基于二维图像分析的再生沥青混合料界面协同均质化量化框架研究

《Case Studies in Construction Materials》：A 2D image analysis framework for quantifying interfacial and synergistic homogenization in virgin-RAP asphalt blends

本研究针对再生沥青路面(RAP)与原生沥青混合过程中均质化程度难以量化的问题，创新性地提出基于FESEM-BSE/EDS二维图像分析的协同均质化率与界面均质化率计算模型。通过TiO2示踪技术结合AFM-DSR跨尺度关联分析，揭示工艺参数对RAP沥青迁移行为的影响规律，为高比例RAP热再生技术提供理论支撑。

　　

随着全球可持续发展战略的推进，再生沥青路面（Reclaimed Asphalt Pavement, RAP）热再生技术已成为缓解资源短缺和环境压力的重要解决方案。然而在实际应用中，由于难以精确控制老化沥青与原生沥青在热再生过程中的混合状态，RAP的掺量通常被限制在30%以下。这种局限性直接影响了再生沥青路面的关键性能特性（如抗裂性和耐久性），因为不均匀的混合会导致表面开裂等早期病害。因此，建立定量表征沥青混合状态的框架对于突破RAP掺量限制、实现大规模热再生至关重要。

现有研究主要关注原生沥青与RAP沥青的混合程度（Degree of Blending, DOB），重点研究RAP沥青在热再生过程中的迁移行为。这些研究采用间断级配骨料混合或特殊骨料混合方法实现RAP细骨料与原生粗骨料的受控混合，随后使用三氯乙烯等溶剂提取再生沥青，并通过动态剪切流变仪（Dynamic Shear Rheometer, DSR）、傅里叶变换红外光谱（Fourier-Transform Infrared Spectroscopy, FTIR）、凝胶渗透色谱（Gel Permeation Chromatography, GPC）和原子力显微镜（Atomic Force Microscopy, AFM）进行表征。然而，目前尚缺乏针对界面均质化率和协同均质化率的稳健定量框架，现有方法仍主要依赖定性或半定量方法，缺乏系统且可重复的评价指标。

针对这些研究空白，昆明理工大学关清法等研究人员在《Case Studies in Construction Materials》上发表了一项创新性研究，提出了基于二维图像分析的均质化框架。该研究通过水泥作为非反应性粘结材料固化RAP骨料，利用场发射扫描电子显微镜-背散射电子（Field Emission Scanning Electron Microscopy-Backscattered Electron, FESEM-BSE）和能量色散X射线光谱（Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy, EDS）多元素 mapping 技术，精确测量混合前后RAP沥青膜面积变化，从而量化界面和协同均质化率。

关键技术方法包括：采用TiO₂示踪技术增强EDS可检测性；通过FESEM-BSE/EDS多元素映射实现RAP沥青与骨料的精确区分；建立AFM纳米力学参数与DSR宏观流变性能的跨尺度关联模型；利用衰减全反射-FTIR（Attenuated Total Reflectance-FTIR, ATR-FTIR）和GPC分析RAP沥青迁移行为的化学特征。

3.1 TiO₂在原生沥青中的可追溯性

研究通过FESEM-EDS元素映射、多重分形分析和DSR测试的联合分析，系统评估了TiO₂在原生沥青中的分布特征和可追溯性。结果显示，当TiO₂含量从5%增加到20%时，钛信号强度显著增强。多重分形分析表明，20% TiO₂含量时谱宽Δa为1.861，变异率仅为0.007，表明在此含量下TiO₂分布均匀性最佳。DSR测试显示，20% TiO₂含量的沥青复数剪切模量（G*）为1536810 Pa，变异率为0.037，对沥青扩散性能影响较小，因此确定20%为最佳示踪剂含量。

3.2 协同均质化条件

通过FESEM-BSE成像和EDS元素映射分析，研究量化了RAP沥青与骨料的初始面积比和未混合面积比。结果显示，四个RAP骨料簇的平均初始面积比为0.259±0.0233（变异系数9.00%）。工艺参数对协同均质化率的影响表现为：提高RAP预热温度（200°C）使协同均质化率从对照组的0.470显著提高至0.798；加入停留时间使协同均质化率达到0.738；延长混合时间使协同均质化率提高至0.564。这表明温度是促进界面均质化的主导因素。

3.3 迁移条件

3.3.1 化学表征

ATR-FTIR和GPC分析显示，工艺参数调整组的羰基相对百分比和大分子尺寸相对百分比均高于对照组。预热温度组的羰基相对百分比为7.77%，大分子尺寸相对百分比为3.31%，均居各实验组之首，证实温度是驱动分子尺度RAP沥青迁移的核心因素。

3.3.2 流变表征

DSR测试表明，所有参数调整组的G曲线均位于对照组之上。在10 rad/s角频率下，预热温度组的G达到4087960 Pa，比对照组（2302770 Pa）提高77.5%。通过混合图法反算的迁移率依次为：预热温度组0.596 > 停留时间组0.453 > 混合时间组0.358 > 对照组0.264。

3.3.3 纳米力学和微观结构表征

AFM分析显示，随着RAP沥青含量增加，再生沥青的微观结构从"长轴振荡椭圆"向"均匀圆形分布"演变，表面粗糙度持续降低。DMT模量从0% RAP时的283.42 MPa增加至100% RAP时的336.66 MPa，而粘附力从23.82 nN降至17.57 nN，能量耗散从1618.86 eV降至1151 eV。DMT模量与G呈强正相关（R2=0.97），而粘附力和能量耗散与G呈显著负相关（R2>0.95），建立了可靠的"微观结构-纳米力学-宏观流变"跨尺度关联模型。

3.4 界面均质化条件

基于协同均质化率和迁移率计算的界面均质化率显示：对照组最低（0.280），混合时间组为0.320，预热温度组达0.500，停留时间组最高为0.521。这表明停留时间和预热温度是强化界面均质化的关键因素。

研究结论表明，建立的二维图像均质化率表征框架能够实现RAP沥青均质化条件的高精度量化。20% TiO₂示踪剂在保证良好可追溯性的同时，对沥青流变性能影响最小。AFM纳米力学参数与DSR宏观流变性能的强相关性为快速表征RAP沥青迁移条件提供了敏感指标。RAP含量通过调控微观结构演变显著影响纳米力学性能，而提高RAP预热温度（200°C）能最大程度提升协同均质化率（0.798）。该研究为优化沥青热再生工艺参数、突破RAP掺量限制提供了重要的理论依据和技术支持。

值得注意的是，当前FESEM-BSE方法在RAP骨料尺寸显著超过沥青膜厚度时面临量化挑战，未来工作需要集成互补的高分辨率技术来解决这一限制。此外，在实际RAP再生中，当改性沥青（如SBS、脱硫橡胶或聚乙烯改性沥青）与再生沥青混合时，它们的粘度差异会影响TiO₂分散，后续研究需要系统评估这些沥青-RAP混合物中TiO₂的行为，建立粘度指导的示踪剂相容性协议。