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        一種基于熵權(quán)-TOPSIS決策支持方法的橡膠瀝青粘度降低方案

        《TRANSPORTATION RESEARCH PART D-TRANSPORT AND ENVIRONMENT》:An entropy weight-TOPSIS decision support method for viscosity reduction of rubberized bitumen

        【字體: 時間:2026年02月28日 來源:TRANSPORTATION RESEARCH PART D-TRANSPORT AND ENVIRONMENT 7.7

        編輯推薦:

          中國七大氣候區(qū)中,溫拌橡膠瀝青(WMA-CRMB)與脫硫橡膠瀝青(D-CRMB)的適用性通過熵權(quán)-TOPSIS模型評估。結(jié)果顯示:WMA-CRMB高溫及中溫性能更優(yōu),但成本能耗最高;D-CRMB綜合成本效益和能耗更低,尤其適合熱帶及寒冷地區(qū)。

          
        陳兆杰|胡啟陽|陳瑞琪|李丹寧|冷珍
        香港理工大學(xué)土木與環(huán)境工程系,香港九龍紅磡

        摘要

        通過回收廢舊輪胎,碎橡膠改性瀝青(CRMB)為道路鋪設(shè)提供了可持續(xù)的解決方案,但其高粘度顯著限制了其應(yīng)用范圍。兩種主要的降粘方法——溫拌瀝青(WMA)和橡膠脫硫——在生產(chǎn)設(shè)備、成本和性能方面存在差異,這使得在不同氣候和交通條件下選擇降粘策略變得復(fù)雜。因此,本研究提出了一種新的決策框架,通過將熵權(quán)重方法與基于理想解相似性排序技術(shù)(TOPSIS)模型相結(jié)合,考慮了可施工性、機(jī)械性能、成本和能耗等因素,以支持降粘策略的確定。對中國七個氣候區(qū)不同降粘方案進(jìn)行了綜合排名。結(jié)果表明,溫拌CRMB在高溫和中等溫度下的性能更好,但成本和能耗較高;而脫硫技術(shù)則具有更優(yōu)的能源和經(jīng)濟(jì)性,適用于熱帶和寒冷地區(qū)。

        引言

        汽車行業(yè)的快速增長導(dǎo)致全球每年產(chǎn)生的廢舊輪胎(ELT)超過18億噸(Sudan等人,2025年)。傳統(tǒng)的廢舊輪胎處理方法(如焚燒和堆放)會向大氣、土壤和水中釋放有害化合物,造成長期的環(huán)境污染(Lo Presti,2013年)。為了解決這一問題,道路行業(yè)提出了一種替代處理方法,即將廢舊輪胎加工成碎橡膠改性劑(CRM),并將其回用于瀝青鋪設(shè)中。根據(jù)添加時間的不同,橡膠化瀝青可以分為干法和濕法兩種工藝。在濕法工藝中,CRM首先與瀝青混合生成碎橡膠改性瀝青(CRMB)。在此過程中,CRM顆粒膨脹并吸收輕質(zhì)瀝青組分(飽和烴和芳香烴相),形成一層凝膠層。這些層的相互作用使得CRMB具有高粘度和半固態(tài)特性(Li等人,2022年),這主要增強(qiáng)了CRMB的抗車轍性和抗裂性(Khasawneh等人,2024年)。然而,這種結(jié)構(gòu)變化也導(dǎo)致CRMB的粘度迅速增加,嚴(yán)重影響了其可施工性。據(jù)報(bào)道,原始瀝青的粘度在添加20%的CRM后可能從500 cP增加到10,700 cP(Huayang,2017年)。CRMB的過高粘度要求在鋪設(shè)過程中使用更高的混合和壓實(shí)溫度,從而增加了能源消耗和有害氣體的排放。
        為了提高CRMB的可施工性,廣泛采用了兩種降粘策略:溫拌瀝青(WMA)技術(shù)和脫硫技術(shù)(Wang等人,2024年;Yu等人,2023年)。WMA技術(shù)通過添加WMA添加劑,在較低溫度下生產(chǎn)瀝青鋪設(shè)材料,有效解決了CRMB的可施工性問題。WMA添加劑可分為三類:(i)泡沫基添加劑,通過產(chǎn)生泡沫來增加粘合劑體積從而降低粘度;(ii)蠟基添加劑,在瀝青混合溫度下熔化蠟以降低粘度;(iii)化學(xué)基添加劑,含有表面活性劑以減少瀝青與骨料之間的摩擦,從而改善涂層效果(Mahto和Sinha,2024年)。先前的研究評估了CRMB與WMA技術(shù)結(jié)合的可行性(Jasim等人,2024年;Li等人,2021年;Prakash和Suman,2021年;Wagh等人,2024年;Zhu等人,2026年)。研究表明,發(fā)泡過程可以在較低溫度下提供更好的可施工性。然而,發(fā)泡過程中骨料-粘合劑系統(tǒng)中的水分會降低道路性能,尤其是抗車轍性和水穩(wěn)定性(Liu等人,2020年)。此外,化學(xué)基添加劑在骨料-粘合劑界面起潤滑作用,雖然降低了鋪設(shè)溫度,但進(jìn)一步削弱了抗車轍性(Hettiarachchi等人,2019年)。雖然蠟添加劑可以提高高溫性能,但也有報(bào)告指出其對中溫和低溫性能有負(fù)面影響(Yu等人,2017年)。
        近年來,橡膠脫硫技術(shù)逐漸成為降低CRMB粘度的公認(rèn)方法。多種脫硫技術(shù)被用于在CRMB與瀝青混合前對其進(jìn)行預(yù)活化,包括化學(xué)脫硫技術(shù)、微波輻射技術(shù)、傳統(tǒng)熱處理技術(shù)、擠出技術(shù)等(Wi?niewska等人,2022年;Zhao等人,2025年)。在各種脫硫技術(shù)中,雙螺桿擠出法因其高生產(chǎn)效率、連續(xù)運(yùn)行能力和可控的污染排放而成為最常用的方法之一(Costamagna等人,2022年;Liu等人,2026年;Rodak等人,2025年;Simon和Bárány,2021年)。Wang等人(Wang等人,2020年)利用擠出技術(shù)將CRM加工成脫硫橡膠(DR),隨后將其與原始瀝青混合生成脫硫碎橡膠改性瀝青(D-CRMB)。結(jié)果表明,D-CRMB的可施工性顯著提高,具有實(shí)際應(yīng)用的潛力。Xie等人(2020年)和Yu等人(2023年)應(yīng)用雙螺桿擠出技術(shù)生產(chǎn)DR,發(fā)現(xiàn)DR在瀝青粘合劑中的溶解速度更快、分散更均勻,從而提高了兼容性。這種改進(jìn)的兼容性降低了CRMB的高粘度,進(jìn)而降低了施工溫度和整體能耗。總之,現(xiàn)有研究表明雙螺桿擠出法在提高CRMB與瀝青粘合劑的兼容性方面非常有效。此外,該技術(shù)在降低施工能耗方面具有明顯優(yōu)勢。
        盡管WMA技術(shù)和脫硫技術(shù)可以有效降低CRMB的粘度,但在面對不同氣候和交通條件時,決策者仍難以確定哪種技術(shù)更為適用。這兩種技術(shù)的降粘機(jī)制存在本質(zhì)差異:WMA技術(shù)通過添加特定添加劑(如化學(xué)或蠟基添加劑)并物理方式降低CRM之間的粘附力來提高其可施工性(Wang等人,2018年);而脫硫技術(shù)則通過選擇性破壞橡膠聚合物三維網(wǎng)絡(luò)中的硫鍵(S-S鍵或C-S鍵)來化學(xué)處理CRM。這種針對性的脫硫作用降低了橡膠分子的交聯(lián)密度和分子量(Kazemi等人,2023年;Zhang等人,2025年),從而使處理后的CRM與瀝青粘合劑的兼容性增強(qiáng),粘度顯著降低。基于降粘機(jī)制的不同,兩種技術(shù)制備的CRMB在機(jī)械性能上存在顯著差異。測試結(jié)果表明,使用蠟基添加劑對CRMB的中溫和高溫性能有顯著影響,但對低溫性能可能產(chǎn)生負(fù)面影響。化學(xué)添加劑雖然能提高低溫性能,但可能略微降低高溫性能(Behnood等人,2020年;Jasim等人,2024年)。對于脫硫技術(shù),多項(xiàng)研究表明DR可以改善CRMB的低溫性能,但可能導(dǎo)致其高溫和中等溫度性能下降(Wang等人,2022年;Zhang等人,2023年)。盡管脫硫和溫拌技術(shù)的影響已得到廣泛研究,但目前仍缺乏對其生產(chǎn)成本和能耗的系統(tǒng)性比較。因此,在考慮不同氣候和交通條件時,難以確定最佳策略。
        本研究提出了一種決策框架來確定最優(yōu)的降粘方案。具體而言,使用兩種不同的降粘方法制備了CRMB樣品:(1)WMA添加劑技術(shù)(一種蠟添加劑和一種化學(xué)添加劑);(2)通過擠出法的脫硫技術(shù)。為了評估不同方法的綜合性能,測量了各CRMB變體的機(jī)械性能和可施工性,并記錄了生產(chǎn)成本和能耗。基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果,采用熵權(quán)重方法從實(shí)驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分散性中得出客觀指標(biāo)權(quán)重。這些客觀權(quán)重與主觀確定的權(quán)重相結(jié)合,構(gòu)建了一個綜合權(quán)重方案,然后將其納入基于理想解相似性排序技術(shù)(TOPSIS)模型,對中國七個氣候區(qū)的不同降粘策略進(jìn)行排序。降粘策略的評估流程如圖1所示。

        部分內(nèi)容摘錄

        材料

        本研究使用的原始瀝青( penetration grade為60/70)和40目CRM均來自香港的本地供應(yīng)商。對于D-CRMB,通過擠出技術(shù)預(yù)處理CRM以生成DR。瀝青的基本性質(zhì)見表1。
        本研究使用的溫拌技術(shù)包括一種蠟基添加劑(Sasobit)和一種化學(xué)添加劑(Evotherm-DAT),用于生產(chǎn)溫拌CRMB(簡稱W-CRMB)。

        Brookfield粘度測試

        為了研究降粘方法對瀝青粘合劑的影響,進(jìn)行了流變特性分析以評估其綜合性能。采用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)來量化與道路鋪設(shè)和生產(chǎn)相關(guān)的粘合劑可施工性。根據(jù)AASHTO T316標(biāo)準(zhǔn)(AASHTO T316,2010),瀝青的旋轉(zhuǎn)粘度可用于表征其可施工性。選擇了三個代表不同操作條件的關(guān)鍵溫度

        旋轉(zhuǎn)粘度測試結(jié)果

        Brookfield粘度是瀝青可施工性的關(guān)鍵指標(biāo)。結(jié)果顯示D-CRMB和W-CRMB的粘度行為存在明顯差異。如圖3所示,CRMB-20-W在135°C時的粘度最高,為4075 cP,表明其可施工性最差,因?yàn)镃RM在高溫下仍具有較高的內(nèi)聚力。此外,D-CRMB樣品的粘度值低于W-CRMB。這可能是由于交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的分解所致

        案例概述

        本研究針對中國不同的氣候和經(jīng)濟(jì)條件,為所提出的降粘方法制定了區(qū)域特定的實(shí)施框架。具體而言,溫度特性是本研究的主要?dú)夂蛑笜?biāo),并被納入?yún)^(qū)域化權(quán)重分配系統(tǒng)中,以進(jìn)行綜合策略評估(Cao等人,2025年)。區(qū)域特定溫度遵循《公路瀝青設(shè)計(jì)規(guī)范》中定義的氣候分區(qū)

        總結(jié)與發(fā)現(xiàn)

        本研究提出了一個綜合框架,用于確定不同地區(qū)的最優(yōu)降粘策略。基于粘合劑的機(jī)械性能、生產(chǎn)成本和能耗,評估了兩種降粘技術(shù)。TOPSIS模型被用于確定不同區(qū)域氣候和交通條件下的最優(yōu)降粘策略。主要研究結(jié)果如下:
      3. 機(jī)械分析表明,WMA
      4. CRediT作者貢獻(xiàn)聲明

        陳兆杰:撰寫——初稿、方法論、研究。胡啟陽:撰寫——初稿。陳瑞琪:方法論。李丹寧:驗(yàn)證、方法論、數(shù)據(jù)整理。冷珍:方法論、資金籌集。

        利益沖突聲明

        作者聲明沒有已知的財(cái)務(wù)利益或個人關(guān)系可能影響本文的研究結(jié)果。

        致謝

        本研究得到了資源工程碳中和研究中心項(xiàng)目[項(xiàng)目編號:1-BBH5]和PolyU博士后匹配基金計(jì)劃[項(xiàng)目編號:1-W32S]的支持。
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