一种基于熵权-TOPSIS决策支持方法的橡胶沥青粘度降低方案

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

中国七大气候区中，温拌橡胶沥青（WMA-CRMB）与脱硫橡胶沥青（D-CRMB）的适用性通过熵权-TOPSIS模型评估。结果显示：WMA-CRMB高温及中温性能更优，但成本能耗最高；D-CRMB综合成本效益和能耗更低，尤其适合热带及寒冷地区。

　　

陈兆杰|胡启阳|陈瑞琪|李丹宁|冷珍

香港理工大学土木与环境工程系，香港九龙红磡

摘要

通过回收废旧轮胎，碎橡胶改性沥青（CRMB）为道路铺设提供了可持续的解决方案，但其高粘度显著限制了其应用范围。两种主要的降粘方法——温拌沥青（WMA）和橡胶脱硫——在生产设备、成本和性能方面存在差异，这使得在不同气候和交通条件下选择降粘策略变得复杂。因此，本研究提出了一种新的决策框架，通过将熵权重方法与基于理想解相似性排序技术（TOPSIS）模型相结合，考虑了可施工性、机械性能、成本和能耗等因素，以支持降粘策略的确定。对中国七个气候区不同降粘方案进行了综合排名。结果表明，温拌CRMB在高温和中等温度下的性能更好，但成本和能耗较高；而脱硫技术则具有更优的能源和经济性，适用于热带和寒冷地区。

引言

汽车行业的快速增长导致全球每年产生的废旧轮胎（ELT）超过18亿吨（Sudan等人，2025年）。传统的废旧轮胎处理方法（如焚烧和堆放）会向大气、土壤和水中释放有害化合物，造成长期的环境污染（Lo Presti，2013年）。为了解决这一问题，道路行业提出了一种替代处理方法，即将废旧轮胎加工成碎橡胶改性剂（CRM），并将其回用于沥青铺设中。根据添加时间的不同，橡胶化沥青可以分为干法和湿法两种工艺。在湿法工艺中，CRM首先与沥青混合生成碎橡胶改性沥青（CRMB）。在此过程中，CRM颗粒膨胀并吸收轻质沥青组分（饱和烃和芳香烃相），形成一层凝胶层。这些层的相互作用使得CRMB具有高粘度和半固态特性（Li等人，2022年），这主要增强了CRMB的抗车辙性和抗裂性（Khasawneh等人，2024年）。然而，这种结构变化也导致CRMB的粘度迅速增加，严重影响了其可施工性。据报道，原始沥青的粘度在添加20%的CRM后可能从500 cP增加到10,700 cP（Huayang，2017年）。CRMB的过高粘度要求在铺设过程中使用更高的混合和压实温度，从而增加了能源消耗和有害气体的排放。

为了提高CRMB的可施工性，广泛采用了两种降粘策略：温拌沥青（WMA）技术和脱硫技术（Wang等人，2024年；Yu等人，2023年）。WMA技术通过添加WMA添加剂，在较低温度下生产沥青铺设材料，有效解决了CRMB的可施工性问题。WMA添加剂可分为三类：（i）泡沫基添加剂，通过产生泡沫来增加粘合剂体积从而降低粘度；（ii）蜡基添加剂，在沥青混合温度下熔化蜡以降低粘度；（iii）化学基添加剂，含有表面活性剂以减少沥青与骨料之间的摩擦，从而改善涂层效果（Mahto和Sinha，2024年）。先前的研究评估了CRMB与WMA技术结合的可行性（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，发泡过程可以在较低温度下提供更好的可施工性。然而，发泡过程中骨料-粘合剂系统中的水分会降低道路性能，尤其是抗车辙性和水稳定性（Liu等人，2020年）。此外，化学基添加剂在骨料-粘合剂界面起润滑作用，虽然降低了铺设温度，但进一步削弱了抗车辙性（Hettiarachchi等人，2019年）。虽然蜡添加剂可以提高高温性能，但也有报告指出其对中温和低温性能有负面影响（Yu等人，2017年）。

近年来，橡胶脱硫技术逐渐成为降低CRMB粘度的公认方法。多种脱硫技术被用于在CRMB与沥青混合前对其进行预活化，包括化学脱硫技术、微波辐射技术、传统热处理技术、挤出技术等（Wi?niewska等人，2022年；Zhao等人，2025年）。在各种脱硫技术中，双螺杆挤出法因其高生产效率、连续运行能力和可控的污染排放而成为最常用的方法之一（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）利用挤出技术将CRM加工成脱硫橡胶（DR），随后将其与原始沥青混合生成脱硫碎橡胶改性沥青（D-CRMB）。结果表明，D-CRMB的可施工性显著提高，具有实际应用的潜力。Xie等人（2020年）和Yu等人（2023年）应用双螺杆挤出技术生产DR，发现DR在沥青粘合剂中的溶解速度更快、分散更均匀，从而提高了兼容性。这种改进的兼容性降低了CRMB的高粘度，进而降低了施工温度和整体能耗。总之，现有研究表明双螺杆挤出法在提高CRMB与沥青粘合剂的兼容性方面非常有效。此外，该技术在降低施工能耗方面具有明显优势。

尽管WMA技术和脱硫技术可以有效降低CRMB的粘度，但在面对不同气候和交通条件时，决策者仍难以确定哪种技术更为适用。这两种技术的降粘机制存在本质差异：WMA技术通过添加特定添加剂（如化学或蜡基添加剂）并物理方式降低CRM之间的粘附力来提高其可施工性（Wang等人，2018年）；而脱硫技术则通过选择性破坏橡胶聚合物三维网络中的硫键（S-S键或C-S键）来化学处理CRM。这种针对性的脱硫作用降低了橡胶分子的交联密度和分子量（Kazemi等人，2023年；Zhang等人，2025年），从而使处理后的CRM与沥青粘合剂的兼容性增强，粘度显著降低。基于降粘机制的不同，两种技术制备的CRMB在机械性能上存在显著差异。测试结果表明，使用蜡基添加剂对CRMB的中温和高温性能有显著影响，但对低温性能可能产生负面影响。化学添加剂虽然能提高低温性能，但可能略微降低高温性能（Behnood等人，2020年；Jasim等人，2024年）。对于脱硫技术，多项研究表明DR可以改善CRMB的低温性能，但可能导致其高温和中等温度性能下降（Wang等人，2022年；Zhang等人，2023年）。尽管脱硫和温拌技术的影响已得到广泛研究，但目前仍缺乏对其生产成本和能耗的系统性比较。因此，在考虑不同气候和交通条件时，难以确定最佳策略。

本研究提出了一种决策框架来确定最优的降粘方案。具体而言，使用两种不同的降粘方法制备了CRMB样品：（1）WMA添加剂技术（一种蜡添加剂和一种化学添加剂）；（2）通过挤出法的脱硫技术。为了评估不同方法的综合性能，测量了各CRMB变体的机械性能和可施工性，并记录了生产成本和能耗。基于实验结果，采用熵权重方法从实验结果的统计分散性中得出客观指标权重。这些客观权重与主观确定的权重相结合，构建了一个综合权重方案，然后将其纳入基于理想解相似性排序技术（TOPSIS）模型，对中国七个气候区的不同降粘策略进行排序。降粘策略的评估流程如图1所示。

部分内容摘录

材料

本研究使用的原始沥青（ penetration grade为60/70）和40目CRM均来自香港的本地供应商。对于D-CRMB，通过挤出技术预处理CRM以生成DR。沥青的基本性质见表1。

本研究使用的温拌技术包括一种蜡基添加剂（Sasobit）和一种化学添加剂（Evotherm-DAT），用于生产温拌CRMB（简称W-CRMB）。

Brookfield粘度测试

为了研究降粘方法对沥青粘合剂的影响，进行了流变特性分析以评估其综合性能。采用旋转粘度计来量化与道路铺设和生产相关的粘合剂可施工性。根据AASHTO T316标准（AASHTO T316，2010），沥青的旋转粘度可用于表征其可施工性。选择了三个代表不同操作条件的关键温度

旋转粘度测试结果

Brookfield粘度是沥青可施工性的关键指标。结果显示D-CRMB和W-CRMB的粘度行为存在明显差异。如图3所示，CRMB-20-W在135°C时的粘度最高，为4075 cP，表明其可施工性最差，因为CRM在高温下仍具有较高的内聚力。此外，D-CRMB样品的粘度值低于W-CRMB。这可能是由于交联网络的分解所致

案例概述

本研究针对中国不同的气候和经济条件，为所提出的降粘方法制定了区域特定的实施框架。具体而言，温度特性是本研究的主要气候指标，并被纳入区域化权重分配系统中，以进行综合策略评估（Cao等人，2025年）。区域特定温度遵循《公路沥青设计规范》中定义的气候分区

总结与发现

本研究提出了一个综合框架，用于确定不同地区的最优降粘策略。基于粘合剂的机械性能、生产成本和能耗，评估了两种降粘技术。TOPSIS模型被用于确定不同区域气候和交通条件下的最优降粘策略。主要研究结果如下：

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机械分析表明，WMA

CRediT作者贡献声明

陈兆杰：撰写——初稿、方法论、研究。胡启阳：撰写——初稿。陈瑞琪：方法论。李丹宁：验证、方法论、数据整理。冷珍：方法论、资金筹集。

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的研究结果。

致谢

本研究得到了资源工程碳中和研究中心项目[项目编号：1-BBH5]和PolyU博士后匹配基金计划[项目编号：1-W32S]的支持。