葉 奮，韋 特，王舒穎

（1.同濟大學(xué)道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804；2.新疆大學(xué)建筑工程學(xué)院，烏魯木齊 830047）

瀝青路面銑刨料表面瀝青分層老化規(guī)律研究

葉 奮1，2，韋 特1，王舒穎1

（1.同濟大學(xué)道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804；2.新疆大學(xué)建筑工程學(xué)院，烏魯木齊 830047）

為了研究瀝青路面銑刨料表面裹附的瀝青在厚度方向分層老化的規(guī)律，將銑刨料中的瀝青逐層抽提分離后進行紅外光譜分析和凝膠滲透色譜分析。試驗結(jié)果表明，銑刨料表面的瀝青由外而內(nèi)吸氧老化逐漸減弱，芳香分含量逐漸增多，同時大分子含量逐漸減小。另外，試驗發(fā)現(xiàn)各層瀝青中C=C雙鍵的伸縮振動波數(shù)發(fā)生變化，由此推測C=O含量變化影響了C=C雙鍵與C=O雙鍵之間的共軛效應(yīng)。

銑刨料；分層老化；FT-IR；GPC

近年來早期建設(shè)的高速公路進入了大規(guī)模翻修重建的階段，翻修過程中產(chǎn)生了大量的瀝青路面銑刨料。為了處理這些黑色垃圾，國內(nèi)外的學(xué)者和工程師都進行了很多研究和實踐，最直接的處理方式就是將這些銑刨料再生利用，摻加到新瀝青混合料中，并通過使用較軟的瀝青或者再生劑，從而保證銑刨料有良好的使用性能[1，2]。在銑刨料的再生利用過程中，有些工程案例非常成功，在使用了銑刨料之后再生路面的各方面性能與全新的路面幾乎沒有差別；但是有些工程就非常差，有些摻加了銑刨料的路面在使用數(shù)月之后就出現(xiàn)了大范圍的開裂、坑槽等病害。造成這一現(xiàn)象的一個重要因素就是目前對于銑刨料的研究還不夠深入，對銑刨料加入新瀝青混合料中的力學(xué)行為不能明確描述。目前對于銑刨料的研究主要集中在對銑刨料中集料的級配、瀝青的三大指標(biāo)等方面[1-4]。而對銑刨料表面裹附瀝青的具體情況研究甚少，由于瀝青混合料在使用過程中受到空氣氧化、汽車荷載、紫外線照射等等復(fù)雜的作用，集料表面的瀝青的老化情況可能會出現(xiàn)分層現(xiàn)象，這一現(xiàn)象將會對銑刨料的再生利用產(chǎn)生影響。本文將通過使用分層浸泡抽提的方法對銑刨料中的瀝青進行逐層分離，之后對各層的瀝青進行FT-IR（傅立葉紅外光譜）分析和GPC（凝膠滲透色譜）分析，對銑刨料表面的瀝青分層老化規(guī)律進行研究。該研究也為今后更進一步研究銑刨料在再生混合料中的受力方式奠定基礎(chǔ)。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

試驗使用的銑刨料來自2015年上海市G1501東環(huán)聞居路段大修工程，為了保證銑刨料內(nèi)瀝青種類及老化程度的基本一致，銑刨厚度定為5 cm。銑刨料經(jīng)過抽提篩分得到銑刨料的油石比為4.75%，集料的級配見表1?？紤]到瀝青裹附集料的完整度，試驗取銑刨料中4.75 mm篩上的部分作為試驗材料。

表1 銑刨料級配Tab.1 Milling material gradation

1.2 試驗方法

1.2.1 分層抽提方法

為了將銑刨料表面的瀝青逐層分離，稱取銑刨料200 g左右放入網(wǎng)籃中，準(zhǔn)備5個容器并進行編號，每個容器中盛放500 mL分析純?nèi)纫蚁﹤溆?。將裝有銑刨料的網(wǎng)籃逐次浸泡在這5個容器中，每次浸泡時間為60 s，浸泡完成后將銑刨料上的三氯乙烯晾干并稱重，之后將網(wǎng)籃置入下一個容器，最后得到5份三氯乙烯瀝青溶液。隨后使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器法對溶液中的瀝青進行回收，試驗方法依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范[5]，最終將銑刨料上裹附的瀝青分為由外到內(nèi)共5層，分別編號Layer 1～Layer 5。

1.2.2 傅立葉紅外光譜試驗

傅立葉紅外光譜試驗使用由德國BRUKER公司生產(chǎn)的傅立葉變換衰減全反射紅外光譜儀 （FFTIR-ATR），型號為TENSOR27，設(shè)置分辨率為4 cm-1、掃描次數(shù)為32次、測試范圍為4 000～600 cm-1。

1.2.3 凝膠滲透色譜試驗

凝膠滲透色譜試驗使用美國WATERS2414型凝膠滲透色譜儀，色譜柱共3根，檢測器為紫外吸收光譜檢測器，流動相為四氫呋喃，檢測時流速控制在1 mL/min，試樣溶液濃度為3.5 mg/mL，一次檢測的進樣量為100 μL。

2 試驗數(shù)據(jù)與分析

2.1 分層抽提試驗

每次浸泡得到的瀝青溶液中還含有少量的細(xì)集料，通過計算每次浸泡后銑刨料的重量，扣除其中的細(xì)集料，可以得到每次溶解的瀝青質(zhì)量。另一方面，參考《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中計算集料比表面積的方法（公式1）得到銑刨料比表面積，假設(shè)整個瀝青及細(xì)集料完全均勻的裹附在集料表面且在浸泡過程中比表面積不變，可以計算出每次浸泡下來的瀝青膠漿膜厚度。計算結(jié)果詳見表2，每次浸泡后的銑刨料見圖1。

式中：A為集料總的表面積，m2/kg。

其中a，b，c，d，e，f，g分別代表4.75，2.36，1.18，0.6，0.3，0.15和0.075 mm篩孔的通過百分率，%。

表 2 分層抽提結(jié)果Tab.2 Stratified extraction results

從計算結(jié)果可以看出，從第1次浸泡到第4次浸泡溶解的瀝青膠漿層逐漸增厚，第5次浸泡溶解的瀝青膠漿層略有減少。根據(jù)銑刨料浸泡后的圖像推測，由于溶液的滲透作用導(dǎo)致瀝青的溶解速度從第1次浸泡到第四次浸泡逐層遞增，但最后一次浸泡時由于有部分集料表面的瀝青已經(jīng)完全溶解，所以導(dǎo)致溶解的瀝青減少?？傮w上看，該方法可以將銑刨料表面的瀝青逐層分離，可以代表銑刨料由外而內(nèi)的各層瀝青。

圖1 分層浸泡后的銑刨料Fig.1 The pavemill materials after stratified soaking

2.2 傅立葉紅外光譜試驗

基于朗伯-比耳定律，通過分析紅外光譜吸收峰處的吸光度可以對瀝青中的特定基團進行定量分析[6]。紅外光譜圖中波數(shù)為1 700 cm-1的羰基伸縮振動峰可以認(rèn)為是瀝青吸氧老化的標(biāo)志，為了使各樣本之間具有可比性，使用2 960 cm-1處甲基伸縮振動的峰面積與1 700 cm-1處羰基伸縮振動的峰面積之比定義為羰基指數(shù)，通過比較羰基指數(shù)，可以評價各層瀝青的吸氧老化程度。瀝青中的芳香分含量對瀝青的低溫及高溫性能都有嚴(yán)重影響，而（1 600±10）cm-1處芳香化合物的碳碳雙鍵伸縮振動峰，可以作為芳香分含量的標(biāo)志[7]，因此，定義2 960 cm-1處甲基伸縮振動的峰面積與碳碳雙鍵伸縮振動峰的峰面積之比定義為碳碳雙鍵指數(shù)，通過比較碳碳雙鍵指數(shù)，可以評價各層瀝青中芳香分的含量。圖2為各層瀝青紅外光譜圖的譜線對比，圖3為各層瀝青的羰基指數(shù)對比，圖4為各層瀝青的碳碳雙鍵指數(shù)及碳碳雙鍵所在峰位的對比。

圖2 各層瀝青紅外光譜譜線對比Fig.2 Comparison of infrared spectra of asphalt in different layers

圖3 各層瀝青的羰基指數(shù)對比Fig.3 Comparison of Carbonyl index of asphalt in different layers

圖4 各層瀝青的碳碳雙鍵指數(shù)及C=C波數(shù)對比Fig.4 Comparison of C=C index and thewave number of C=C of asphalt in different layers

從圖3中可以看出，從第1層到第5層的羰基指數(shù)大致表現(xiàn)出逐漸減小的趨勢，最外層和第2層的羰基指數(shù)相近，第2層到第4層接近線性下降，第5層的羰基指數(shù)接近零。由此可以說明銑刨料上裹附的瀝青，由外而內(nèi)吸氧老化程度是逐漸減弱的，最內(nèi)層瀝青幾乎沒有發(fā)生吸氧老化，可以推測瀝青混合料的吸氧老化是由外而內(nèi)逐漸擴散的，而瀝青吸氧老化到一定程度也會趨于穩(wěn)定。

圖4中的柱形圖展示了銑刨料中碳碳雙鍵指數(shù)的變化規(guī)律，從圖4中可以看出，最外層瀝青的碳碳雙鍵幾乎為零；第2層到第4層有逐漸變大的趨勢，但變化不大；最內(nèi)層的碳碳雙鍵接近中間層的4～5倍。這說明銑刨料中的芳香族化合物是由內(nèi)而外逐漸揮發(fā)的，最外層瀝青基本不含芳香族化合物，同時說明集料對瀝青中芳香化合物的吸收作用帶來的芳香化合物的損失要遠小于芳香化合物的揮發(fā)作用。根據(jù)羰基指數(shù)和碳碳雙鍵指數(shù)的逐層變化規(guī)律可以看出，該銑刨料表面的瀝青大致老化到第四層，結(jié)合表2的計算結(jié)果可以認(rèn)為瀝青老化深度約為108.6 μm。

圖4中的折線圖說明了C=C伸縮振動波數(shù)的變化規(guī)律?？梢钥闯鯟=C伸縮振動波數(shù)與碳碳雙鍵指數(shù)的變化規(guī)律基本一致，同樣是基本保持由外而內(nèi)逐漸增大，而最外層和最內(nèi)層會有較大的變化。對于瀝青中芳香族化合物C=C伸縮振動波數(shù)會發(fā)生變化，可能緣于C=O雙鍵與C=C雙鍵之間的共軛作用[8]，當(dāng)C=O鍵減少而同時C=C增多，則耦合作用逐漸變?nèi)?，從而使C=C的波數(shù)逐漸增大。

2.3 凝膠滲透色譜試驗

使用凝膠滲透色譜試驗可以將樣本的分子量分布進行檢測。對各層瀝青進行凝膠滲透色譜分析得到的結(jié)果進行基線處理后，將洗脫時間在10～28 min的部分進行歸一化處理得到的譜線如圖5所示。為了評價各種瀝青分子量分布的變化，將GPC圖譜中洗脫時間14.5～27.5 min的瀝青相部分劃分為13等分，取其前5部分認(rèn)為是瀝青相中的大分子部分，定義大分子部分曲線段下方所包圍面積與總面積的比例為LMS（大分子比例），該指標(biāo)可以表征瀝青中大分子的比例。各層瀝青計算得到的LMS值如圖6所示。

圖5 各層瀝青GPC譜圖及對比Fig.5 Comparison of GPC spectra of asphalt in different layers

從圖6中可以看出，銑刨料中的各層瀝青由外而內(nèi)的LMS值有逐漸變小的趨勢，最外層和最內(nèi)層瀝青的LMS有較大變化，而中間各層變化不明顯，一直保持在25%左右。與圖4對比可以看出，銑刨料中各層瀝青的LMS值與C=C雙鍵的含量呈互補關(guān)系，即C=C雙鍵越少則LMS值越大，由此可以推斷，銑刨料中瀝青大分子含量的增加，主要是由于瀝青中芳香分等輕質(zhì)組分的揮發(fā)引起的。根據(jù)各層瀝青LMS值的變化規(guī)律可以推斷，該銑刨料表層瀝青大致老化到第四層，與紅外光譜試驗所得結(jié)果一致。

圖6 各層瀝青LMS值Fig.6 LMS of asphalt in different layers

3 結(jié)論

1）瀝青混合料中瀝青的吸氧老化是由外而內(nèi)逐漸進行的，沿厚度方向大致呈線性關(guān)系。吸氧老化有一定的極限，當(dāng)瀝青老化到一定的程度就會趨于穩(wěn)定。

2）瀝青中輕質(zhì)組分的揮發(fā)導(dǎo)致銑刨料上裹附的瀝青中的芳香族化合物由外而內(nèi)逐漸減少，最外層瀝青中基本不含芳香族化合物。另外由于C=O增多，導(dǎo)致C=O與C=C鍵的共軛作用增強，使C=C雙鍵的伸縮振動波數(shù)減小，這種共軛作用的增強也可能是導(dǎo)致瀝青變硬的因素之一。

3）由于外層瀝青中輕質(zhì)組分的揮發(fā)和吸氧老化，銑刨料由內(nèi)而外各層瀝青的大分子含量有逐漸增大的趨勢，使得銑刨料形成一種外層硬脆內(nèi)層柔軟的結(jié)構(gòu)。

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Research on the Stratified Aging of Asphalt Pavemill Materials

Ye Fen1，2，Wei Te1，Wang Shuying1
（1.Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education，Tongji University，Shanghai 201804，China；2.School of Architecture and Civil Engineering,Xinjiang University，Urumqi 830047，China）

In order to study the stratified aging rule of asphalt pavement overlaid on the surface of asphalt pavemill materials,this study separated and extracted the bitumen in the milling material，and then conducted the analysis of infrared spectroscopy and gel permeation chroma-tography.The results showed that the oxygen aging on the surface of the milling materials gradually decreases from outside to inside，the aromatic content gradually increases，and the macromolecule content gradually decreases.In addition，the test finds out that the C=C double bond wave number of each layer changes and it is thus inferred that the change of C=O affects the conjugation between C=C and C=O.

asphalt pavemill materials；stratified aging；FT-IR；GPC

U414

A

1005-0523（2017）03-0040-06

（責(zé)任編輯 王建華 李萍）

2016－11－04

國家自然科學(xué)基金項目（51568064）

葉奮（1970—），男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向為道路工程材料。