基于微细观结构演变的新旧沥青再生融合机理与融合程度量化评价方法研究

The interaction and blending degree between the recycled aged asphalt and virgin asphalt dominate the performance of recycled asphalt mixture. However, the blending mechanisms between the aged and virgin asphalt are still unclear and there is also a lack of quantitative evaluation method for the blending degree. Fourier transform infrared spectrometry and gel permeation chromatography are used in this project to study the transformation of chemical constitution while the aged asphalt blending with the virgin one from the characteristic functional group and molecular weight distribution respectively. Atomic force microscope is applied to study the micromorphology evolution in the blending process. And X-ray ICT is also used to analyse the distribution of the recycling agent (virgin asphalt), its diffusion behaviors and influencing factors. Based on that, the blending mechanisms of aged and virgin asphalt are manifested. Through ICT experiment and corresponding study, the kinetic equation for diffusion coefficient of recycling agent (virgin asphalt) is established. And on this basis, the quantitative predictive model for the blending degree between aged and virgin asphalt is established by using the numerical simulation of finite element. And then, the complex viscosity model for recycling asphalt based on the blending degree and the mixing content of recycled asphalt pavement is proposed. The results can offer theoretical foundations for the mix design and performance optimization of recycled asphalt mixtures, which are of great significance to the sustainable development of economy and construction of resources-saving and environment-friendly society.

新旧沥青融合过程中的相互作用机制及融合程度决定了再生沥青混合料的性能，但目前关于新旧沥青的再生融合机理还不清晰，同时也缺乏新旧沥青融合程度的定量评价方法。本项目利用傅里叶红外光谱法、凝胶渗透色谱法分别从特征官能团、分子量分布等方面探究新旧沥青融合过程中的化学组成结构转变规律，采用原子力显微镜研究新旧沥青融合过程中的微观形态结构演变机制，借助工业CT探明再生剂（新沥青）在旧沥青中的结构形态、扩散行为及其影响因素，在此基础上，从微细观结构等多尺度水平揭示新旧沥青再生融合机理。结合工业CT扫描试验建立再生剂（新沥青）扩散系数动力学方程，采用有限元数值模拟方法构建新旧沥青融合程度量化预估模型，并提出基于新旧沥青融合程度及旧料掺量的再生沥青复合粘度模型。项目研究成果可为再生沥青混合料组成设计与性能优化提供理论依据，对于我国经济的可持续发展及建设资源节约型和环境友好型社会意义重大。

新旧沥青融合过程中的相互作用机制及融合程度决定了再生沥青混合料的性能，但目前关于新旧沥青的融合机理还不清楚，同时也缺乏新旧沥青融合程度的定量评价方法，导致再生技术推广应用中RAP的利用率大大受限，严重影响了再生技术的环保和经济优势。. 本项目首先采用试管法对再生剂（新沥青）在旧沥青中的扩散过程进行了模拟分析，研究了不同扩散位置处再生沥青技术性能变化规律及再生剂（新沥青）扩散能力影响因素。综合采用傅里叶红外光谱、凝胶渗透色谱以及原子力显微镜，通过再生过程中沥青化学结构、分子量分布、微观形态结构的变化分析，揭示了新旧沥青再生融合机理。结果表明，沥青再生过程中没有新的物质生成；再生剂（新沥青）的加入，造成老化沥青中脂肪族官能团指数上升，芳香族、羟基和亚砜基官能团指数下降，沥青分子层面表现为一部分大分子物质向中分子和小分子物质转化，微观形貌由“蜂形结构”组成的致密网状结构变得疏松，老化沥青性能得以恢复。基于AFM Peak Force QNM模式，对比分析了不同工况下分层抽提的再生沥青微观力学性质，明确了新旧沥青融合程度关键影响因素及机制。基于CT扫描技术，对新沥青在RAP旧沥青中的运动轨迹进行了动态捕捉，提出了不同因素对新沥青扩散行为的影响规律，获得了不同条件下新沥青的扩散系数，并建立了扩散系数回归方程。在此基础上，采用有限元软件对不同拌和温度及时间条件下新旧沥青的融合过程进行了模拟分析，揭示了再生混合料施工过程的不同阶段新旧沥青的融合状态及融合程度。在对再生沥青复合粘度模型进行修正的基础上，结合不同拌和条件及RAP掺量下的再生混合料试验研究，提出了新旧沥青融合程度量化评估的方法步骤，并建立了融合程度量化预估模型。. 项目研究成果全面揭示了新旧沥青再生融合的内在本质，弥补了新旧沥青融合程度量化评价方法的空缺，为实体工程中再生沥青混合料合理的组成设计与有效的性能优化提供了重要的理论依据。