推进采用环保SBS改性剂的沥青技术及其可持续解决方案：性能、作用机理与风险评估

《TRANSPORTATION RESEARCH PART D-TRANSPORT AND ENVIRONMENT》：Advancing eco-friendly SBS-modified asphalt with sustainable solutions: performance, mechanisms, and risk assessment

沥青改性材料的环境健康风险与性能平衡研究

　　沥青材料作为道路建设中广泛使用的一种粘结剂，长期以来因其优良的机械性能、耐疲劳性、自愈能力和对不同气候条件的适应性而受到青睐。然而，随着对环境和健康影响的关注日益增加，沥青材料被认定为挥发性有机化合物（VOCs）和多环芳烃（PAHs）等有害空气污染物的重要来源。这些污染物在大气中经过氧化反应，会形成臭氧（O?）和二次有机气溶胶（SOA），进而对人类健康和生态环境构成威胁。因此，研究如何通过可持续的材料改性方法，降低沥青材料的排放，同时确保其工程性能不受显著影响，成为当前研究的重要方向。

本研究旨在通过多学科方法，评估生物基活性炭粉末（ACP）和膨胀石墨（EG）对SBS改性沥青的环境与健康风险缓解效果，以及其在性能提升方面的潜力。SBS改性沥青因其在高温和低温下的良好变形抗性、机械强度的增强以及使用寿命的延长，已成为公路工程中的主流材料。然而，SBS改性沥青在长期使用过程中仍可能释放一定量的有机污染物，影响环境和人体健康。因此，研究引入了具有吸附性能的生物基材料，以期在减少排放的同时，不牺牲其基本的工程性能。

ACP和EG作为两种常见的吸附材料，其物理和化学特性使其在沥青改性中具有较大的应用潜力。ACP来源于林业和农业废弃物，具备较高的比表面积和吸附能力，同时具有环保和经济优势。EG则因其高度多孔结构、大比表面积、表面能、导电性和机械柔性，被认为在抑制毒性、减少烟雾和提高阻燃性方面具有显著效果。本研究通过实验和分析，探讨了这两种材料在SBS改性沥青中的作用机制，以及其在不同添加比例下的性能表现和健康风险控制效果。

在实验方法上，采用了头空间气相色谱-质谱联用技术（HS-GC–MS）对沥青的有机排放进行定量分析，并结合多种指标，如臭氧形成潜力（OFP）、二次有机气溶胶形成潜力（SOAFP）、理论嗅觉浓度（C?d）、非致癌危害指数（HI）和终身致癌风险（LCR），评估其对环境和健康的影响。同时，通过动态剪切流变仪（DSR）和表面自由能（SFE）测试，分析沥青的流变性能和表面特性。此外，利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、差示扫描量热法（DSC）和荧光显微镜（FM）对沥青的组成和微观结构变化进行研究，以揭示其改性机制。

研究结果表明，ACP和EG在减少有机排放和潜在的二次污染物方面表现出显著效果。其中，3% ACP在环境、健康和性能之间的平衡表现最佳，成为推荐的实用选项。然而，尽管这两种材料均能提高沥青的高温性能，但对低温性能和粘附性产生了不利影响。因此，需要在沥青材料的改性过程中，权衡其环境和健康效益与工程性能之间的关系，寻找最优的添加比例。

通过统计分析，如皮尔逊相关分析、回归分析和主成分分析（PCA），进一步探讨了添加剂量与性能、环境和健康指标之间的关系。研究发现，不同添加比例的ACP和EG对各项指标的影响存在显著差异。例如，随着ACP添加比例的增加，其对有机排放的抑制效果逐渐增强，但对沥青的低温性能和粘附性产生负面影响。而EG在较低添加比例时对非致癌和致癌风险的降低效果更为显著，但其对沥青高温性能的提升幅度较大。

从机制层面来看，DSC测试表明，ACP和EG的添加提高了沥青的玻璃化转变温度（Tg），这可能与其对沥青分子间相互作用的改变有关。FTIR测试显示，这两种材料对沥青的化学结构影响较小，主要作用在于物理吸附，从而减少小分子的挥发。FM测试则揭示了ACP和EG可能对SBS聚合物的网络结构形成产生一定影响，导致其在老化过程中性能下降。

综合分析表明，虽然ACP和EG在降低有机排放和健康风险方面表现出色，但它们对沥青的低温性能和粘附性有一定的负面影响。因此，研究建议在实际应用中选择3% ACP作为最佳的改性剂，以实现对环境和健康影响的最小化，同时保持沥青材料的性能优势。此外，未来的研究应进一步探讨ACP在纳米尺度上的微观相互作用，以及其对沥青性能的长期影响。同时，通过分子动力学（MD）模拟和动物实验，进一步验证其在实际环境中的适用性和安全性。这将有助于推动新一代低排放、环保且具备良好工程性能的沥青材料的发展，从而实现可持续的交通基础设施建设。