摘要

为掌握再生沥青中新旧沥青扩散特性，以提高再生沥青混合料性能和旧沥青的再生程度，采用老化沥青和新沥青制备双层沥青试样，保温使新旧沥青扩散，在此基础上，建立基于针入度和动态剪切流变(DSR)试验的新旧沥青扩散程度评价方法和指标，进而研究高温和中温条件下扫描保温时间、保温温度、老化沥青类型及老化程度对新旧沥青扩散程度影响，设计正交试验，并使用极差分析和方差分析方法研究各因素影响程度。结果表明：高温条件下新旧沥青扩散程度随保温时间的增加先增加后不变，随老化程度的增加基质沥青扩散程度逐渐增加，SBS改性沥青则基本不变，且老化程度较低时SBS改性沥青扩散程度优于基质沥青，但老化程度严重时正好相反；老化时间、保温温度和保温时间对新旧沥青扩散程度的影响程度依次降低，其中老化时间和保温温度对其有显著影响，而保温时间无显著影响；中温扫描时，新旧沥青扩散程度随扫描时间的增加而增加，随老化程度增加而减小，且基质沥青扩散程度优于SBS改性沥青；高温和中温条件下新旧沥青扩散程度均随温度的增加而增加，且基质沥青的zui佳增长温度范围高于SBS改性沥青。故如需提高再生沥青混合料中新旧沥青扩散程度时应主要关注沥青老化程度及适宜的新旧沥青温度。

关键词：道路工程 | 再生沥青 | 扩散特性 | DSR

20世纪90年代以来，中国高速公路通车里程不断增长。在公路建设取得飞速发展的同时，不断增长的交通量和日趋严重的超载现象造成路面发生明显车辙、裂缝及表面松散等病害现象。目前，中国早期修建的高速公路已逐渐进入大、中修期，其过程会产生大量旧沥青路面材料(RAP)，若将其废弃一方面会造成严重的环境污染，另一方面也会造成资源浪费。近年来中国公路发展理念逐渐向低碳、环保与可持续转变，因此沥青路面再生技术逐渐引起关注[1-2]。沥青再生过程中，在一定温度和搅拌条件下，新沥青和再生剂与RAP表面旧沥青混合，然后由外到内扩散与其混溶，使其性能得到恢复[3-7]。但研究发现，这一过程作用深度有限，裹附于RAP内部的旧沥青未参与再生[8-12]，因此新旧沥青扩散特性对老化沥青再生效果有重要影响。

目前，关于扩散特性研究的方法主要有：一是物理化学分析方法，如分子动力学模拟法、凝胶色谱分析、染色法、沥青胶体结构的电导率评价法等，其从微观角度分析扩散特性，试验方法难度较大，且仪器昂贵；二是基于扩散模型和传质模型，根据老化沥青的针入度、黏度和质量变化等来评价其扩散程度[13-14]。上述方法一般关注再生剂在旧沥青中的扩散研究，如Oliver使用氚元素对再生剂进行标记，然后将其喷于沥青圆柱体上，并隔一定时间对沥青试样进行切片分析其放射性，以确定再生剂扩散深度，研究发现扩散与温度具有Arrhenius关系，且分子形状对扩散过程的影响程度比分子量更大[15]。李立寒等研究了再生剂和旧沥青扩散程度的影响因素，发现再生剂黏度较高或旧沥青老化程度严重时不利于再生剂扩散，而环境温度和扩散时间增加时扩散程度明显提高[16]。沈凡等研究了再生剂扩散深度与其作用效果关系，发现两者成反比[17]。耿九光基于动态剪切流变(DSR)试验对再生剂在不同类型沥青中的扩散规律进行了研究，发现基质沥青中的扩散系数大于改性沥青，原因是前者的黏度较低[18]。许勐对再生剂与旧沥青的扩散机理进行了分析，发现扩散的驱动力来源于范德华力和电场力，其随着两者势能的稳定而结束[19]。Karlsson等采用傅里叶变换红外光谱衰减全反射技术(FTIRATR)研究了再生剂在沥青中的扩散特性，发现其扩散过程可用Fick模型描述，即旧沥青对再生剂的摄取量与时间的1/2次方成正比[20]。徐萌研究了扩散剂分子极性和尺寸对其在沥青中扩散程度的影响，发现极性较大、尺寸较小的分子容易发生扩散[21]。

现有研究涵盖了再生剂在沥青中的扩散特性分析方法、扩散机理、扩散模型、材料性质和环境因素对扩散程度的影响，但对新旧沥青的扩散行为鲜有报道。实际应用中沥青再生是新旧沥青相互作用，且新沥青与再生剂性能存在较大差别，因而研究新旧沥青的扩散特性十分重要。为此，本文首先建立基于针入度和DSR试验的新旧沥青扩散程度评价方法，然后研究高温和中温条件下扫描保温时间、保温温度、老化沥青类型及老化程度对新旧沥青扩散程度影响，并分析其影响程度排序，对进一步掌握旧沥青再生程度，以及提高再生沥青混合料性能有重要意义。

原材料与试验方法

沥青

旧沥青采用壳牌70＃基质沥青和昆仑金鹿牌SBSＩ-C改性沥青经旋转薄膜烘箱老化(RTFOT)后获得，新沥青采用壳牌90＃基质沥青。《公路沥青路面再生技术规范》(JTG F41-2008)中规定进行热再生的旧沥青针入度(25℃，100g，5s)应大于20(0.1mm)，故本文对70＃基质沥青和SBS改性沥青进行了不同RTFOT时间下的针入度试验，zui终确定老化时间zui大值为360min。

新旧沥青扩散程度评价方法

针入度试验

新旧沥青接触时会发生相互扩散。根据此原理，本文首先将50g旧沥青加热至130℃浇入针入度试模，冷却后用同样方法在其表面继续浇入17g新沥青，放入烘箱中保温以加速新旧沥青扩散，规定时间后取出试模冷却，测试25℃针入度。同时以保温时间为0h的针入度作为未发生扩散的基准值，然后根据式(1)计算针入度试验下新旧沥青扩散程度ΔP

未发生扩散时试模上层主要为低黏度的新沥青，针入度值较高，随着扩散的发生，新旧沥青互相融合，针入度值逐渐降低，因此，其值越大表明扩散程度越明显。

DSR试验

为更jing确评价新旧沥青扩散过程，将新、旧沥青分别浇筑成直径25mm、高0.5mm的试件，见图1(a)，进而叠合形双层沥青试样，见图1(b)，并利用DSR进行测试，见图1(c)。

采用美国TA公司产AR-1500型DSR试验仪对双层沥青试样进行时间扫描(10000s)试验，测试复数模量G＊随时间的变化。将新旧沥青加热充分搅拌后浇筑试件测试复数模量G＊作为新旧沥青完全扩散的基准值，然后根据式(2)计算DSR试验下新旧沥青扩散程度s，即

针入度分析

保温时间对扩散程度ΔＰ影响

为分析保温时间对不同类型老化沥青扩散程度影响，分别对70＃基质沥青和SBS改性沥青进行RTFOT老化180、270、360min。按上文提出方法制备新旧沥青双层试模，放入130℃烘箱中分别储存0、2、4、8、12h后进行针入度测试，然后根据式(1)计算其扩散程度ΔP，结果如图2所示。

由图2可得如下结论：

(1)新旧沥青扩散程度随保温时间增加呈先增加后基本不变趋势，且前2h增加效果明显。保温时间由0h增加至2h时，2种类型沥青扩散曲线斜率明显较大，超过8h后斜率则基本趋近于0，这是由于扩散开始时新旧沥青界面物质浓度差大，此时新沥青中饱和分和芳香分等小分子组分迅速向旧沥青扩散，两者浓度差逐渐变小，扩散速率减慢。

(2)旧基质沥青老化程度严重时，其与新沥青扩散程度明显提高，老化时间超过270min时效果更为明显，且基本不受保温时间影响，而SBS改性沥青老化时间对其扩散程度影响较小。对于基质沥青，其老化时间增加时扩散曲线近似以平行方式向上移动，其中时间由180min增加至270min时，4个保温时间下的扩散程度平均值增加14.7％，而由270min增加至360min时则增加24.8％；对于SBS改性沥青老化时间由180min增加至360min时，其4个保温时间下的扩散程度平均值仅增加5.8％。这是由于基质沥青中组分稳定性较差，受热时轻质组分容易转化为重质组分，因而随着老化时间延长，其老化程度越严重，此时其与新沥青界面的浓度差也增da，故扩散程度增加；SBS改性沥青由于抗老化性能相对较好，老化时间超过180min后其老化程度仍增加较慢，对扩散程度影响较小。

(3)老化时间较短时，旧SBS改性沥青与新沥青的扩散程度优于基质沥青，但老化时间较长时正好相反。RTFOT老化时间为180、270、360min时，SBS改性沥青4个保温时间下的扩散程度平均值较基质沥青分别高出29.6％和15.6％，但老化时间增加到360min时，其平均值反而比基质沥青降低4.5％。

保温温度对扩散程度ΔＰ影响

为分析保温温度对不同类型老化沥青扩散程度影响，分别对70＃基质沥青和SBS改性沥青进行RTFOT老化180、270、360min，制备新旧沥青双层试模分别放入60℃、100℃、130℃、160℃烘箱中储存8h后进行针入度测试，根据式(1)计算其针入度试验下扩散程度，结果如图3所示。

由图3可得如下结论：

(1)增加保温温度能有效提高新旧沥青扩散程度。保温温度为60℃时，2种类型沥青扩散程度均较低，3个老化时间下的平均值分别为2.6和0.4(0.1mm)，而保温温度提高到160℃时，两者平均值分别提高12.3倍和65.5倍。分析其原因：一方面新旧沥青之间的扩散属于布朗运动，而布朗运动本质属于分子间的热运动，故温度升高时分子间运动程度加剧，进而使得扩散程度加强；另一方面，沥青是一种黏弹性材料，温度较低时黏度较大，其对新沥青扩散造成较大阻力，而当温度升高后，沥青向流体转变，黏度迅速减小，此时沥青分子间的作用力也逐渐变小，有利于新沥青的扩散。

(2)2种类型老化沥青扩散程度对温度敏感性存在差异，温度超过130℃时基质沥青扩散曲线斜率较大，而SBS改性沥青斜率zui大的温度范围则是100℃~130℃。

(3)旧沥青老化程度严重时，增加保温温度对提高其与新沥青扩散程度更为有效。老化时间由180min增加至360min时，2种类型沥青扩散曲线的斜率均呈逐渐增da趋势。

各因素对扩散程度ΔＰ影响程度的分析

保温温度、保温时间及老化时间对新旧沥青扩散程度均有影响，为分析三者影响程度，本文选择3因素4水平，如表1所示，设计L16(43)正交试验，进而测定其针入度，结果如表2所示。

极差分析

为分析保温温度、保温时间及老化时间对新旧沥青扩散程度的影响程度，对表1中试验结果进行极差分析，结果如表3所示。

由表3可知，老化时间、保温温度和保温时间对新旧沥青扩散程度的影响依次降低，但老化时间和保温温度的影响程度明显高于保温时间，其中老化时间和保温温度的极差值分别为保温时间的5.3倍和4.6倍；结合前述研究成果可知，需提高再生沥青混合料中新旧沥青扩散程度以改善其路用性能时，应主要控制旧沥青老化程度较小及适当提高新旧沥青保温温度。

方差分析

为分析保温温度、保温时间及老化时间对新旧沥青扩散程度影响显著性，使用SPSS软件对表2中试验结果进行方差分析，发现保温温度和老化时间对新旧沥青扩散程度有显著影响，而保温时间无显著影响。因此，对比前述保温时间对扩散程度影响试验结果可知，新旧沥青的扩散过程所耗时间小于本文试验用zui小保温时间2h，室内试验和现场生产过程中保温时间不宜超过此值。同时，对于新旧沥青扩散过程所需zui佳保温时间，后文中进行了深入研究。

DSR分析

扫描温度对扩散程度s影响

分别对70＃基质沥青和SBS改性沥青进行RTFOT老化360min，按上文提出方法制备双层沥青试样，分别进行60℃、70℃、80℃的DSR时间扫描试验，然后根据式(2)计算其DSR试验下的扩散程度s，结果如图4所示。

由图4可得如下结论：

(1)新旧沥青扩散程度s随扫描温度的增加而增加，且2种沥青增加幅度zui大的温度范围分别为70℃~80℃和60℃~70℃。扫描温度由60℃增加至70℃时，整个扫描周期内基质沥青和SBS改性沥青的扩散程度平均值分别增加1.3％和12.3％，而温度由70℃增加至80℃时，两者分别增加6.6％和6.0％。

(2)新旧沥青扩散程度随扫描时间的增加而增加，基质沥青表现较为明显。扫描时间增加时，基质沥青扩散程度逐渐提高，时间超过1000s后效果更明显，SBS改性沥青则提高较小。

(3)老化基质沥青与新沥青的扩散程度优于老化SBS改性沥青，尤其当试验温度较低时表现更明显。试验温度为60℃、70℃、80℃时基质沥青DSR试验下的扩散程度s平均值较SBS改性沥青分别提高15.4％、4.4％、5.0％，这可能是由于同一RTFOT老化时间条件下基质沥青老化更为严重，其与新沥青接触界面浓度差更大的缘故。

老化时间对扩散程度s影响

分别对70＃基质沥青和SBS改性沥青进行RTFOT老化180、270、360min，按上文提出方法制备双层试样进行60℃的DSR时间扫描试验，然后根据式(2)计算其扩散程度s，结果如图5所示。

由图5可得如下结论：

(1)新旧沥青在中温条件下进行扩散时，老化时间增加时其与新沥青DSR试验下的扩散程度s呈降低趋势，但对于基质沥青老化时间超过270min后扩散程度变化较小。老化时间由180min增加至270min时，2种沥青整个扫描周期内扩散程度平均值分别降低7.6％和6.6％，而由270min增加至360min时，2者分别降低0.7％和6.9％。这与针入度试验结果正好相反，原因可能为两者保温温度存在较大差异所致。

(2)各老化时间下基质沥青与新沥青的扩散程度s高于SBS改性沥青，且老化时间延长时2者差值有增da趋势。老化时间为180、270min时，整个扫描周期内基质沥青扩散程度平均值分别较SBS改性沥青高10.2％和9.2％，而老化时间增加到360min时则提高15.4％。分析原因为基质沥青抗老化能力较差，老化时间超过270min时，其老化程度变化已较小，故与新沥青扩散程度变化较小。

结语

(1)制备由新沥青和老化沥青组成的双层沥青试样模拟扩散过程，分别提出了基于针入度和DSR试验的新旧沥青扩散程度评价方法和指标。

(2)高温下新旧沥青扩散程度随保温时间的增加先增加后不变，随老化程度的增加基质沥青扩散程度逐渐增加，SBS改性沥青则基本不变，且老化程度较低时SBS改性沥青扩散程度优于基质沥青，但老化程度严重时，正好相反；中温下新旧沥青扩散程度随扫描时间的增加而增加，随老化程度增加而减小，且基质沥青扩散程度优于SBS改性沥青。高温和中温下新旧沥青扩散程度均随温度的增加而增加，且基质沥青的扩散程度zui佳增长温度范围分别为130℃~160℃和70℃~80℃，SBS改性沥青则分别为100℃~130℃和60℃~70℃。

(3)老化时间、保温温度和保温时间对新旧沥青扩散程度的影响程度依次降低，其中老化时间和保温温度对其有显著影响，而保温时间无显著影响。故需提高再生沥青混合料中新旧沥青扩散程度以改善其路用性能时，应主要控制旧沥青老化程度较小，并适当提高新旧沥青保温温度。

(4)本文试验结果建立于纯沥青的扩散基础上，后期还应结合新旧沥青在混合料中扩散特性进行分析。

全文完 发布于《长安大学学报(自然科学版)》2018年9月

作者简介：刘朝晖(1968-)，男，湖南邵阳人，教授，博士研究生导师

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