木焦油基高含量橡胶改性沥青：性能及生产阶段的环境与经济评估

《Sustainable Production and Consumption》：Wood tar-based high-content rubber modified asphalt: Performance and production-stage environmental and economic assessment

　　

摘要

废轮胎橡胶（WTR）在沥青改性中的大规模利用受到高粘度和储存稳定性差的限制。为了提高WTR的利用率并促进生物质废物的资源化，本研究提出了一种基于WTR和废木焦油（WWT）利用的高含量橡胶改性沥青。通过流变测试系统评价了不同WTR和WWT含量对胶结料性能的影响。采用红外光谱和荧光显微镜研究改性机理，并通过混合料试验验证其工程适用性。进行生命周期评价（LCA）和生命周期成本分析（LCCA）以量化其环境和经济影响。结果表明，掺入WTR通常能提高车辙抗力、低温抗裂性和预测的抗疲劳性，而WWT通过促进橡胶-沥青相互作用和使WTR更均匀分散来降低粘度并改善储存稳定性。5–30和10–35配方满足胶结料和混合料规范，其中5–30表现出更优的抗水损性能。与SBS改性沥青相比，WWT–WTR体系在生产阶段的环境影响和成本更低。当WTR和WWT均作为原材料处理时，温室气体排放和能耗分别降低24.9–25.9%和52.3–57.0%。当WTR作为再生废弃物处理而WWT作为原材料时，降幅分别增至74.9–83.8%和63.7–70.1%。因此，推荐在需要更高抗水损性能的地区使用5–30配方，而10–35配方因更高的废物利用率和更优的环境与经济效益而更适合一般应用。这些发现展示了WWT促进高含量WTR利用的潜力。未来工作将聚焦于长期耐久性、现场验证以及从摇篮到坟墓的可持续性评估。

引言

道路建设与养护相关的资源消耗和环境影响已成为全球关注的重大问题（Anupam等，2023；Chowdhury等，2010）。沥青路面作为全球公路系统中最广泛使用的路面类型，在材料生产和施工过程中需要大量石油基资源，同时伴随显著的能源消耗和温室气体排放（Anupam等，2023）。在全球减碳目标的驱动下，在保持满意性能的同时提高资源效率并最小化环境影响已成为路面工程领域的一项关键研究重点。

通过利用工业固体废物和生物质资源开发可持续道路材料，已被广泛认为是推动交通基础设施绿色转型的重要技术途径（X.Q. Zhang等，2025）。在这些方法中，用废轮胎橡胶（WTR）改性沥青已成为应用最广泛的技术之一（Mohajerani等，2020）。大量研究和工程实践表明，WTR可吸收沥青中的轻组分并发生溶胀，从而改变沥青胶结料的胶体结构，提高其粘弹性、抗车辙性和抗疲劳性（Duan等，2022）。此外，橡胶改性沥青为废旧轮胎的循环利用提供了有效手段，在减少固体废物堆积方面具有显著效益（Tushar等，2022）。因此，该技术被认为是道路工程中一种有前景的方法。

然而，虽然WTR能提高沥青胶结料的性能，但由于胶结料粘度升高，其会影响施工和易性并增加能耗（Li等，2022）。因此，常用的WTR掺量通常维持在15–25%的范围内（X. Wang等，2022）。为进一步增强WTR的资源化利用，高含量橡胶改性沥青（HRA）近年来吸引了越来越多的研究关注（Nanjegowda和Biligiri，2023；M. Zhang等，2025）。提高橡胶含量可以改善沥青材料的弹性恢复和抗疲劳性，同时实现对更多WTR的回收。然而，单纯提高橡胶含量会显著增加胶结料粘度，导致储存稳定性降低和施工和易性变差（Guo和Chen，2013）。此外，WTR与基体沥青之间的界面相容性不足可能不利影响材料的长期稳定性。因此，通过有效方法提高沥青中橡胶的分散性和相容性，已成为实现HRA性能优化和稳定应用的关键研究方向。

在此背景下，本研究提出一种改性沥青体系，其中采用废木焦油（WWT）来调节WTR与基体沥青胶结料之间的相互作用。该体系促进WTR在沥青基质中的稳定分散，使掺入更高含量的WTR成为可能，并提升所得材料的整体性能。本文其余部分结构如下：第2节综述相关文献，识别研究空白，并突出本研究的科学贡献。第3节描述原材料的性质、性能评价方法以及环境和经济效益评估的计算程序。第4节呈现研究结果。第5节讨论研究发现并提出相应的政策建议。最后，第6节总结本研究的主要结论。

章节摘要

文献综述

本节对与本项研究直接相关的三个主题的现有研究进行综述：HRA的合成方法、WWT的当前应用，以及路面材料生命周期评价（LCA）的最新进展。

材料与方法

主要材料包括基质沥青、WWT、WTR和集料。所采用的研究方法主要分为三部分：改性沥青胶结料和混合料的制备、材料性能测试，以及环境影响和经济效益的计算方法。本研究的整体方法框架总结见图1。

沥青胶结料性能

沥青胶结料测试包括频率扫描、温度扫描、多重应力蠕变恢复（MSCR）、线性幅度扫描（LAS）以及BBR测试。

讨论

考虑到胶结料和混合料层面的测试结果，5–30和10–35配方满足了相关的技术要求，表明WWT–WTR改性沥青具有进一步工程规模验证的潜力。掺入WWT不仅提高了高含量WTR体系的储存稳定性，而且在不同的环境条件下进一步降低了相对于传统橡胶沥青的生产阶段能耗和碳排放

结论

本研究系统评价了采用WWT和WTR改性沥青胶结料的流变性能、混合料性能以及生命周期环境和经济效益。主要结论总结如下：

• (1)
  WTR与WWT共同掺入改善了沥青胶结料的高温变形抗力、低温柔韧性和抗疲劳性。综合考虑流变性能和施工和易性，选取5–30和10–35配方进行进一步

CRediT作者贡献声明

Yuheng Chen：撰写—初稿、数据整理。Zhongshi Pei：撰写—审阅与编辑、资金获取。Yangming Xing：方法论、概念化。Maurizio Crispino：撰写—审阅与编辑。Emanuele Toraldo：撰写—审阅与编辑。Decheng Feng：概念化。Zhen Leng：撰写—审阅与编辑、资金获取。Junyan Yi：资金获取。

资金支持

本研究得到以下项目的支持：黑龙江省博士后资助（LBH-Z24154）、中国博士后科学基金会（CPSF）博士后资助计划（GZC20242207）、环境与保护基金—研发项目（143/2025）、香港理工大学（PolyU）RCRE项目（1-BBH5）以及辽宁省交通建设投资集团有限责任公司科研项目（202401）。土木与环境工程系交通基础设施实验中心（InfraLab）的

未引用参考文献

Butt，2012

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到以下项目的支持：黑龙江省博士后资助（LBH-Z24154）、中国博士后科学基金会（CPSF）博士后资助计划（GZC20242207）、环境与保护基金—研发项目（143/2025）、香港理工大学（PolyU）RCRE项目（1-BBH5）以及辽宁省交通建设投资集团有限责任公司科研项目（202401）。土木与环境工程系交通基础设施实验中心（InfraLab）的

Yuheng Chen|Zhongshi Pei|Yangming Xing|Maurizio Crispino|Emanuele Toraldo|Decheng Feng|Zhen Leng|Junyan Yi

哈尔滨工业大学 交通科学与工程学院，中国哈尔滨