可持续利用植物油来恢复老化的SBS改性沥青性能：兼顾初期恢复效果与长期耐久性

《Journal of Cleaner Production》：Sustainable plant-oil rejuvenation of aged SBS-modified asphalt: Balancing initial recovery and secondary-aging durability

　　•植物油在老化的SBS改性沥青中诱导出了不同的恢复-耐久性路径。•初期的软化并没有恢复到类似原始SBS网络的状态。•傅里叶变换红外光谱（FTIR）显示的氧化增长与流变学上的再硬化呈正相关。•荧光分析显示的是局部相重组，而不是网络恢复。•基于耐久性的筛选有助于选择可再生和废油来源的油品。

引言
回收沥青路面（RAP）的高价值利用减少了原始骨料和石油沥青的消耗，限制了废料堆积，并支持低碳铺路工程（Bhatt和Wu，2025年）。在服役过程中，RAP中的老化粘合剂会受到热氧化老化、紫外线（UV）辐射、湿气和交通负荷的影响，导致轻质组分损失、氧化基团积累、粘度和刚度增加、应力松弛减弱以及低温下的流变和化学性能下降（Huang等人，2025年）。对于苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）改性沥青来说，这个问题更加复杂，因为有效的恢复不仅需要重新平衡老化的沥青基质，还需要保持SBS相关结构、聚合物相形态和相稳定性（Xu等人，2022年）。因此，老化的SBS改性沥青的恢复不能简单地理解为粘度降低或表观软化，正如通常对传统老化沥青所做的假设。由于SBS改性沥青的老化涉及基质老化和聚合物降解，因此应该区分不同的恢复机制。Shi等人使用分子动力学模拟研究了在反应体系中，添加了光组分以及甲基桥联（4-环己基异氰酸酯）或1,6-己二醇二缩水甘油醚来修复断裂的SBS链的情况。他们的模拟评估了SBS结构在分子模型中重建后的非键合能、自由体积分数、SBS-沥青相互作用和扩散行为的变化（Shi等人，2023年）。Xu等人将反应性修复剂分为环氧类、异氰酸酯类、化合物类和聚合物类（Xu等人，2024年）。聚丁二烯链段的氧化断裂会产生含有羟基和羧基的片段；环氧化合物可能通过开环加成重新连接这些片段，而异氰酸酯则通过加成或缩合相关途径反应（Xu等人，2024年）。后续研究检查了废油和异氰酸酯体系、环氧-异氰酸酯复合配方、环氧和二异氰酸酯修复剂之间的直接比较以及催化剂辅助的环氧体系，总体上表明反应性修复效率取决于配方（Zhang等人，2024年；Niu等人，2025年；Xie等人，2024年；Li等人，2025a）。因此，反应性修复是重新连接降解SBS链段的一种可能途径。

另一种恢复途径依赖于传统的油类修复剂，包括石油来源的芳香族提取物和合成油配方，这些主要补充了流动性组分并迅速降低了老化粘合剂的粘度。然而，石油来源的修复剂依赖于不可再生原料，资源循环利用能力有限（Bhatt和Wu，2025年；Xu等人，2022年）。一些化学合成的反应性修复剂可能需要复杂和昂贵的制备过程，这可能限制其实际大规模应用（Xu等人，2025b），而高温下的反应性修复也可能根据配方产生挥发性有机化合物排放问题（Niu等人，2025年）。基于生物的油提供了一种替代方案，因为可再生的植物油和回收的废油可以支持化石资源的替代和废物利用。根据2026年7月美国农业部发布的《油籽：世界市场和贸易》报告，2025/26销售年度全球主要植物油产量估计为2.3848亿吨（Mt）。这一总数包括7236万吨大豆油和631万吨花生油（美国农业部和外国农业服务局，2026年）。另外，2022年国际能源署的分析表明，全球每年收集中使用过的食用油的潜力约为1200万吨（国际能源署，2022年）。这些数字表明，可再生和回收的油品原料具有丰富的全球资源基础，适用于生物基沥青的修复。从粘合剂的角度来看，许多植物油的低粘度和含氧极性基团可以促进润湿、扩散、组分重新平衡和粘弹性恢复（Cavalli等人，2024年；Zhou等人，2024年；Li等人，2025b）。总的来说，这些资源和功能优势支持在老化沥青修复中大规模使用选定的生物基油的潜力，优先考虑标准化的废油和工业副产品流。

植物油修复剂在成分上多种多样，不同的生物油可以产生不同的流变响应和修复机制，包括在老化的SBS改性沥青中（Wang等人，2023年；Huo等人，2024年）。对于用废食用油（WCO）修复的沥青，油源、组分结构和再老化历史可以改变流变、化学和微观结构响应（Jain等人，2024年；Zhao等人，2024年；Li等人，2024年），而紫外线辐射和UV-湿气耦合进一步影响沥青的劣化（Bi等人，2025年；Lopes等人，2025年）。因此，仅依靠初始恢复不足以评估植物油修复的老化SBS改性沥青，还应考虑热氧化和紫外线老化后的性能保持情况。界面粘附性是耐久性评估中的另一个关键维度。先前的研究表明，WCO修复剂可以改变老化沥青-矿物质的界面相互作用、湿度稳定性和整体胶体结构（Yan等人，2024年；Xu等人，2025a）。沥青结合强度（BBS）研究表明，湿度处理可以降低拉拔强度（POTS），改变失效模式，并需要综合解释强度和粘附/内聚失效特性（Moraes等人，2011年；Aguiar-Moya等人，2015年）。对于修复后的老化SBS体系，老化引起的硬化可能会提高干态峰值强度，但不会改善湿态强度保持和失效模式稳定性。因此，应同时评估强度保持和失效模式演变。

化学演变和微相形态可以为这些宏观差异提供机制支持。傅里叶变换红外光谱可以识别氧化特征，如羰基和亚砜基团，这些通常与流变硬化和耐久性损失相关（Madeira等人，2022年）。对于来自RAP的老化SBS改性沥青，修复还取决于分子结构、形态、SBS相演变和界面行为（Dong等人，2023年）。反应性、功能化或极性的生物修复剂可能会进一步修改聚合物相关结构和化学-流变响应（Yang等人，2022年；Uchoa等人，2024年）。然而，在相同老化框架下对不同植物油修复剂进行系统的比较仍然有限。总体而言，尽管基于生物的油修复剂、WCO、复合修复剂和反应性修复剂在沥青修复方面取得了进展，但仍存在三个差距。首先，在相同剂量和老化框架下直接比较代表性的植物油修复剂仍然不足，特别是对于老化SBS改性沥青而言，基质软化并不一定表示聚合物相关结构的恢复。其次，当前的评估主要集中在初始阶段的物理性质、工作性和流变恢复上，而二次热氧化和紫外线老化后的性能保持情况仍然研究不足。第三，目前尚不清楚植物油修复剂是否仅恢复表观流动性，或者还调节了基质氧化、SBS富集相的重新分布、流变响应、低温松弛和界面失效模式的耦合演变。这些差距限制了基于耐久性的植物油修复剂选择。

因此，本研究选择了八种代表性的植物油修复剂用于老化SBS改性沥青，并系统比较了它们在短期老化（STA）、长期老化（LTA）和紫外线老化条件下的初始恢复和随后的演变。通过基本的物理性质测试、Brookfield粘度测试、动态剪切流变仪（DSR）测试、弯曲梁流变仪（BBR）测试、BBS测试、衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）和荧光显微镜，本研究旨在解答三个问题：不同的植物油修复剂是否仅恢复流动性，或者诱导出不同的恢复-保持路径；更强的初始恢复是否必然与更好的二次老化抵抗力相关；以及在热氧化和紫外线老化过程中，高温、低温、界面、化学和微相特性是否具有一致性演变。这项工作为针对性选择植物油修复剂和评估老化SBS改性RAP系统的耐久性提供了基础。

**材料片段**
本研究中使用的回收沥青路面（RAP）来源于中国江苏省S334省道的泰兴路段，原混合料为SMA-13。为了最小化采样干扰，RAP是在热再生施工过程中经过红外加热后通过铣削获得的（图1）。RAP的沥青含量和 moisture 含量分别为5.09%和2.83%。恢复的老化粘合剂的基本性质总结在表1中。

**基本物理性质**
在初始条件、STA、LTA、UV0.5、UV1和UV2条件下测量了针入度、软化点和延展性。结果显示在图2和图3中。与原始SBS相比，老化粘合剂的针入度降低了66.6%，从63.7 mm降至21.3 mm；延展性降低了94.2%，从622 mm降至36 mm。相比之下，软化点仅增加了1.70°C，从76.8°C升至78.5°C，表明服役老化主要导致了硬化和脆化。

**结论**
基于基本物理性质、Brookfield粘度、DSR、BBR、BBS、FTIR和荧光显微镜，本研究比较了使用八种植物油修复剂修复的老化SBS改性沥青的初始恢复和二次老化演变。主要结论如下：
(1) 植物油修复有效缓解了老化SBS改性沥青的高粘度、刚度和脆化问题。在初始阶段，针入度增加了14.1-200.0%，延展性增加了...

**局限性与未来工作**
尽管本研究系统地比较了八种植物油修复剂对老化SBS改性沥青的效果，但仍存在几个局限性。二次老化评估使用了不同的RTFOT、PAV和UV协议，这些协议支持受控的耐久性筛选，但不能完全再现包含湿度、交通负荷、太阳辐射和季节变化的现场条件。此外，结论主要基于沥青提取和回收后的粘合剂尺度测试得出，应该进一步验证这些结果。

**作者贡献声明**
Tianyi Sang：撰写-原始草稿、方法论、调查、正式分析、概念化。
Yao Zhang：撰写-审稿与编辑、项目管理、方法论、资金获取、数据管理。
Aihong Kang：可视化、软件、资源支持。
Zhaopeng Zhou：可视化、验证、软件支持。
Chao Sun：验证、方法论、调查。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

**致谢**
本研究得到了中国国家高层次人才博士后计划（BX20230302）、国家自然科学基金（编号52108422和52578539）和江苏省研究生实践创新项目（编号KYCX25_3978）的财政支持。

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