基于生物质材料的沥青再生剂研发

张文轩 李强

摘 要：生物油是生物质材料热解的重要产品，可用作沥青改性剂或老化沥青粘合剂的再生剂。本文综述了生物质材料的类型，生物油的制备工艺、生物油再生沥青及其混合料的常规性能。最后，提出生物油再生剂研究中可能遇到的问题，为生物油再生剂的研究提供参考。

关键词：生物质材料; 生物油再生剂; 再生沥青性能

中图分类号：U414.75        文献标识码：A       文章编号：1006-3315（2021）7-176-002

1.生物油再生剂研发背景

近些年来，我国道路建设事业发展迅速，已经步入“建养并重”的阶段。现阶段我国沥青路面大修普遍采用铣刨重铺的方法，这种方法会导致每年产生大量废旧沥青混合料。如果这些废旧料得不到合理的處置，既会造成环境污染，也是对资源的极大浪费。

目前，处理沥青路面废旧料的较好方法就是对其再生利用。而再生技术应用的关键之一就是再生剂的选择。目前工程中广泛使用的是石油基再生剂，其主要成分是石化副产物。在石化产业中，沥青作为下游产物，价格较低;而用于再生剂的油浆原料相对于沥青来说属于上游产物，经济价值比沥青高出不少。进一步考虑到石油再生剂本身就是一种不可再生的资源，用不可再生的材料进行再生，本质上仍是不可持续的技术[1]。所以，为弥补传统再生剂的不足，研究者尝试开发基于生物质材料的绿色环保、来源广泛且性价比高的生物油再生剂。

2.生物油制备工艺

生物油是生物质材料经过加工后的部分产物，生物质材料来源广泛，包括废弃的食用油，动物废物，农业和林业废物，微藻类，咖啡渣等。在热化学过程之后，生物质材料会转化为燃料气体生物油和生物碳。生物油是液体产品，主要成分是脂肪酸酯，将其加入较高沥青中可补充沥青因老化而缺失的油分，从而调整老化沥青胶体结构以恢复其性能[2]。

目前应用较广泛的生物油制备方法有两种：快速热解法和水热液化法。采用快速热解法制备生物油时，首先向流化床反应器中加入生物质材料，经过一系列反应，生物质分解为生物炭和挥发物，并且挥发物包含可冷凝和不可冷凝的气体[3]。然后，可冷凝气体冷却下来成为生物油。水热液化法是从生物质中制备生物油的另一种方法。水热液化法比热解法对植物生物质的制备温度和压力要低。但是与热解法相比，水热液化法的生物油产率更低，所以快速热解法通常用于处理植物类生物质材料，而水热液化法主要用于处理动物粪便。

3.生物油在再生剂中的应用

3.1植物基生物油

目前已经有研究使用新鲜大豆油、菜籽油以及亚麻籽油等作为再生剂的基础油分，对比后发现掺入新鲜大豆油再生剂后，旧沥青的针入度、软化点降低，延度增加[1][4]，是其中最适合作为再生剂的植物油，但新鲜植物油作为再生剂基础油存在经济成本较高的问题。

相比新鲜植物油，废弃植物油（WCO）作为再生剂也具有软化沥青的作用，且兼具产量大、价格低廉、环保等优点。研究表明WCO再生剂可使老化的沥青恢复为基础沥青的水平，再生沥青的软化点随生物油含量的增加而降低，而针入度和延度的变化却相反。WCO再生剂可以减轻高氧化组分的聚集，并增强老化沥青分子的扩散能力，但不能显著改变老化沥青的形态[5]。

WCO再生沥青混合料较差的抗车辙性与老化后的沥青混合料相当，但WCO再生沥青混合料的高温性能可以满足规范要求。老化沥青的低温性能得到了显著改善，原因可能是生物油可以增加老化沥青的弹塑性。在水稳定性方面，WCO用量为12%的情况下，可以增强生物再生沥青混合料的水稳定性，并满足规范的冻融劈裂强度比要求，但残留稳定性不能满足规范[6]。

3.2动物粪便类生物油

对于动物粪便中的生物质材料，大多数研究人员和工程师都将重点放在基于猪粪的生物油上。将猪粪经加工产出的生物油，加入1.5%PPA（聚磷酸）进行改性，最后加入到老化沥青中，结果显示该生物油一定程度上恢复了老化沥青的性能，PPA增强了粘合剂的高温性能[7]。

此外，该生物油可以改善沥青粘合剂的流变性能以抗老化性。使用猪粪开发的生物粘合剂作为石油沥青粘合剂的部分替代物，将增强沥青的流变性能;在沥青混合料中应用可以降低混合和压实温度，减少了工厂生产和铺设路面过程中的燃料消耗和由此产生的二氧化碳排放[8]。由于成本相对较低，使用这种生物粘合剂还可以降低路面建设成本。此外，销售生物粘合剂也为农民提供了额外收入来源。

4.结语

综上所述，利用生物胶结料制备生物再生剂从而实现资源的可持续利用是可行的，但仍存在生物质原料开发较少、现有制备工艺的产油率低等问题。此外，生物再生剂的研究方向不应只关注其对老化沥青基本性能的恢复，也应该考虑生物再生剂的抗老化性质。生物再生沥青的抗老化能力一定程度上影响着再生沥青使用的寿命，如果生物再生沥青的抗老化能力较差，则势必在短期内又需要对其进行再生修复，严重影响路面的使用年限，实际工程价值将大大降低。

参考文献：

[1]龚明辉.生物质再生沥青混合料微观特性研究[D]东南大学，2017

[2[胡森.生物油再生SBS改性沥青性能研究[D]重庆交通大学

[3]Xiu S，Shahbazi A Bio-oil production and upgrading research：A review[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews，2012，16（7）：4406-4414.

[4]徐刚，杨军，朱浩然，张佳运，龚明辉，陈志泉.生物再生剂再生效率研究[J]石油沥青，2017，31（01）：14-20

[5]高新文，刘朝晖.生物油再生沥青自愈合机理分析[J]中国公路学报，2019，32（04）：235-242

[6]唐伯明，曹芯芯，朱洪洲，曹雪娟.生物油再生沥青胶结料路用性能分析[J]中国公路学报，2019，32（04）：207-214

[7]Xiu S ， Shahbazi A ， Shirley V ， et al. Hydrothermal pyrolysis of swine manure to bio-oil： Effects of operating parameters on products yield and characterization of bio-oil[J] Journal of Analytical & Applied Pyrolysis，2010，88（1）：73-79

[8]Vardon D R ， Sharma B K ， Scott J ， et al. Chemical properties of biocrude oil from the hydrothermal liquefaction of Spirulina algae， swine manure， and digested anaerobic sludge.[J] Bioresource Technology，2011，102（17）：8295-8303