Experimental and Life Cycle assessment of RAP modified with Fe2O3 and Waste Cooking Oil Admixtures

技术摘要：添加 $\text{Fe}_2\text{O}_3$ 与废弃食用油改性 RAP 的实验研究与生命周期评估

问题陈述
沥青路面经常遭受各种病害，如低温下的热开裂、高温下的车辙以及水损害，这些是由重载交通、施工缺陷和环境因素驱动的。虽然沥青添加剂可以改善性能，但单一改质剂很难同时提升所有特性。此外，道路建设行业严重依赖自然资源和高能耗过程，导致了显著的环境污染。尽管已有研究分别对再生沥青混合料（RAP）、废弃食用油（WCO）和纳米 $\text{Fe}_2\text{O}_3$ 进行了调查，但目前仍缺乏关于将它们复合应用于 RAP 混合料中的研究，也缺乏对其综合机械性能和环境影响进行系统量化的研究。

研究方法
本研究采用双添加剂改性方法来评估 RAP 沥青混合料。研究制备并测试了五种不同的混合料：

1. 对照组混合料（原生沥青）。
2. RAP 混合料（20% RAP）。
3. 使用不同剂量废弃食用油（WCO）改性的 RAP 混合料（5%、7%、9%）。
4. 使用不同剂量纳米 $\text{Fe}_2\text{O}_3$ 改性的 RAP 混合料（2%、3%、4%）。
5. 纳米 $\text{Fe}_2\text{O}_3$ 与 WCO 复合改性的 RAP 混合料。

实验评估：

• 试件制备： 采用干拌法。将集料加热至 175°C，与添加剂混合，随后加入 160–170°C 的原生沥青（60/70 级），最后加入填料。
• 机械性能测试：
  • 马歇尔试验（Marshall Test）： 确定最佳沥青含量、稳定性、流值、密度和空隙率。
  • 轮碾试验（Hamburg）： 在 60°C、0.7 MPa 压力下评估抗车辙能力。
  • 马歇尔浸水试验（Marshall Immersion）： 评估抗水损害能力（含水敏感性比率 - MSR）。
  • 间接拉伸强度（ITS）： 在 -5°C 下测量低温开裂抗力。
• 生命周期评估（LCA）：
  • 功能单位： 长度 1 km × 宽度 1 m 的磨耗层（设计寿命 15 年，日交通量 20,000 辆车）。
  • 系统边界： 包括原材料生产、沥青混合料制造、运输和磨耗层施工。不包括设计、使用和废弃处理阶段。
  • 工具与数据： 使用 SimaPro 9.1.0 软件、Ecoinvent 数据库（V 3.6）和 CML2001 影响评估方法。
  • 影响类别： 评估了 10 个类别，包括全球变暖潜势（GWP）、酸化（AP）、富营养化（EP）、臭氧层消耗（OLD）以及各种毒性潜力。

主要结果

• 机械性能：
  • 抗车辙能力： 纳米 $\text{Fe}_2\text{O}_3$ 显著提高了抗车辙能力。复合混合料（M8）实现了最大的改进，与对照组相比，车辙深度降低了 38.60%。单独使用 WCO 会略微增加车辙深度。
  • 低温开裂： 与纳米 $\text{Fe}_2\text{O}_3$ 相比，WCO 在抗热开裂方面表现出更优越的效果。复合混合料（M8）记录了最高的间接拉伸强度（ITS），较对照组提高了 30.21%。
  • 抗水损害能力： 纳米 $\text{Fe}_2\text{O}_3$ 对抗水损害的影响大于 WCO。复合混合料（M8）实现了最高的含水敏感性比率（MSR），较对照组增加了 8.24%。
  • 最佳剂量： 根据马歇尔试验结果，4% 纳米 $\text{Fe}_2\text{O}_3$（M4）和 9% WCO（M7）被确定为单改质混合料的最佳剂量。
• 环境性能（LCA）：
  • 单一种类改质剂： 与对照组相比，RAP 混合料（M1）在所有类别中均改善了环境影响。纳米 $\text{Fe}_2\text{O}_3$ 混合料（M4）在改质混合料中表现出最佳的整体环境特征，尽管其在 EP、GWP、TETP 和 OLD 类别中出现了轻微的负面影响。WCO 混合料（M7）也改善了环境特征，但在类似类别中显示出负面影响。
  • 复合改质剂： 复合混合料（M8）通常比对照组改善了环境特征，但相对于其他改质混合料，它在多个类别（TETP、AP、EP、OLD、GP）中显示出最高的负面影响。
  • 过程贡献： 沥青生产是 AP、EP、GWP、HTP、FWETP、MAETP 和 POFP 的主要驱动因素。沥青混合料制造驱动了 OLD 影响，而运输驱动了 ADP 和 TETP。
  • 权重分配： 使用加拿大专家小组权重法，所有改质混合料显示的总体环境影响均低于对照组。纳米 $\text{Fe}_2\text{O}_3$ 改质混合料（M4）具有最低的总体环境影响，其次是复合混合料（M8）。

意义与主张
作者声称，本研究首次对使用 WCO 和 纳米 $\text{Fe}_2\text{O}_3$ 的 RAP 沥青复合改质进行了系统性调查。研究表明，虽然单一种类添加剂具有特定的优势（纳米 $\text{Fe}_2\text{O}_3$ 侧重于抗车辙和抗水损害；WCO 侧重于抗低温开裂），但复合方法能产生最佳的整体机械性能，能够同时显著增强抗车辙、抗水稳定性和抗热开裂能力。

关于环境可持续性，研究得出结论：虽然复合混合料提供了卓越的机械性能，但考虑到加权影响类别，单种纳米 $\text{Fe}_2\text{O}_3$ 改质提供了最有利的整体环境特征。论文断言，复合添加剂是一种可行的策略，可以在不损害环境可持续性的情况下提高沥青混合料的整体效率和服务寿命，为埃及及类似背景下的道路建设政策决策提供数据支持。作者强调，没有一种添加剂可以同时增强所有混合料特性，从而证明了复合解决方案的必要性。