生物沥青研究现状与展望分析

熊保林

（长沙理工大学，湖南 长沙 410000）

0 引言

热解制油是目前生物能源生产利用的最主要技术途径，经过热解生成的生物油原油要经过进一步的处理，经过处理后仍然有很大一部分重油或者渣油，其性质与道路用沥青很接近，可以改性为道路建设沥青—生物沥青，这样既可以实现能源化工领域的相对“废料”的再利用，变废为宝，又可以形成循环经济的互补生产系统。生物油经过“蒸馏/萃取/热氧老化/调合”等热处理加工工艺得到生物沥青，并与石油沥青等制备得到生物沥青组合物。得到的生物沥青及生物沥青组合物具有优良的可塑性和粘接性，可以用做道路铺装。但是其承载能力差，高温抗车辙和低温抗裂性能差，不能满足现代交通和重载道路的高性能沥青路面铺筑要求。改性沥青是目前常用的提高沥青性能的方法。通过对生物沥青及生物沥青组合物中添加聚合物等改性剂进行改性可以提高弹性、韧性和粘性，提高耐疲劳性并降低生物沥青材料对温度的敏感性，铺筑的路面也能显著地提高抗永久变形、抗温缩及抗疲劳开裂等，表现出优良的性能。

1 国内外研究现状

国内的专家学者们通过试验的方式探索了生物沥青的制备、调合、测试、生产等内容，为生物沥青的量化生产提供了指导。目前国内在山东、河北等地已有许多生物沥青厂家进行生物沥青批量生产。

2012年冯德成发明的“一种道路用生物沥青材料及其制备方法”专利，它涉及道路用沥青及其制备方法。主要解决现有生物沥青使用性能较差以及传统道路用沥青产量不足、价格较高的问题。道路用生物沥青材料由生物沥青、基质沥青和氧化锌组成，其制作的生物沥青性能已经初步满足路用沥青的要求，为生物沥青的路用性提供了参考。

交通运输部公路科学研究所的曹东伟在2012年至2013年申请了三个生物沥青相关的专利，分别是：改性生物沥青材料、生物沥青混合料、其制备方法及用途；生物沥青、生物沥青组合物及其制备方法；一种生物沥青及其制备方法。第一个专利的目的是提出提高生物沥青及其组合物性能的方法，并制备改性生物沥青材料及生物沥青混合料，并用以代替石油沥青铺筑路面，从而减少石油沥青的使用，用以解决目前正在广泛使用的石油沥青资源枯竭、价格过高以及生态环保性欠佳的问题。在这三个专利中，分别描述了生物沥青的制备工艺、原材料的选取，以及基本性能试验。从其专利的相关成果上看，其制作的生物沥青已经满足道路铺装的要求。

东南大学的张佳运在他的专利中，将生物沥青掺加在老化沥青中，用于改善老化沥青的性能。将生物柴油残渣蒸馏处理得到生物沥青，将生物沥青与老化沥青按比例掺配，得到新的改性沥青。

目前国内也有部分学者进行生物沥青的研究。廖晓峰对掺加了生物沥青的沥青共混物进行了试验研究。采用的生物油为棉籽和大豆等炼制油脂后残余的下脚油，再经过蒸馏、氧化等化学工艺处理而得到的。利用高速剪切设备将生物油和基质（改性）沥青混合，试验结果表明：生物结合料强度和高温性能劣于常规沥青，二者共混后高温稳定性有所下降，但在适当添加量下性能下降并不显著；生物结合料的中等温度疲劳性能介于SBS改性沥青和基质沥青之间，共混后可提高基质沥青的疲劳性能；生物结合料具有良好的低温抗裂性，添加适量的生物结合料能显著改善常规沥青的抗裂性，可作为改性添加剂使用[7]。

宋昭睿通过常压蒸馏生物油的方法来制备生物沥青，并研究了其路用性能。通过针入度、软化点、延度和粘附性试验，得到生物沥青的针入度和软化点较高，具有较大的粘度和较好的高温性能；生物沥青延度值较低，无法抵抗较大的塑性变形，生物沥青的粘附性等级较低；通过研究生物沥青的布氏黏度随时间的变化关系得到生物沥青在高温下容易老化，耐久性能差的结论；分析了生物沥青混合料的水稳定性，其残留稳定度和劈裂强度比均未达到规范要求；低温弯曲试验表明生物沥青混合料的低温性能尚有不足；生物沥青混合料的高温抗车辙能力较好。

虽然目前国内对于生物沥青的研究还处于起步阶段，但是已经初见成果，对于生物沥青的制作工艺，调和比例，路用性能等的研究也步入正轨，目前已经有了初步的成套制作流程。今后的发展方向将是完善制作工艺，提出系统的评价方法和路用规范标准。

国外对生物结合料在道路工程中的应用主要有三种方法，即直接替代（100%）、石油沥青稀释液（25%～75%）和石油沥青改性剂（＜10%）。然而，当前大部分生物结合料虽然具有一定的可塑性和粘结性，但是其承载能力一般，缺点主要体现为高温抗车辙性能不足，因此，在道路工程中直接替代石油沥青较难实现，一般作为石油沥青稀释液和改性剂，或通过改性方法提高生物沥青的弹性、韧性和粘性后才得以使用。

Raouf等以橡木为原料，利用快速高温分解方法生产出生物结合料，对石油沥青进行了直接替代，对比了两者的温感性和流变学特性，并通过傅里叶红外转化光谱对结合料进行化学组分分析，得出虽然在化学组分上存在差异，但是有很好的共混相容性。Wen等以废弃餐饮地沟油经化学加工而成的生物结合料为研究对象，对石油沥青进行不同比例的混合调配，并采用SHAP实验评价其结合料路用性能，结果表明随着生物结合料的增加，抗车辙性能将出现一定程度的下降。

2 结语

分析总结国内外学者对生物沥青的研究成果，我们可以发下生物沥青具有以下特性：

（1）用于制作生物油的原材料种类丰富价格低廉，安全环保，生物油的制作流程简便快速，易量产化；对于仪器设备没有特殊要求，易于推广；

（2）生物沥青具有较好的软化点和黏度，能够提高混合料的抗疲劳性能；

（3）生物沥青承载能力一般，缺点主要体现为高温抗车辙性能不足。

生物沥青可带来显著的经济效益，但其长期路用性能、最佳共混方式和生产工艺仍需进一步研究。在对生物沥青的后续研究上，可以从改善生物沥青性能方面进行研究，找到合适的添加剂，提高其承载力，以及在不改变性能的基础上，增加生物油的比例,从而达到节省经济效益的目的。随着科学技术的日渐成熟，生物沥青将会具有更好的性能，更广泛的使用范围。

［1］廖晓锋,雷茂锦,陈忠达,等.生物结合料共混沥青的路用性能试验研究[J].材料导报,2014(2):144-149.

［2］宋昭睿,曹东伟,张海燕,等.基于生物热解油的沥青材料及混合料性能研究[J].公路交通科技:应用技术版,2014(5):31-34.

［3］Mills-Beale J，Fini E，Goh S W，et al，State of the art in sustainable asphalt pavement materials[C]//Proceedings of International Workshop on Energy and Environment in the Development of Sustainable Asphalt Pavements[D].Xi’an:Chang’an University，2010:109.

［4］Mills-Beale J，You Z，Fini E，et al.Aging influence on rheology properties of petroleum-based asphalt modified with bio-binder[J].J Mater Civil Eng，first online，doi：10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0000712.

［5］Wen H，Bhusal S，Wen B.A laboratory evaluation of waste cooking oil-based bioasphalt as an alternative binder for hot mix asphalt[J].J Mater Civil Eng，2013，25(10):1432.

［6］Raouf A M， Williams R C.General physical and chemical properties of biobinders derived from fast pyrolysis bio-oils[C]//proceedings of 2009 Mid-Continent Transportation Research Symposium.Ames， Iowa， 2009.

［7］Raouf A M， Williams R C.Temperature and shear susceptibility of a nonpetroleum binder as a pavement material[J].Transportation Res Record，2010，2:9.