摘 要

本研究利用烹饪废油作为沥青再生剂中轻组分的修饰剂，结合乳化沥青，制备了水性沥青再生剂。同时，通过考察多种渗透型添加剂，研究并制备具备较强渗透型的水性再生剂。首先，本研究基于沥青的内部结构和化学组成在沥青老化过程中的变化规律这一沥青老化机理，提出了沥青再生的途径——通过再生剂的使用以提高老化沥青中轻质组分的百分含量。其次，本研究测试了烹饪废油的高温稳定性，用于考察其作为再生剂辅助原料的可行性。再次，在确定轻组分修饰最佳掺量的基础上，采用烹饪废油与乳化沥青进行混合制备再生剂。最后，分别考察了两种增渗剂的可行性，并确定了渗透型再生剂对增渗剂的要求和使用标准（化学组分、用量等）。同时，在实验室条件下设计了两种评价沥青再生剂渗透性的方法，对制备的渗透型再生剂作进一步的表征。

本研究从渗透性和再生效果两个方面来表征沥青再生剂的渗透效果和再生效果，确定了一种渗透性强的老化沥青再生剂的实验室设计与制备方法，为沥青路面预养护提供了一种可供借鉴的新材料。

关键词：渗透型再生剂，渗透性，沥青，沥青路面预养护。

Abstract

In this research, cooking waste oil was used as a modifier of light components in asphalt regenerant, and emulsified asphalt was used to prepare waterborne asphalt regenerant. At the same time, through the study of a variety of penetrating additives, research and preparation with strong penetrating type of water-based regenerant. First of all, based on the internal structure of asphalt and chemical composition of asphalt in the aging process of asphalt aging mechanism, this paper proposes a way of asphalt recycling - through the use of renewable agent to improve the aging of the light-weight components of the hundred Sub-content. Second, this study tested the high temperature stability of cooking waste oil for the feasibility of its use as a secondary raw material for regenerant. Thirdly, on the basis of determining the optimum dosage of light component modification, cooking waste oil and emulsified asphalt were mixed to prepare regenerant. Finally, the feasibility of the two kinds of penetration enhancers were investigated respectively, and the requirements and standards of penetrant regeneration agent for penetration enhancers (chemical composition, dosage, etc.) were determined. At the same time, two methods to evaluate the permeability of asphalt regenerant were designed under laboratory conditions, and the prepared permeable regenerant was further characterized.

In this study, the infiltration and regeneration effects of bitumen regenerant were characterized from two aspects of permeability and regeneration effect. A laboratory design and preparation method of a permeable aging bitumen regenerant was established, which provided a method for pre-curing asphalt pavement a new material for reference.

Key Words: Penetrating regenerant，Permeability，Asphalt，Asphalt road with pre-curing

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究意义 2

1.3 国内外研究现状 3

1.3.1 国外研究现状 3

1.3.2 国内研究现状 4

1.4 主要研究路线 5

第2章 实验材料与研究方法 6

2.1 原材料 6

2.1.1 沥青 6

2.1.2 烹饪废油 6

2.1.3 添加剂 8

2.2 实验方法 9

2.2.1 针入度 9

2.2.2 延度 10

2.2.3 软化点 10

2.2.4 粘度 11

2.2.5 渗透性性能表征方法 11

2.3 实验设备 14

第3章 再生剂的设计与制备 16

3.1 乳化沥青的制备 16

3.2 再生剂的制备 17

3.3 渗透型再生剂的制备 18

第4章 再生剂的渗透效果分析 19

4.1 粘度测试对比 19

4.2 渗透效果研究 19

4.2.1 渗透沉底测试 19

4.2.2 定压蠕变渗透测试 20

第5章 再生剂的再生效果评价 21

5.1 针入度 21

5.2 延度 22

5.3 软化点 23

第6章 结论 25

参考文献 26

致谢 28

绪论

研究背景

由于沥青路面具有耐磨、降噪、平整等优良性质，我国公路大都采用沥青路面，随着科技的发展和生活水平的提升，沥青路面的发展也更加深入，沥青路面总里程数也逐年增加。交通运输部发布的《2016年交通运输行业发展统计公报》显示，我国的公路总里程数在逐年增加，公路密度也呈逐年上升趋势， 2016年年底总里程已高达469.63万公里。图 1.1可以明显看出我国公路建设和交通运输行业的高速发展。

图 1.1 2011-2016年全国公路总里程和公路密度

然而受到一定年限的荷载及环境气候等的老化作用后，沥青路面会出现开裂、表面裂纹等老化现象，最终导致沥青的路用性能降低。沥青破坏主要是两大因素，一是荷载因素，即路面的车辆等对其的压力导致其达到疲劳极限，二是非荷载因素，主要包括气候温度影响、沥青材料因素、施工工艺因素等^[1]。

同时，随着道路使用年限的不断增加，废旧沥青原料也逐年增多，由此增大了环境的负荷也造成了资源的浪费。近十几年来我国公路总里程数不断上升，许多道路沥青混合料已经严重老化，社会背景促使沥青养护的不断发展，据统计，公路年养护需求已达到617.5-988 亿元。日益增多的养护成本^[2]推动着路面养护技术不断更新换代。我国公路建设已经由以建为主进入到建养结合的关键时期，养护的重要性大幅显现。沥青养护成本与施工难度的不断加大促使对沥青的研究向路面预养护和再生技术等方向发展，从而推进公路养护管理的技术进步。沥青的预养护，是一种在沥青路面还未出现显著病害时进行合理养护，从而延长沥青路面使用寿命，减少废旧沥青原料浪费的新兴沥青路面养护技术。保证沥青路面预养护的合理性和实效性，就自热而然成为了沥青道路发展中需要解决的瓶颈问题。

从原理上来讲，沥青老化表现为“硬化”，沥青的基本特性相对于基质沥青而言有所退化，例如三大指标和四组分等，其轻质组分下降，导致沥青变硬变脆，粘结性降低。故传统的沥青再生剂是加入低粘度矿物油，调节沥青的四组分之间的比例，使其混合均匀，加入老化沥青后使其恢复原始的性能数据，从而达到再生效果。然而，低粘度矿物油具有很强的挥发性，当达到再生温度（163^oC）时，可能会发生油的挥发或油内官能团的破坏，最终导致再生沥青的耐久性差；也可能由于官能团的改变导致挥发组分为有毒气体，引起环境污染。此外，在可持续发展的理念下，石油资源正在日益减少，对于资源的获取也成为一个实际中的难题，因此，寻求矿物油替代品，研发高性能、低消耗的环保型沥青再生剂已成为现代社会交通发展的当务之急。

新闻里地沟油的报道屡见不鲜，数据显示，每年我国餐饮业产生的烹饪废油约 2000多万吨。烹饪废油由于经过多次高温反应，其中有很多致癌物质，已不能再食用。但如果以烹饪废油为沥青再生剂的原材料，不仅防止了地沟油事件的发生，保护了人的身体健康和环境^[3]，而且促进了沥青的高性能研究，为研发高附加值的工业产品提供了方法和思路，完成了二次利用。研究显示：烹饪废油中有少许固体油脂。但主要成分是植物油，其中植物油的分子量低，且具有较大的不饱和度。同时，植物油不饱和碳链的极性低，可以削弱分子间作用力，故用于沥青中能够提升老化沥青的流动性（延度和针入度）。此外，低极性基团表现出很强的憎水性，吸水率低，可有效提高其水稳定性，可用于乳化沥青的再生剂制备^[4]。

研究意义

废旧的沥青混合料日益增多，如何处置这些堆积如山的沥青混合料成为我国交通及环境保护部门急需解决的问题^[5]。然而路面预养护技术的推出及发展，能够很好地缓解甚至这一难题，在路面服役一定年限出现一些轻微病害后进行养护或再生，不仅节省了对路面进行翻修过程中耗损的人力物力，而且避免了对能源环境等方面问题的加剧。因此，可以考虑通过喷洒再生剂起到对老化沥青进行再生的效果。

目前，为使老化沥青的性能重新恢复以达到基本路用性能的使用要求，国内外研究者设计出了种类繁多的再生剂材料。沥青再生剂材料，可以通过组分调和作用或稀释作用，将因自然老化而失去粘弹性的老化沥青材料重新获得一定的粘弹性性能，恢复基质沥青的相关性能。据调查，沥青再生剂一般是以矿物油作为原料制备而来。但是，基于矿物油制备的再生剂存在热稳定性差等诸多缺点，从而限制了矿物油再生剂的发展和使用。另一方面，据统计，我国每年有巨大的餐饮浪费，且“地沟油”流回餐桌的新闻屡见不鲜。“地沟油”的使用不仅会导致癌症的高发，对人们的身体健康有极大的害处，而且未重复利用的烹饪废油对环境也是一种污染和破坏。欧美等国已经进行了添加植物油作轻组分修饰剂的再生研究工作^[6]，但这些研究只是研究了其对路用沥青的改性作用，但未从沥青物理化学性质方面进行系统的分析研究，也未研究渗透性的优劣。

如今烹饪废油的由于餐饮行业的兴起而逐渐储量增多，添加废油作为再生剂的轻质组分，既节省了资源，降低了路面的再生成本，又减少了废油对环境的污染，同时由于油的自身性质优越，大幅提升再生效果。

虽然沥青再生剂的概念在很久之前就已被提出，但是由于再生效果、经济支出等诸多因素的影响，沥青再生剂没有做到大规模使用。本研究在实验室基础上，通过对再生剂的配比为何值的时候再生沥青的性能达到最好，制备温度及混合搅拌时间为何值时能达到最好的再生效果，在渗透剂加入的百分比为何值时渗透型再生剂的渗透效果最好等一系列问题进行了深入的探索研究，从而制备了性能优异的沥青路面再生剂。而且在此基础上，针对再生剂与老化沥青的混合状态、内在机理进行了猜想解释本实验对沥青再生剂的研究有一定的推动作用，也为沥青再生剂大批量制备和大规模应用提供了理论基础。

国内外研究现状

随着社会科技的不断进步，人类生活质量的不断提高，对交通的便利和高性能的要求将会不断提升，节能环保质优的路面将会成为未来发展的主流，因此，实现废旧沥青材料的再利用已成为交通业面临的重大问题^[7]。沥青再生剂凭借小范围、低成本、工期短的优点在公路养护方面具有广阔的发展前景^[8]。

国外研究现状

再生剂的研究可以追溯到1915年的美国，但由于当时的沥青研究还处于基础设施建设阶段，对于再生的深入研究并不普遍，发展也较为缓慢。自1974年的全球石油危机以来，由于石油问题和众多外界因素的影响，欧美等发达国家对沥青再生问题逐步进行深入研究，再生剂的研究工作也被提上议程。美国实行了SHRP计划，研究者分析了沥青老化导致的四组分的比例变化，认为可以通过向沥青中加入缺少的组分使其再次达到基质沥青值，从而恢复其路用性能^[9]，但是，实验后发现，虽沥青的各组分的比例得以恢复，但由于其内部的结构组成复杂，油源基属和生产工艺不同，最终的路用性能依然未达到预期，故从四组分角度进行改性并没有很好的效果^[10,11]。随后，研究者通过对沥青组分之间的研究，发现沥青的相容性，将沥青高分子相容性与沥青的路用性能相联系，得到了一套较为成熟的沥青再生剂的研究方法。

德国是将厂拌热再生沥青混合料技术应用到高速公路路面的养护中的开创者，到 1978 年时，已经基本可以保证对所有废旧沥青混合料进行回收再利用。随后法国也完成了沥青再生剂的研发和应用。

1976 年开始，日本的一些学者陆续开始了对沥青混合料再生技术的研究，并于1984年将有关厂拌热再生技术的关键点记录入《废旧路面材料再生利用技术指南》，到 2000 年时，日本国内完成再生的废旧沥青混合料超过 4700 万吨。

2001 年，美国沥青再生协会出版了《美国沥青再生指南》。目前，美国的道路废旧沥青材料再利用的比例很高，已达80%，每年可生产约三亿吨的再生沥青，并运用于路面，减少了20亿美元的经济消耗^[12]。

鉴于传统沥青混合料再生技术的不足和植物油的性能特点，近年来在国外出现了以废弃植物油替代矿物油研发再生剂的尝试。2010 年，美国科学家Davies 制备的再生剂具有很好的效果，他是混合利用了大豆蜡和废油^[13]。

国内研究现状

相对于国外再生剂的研究状况，我国废旧沥青再生技术的研究较晚。二十世纪八十年代，交通部曾下达关于沥青再生路面的研究安排，由于当时中国的沥青路面材料还是低级沥青，如今路面所选用的是高级沥青材料，所以当时的再生实验成果对现在也不适用。目前，我国的道路沥青再生材料大多数是国外进口的，但由于国内沥青种类复杂，且与国外沥青不一致，同时进口成本剧增等因素，使我国沥青再生剂的研究迫在眉睫。

近年来，随着再生剂的研究逐渐深入，国内已研制出少量的再生剂材料，但由于多方面的原因，再生剂的研究并不广泛，但参照国外的技术，我国也有部分利用植物油来进行再生研究^[14]。有学者提出用来源简单且价格便宜的糠醛裂化油作为沥青再生剂，但其再生效果和再生速度并不理想^[15]。

由于路面防护方式的限制，要求再生剂具有较好的渗透性，目前我国已有研究采用含有极性环氧基团的化学油分和催化裂化油浆作为主要原料制备渗透型再生剂^[16]。研究对比结果表明制备的再生剂对沥青的渗透能力明显优于普通再生剂，这是由于极性环氧基团具有能促进老化沥青中凝聚沥青质的分散，达到重新分布的效果，从而使老化沥青恢复原本的胶体结构。

主要研究路线

沥青老化实质上是由于温度和氧气的作用，沥青重组分中的活性基团通过缩合或聚合反应变成更大分子^[17]，从而使沥青的轻质组分占比下降，导致“硬化”，各项性能下降。

本实验通过对基质沥青进行乳化工艺的处理，得到乳化沥青，以满足后续雾封层技术施工过程中的液态要求。再向得到的乳化沥青中添加轻组分修饰剂，并配比混合均匀得到水基型再生剂。最后通过选用的增渗剂的修饰，得到最终产物——渗透型再生剂。

本实验的研究重点在于通过实验探索，完成对乳化工艺的确定，以及轻组分修饰剂和增渗剂的选择与用量。

本研究主要技术路线图如下图 1.2所示。

图 1.2 研究技术路线图

实验材料与研究方法

2.1 原材料

2.1.1 沥青

沥青是一种复杂混合物，通过原油蒸馏后得到的残渣得到，常温下是呈褐色或黑褐色的固态，不溶于水，但能溶于部分有机溶剂中^[18]。沥青由于自身的凝胶态性能，已经被广泛应用于我国的道路建设、防腐工程、水力工程、防水工程等各个领域。在交通行业，沥青通过三大指标（针入度、延度、软化点）等技术指标来评价性能的好坏。标准针在规定条件下贯入沥青的深度即是沥青针入度，沥青的等级和标号是通过针入度来确定的，针入度越大说明沥青稠度越小^[12]。本研究所使用的沥青是工程应用中常用的90#重交基质沥青，具有较好的热稳定性和抗水性，同时实验选用轻质组分含量相对大一些的90#基质沥青，对制备再生剂的再生效果也有部分促进作用。其基本技术指标如下表 2.1。

表 2.1 90#基质沥青的基本技术指标

2.1.2 烹饪废油

烹饪废油是食用油经高温煎炸后得到的废油。这些煎炸油含有大量对人体有害的苯类成分不能再食用，转化成了废食用油^[19]。对废食用油进行回收和再利用，能够提升油的经济效益，减少资源浪费，也能减少社会上“地沟油”现象的发生^[20]。本研究中用到的废食用油外观如图 2.1，借助废油轻质组分含量高的特性，将其作为再生剂的轻质组分修饰剂，其基本物理性质如表 2.2。

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