多维度实验室表征：在施工各个阶段，温拌同步再生（WMA-SR）沥青路面的挥发性有机化合物（VOCs）排放及其变化情况

《Environmental Pollution》：Multi-dimensional Laboratory Characterization: VOCs Emission and Evolution in Warm-Mix Synchronous Rejuvenated (WMA-SR) Asphalt Pavement throughout Construction Stages

　　张德润|刘子阳|徐培新|李明良
华中科技大学土木与水利工程学院，武汉430074，中国

摘要：尽管温拌沥青同步再生（WMA-SR）技术在节能和减排方面具有显著潜力，但其动态排放行为以及化学添加剂带来的环境和健康风险仍尚未得到充分研究。本研究将评估范式从传统的基于质量的方法转变为多维度评估框架。通过使用实验室控制系统和TD-GC-MS技术，系统地分析了三种关键施工阶段（沥青储存罐、搅拌站和铺设现场）中挥发性有机化合物（VOCs）的演变过程。结果表明，与传统热拌沥青（HMA）相比，WMA-SR作为一种内在的源控制策略，在所有阶段都减少了VOCs的排放。此外，其排放特征从储存罐中的复杂混合物逐渐简化为铺设现场的简单成分，这一过程受到骨料吸附和温度依次下降的影响。这种简化显著降低了共洗干扰，提高了识别可靠性。重要的是，多维度评估揭示了动态风险。就环境影响而言，主要前体物质在各个阶段发生了变化：在储存罐阶段，不同的化学成分起主导作用；而在铺设阶段，臭氧和二次有机气溶胶形成潜力（OFP和SOAFP）分别主要由OVOCs和烷烃主导。健康风险评估显示，虽然总体毒性随温度降低而显著下降，但在储存阶段2-丙烯醛（HI > 60）的急性非致癌风险以及所有阶段持续的苯暴露仍需要针对性干预。本研究严格量化了WMA-SR的全生命周期排放，为可持续路面工程提供了坚实的理论基础。

引言
随着全球建筑经济的快速发展，公路基础设施的建设和维护规模持续扩大（刘等人，2025；马等人，2020；王等人，2023）。据预测，到2050年全球将新建超过2500万公里的道路（Laurance等人，2014），使得沥青路面成为全球主要的铺装类型（姜等人，2022；余等人，2015；张等人，2025a）。然而，作为一种复杂的碳氢化合物衍生物，沥青粘合剂在高温操作过程中会释放大量挥发性有机化合物（VOCs）（Boom等人，2022；崔等人，2020；崔等人，2016；李等人，2022；Nilsson等人，2018）。正如《科学》杂志的一项研究指出的，沥青道路排放的烟雾污染物是主要的非传统环境危害来源（McDonald等人，2018）。这些VOCs不仅是光化学烟雾和二次有机气溶胶（SOA）的强效前体（Boom等人，2022；Khare，2020；牛等人，2026），还含有对一线工人构成严重职业健康风险的有毒致癌物（例如多环芳烃）（Boom等人，2022；Germin-Aizac等人，2023；雷等人，2018；Nilsson等人，2018；Paniz Possebon等人，2019；Shi，2001），如图1所示。此外，VOCs的排放不是一个静态的、单点的事件，而是一个跨越三个连续阶段的动态时空过程：沥青储存罐、沥青搅拌站和沥青铺设现场（李等人，2020；王等人，2020）。首先，储存在密封储存罐中的纯沥青在高温下会持续释放挥发性成分，导致VOCs积累和高浓度排放。其次，在沥青搅拌站，强烈的机械混合和热交换促进了大规模的VOCs释放，使其成为典型的高排放点。第三，尽管在铺设过程中混合物温度下降，但大面积施工仍会导致持续向大气中排放VOCs。因此，跟踪这些阶段的排放行为对于全面评估实际的环境影响至关重要。

受低碳需求的驱动，出现了各种环保建筑材料。例如，加入回收钢纤维等固体废物可以显著提高环保超高性能混凝土的性能（魏等人，2025）。然而，尽管这些进步有效解决了刚性结构中的固体废物利用问题，但可持续路面仍面临高温生产过程中严重的气体排放挑战。为了减少沥青衍生的VOCs，传统策略主要依赖于管道末端处理方法，如催化氧化和活性炭吸附（Kaur等人，2024；Mousavi等人，2023a）。虽然这些固定装置在集中式搅拌站非常有效，但它们涉及较高的资本、能源和维护成本。更重要的是，这些管道末端技术根本无法减少后续运输和现场铺设阶段产生的无组织VOCs排放。因此，一线铺设工人仍然面临毒理学风险。为了解决这些问题，沥青路面技术正朝着更低的施工温度和更高效的资源利用方向发展。在各种技术中，温拌沥青路面（WMA）技术因其显著的节能和减排效益而成为行业焦点（郭等人，2021；马等人，2020；Rahman和Firdaus，2018；徐等人，2024）。与对可持续建筑材料生命周期评估（LCA）日益重视的趋势一致（Tamoor和Zhang，2025），WMA-SR本身提供了显著的全生命周期环境效益。WMA技术主要是通过添加各种温拌剂来实现的，这些温拌剂可以降低沥青的高温粘度或发挥表面活性，使混合物在较低温度下易于混合和压实（侯等人，2021；邢等人，2023）。除了本研究中使用的有机粘度降低剂Sasobit（徐等人，2022；徐等人，2024）外，还包括一些具有节能和粘度降低效果的新化学表面活性剂和多种新材料（Caputo等人，2020；Kaseer等人，2019；赵等人，2016；唐等人，2020；Sharma和Lee，2017）。此外，同步再生（SR）技术专门用于恢复老化SBS改性沥青粘合剂的性能。该过程可以通过补充沥青轻质成分并同时修复SBS分子链来实现再生沥青路面（RAP）的高效再生（徐等人，2025a；徐等人，2024；徐等人，2025b；张等人，2025b）。这种集成形成了温拌沥青同步再生（WMA-SR）技术（Boom等人，2022；Farooq和Mir，2017；Zaumanis和Mallick，2015；张等人，2025b）。在运营阶段，还采用了先进表面处理技术，如可持续热致变色涂层，以减轻城市热岛效应并通过路面冷却提供长期碳抵消（陈等人，2025）。作为这些在役解决方案的补充，WMA-SR技术通过实现高含量废沥青回收，直接减少严重的VOCs排放和能源消耗，从而完成低碳生命周期循环。这不仅减少了沥青粘合剂和骨料等初级资源的消耗，还避免了废沥青混合物处置和填埋造成的土地占用和环境污染，实现了废弃材料的有效回收，符合循环经济的原则。最近在沥青表征方面的进展为改性粘合剂提供了深刻的机制见解（曹等人，2026；徐等人，2022）。虽然这些技术很好地捕捉了固态物理机制，但仍迫切需要了解相应的气相化学行为。虽然降低的热应力直接抑制了轻质烃的挥发并减少了源头的总排放量，但WMA-SR中的基本化学干预不可避免地改变了挥发性成分的组成。然而，当前研究主要集中在孤立施工点的总体质量减少上。这种视角未能跟踪整个施工生命周期中气体排放的连续时空演变，从沥青储存和混合生产到现场铺设。此外，现有研究忽略了化学添加剂带来的潜在环境和健康风险。研究表明，长期接触特定芳香族和氧化化合物对建筑工人构成重大毒理学威胁（彭等人，2026；徐等人，2025b；曾等人，2022；张等人，2021；张等人，2025c）。然而，目前的路面工程健康风险评估模型主要依赖于静态排放数据或平均浓度，未能捕捉整个WMA-SR施工过程中VOC毒性的时间和空间变化模式。化学成分的动态变化以及这些新引入物质对臭氧形成潜力、二次有机气溶胶形成和卤代烃毒理学危害的具体影响仍很大程度上未被探索。因此，仅依赖基于浓度的监测而不系统评估整个阶段的排放行为和潜在的光化学和毒理学反应性，无法为WMA-SR技术提供全面的风险评估。

为了填补这些关键知识空白，本研究将WMA-SR的评估范式从传统的基于质量的方法转变为全面的多维度评估框架。构建了一个实验室控制的实验平台，准确模拟了三个关键施工阶段：沥青储存罐、搅拌站和铺设现场，使用传统热拌沥青（HMA）作为热力学基准。通过热脱附-气相色谱-质谱（TD-GC-MS）（GB/T18883-2022，2022；HJ644-2013），系统地跟踪了整个施工周期中VOC排放特性和复杂化学物种的动态演变。为了确保科学严谨性，采用了光谱匹配因子作为定量指标来验证主要VOC成分的识别可靠性，从而增强了定性和定量分析的可信度。最终，通过全面评估各阶段的大气环境影响和职业健康风险，本研究阐明了WMA-SR的内在源控制效益，为未来的低碳路面工程可持续性评估提供了支持。

材料
本研究使用的SBS改性沥青由湖北省荆州市湖北焦头智源新材料科技有限公司提供，作为生产沥青混合物的原始沥青。根据ASTM D5404-21标准，RAP沥青是从湖北省武汉市的一条高速公路收集的已使用十年的废弃SBS改性RAP混合物中提取的。原始SBS改性沥青和提取的RAP沥青的传统性质及其VOCs排放特性如下。TD-GC-MS用于在施工过程中的三个关键位置（沥青储存罐、沥青搅拌站和沥青铺设现场）对WMA-SR混合物排放的VOCs进行定性分析。不同位置的“保留时间-强度”色谱图如图3所示。

在整个WMA-SR施工过程中，VOCs排放在不同阶段表现出不同的特征。观察到在储存、混合和铺设阶段

结论
本研究系统地研究了WMA-SR工艺在其整个施工生命周期中排放的VOCs的特性、化学成分演变以及多维环境和健康影响。得出以下主要结论：
(1) WMA-SR技术有效抑制了VOCs的排放。总VOC排放强度表现出明显的梯度衰减（储存 > 混合 > 铺设）。与传统热拌沥青基线相比，WMA-SR

作者贡献声明
刘子阳：撰写——原始草稿、可视化、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。
徐培新：可视化、方法论、调查、数据管理、概念化。
张德润：撰写——审阅与编辑、验证、项目管理、方法论、资金获取。
李明良：调查、数据管理、概念化。

未引用的参考文献
GB/T18883-2022，2022；HJ644-2013

利益冲突声明
作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢
作者感谢湖北省科学技术厅科技项目基金（项目编号：2025DJB080）、湖北省交通运输厅科技项目基金（项目编号：2023-121-1-13）、福建省交通运输厅科技项目基金（项目编号：YB202431）以及中央高校基本科研业务费（项目编号：）的财政支持。