基于多尺度分析的新旧沥青扩散物理化学机制与表征

Mixing and blending aged binder of reclaimed asphalt pavement (RAP) into virgin binder and creating a homogeneous composite binder is critical to the properties of asphalt mixtures containing high percentages of RAP and the long-term performance of asphalt pavements. The homogeneity of the composite binder is eventually dependent on the diffusion of asphalt molecules of virgin and aged binders into each other, which plays a fundamental role in the efforts towards increasing the RAP inclusion and improving the performance of RAP-containing asphalt mixtures. The objective of the proposed study is to investigate the chemo-physical behavior of virgin and aged binders during their diffusion process. In order to achieve the goal, tracer technology will be first used to monitor the diffusion of the asphalt molecules of aged binders. The change in molecular structures of virgin and aged binders in the transition zone will be characterized using analytical chemical techniques. The transition zone will be measured and quantified at the nano-scale. The temporal and spatial characteristics in the transition zone will be investigated using multiscale analysis techniques and the factors affecting diffusion process will be explored. Based on the diffusion theory, multilayered specimens will be employed to simulate different scenarios of diffusion between virgin and aged binders and to characterize the diffusion progress in terms of viscoelastic properties. A diffusion model will be developed to analyze the viscoelastic behavior and to back-calculate the diffusion coefficient of asphalt molecules. Results from this study will advance the fundamental understanding of the diffusion between virgin and aged binders after plant mixing and provide a basis for quantifying the diffusion process of RAP. Findings from the study will also help solve the issue of compatibility between aged and virgin binders and provide a guide for selecting the most compatible virgin binders or additives to incorporate high contents of RAP into asphalt mixtures.

对于高旧料掺量的再生沥青混凝土，新加入沥青与旧沥青之间混溶均匀性显著影响沥青混合料路用性能。而新旧沥青间的扩散行为直接决定了再生沥青结合料的均匀稳定性，然而这一重要行为并未引起足够重视。充分认识新旧沥青间的扩散行为是设计与应用高旧料掺量的再生沥青混凝土的核心。本课题以再生沥青混合料中的新旧沥青为研究对象，探索新旧沥青间的扩散行为，从多尺度构建新旧沥青扩散的行为模型，揭示新旧沥青间的物理化学过程。运用分子示踪技术，追踪新旧沥青的分子重构与扩散行为；在纳米尺度探测新旧沥青扩散影响区域及扩散界面相态时空变化规律；采用异性层状模型描述不同扩散工况下沥青结合料粘弹性力学行为；构建基于统计学和流变学的扩散模型，确定新旧沥青扩散参数，量化新旧沥青扩散行为及其效应。本研究的结论将为再生沥青混凝土设计中的新旧沥青兼容性设计提供理论依据，从而为高旧料掺量再生沥青混凝土的应用奠定基础。

再生沥青混凝土中新旧沥青之间混溶均匀性显著影响沥青混合料路用性能。再生沥青混凝土中新旧沥青之间混溶均匀稳定是确保再生沥青混合料设计、生产的关键环节。新旧沥青间的扩散行为直接决定了再生沥青结合料的均匀稳定性，然而长期以来这一重要行为并未引起足够重视。本课题以再生沥青混合料中的新旧沥青为研究对象，探索新旧沥青间的扩散行为，从多尺度构建新旧沥青扩散的行为模型，揭示新旧沥青间的物理化学过程。在纳米尺度，运用AFM技术观测到了沥青表面拓扑相态，研究了环境、沥青品质等对沥青表面拓扑相态的影响，探测到了新旧沥青之间扩散界面相态变化与影响范围；在分子尺度，运用LC方法探索了沥青的分子结构，运用分子模拟技术，模拟分析新旧沥青的混溶过程；通过对新旧沥青界面扩散行为及快速量化方法研究，创新性的提出了一种基于荧光显微镜方法的测定新旧沥青混溶效率的方法，实现了沥青拌和楼厂拌沥青混合料和再生沥青混合料之间沥青拌和效率的量化快速分析。AFM结果表明不同油源基属沥青的表面拓扑形态具有显著的差异，并可用于识别与量化不同沥青扩散界面影响范围；沥青界面拓扑状态与环境温度有关，环境温度在60°C以下时对其影响最为显著；随着环境温度的提高，新旧沥青之间的混溶过程将加快，不同沥青之间的界面扩散深度不同；荧光显微镜的平均灰度值可以初步区分不同类型沥青，以及同一种类沥青的不同老化程度，平均灰度值与旧沥青含量具有良好的线性关系。本课题对再生沥青混凝土中新旧沥青的混溶的问题进行了理论研究，初步提出了混溶效率量化分析方法，将为高掺量沥青混凝土的配比设计提供理论依据。