0 引言

煤直接液化残渣(direct coal liquefaction residue，DCLR)和废食用油(waste cooking oil，WCO)已经成为我国工业和食品业主要废弃物之一。DCLR是煤炭提纯过程中产生的副产品，其成分与道路石油沥青相似^[1]。WCO是高温反复使用后形成的废弃油脂，WCO主要成分为轻质油分和芳香烃，这些也是石油沥青主要成分之一^[2]。因此，将DCLR和WCO掺入沥青中用于修建沥青路面是利用这两种废弃物的有效方法之一。据交通运输部统计，我国每年约消耗石油沥青2 200~2 400万吨^[3]，如果实现DCLR和WCO双重改性沥青并用于铺筑路面工程，每年可消耗大量的DCLR和WCO。

Yang等研究表明DCLR可替代特立尼达湖沥青作为改性剂^[1]，将DCLR掺入基质沥青后，沥青的分子结构、组分等并没有发生变化^[4]，并且相容性很好^[5]，但是当DCLR掺量超过一定含量时，沥青与DCLR的相容性以及性能指标都急剧下降^[5]。刘雨晴等研究表明，WCO掺量宜不大于12%，过量的WCO会降低沥青与集料之间的黏附性，降低沥青混合料的水稳定性能，且对低温性能也不利^[2]。武昊发现随着DCLR掺量提高，DCLR与沥青的相容性降低，当使用70^#沥青时，DCLR掺量宜低于8%^[5]。DCLR可提升沥青及沥青混合料的高温性能，但对低温性能有所损害^[6-9]，DCLR可提高沥青的黏聚力、改善沥青与集料的黏附性^[9]，提升沥青混合料的水稳定性能^[10]。对DCLR改性沥青研究难点主要在于如何消除其对低温抗裂性能的损害，添加增容剂复合改性是目前主要的研究方向，如采用硅烷偶联剂、苯甲醛、二甲苯、环氧大豆油等^[11-12]，可有效提高DCLR改性沥青的低温延性。

WCO的主要成分是轻质油分和芳香烃，目前国内外道路工程行业主要用WCO作为再生剂使用。Dugan等^[13]研究表明，废植物油作为再生剂可显著降低老化沥青的黏度、低温等级温度以及抗疲劳开裂能力。Devulapalli等^[14]研究发现添加6%的WCO可显著提高40%RAP再生沥青混合料的冻融劈裂比。WCO4组分试验结果表明，WCO主要组分为饱和分、芳香分和胶质，可以增加老化沥青中的轻质油分含量，降低沥青质含量，使胶体结构趋向溶胶型，同时也可以改善再生沥青混合料的低温性能、水稳定性能及疲劳性能^[2]。曾飞等^[15]采用WCO直接改性沥青，发现WCO可显著改善沥青的低温性能，但是对高温性能不利。为克服添加WCO高温性能不足的特点，通常选择复合改性的方法提升高温性能，如添加橡胶粉、SBS聚合物等^[16-17]。

对比DCLR和WCO改性沥青后的性能变化可以发现，两者改性沥青性能优缺点正好互补。DCLR中主要含有沥青质，沥青混合料的高温性能得到改善，低温性能变差，而WCO主要含有油分和芳香分，改善沥青混合料的低温性能。因此，如果将DCLR和WCO对沥青复合改性，既可以弥补单一改性沥青性能的缺陷，还可以增加废弃物的使用量。何亮证明环氧大豆油可以提高DCLR改性沥青的低温性能^[11]，证实DCLR/WCO复合改性沥青具有可行性。基于此，本研究对DCLR/WCO复合改性沥青性能进行探索，首先对DCLR/WCO复合改性沥青的温度敏感性、高低温性能和流变性能进行测试分析，其次对DCLR/WCO复合改性沥青混合料的路用性能进行验证，为后续DCLR/WCO复合改性沥青的进一步研究作参考。

1 验原材料与方法 1.1 试验原材料 1.1.1 基质沥青

基质沥青采用SK70^#基质沥青，根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)测出其主要技术指标，如表 1所示。

1.1.2 DCLR

DCLR来源于某能源股份有限公司，其基本性质如表 2所示。

1.1.3 WCO

WCO来源于某油条店多次煎炸后的大豆油，其基本性质见表 3。

1.1.4 集料

粗细集料均为石灰岩，集料根据粒径分为0~3，3~5，5~10 mm和10~15 mm这4挡。以2.36 mm为粗细集料的分界线，粗集料的技术指标如表 4所示，细集料和矿粉的技术指标如表 5所示。

1.2 改性沥青制备工艺

参考已有的研究结果，本研究选取掺量5% DCLR和5% WCO改性沥青，以及5% DCLR+5% WCO复合改性沥青，以此探讨改性后沥青与沥青混合料的性能。研究表明，如果将DCLR直接加入基质沥青中，有少量DCLR沉淀在底部，而首先将DCLR加热到熔融状态，再改性沥青，可明显提高改性沥青质量稳定性^[6]。因此，本研究制备改性沥青时，首先将DCLR加热至熔融状态，再倒入基质沥青中高速剪切。DCLR改性沥青的制备过程如图 1(a)所示。WCO改性沥青的制备过程如图 1(b)所示。DCLR/WCO复合改性沥青的制备过程如图 1(c)所示。

1.3 试验设计与方法 1.3.1 沥青胶结料性能试验

对基质沥青、DCLR改性沥青、WCO改性沥青和5%DCLR/5%WCO复合改性沥青的温度敏感性、高温性能、低温性能以及流变性能进行测试。测试方法包括：(1)针入度试验：分别测试15 ℃，25 ℃和30 ℃沥青试样的针入度，测试方法参照规范(JTGE20—2011)，以针入度指数PI评价沥青的温度敏感性，以当量软化点T₈₀₀评价沥青的高温性能，以当量脆点T_1.2评价沥青的低温性能，测试方法参照规范(JTGE20—2011)。(2)软化点试验：测试初始温度为5 ℃，水温上升速度为5 ℃/min，测试方法参照规范(JTGE20—2011)，以软化点评价沥青的热稳定性能。(3)延度试验：试验温度为10 ℃，拉伸速度为5 cm/min，测试方法参照规范(JTGE20—2011)，以延度评价沥青的延展性能。(4)动态剪切流变试验：当试验温度为52，58，64，70 ℃时，试验方法参照规范(AASHTO T 315—2020)^[18]，以复数剪切模量G^*、相位角δ和抗车辙因子G^*/sin δ评价沥青的高温流变性能。当试验温度为19，22，25，28，31 ℃时，试验方法参照规范(AASHTO T 315—2020)^[18]，以疲劳因子G^*·sin δ评价沥青的中温流变性能。(5)弯曲梁流变试验：试验温度为-6，-12和-18 ℃，试验方法参照规范(AASHTO T313—2005)^[19]，以劲度模量S和蠕变速率m评价沥青的低温流变性能。

1.3.2 沥青混合料性能试验

以AC-13级配中值为设计级配，如图 2所示。分别以4种沥青制作沥青混合料，测试其路用性能。试验前，先以马歇尔设计法获得基质沥青混合料、DCLR改性沥青混合料、WCO改性沥青混合料和5%DCLR/5%WCO复合改性沥青混合料的OAC₁分别为4.83%，5.48%，4.55%和5.02%，OAC₂分别为5.12%，5.14%，4.97%和5.27%，确定的最佳油石比分别为5.0%，5.3%，4.8%和5.1%，然后对4种沥青混合料的路用性能进行测试。由于制作混合料时，集料加热温度较高，WCO的轻质组分容易挥发，降低了复合改性沥青中WCO的掺量，同时为验证WCO掺量是否超过峰值反而降低沥青混合料的水稳定性能，因而增加5%DCLR+7%WCO复合改性和5%DCLR+9%WCO复合改性沥青混合料性能的测试。为书写方便，3种复合改性沥青混合料分别以5D+5W，5D+7W，5D+9W表示，其中数字表示掺量的百分比，字母D表示DCLR，字母W表示WCO。5D+7W和5D+9W复合改性沥青混合料的油石比与5D+5W复合改性沥青混合料相同。

路用性能试验方法包括：(1)高温稳定性：以车辙试验作为沥青混合料高温稳定性的试验方法，测试方法参照规范(JTG E20—2011)，以动稳定度作为评价指标。(2)低温抗裂性能：以低温小梁弯曲试验作为沥青混合料低温抗裂性能的试验方法，测试方法参照规范(JTG E20—2011)，以破坏应变作为评价指标。(3)水稳定性能：以浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验作为沥青混合料水稳定性的试验方法，测试方法参照规范(JTG E20—2011)，分别以马歇尔残留稳定度和冻融劈裂强度比作为评价指标。

2 试验结果与分析 2.1 沥青胶结料性能试验结果 2.1.1 常规性能指标

经过DCLR，WCO和DCLR/WCO复合改性后的沥青的针入度、延度和软化点如表 5所示。从表 5可以看出，加入DCLR后，沥青的针入度和延度分别降低了21.4%和72.9%，软化点升高了11.9%，说明添加DLCR后沥青的标号降低；加入WCO后，沥青的针入度和延度分别增大了38.9%和35.7%，软化点降低了14.9%，说明添加WCO后沥青的标号提升，这与曾飞等^[15]试验结果类似。对比DCLR/WCO复合改性沥青和DCLR改性沥青可以发现，针入度和延度分别增加了43.0%和18.4%，软化点降低了14.8%；对比DCLR/WCO复合改性沥青和WCO改性沥青可以发现，针入度和延度分别减少了19.1%和43.2%，软化点增加了12.1%，由此证实了DCLR和WCO具有调和作用，并且掺量5%的DCLR/WCO复合改性沥青接近于70^#沥青的指标要求。

2.1.2 感温性能

以针入度指数PI评价沥青的温度敏感性，针入度指数PI越大，沥青的温度敏感性越小。经过DCLR，WCO和DCLR/WCO复合改性后的沥青的针入度指数PI如图 4所示。从图 4可以看出，添加WCO后，沥青的针入度指数与基质沥青相比有所降低，说明WCO增大了沥青的感温性能，其原因是WCO中的油分较多，降低了沥青的分子量，分子量小的物质活化能更低，更容易受温度的影响。添加DCLR之后，沥青的针入度指数相比基质沥青增大，说明DCLR降低了沥青的感温性能，其原因可能是DCLR中的沥青质增加了沥青的分子量，分子量大的物质活化能更大，降低了其受温度的影响。添加DCLR/WCO复合改性后，沥青的针入度指数介于DCLR和WCO改性沥青之间，比基质沥青稍高，说明两种改性剂可以相互调和配制感温性能与基质沥青相当的沥青。从图 4还可以看出，DCLR/WCO复合改性沥青针入度指数在-2~2范围内，属于溶凝胶型结构，可以作为道路沥青使用^[20]，说明将DCLR/WCO复合改性沥青用于铺筑沥青路面是可行的。

2.1.3 高温性能

采用当量软化点T₈₀₀评价沥青的高温性能，4种沥青的当量软化点如图 5所示。曾梦澜等^[21]研究表明，当量软化点与PG高温等级有很好的相关性，当量软化点越高，其高温性能越好。从图 5可以看出，添加WCO后，沥青的当量软化点降低了约7.8%，高温性能降低，其原因是WCO油中的轻质组分含量较高，充当了沥青胶体之间的润滑剂，降低了沥青的黏聚力，因而高温性能下降。当添加DCLR后，沥青的当量软化点增大了约6.4%，高温性能提高，其原因是添加DCLR后沥青向凝胶结构转化，沥青胶体之间的润滑作用减弱，黏聚力增大，因而高温性能提升。当DCLR/WCO复合改性后，沥青的当量软化点与基质沥青相当，说明其高温性能与70^#沥青相当。

沈金安^[22]根据地区气候特点提出了沥青最低当量软化点要求，对照DCLR/WCO复合改性沥青的当量软化点可以发现，虽然当量软化点相比DCLR改性沥青有所降低，但5%掺量的DCLR/WCO复合改性沥青高温性能依然满足夏炎热地区的使用要求。

2.1.4 低温性能

采用当量脆点评价沥青的低温抗裂性能，4种沥青的当量脆点如图 6所示。曾梦澜等^[21]研究表明，当量脆点与PG低温等级相关性很好，当量脆点越低，其低温等级越低，抗裂性能越好。从图 6可以看出，添加WCO后，其当量脆点降低了约7.7%，低温性能变好，原因是WCO中的饱和分和芳香分含量较高^[2]，增加了沥青胶团之间的润滑作用，低温抗裂性能提升。当添加DCLR后，沥青的当量脆点增大了约9.6%，低温性能降低，其原因是添加DCLR后沥青向凝胶结构转化，沥青变脆，低温性能下降。当DCLR/WCO复合改性后，沥青的当量脆点与基质沥青相当，说明DCLR/WCO复合改性沥青的低温性能与基质沥青相当。

沈金安^[22]根据地区气候特点提出沥青的当量脆点要求，对照DCLR/WCO复合改性沥青的当量脆点可以发现，虽然当量脆点相比WCO改性沥青有所提高，但5%掺量的DCLR/WCO复合改性沥青低温性能依然可以满足冬寒区的使用要求。

2.1.5 流变性能

(1) 高温流变性能

4种沥青的高温复数模量和相位角如图 7所示。从图 7可以看出，4种沥青的复数模量均随温度升高而降低，相位角均随温度升高而下降。添加WCO后，沥青的复数模量降低，相位角增大，说明增加WCO使得沥青流动性增强，黏性成分增多。添加DCLR后，沥青的复数模量增大，相位角降低，说明添加DCLR使得沥青的流动性降低，弹性成分增加。添加DCLR/WCO复合改性后，复数模量比基质沥青稍高，相位角比基质沥青稍小。

采用抗车辙因子G^*/sin δ评价沥青的高温抗变形能力，车辙因子越大，沥青高温抗变形能力越强^[18]，4种沥青的车辙因子如图 8所示。从图 8可以发现，添加WCO后，沥青的抗车辙因子降低，说明其高温抗变形能力降低，而添加DCLR后，沥青的抗车辙因子提高，说明其高温抗变形能力增强，这些试验结果与当量软化点试验结果类似。当添加DCLR/WCO复合改性后，其抗车辙因子介于DCLR改性沥青与WCO改性沥青之间，且比基质沥青稍高，说明其抗变形能力比基质沥青稍好。

(2) 中温流变性能

以疲劳因子G^* ·sin δ评价沥青的中温流变性能，疲劳因子越小，说明沥青在中温变形耗散能量越多，产生越多微裂纹，其抗疲劳性能越差。4种沥青的疲劳因子如图 9所示。从图 9可以看出，添加WCO后，其疲劳因子较基质沥青变小，说明沥青的抗疲劳性能变好，原因是一方面WCO中的轻质组分更多，降低了沥青的复数模量；另一方面轻质组分增加了沥青了黏性成分，耗散能量的能力更强。添加DCLR后，其抗疲劳因子较基质沥青增大，其抗疲劳性能降低，原因是DCLR中含有更多的沥青质，增加了沥青的模量，同时芳香分等轻质组分也少，沥青的黏性成分降低，所以耗散能量的能力降低；添加DCLR/WCO复合改性后，其疲劳因子介于DCLR改性沥青与WCO改性沥青之间，比基质沥青稍高，说明其抗疲劳性能比基质沥青稍差，虽然如此，但是在整个测试温度范围内(除19 ℃)，都满足规范(AASHTO T 315—2020)对疲劳因子不超过5 000 kPa的要求^[18]。

(3) 低温流变性能

采用弯曲劲度模量S和蠕变速率m评价沥青的低温流变性能，低温劲度模量越小，蠕变速率越大，其低温性能越好^[19]。4种沥青的弯曲劲度模量S和蠕变速率m如图 10所示。从图 10可以看出，添加WCO后，沥青的劲度模量变小，蠕变速率增大，说明其低温流变变好，有利于低温抗裂性能，其原因同样与WCO含有更多的饱和分和芳香分有关。添加DCLR后，沥青的劲度模量增大，蠕变速率变小，说明其低温抗裂性能变差，其原因也与DCLR中含有更多的沥青质有关。添加DCLR/WCO复合改性后，沥青的劲度模量比DCLR改性沥青更低，蠕变速率更大，说明其低温抗裂性能得到改善。参照规范(AASHTO M 320—2010)确定DCLR/WCO复合改性沥青和基质沥青的临界温度^[23]，可以得到DCLR/WCO复合改性沥青的临界温度为-13.8 ℃，基质沥青的临界温度为-15.3 ℃，虽然复合改性后临界温度增高，但两者低温等级相同都是-22 ℃。

2.2 沥青混合料性能试验结果 2.2.1 高温性能

采用动稳定度评价6种沥青混合料的高温抗车辙性能，试验结果如图 11所示。从图 11可以看出，与基质沥青混合料相比，添加WCO后，沥青混合料的动稳定度约下降了27.6%，说明高温性能下降，其原因是WCO中的轻质组分过多，降低了沥青在高温时的黏聚力，致使WCO改性后高温抗车辙能力不足；当添加DCLR之后，沥青混合料的动稳定度提高了47%，说明其高温性能提升，其原因是DCLR中的沥青质含量较多，高温时沥青的黏聚力较大，高温的抗车辙能力提高。当DCLR/WCO复合改性后，沥青混合料的动稳定度介于WCO和DCLR改性沥青混合料之间，说明复合改性后可以调和两种废弃物对沥青混合料高温性能的影响，并且其动稳定度相比于基质沥青混合料均得到提高。对比3种DCLR/WCO复合改性沥青混合料的动稳定度可以发现，随着WCO含量的增加，动稳定度逐渐降低，5D+7W的动稳定度比5D+5W下降了5.1%，下降幅度较小，原因是因为混合料拌和过程中集料加热温度较高，WCO中有较多的轻质组分挥发，所以动稳定度下降幅度较小；而5D+9W的动稳定度比5D+5W下降了28%，降低幅度较大，也就是说虽然挥发的轻质组分较多，但是过量的WCO会造成高温性能的大幅下降，也说明了复合改性时5%DCLR掺量下的WCO掺量不宜过大，否则WCO对高温性能的削弱作用会超过DCLR对高温性能的提升作用，造成沥青混合料高温性能可能不足的问题。原因是因为混合料拌和过程中集料加热温度较高，WCO中有较多的轻质组分挥发，所以动稳定度下降幅度较小；而5D+9W的动稳定度比5D+5W下降了28%，降低幅度较大，也就是说虽然挥发的轻质组分较多，但是过量的WCO会造成高温性能的大幅下降，也说明了复合改性时5%DCLR掺量下的WCO掺量不宜过大，否则WCO对高温性能的削弱作用会超过DCLR对高温性能的提升作用，造成沥青混合料高温性能可能不足的问题。

2.2.2 低温抗裂性能

采用低温小梁的破坏应变评价6种沥青混合料的低温抗裂性能，试验结果如图 12所示。从图 12可以看出，添加WCO后，沥青混合料的破坏应变比基质沥青混合料提升了约23.6%，说明其低温抗裂性能提高，原因是WCO降低了沥青混合料的模量，提高了沥青混合料的应力松弛性能，因此沥青混合料量的柔韧变形能力更好。添加DCLR后，沥青混合料的破坏应变只有约1 600 με，比基质沥青混合料的破坏应变小，已经不能满足《公路沥青路面设计规范》(JTG D50—2017)对沥青混合料破坏应变的要求，原因是DCLR在沥青中不完全相容，微观层面上DCLR改性沥青存在一些聚集的DCLR小颗粒^[12]，这些DCLR小颗粒容易产生应力集中，造成破坏应变下降。当WCO和DCLR复合改性后，沥青混合料的低温破坏应变比DCLR改性沥青混合料分别提高了11%，19%和28%，其原因是WCO中的芳烃油，可以促进DCLR颗粒与基质沥青的相容性，减少了DCLR颗粒的聚集，让DCLR细化且分散更加均匀^[12]，应力集中现象减弱。对比3种DCLR/WCO复合改性沥青混合料的试验结果可以发现，破坏应变随着WCO掺量增加而增大，分别增大了6.9%和15.2%，都满足《公路沥青路面设计规范》(JTG D50—2017)对冬冷区沥青混合料破坏应变不低于2 000 με的要求，说明就低温性能而言，有进一步增加DCLR含量以达到消耗更多废弃物的潜力。

2.2.3 水稳定性能

采用马歇尔残留稳定度和冻融劈裂强度比作为6种沥青混合料水稳定性的评价指标，试验结果如图 13所示。从图 13可以看出，当以马歇尔残留稳定度为水稳定性评价指标时，掺加WCO后，其残留稳定度相比于基质沥青混合料提升了约7.8%，说明其抗水损害的能力提升，同时也说明选取5%的WCO掺量合理，因为当WCO掺量超过某一含量后会降低沥青与集料的黏附性^[2]；当掺加DCLR改性后，其残留稳定度相比于基质沥青混合料增大了约8.3%，抗水损害能力提高，其原因是DCLR可提高沥青与集料之间的黏附性，同时也可提高沥青之间的黏聚力^[9-10]，因此沥青混合料的水稳定性能提高；当WCO/DCLR复合改性后，5D+5W的残留稳定度比基质沥青混合料提高约10.7%。但是随着复合改性沥青中WCO含量的提高，5D+7W的残留稳定度与5D+5W相当，5D+9W相比5D+5W下降了约3.3%。也就是说，随着WCO含量的提高，复合改性沥青混合料的残留稳定度有下降的趋势，由此说明复合改性后WCO的掺量不宜高于7%，否则对抗水损害性能不利。

当以冻融劈裂强度比为评价指标时，与基质沥青混合料相比，添加WCO后，沥青混合料的冻融劈裂强度比提升了约1.5%，说明其抗水损害的能力提升，此结果与残留稳定度评价结果类似；当添加DCLR之后，沥青混合料的冻融劈裂比同样增大了4.3%，说明其抗水损害能力同样提高；当WCO和DCLR复合改性后，5D+5W，5D+7W，5D+9W相比于基质沥青混合料的冻融劈裂强度比分别提高了5.8%，4.6%和1.8%，且都满足《公路沥青路面设计规范》(JTG D50—2017) 对沥青混合料冻融劈裂强度比不低于75%的要求。对比3种复合改性混合料的试验结果可以发现，冻融劈裂强度比随着WCO的提高同样有下降的趋势，说明过多的WCO对复合改性后沥青混合料的水稳定性能不利，这是因为WCO中过多的油分会降低沥青与集料之间的黏附性的缘故。

3 结论

本研究以DCLR和WCO复合改性沥青作为研究对象，对比了WCO，DCLR和DCLR/WCO复合改性沥青的性能以及混合料路用性能，并与基质沥青进行了对比。得到以下结论：

(1) 当以5%掺量的DLCR改性沥青后，其针入度和延度约下降了21.4%和72.9%，软化点升高了11.9%，沥青标号降低；当以5%掺量的WCO改性沥青后，针入度和延度分别增大了38.9%和35.7%，软化点降低了14.9%，沥青标号提高；当以5%DCLR和5%WCO复合改性沥青后，其针入度、软化点和延度与70^#基质沥青相当。

(2) 与基质沥青相比，当DLCR改性后，针入度指数降低，当量软化点增大了约6.4%，当量脆点增大了约9.6%，复数模量增大，相位角减小，抗车辙因子增大，疲劳因子降低，低温劲度模量和蠕变速率降低；当WCO改性后，针入度指数增加，当量软化点降低了约7.8%，当量脆点降低了约7.7%，复数模量降低，相位角增大，抗车辙因子减小，疲劳因子增大，低温劲度模量和蠕变速率增大；当DCLR/WCO复合改性后，中温抗疲劳性能稍差，其高温性能满足夏炎热地区的使用要求、低温性能满足冬寒区的使用要求。

(3) 与基质沥青混合料相比，DLCR改性沥青混合料的动稳定度提高了47.1%，破坏应变降低了18.6%，残留稳定度提升了8.3%，冻融劈裂比提升了4.3%；WCO改性沥青混合料的动稳定度约下降了27.6%，破坏应变提升了23.6%，残留稳定度提升了7.8%，冻融劈裂比提升了1.5%；5D+5W复合改性沥青的高温稳定性、低温抗裂性能和水稳定性能均能满足设计规范要求。

(4) 随着DCLR/WCO复合改性沥青混合料中WCO的提高，动稳定度分别下降了5.1%和28.2%，高温性能下降，说明在5%DCLR掺量下WCO掺量不宜过高；低温破坏应变分别增大了6.9%和15.2%，低温抗裂性能提升；马歇尔残留稳定度和冻融劈裂强度比均有下降趋势，5D+9W的残留稳定度和冻融劈裂强度比与5D+5W相比分别下降了约3.3%和3.7%，说明在5%DCLR掺量下WCO掺量不宜超过7%，否则对水稳定性不利。