新沥青/再生剂在旧沥青界面扩散效果的研究

新沥青/再生剂在旧沥青界面扩散效果的研究

徐钦升

山东建筑大学山东济南250101

摘要：新沥青/再生剂与老化沥青之间的扩散、混合程度决定着再生沥青混合料的性能。为探讨新沥青/再生剂与RAP表面裹覆老化沥青膜的相互作用，基于国内外研究现状，对比分析了新-旧沥青的混合模型、扩散理论及扩散渗透效果评价方式，认为现阶段的沥青混合模型及扩散机理尚存在一定的局限性，并不能真实反映新沥青/再生剂与老化沥青之间的扩散混合情况，新沥青/再生剂与老化沥青之间扩散效率及混合程度评价方法的准确性有待商榷。

关键词：新旧沥青再生界面扩散扩散效率

一、再生沥青混合料中新-旧沥青的混合模型

将RAP运用到再生沥青路面，需要考虑老化沥青和新沥青的混合程度问题。再生沥青混合料设计过程中，在明确老化沥青与新沥青混合程度的基础上，才能确定新沥青用量及合适的新沥青胶结料等级，从而保障再生沥青混合料的质量。

美国NCHPP曾对RAP在再生混合料中所处状态提出了3种假设:

(一)黑石头假设，假设旧沥青混合料RAP像黑石头一样存在于再生混合料中，旧沥青完全不和新沥青混合，只有新沥青作为再生混合料的胶结材料;

(二)完全混合状态，假设新-旧沥青是完全融合在一起的，形成稳定均匀的沥青，混合均匀的“融合沥青”作为再生混合料的胶结材料;

(三)实际混合假设，假设旧沥青与新沥青是部分融合，一定比例的旧沥青与新沥青混合形成的“融合沥青”起到胶结作用。

新-旧沥青混合模型可以描述RAP表面裹覆老化沥青与新沥青的混合状态，但并不能反映新-旧沥青的混合程度，现阶段应该研究新-旧沥青及再生剂之间的扩散现象，开发新的试验方法确定新沥青/再生剂与老化沥青的混合程度，采取适当措施以改善新沥青/再生剂与老化沥青的混合程度、分布均匀性，最终达到提高再生沥青混合料性能的目的。

二、新沥青/再生剂在老化沥青中的扩散理论

（一）分子动力学模拟理论

分子动力学模拟理论通过模拟各组分分子间的相互作用，能够得到各组分间的相容性关系及相互作用能大小。当前研究多集中于再生沥青的宏观性能，新沥青/再生剂与老化沥青的微观作用机理研究较少。研究再生过程中体系的分子微观行为变化及再生剂组分对老化沥青的再生机理，从而为提高老化沥青有效再生率提供思路。

沥青老化在微观组分上表现为沥青质的增加及聚沉，沥青的再生过程主要涉及新沥青/再生剂与老化沥青分子间的相互作用。相关研究表明，分子动力学模型能够用于研究沥青微观结构及沥青分子体系的运动状态，是分析新沥青/再生剂在老化沥青中扩散现象及老化沥青再生效率的有效手段。较宏观试验而言，分子动力学在分析新沥青/再生剂与老化沥青混溶、扩散过程等方面具有更高的准确性及更好的实际意义，是进一步研究老化沥青再生及新沥青/再生剂与老化沥青相容扩散过程的方向。

（二）Fick扩散理论

关于新沥青/再生剂在老化沥青中的扩散通常分为两大类:

Fick扩散和非Fick扩散。在Fick扩散中，再生剂作为渗透剂，老化沥青层对再生剂的摄取量与时间的1/2次方成正比，而非Fick扩散在实验上表现为具有恒定的扩散速率，即老化沥青层对再生剂的摄取量与时间成正比。Fick扩散理论是利用Fick定律对扩散进行描述的一种扩散模式，在描述化学位对扩散理论影响方面有广泛应用。Fick扩散定律表达式如下:

1

式中：c为再生剂或新沥青浓度，t为扩散时间，x为扩散位置，D为扩散系数。

新沥青/再生剂作为扩散剂，扩散剂与老化沥青之间存在浓度差，沿老化沥青膜厚度方向随时间延长而逐渐均匀化。由Fick定律的表达式可知扩散剂的浓度、扩散位置、扩散时间对扩散系数均有影响。在Fick定律中，假设试验过程中温度及压强不变，不存在大范围的静电作用。

Karlsson认为Fick定律可以描述新沥青/再生剂在老化沥青中的扩散情况，并且利用下图一所示的简化一维模型描述再生剂在老化沥青中的扩散过程。沥青层中再生剂的初始浓度为0，再生剂层再生剂的浓度为处Co，沥青层与再生剂层的厚度分别为αL、(1－α)L，总厚度为L。新沥青/再生剂向老化沥青扩散的过程较复杂，该模型的特点是可以将该扩散过程简化，有利于试验研究。利用图1简化模型设计的试验可以较好地分析新沥青/再生剂在老化沥青中的扩散行为。

三、新沥青/再生剂在老化沥青中扩散渗透效果的评价

以下将介绍几种新-旧沥青及再生剂扩散渗透效果的评价方式，这些评价方式从微观层面分析了新沥青/再生剂与老化沥青之间的扩散过程，能够较好地模拟实际施工过程中新沥青/再生剂在RAP老化沥青层中的扩散过程，从而评价老化沥青的有效再生状态。

（一）分层抽提技术

分层抽提技术是指利用有机溶剂(如三氯乙烯)将集料表面裹覆的沥青膜分层剥离，再利用凝胶渗透色谱(GPC)检测每一层沥青膜的分子量大小，进而分析新沥青/再生剂与老化沥青之间的扩散、混溶情况，分层抽提法一般与分子示踪技术和凝胶渗透色谱相结合。

分层抽提技术结合凝胶渗透色谱分析可以得到新沥青/再生剂在旧集料表面老化沥青层的迁移深度和分子分布情况。利用分层抽提和凝胶渗透色谱技术从微观层面分析集料表面沥青层分子的分布情况，这与宏观试验得到的宏观性能评价指标不同，因为它不仅可以定量描述新沥青/再生剂与老化沥青的混溶、扩散程度，而且可以根据沥青层分子量的分布情况评价老化沥青再生效果，有助于研究再生沥青混合料实际施工中老化沥青的有效再生效率。

（二）红外光谱测量方法

傅里叶变换衰减全反射红外光谱法(FTIR-ATR)是研究新沥青/再生剂与老化沥青扩散、混溶过程比较新颖的方法，这种方法可以持续观察一种物质或者标示物进入另外一种物质的过程，从而研究其扩散情况，并分析沥青中特定官能团(羰基、亚砜)和氧分子的扩散、迁移情况，故FTIR-ATR适用于评价新沥青/再生剂对老化沥青的扩散渗透效果。

四、结语

新沥青/再生剂与RAP中老化沥青的混合程度将对再生沥青混合料的路用性能造成显著影响。现阶段新-旧沥青混合模型在一定程度上描述了新沥青与老化沥青的混合程度，但不能较好地模拟实际新沥青/再生剂在RAP老化沥青膜的扩散情况，无法定量分析其混合程度，因此不能合理确定再生沥青混合料中新沥青用量及新沥青胶结料等级。

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