in Civil Engineering,
DOI: 10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0003442
论文链接：https://ascelibrary.org/doi/abs/10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0003442
END
图文来源/韩吉红
编辑/刘婉莹
审核/刘艳
