李煜彬， 王端宜， 郭秀林

(華南理工大學 土木與交通學院， 廣東 廣州 510641)

隨著可持續(xù)發(fā)展和綠色道路理念的提出，瀝青路面再生技術(shù)得到了快速發(fā)展。人們不僅關(guān)注回收瀝青混合料(Reclaimed Asphalt Pavement, RAP)利用的數(shù)量，更加關(guān)注再生瀝青混合料的質(zhì)量和性能，而決定再生瀝青混合料質(zhì)量和性能的主要因素就是新舊瀝青的融合效果[1-3]。已有研究表明[4-5]：RAP在再生過程中可以分為3種假設狀態(tài)：① 黑石狀態(tài)。再生過程中舊瀝青沒有與新瀝青產(chǎn)生融合，RAP可視為黑色的石料，通過新?lián)脚涞臑r青進行膠結(jié)；② 完全融合狀態(tài)。舊瀝青與新瀝青100%融合，共同作為新舊石料的膠結(jié)材料；③ 中間狀態(tài)。一定比例的舊瀝青和新瀝青融合，形成混合料的膠結(jié)材料。

為了研究再生瀝青中新舊瀝青的融合效果，Huang等[6]使用分層剝離法，將再生瀝青混合料中的RAP分離出來，依次浸泡在4個裝有三氯乙烯的燒杯中，萃取包裹在RAP集料表面不同層次的再生瀝青，分別測試再生瀝青樣品的復數(shù)模量來評價新舊瀝青的融合效果；Lee等[7]采用凝膠滲透色譜法(GPC)進行分析，根據(jù)大分子(LMS)在再生瀝青中的比例來評估新舊瀝青的融合情況；Bowers等[8]使用傅里葉光譜(FTIR)技術(shù)，通過評價樣品的羥基百分率來評價再生瀝青樣品中新舊瀝青的融合狀態(tài)；石鵬程等[9]通過原子力顯微鏡對不同摻量新舊瀝青融合情況的變化規(guī)律進行評價。然而，上述評價方法過于復雜，設備昂貴，難以應用于實際工程。

熒光顯微分析作為快速簡便的檢測方法，常被用于觀測改性瀝青的微觀結(jié)構(gòu)，如SBS的分布，環(huán)氧樹脂在瀝青中的融合情況等[10]。研究發(fā)現(xiàn)，新舊瀝青在相同的入射光下，會激發(fā)出不同的熒光強度。利用這一特性，熒光顯微分析被逐漸引入到新舊瀝青融合效果的研究中[11-13]?；谏鲜霰尘埃撐臄M通過熒光顯微分析，對分層剝離后的各層再生瀝青進行熒光強度檢測，提出技術(shù)指標，更方便地評價再生瀝青中新舊瀝青的融合效果。

1 原材料與試驗設計

1.1 原材料

試驗中，RAP為廣州市花都區(qū)省道S118上面層銑刨料，新瀝青采用某品牌改性瀝青(SBS I-D)。RAP經(jīng)抽提試驗后的舊瀝青和新瀝青的各項技術(shù)指標如表1所示。RAP烘干后進行燃燒篩分試驗，集料級配見表2。新集料采用石灰?guī)r，級配見表3。采用兩種不同的溫拌劑，溫拌劑1摻量為瀝青質(zhì)量的3%，溫拌劑2摻量為瀝青質(zhì)量的5%。兩種溫拌劑的技術(shù)指標如表4所示。為了研究不同溫拌劑對再生效果的影響，溫拌再生以及熱拌再生過程中不采用再生劑。

表1 新舊瀝青技術(shù)指標

表2 RAP級配

表3 新集料級配

表4 溫拌劑技術(shù)指標

1.2 試驗原理及使用儀器

Florian Handle等[14]研究發(fā)現(xiàn)，瀝青在受到特定的激發(fā)光照射后，會產(chǎn)生能量躍進，進入激發(fā)狀態(tài)，從而產(chǎn)生一種比照射光波長長的肉眼可看到的光，這種現(xiàn)象稱為熒光效應。瀝青的熒光效應主要來源于瀝青分子中的共軛大π鍵和碳氧雙鍵中的電子躍遷。對于按二組分分類的瀝青而言，主要由輕質(zhì)油分產(chǎn)生熒光效應；對于按四組分分類的瀝青而言，瀝青的熒光效應主要來源于飽和分和芳香分。瀝青在老化過程中，輕質(zhì)油分減少，膠質(zhì)和瀝青質(zhì)的含量增高，使得舊瀝青的熒光強度減弱，如圖1所示。

圖1 新瀝青和舊瀝青熒光強度對比

研究中，采用OLYMPIUS(奧林巴斯)IX73倒置熒光顯微鏡(圖2)作為試驗儀器，對瀝青樣本進行熒光效應強度檢測，儀器搭載有大型傳感器的SCMOS數(shù)碼相機，能夠清晰地將瀝青的熒光效應轉(zhuǎn)化成圖像。

圖2 OLYMPUS IX73倒置熒光顯微鏡

1.3 試驗方案設計

此次試驗通過分層剝離法，分別制作各層次的溫拌和熱拌再生瀝青樣品，并基于再生瀝青的熒光強度，分析各層再生瀝青的融合情況，以及再生瀝青混合料中新舊瀝青的融合程度，試驗過程如下：

(1) 分層剝離制樣。將RAP分別進行溫拌和熱拌再生，然后使用分層剝離法，對再生后的RAP分3層進行剝離，并萃取再生瀝青，制作再生瀝青樣品。再生瀝青混合料試驗方案見表5。

表5 瀝青混合料再生試驗方案

(2) 標定樣品制作。為了標定在不同新舊瀝青摻量下再生瀝青樣本的熒光強度，提取RAP中的舊瀝青，以20%為梯度增量，與新瀝青按0～100%的不同比例進行拌和，獲得標定樣品。

(3) 獲取樣品的灰度均值。利用熒光顯微鏡，獲取再生瀝青樣品和標定樣品的熒光顯微圖像，經(jīng)Matlab軟件處理得出灰度均值，并采用瀝青樣品的灰度均值作為技術(shù)指標，表征瀝青樣品的熒光強度。然后通過線性回歸，建立再生瀝青標定樣品灰度均值與舊瀝青含量的關(guān)系方程。

(4) 再生瀝青樣品融合程度評價。根據(jù)再生瀝青樣品的灰度均值，通過回歸方程進行計算，得出各樣品中舊瀝青的含量，進而評價在RAP上各層再生瀝青的融合情況，以及對再生瀝青混合料中新舊瀝青的融合程度進行綜合評價。試驗流程如圖3所示。

圖3 試驗流程圖

2 再生瀝青混合料與分層剝離

為了方便區(qū)分再生后的RAP，進行試驗前先將RAP進行篩分，取小于9.5 mm的RAP，與大于9.5 mm的新集料和新瀝青進行拌和，得到再生瀝青混合料。再生試驗方案中RAP含量為40%，新瀝青用量為3.5%。

完成再生瀝青混合料拌制后，將混合料中粒徑小于9.5 mm的再生瀝青混合料分揀出來，取45 g。為減少礦粉對試驗的影響，浸泡時用粒徑為400目的濾布對混合料進行包裹。準備3個燒杯，分別標記序號，對應每個樣本內(nèi)的外中內(nèi)3層瀝青。每個燒杯內(nèi)注入約75 mL四氫呋喃，用于溶解包裹RAP表面的瀝青。在進行分層剝離時，將用濾布包裹著的再生混合料分別依次在3個燒杯內(nèi)進行浸泡，前兩個燒杯內(nèi)浸泡時間保持相同，最后一個燒杯內(nèi)浸泡時間適當延長，直至濾布內(nèi)包裹在RAP表面的瀝青被完全溶解于四氫呋喃中。完成再生瀝青的萃取后，將燒杯放置于通風櫥內(nèi)風干，待液體蒸發(fā)至肉眼不可見后，放置于60 ℃烘箱中加熱約15 min，將燒杯內(nèi)四氫呋喃完全蒸發(fā)。

在進行再生瀝青樣本分層剝離前，應先進行標定試驗，確定再生混合料在燒杯內(nèi)的浸泡時間，使得完成分層剝離后，每組樣品中各層瀝青的質(zhì)量大致相同。取熱再生后的RAP 4份,各45 g，分別進行分層剝離試驗。前兩個燒杯浸泡時間分別為30 s、1 min、2 min、3 min，在最后一個燒杯內(nèi)同樣地浸泡至裹附在石料表面的瀝青完全溶解為止。萃取得出各燒杯內(nèi)瀝青質(zhì)量后進行比較，確定浸泡時間。試驗結(jié)果如圖4所示，確定浸泡時間為2 min。

圖4 不同浸泡時間下各層瀝青質(zhì)量

獲得再生瀝青樣品后，將燒杯放入165 ℃烘箱內(nèi)加熱至流動狀態(tài)，用刮勺輕輕刮拭燒杯上的瀝青，并滴在載玻片上，輕輕覆蓋上蓋玻片。隨后將玻片放入165 ℃烘箱內(nèi)加熱2 min左右，獲得厚度約為1 mm的再生瀝青樣品，同一瀝青樣品制作3個平行試樣。

3 熒光顯微分析

3.1 參數(shù)設置與試驗方法

對樣品進行熒光顯微分析時，為了將新舊瀝青明顯地區(qū)分開來，將熒光顯微鏡的發(fā)射光波長設為450～490 mm，光強設置為12 cd，曝光時間設為1 s[13]，放大倍數(shù)為200倍。使用Matlab軟件將各樣品熒光顯微圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖，并用圖像中的灰度均值定量表示再生瀝青樣品的熒光強度。同一再生瀝青樣品設置3組平行試驗，同一試驗中取瀝青樣品5個不同位置進行熒光顯微分析，并計算灰度均值。

為了驗證再生瀝青加入溫拌劑后，瀝青的熒光強度不受影響，對新瀝青與加入溫拌劑1和溫拌劑2的溫拌瀝青熒光顯微圖像的灰度均值進行比較，結(jié)果如下：加入溫拌劑1和溫拌劑2的溫拌瀝青的灰度均值為76.17、76.88，新瀝青的灰度均值為76.46，可見溫拌劑的加入不影響瀝青的灰度均值。

其次，為了證明使用400目濾布和四氫呋喃溶液進行分層剝離試驗后，萃取所得瀝青樣品的熒光強度與原瀝青一致，即試驗過程不對瀝青樣品的熒光強度產(chǎn)生影響，取40 g未進行再生試驗的RAP浸泡在四氫呋喃溶液中15 min，進行剝離試驗，完成并制樣后與抽提所得舊瀝青同時進行熒光顯微分析，對比所得樣品的灰度均值。試驗結(jié)果見表6。

比較表6發(fā)現(xiàn)：剝離試驗所得瀝青樣品的灰度均值較舊瀝青樣品的灰度均值小，但是相差不大，差值為0.17，可以認為所得瀝青樣品的熒光強度與原瀝青基本一致，試驗過程對瀝青樣品的熒光強度影響不大。

表6 舊瀝青與RAP分層剝離后瀝青灰度均值對比

3.2 回歸方程建立

通過獲取標定樣品的灰度均值，對瀝青的熒光強度進行標定，建立回歸方程。以20%為梯度增量，將RAP中剝離出來的舊瀝青按含量為0%、20%、40%、60%、80%、100%與新瀝青在165 ℃下進行拌和，并用玻璃棒攪拌約10 min。將融合后的瀝青樣品放進165 ℃烘箱保溫15 min，使新舊瀝青均勻地融合，并制作標定樣本。標定瀝青樣品融合前后熒光顯微圖像見圖5、6。

圖5 標定樣品新舊瀝青融合前熒光顯微圖像

圖6 保溫10 min后標定瀝青樣品熒光顯微圖像

通過熒光顯微鏡，獲取瀝青標定樣品的熒光顯微圖像，經(jīng)Matlab軟件處理后計算出標定樣品的灰度均值,如表7所示。

表7 標定樣品灰度均值

將標定樣品的灰度均值與舊瀝青含量進行對比，并作線性擬合，建立回歸方程。

回歸方程的表達式為：

y=-0.703 5x+76.259

(1)

回歸方程的相關(guān)度R2為0.98，有良好的線性關(guān)系。可以看出：新瀝青與舊瀝青之間的熒光強度存在明顯差異，新瀝青的灰度均值更高，即新瀝青的熒光強度更強。隨著樣本中舊瀝青含量的提高，再生瀝青的灰度均值逐漸減少，呈負相關(guān)關(guān)系。

3.3 再生瀝青樣品分層評價

將各層再生瀝青樣品進行熒光顯微分析，通過Matlab軟件獲取灰度均值，并對照回歸方程，得出再生瀝青樣品中舊瀝青的含量，試驗結(jié)果見表8。

表8 不同再生瀝青樣品中舊瀝青含量

對于3種再生瀝青混合料，在瀝青膜厚度方向上，再生瀝青樣品中的舊瀝青含量均呈現(xiàn)從內(nèi)層至外層逐漸減少的趨勢；對于中間層再生瀝青樣品，舊瀝青含量均為40%～50%，且內(nèi)層再生瀝青中舊瀝青含量均小于100%，說明在再生過程中，新瀝青確實能從外層擴散進入到舊瀝青的內(nèi)層，與舊瀝青進行整體融合，但是各層瀝青融合程度不同。顯然，當新瀝青擴散至內(nèi)層越多，內(nèi)層中再生瀝青的舊瀝青含量越少，再生瀝青的融合程度越高。

熱拌再生混合料中，內(nèi)層再生瀝青的舊瀝青含量為56.18%，相比而言，溫拌再生混合料中內(nèi)層再生瀝青的舊瀝青含量較高，分別為59.01%和72.93%。說明當RAP含量為40%時，熱拌再生混合料中能有效擴散進入舊瀝青內(nèi)層的新瀝青更多，新舊瀝青的融合效果更好。對于兩種溫拌劑而言，在使用溫拌劑2的溫拌再生瀝青混合料中，新瀝青大多停留在舊瀝青的外層，外層再生瀝青中的舊瀝青含量為11.21%，新瀝青含量較高，有效擴散進入內(nèi)層與舊瀝青調(diào)和的新瀝青較少。相對而言，使用溫拌劑1的各層再生瀝青樣品中，中間層和內(nèi)層舊瀝青含量均低于使用溫拌劑2的再生瀝青樣品，接近熱拌再生瀝青樣品，但中間層再生瀝青的舊瀝青含量較熱拌再生瀝青少。說明相對于熱拌再生瀝青混合料，使用溫拌劑1進行溫拌再生時，新瀝青擴散至中間層較多，相對而言進入內(nèi)層與舊瀝青進行調(diào)和的新瀝青較少。

3.4 新舊瀝青融合效果綜合評價

再生的過程中，新瀝青在一定的溫度下，通過攪拌的機械作用與RAP和新集料進行拌和。在瀝青膜厚度方向上，新瀝青向裹附在RAP上的舊瀝青從外至內(nèi)進行擴散，新舊瀝青進行調(diào)和[15-16]。當新舊瀝青融合程度越高，新瀝青擴散進入舊瀝青的比例越高，則再生瀝青混合料中內(nèi)層再生瀝青的舊瀝青含量越低，裹附在RAP內(nèi)層的再生瀝青樣品的灰度均值就越高，直至新舊瀝青達到完全融合。因此，可以利用內(nèi)層再生瀝青樣品中新瀝青的含量與新舊瀝青完全融合時新瀝青含量的比值，定量評價再生瀝青混合料中新舊瀝青的融合效果。

當新舊瀝青完全融合時，再生瀝青混合料中各層瀝青的新瀝青含量應完全相同。假設混合料中新瀝青含量為Cv，舊瀝青含量為CR,則完全融合時，再生瀝青混合料中內(nèi)層瀝青的新瀝青含量C應為:

(2)

當新舊瀝青部分融合時，假設通過熒光顯微分析得第3層瀝青中舊瀝青含量為C3，則各再生瀝青混合料中新舊瀝青融合程度BE如式(3)所示：

(3)

結(jié)合式(1)、(2)、(3)，計算出各再生瀝青樣品中新舊瀝青的融合程度。

計算結(jié)果為在RAP含量為40%的條件下，熱拌再生瀝青混合料的新舊瀝青融合程度為67.81%，而使用溫拌劑1和溫拌劑2的溫拌再生瀝青混合料的融合程度分別為63.43%和41.9%,均低于熱拌再生瀝青混合料。但是對于溫拌再生瀝青混合料，使用溫拌劑1作為溫拌劑進行溫拌再生時，新舊瀝青的融合程度更高，更接近熱拌再生瀝青混合料。

4 結(jié)論

研究通過分層剝離法，分別制作各層次的溫拌和熱拌再生瀝青樣品，并基于再生瀝青的熒光強度，分層評價各再生瀝青樣品的融合情況，并綜合評價再生瀝青混合料中新舊瀝青的融合程度，得到如下結(jié)論：

(1) 通過熒光顯微分析，對再生瀝青中新舊瀝青的融合效果進行評價，改進了對RAP進行分層剝離后所得再生瀝青樣品的評價方法。對再生瀝青樣品進行熒光顯微分析，能夠快速便捷地分析各層再生瀝青樣品融合情況，從而定量評價再生瀝青混合料中新舊瀝青的融合程度。

(2) 以灰度均值作為技術(shù)指標，能夠定量評價再生瀝青樣品中新舊瀝青的融合情況。對于再生瀝青而言，隨著再生瀝青中舊瀝青含量的增加，再生瀝青的熒光強度減弱，灰度均值線性遞減。使用灰度均值作為評價指標，能夠計算出各再生瀝青中舊瀝青的含量，從而能夠定量評價樣品中新舊瀝青的融合情況，對實際工程中選擇適合的再生工藝和溫拌劑，具有一定的指導和參考價值。

(3) 在不同的再生瀝青混合料中，包裹在RAP外的各層再生瀝青均呈現(xiàn)舊瀝青含量從外層到內(nèi)層遞增的趨勢。中層再生瀝青中舊瀝青含量約為50%左右，且內(nèi)層舊瀝青含量均小于100%，說明再生過程中新瀝青向舊瀝青逐漸滲透，與舊瀝青進行整體融合，但各層再生瀝青的融合程度不同。

(4) 熱拌再生瀝青混合料中新舊瀝青的融合程度高于溫拌再生瀝青混合料；對于使用不同溫拌劑的溫拌再生瀝青混合料，使用溫拌劑1比使用溫拌劑2的融合程度更高。