沥青60度动力粘度记录(生物沥青的发展和研究现状综述)

文章来源：微信公众号“沥青路面”

随着我国经济社会的快速发展，公路进入建设的高峰期，每年所修的公路中大约有90%是沥青路面，同时公路养护等后期工作也消耗大量的石油沥青。我国每年所需的沥青大约有四分之一来自于进口，由于不可再生石油资源的逐渐枯竭，加之恐怖主义等地区战乱影响，沥青价格每吨大概是700到800美元，这将严重影响和妨碍我国沥青路面的建设养护等持续发展。此外，从环保等方面考虑，石油及沥青等会产生大量的粉尘和温室气体污染物，造成城市雾霾、环境污染，影响人体健康。

寻求一种可以取代传统沥青材料的可再生资源或可反复利用的资源迫在眉睫。农作物秸秆或初加工废料、牲畜排泄物等生物质可再生能源具有分布广泛、取材方便、储量巨大、循环利用、绿色环保、价格低廉等许多优势，受到国内外相关专家的广泛关注和研究。当前生物质快速裂解技术实现了工厂规模化生产，产品主要是重质与轻质生物油。其中重质生物油(简称生物重油)主要化学成分组成和石油沥青组成元素十分相似，性能特征方面也十分相似，可以与石油沥青调配生产生物沥青，改善石油沥青的缺点和不足。现在市场上生物重油的价格是每吨2000元左右，而国产基质沥青的价格每吨大约在5000元以上，如果生物重油代替或者掺入到石油沥青中组成生物沥青，降低石油沥青的使用量，则可以大大节约材料成本，同时还能产生很好的生态效益。因此，国内外一些高校和科研院所开展了一系列的研究和性能方面的优化等工作。

国内外研究现状

国外发展概述

近来，美国、英国等发达国家学者调配了不同类型的生物沥青混合料，并且铺筑试验路段进行路用性能特点的研究。华盛顿州立大学的Wen等进行了废弃食物油生物沥青的研究，并检验评价其替代石油沥青的可行性，在试验中将生物沥青按照0%、10%、30%、60%的比例掺入到石油沥青中。试验结果表明:生物沥青的加入降低了沥青混合料的疲劳性、抗车辙性和劲度，但是提高了抗热和抗开裂性能。Fini等研究了由猪粪转化制得生物胶结料特性和将其与石油沥青胶结料混合制得的改性石油沥青的性质。研究发现:生物胶结料掺入沥青混合料后，石油沥青的低温性能和粘度得到了提高，实现了沥青混合料在比较低的温度下进行拌合和压实，节约了路面铺筑费用，降低了施工难度。Fini等的另外一个试验研究表明利用猪粪制得的生物油掺入石油沥青中后，通过性能测试得到该结合料高温时韧性得到提高，高温整体性能有所提高。You等利用猪粪获得的生物胶结料可作为HMA的改性剂，生物沥青用量的增加可使沥青路面具有更好的低温性能。在常规石油沥青中掺入10%的生物沥青可使开裂温度降低4.6～4.9℃，继续增加掺入量，低温开裂温度降低的更加显著。Yang等研究了利用废弃木材得到的生物油对沥青混合料特性的影响。研究表明:通过加入生物油，沥青混合料的抗疲劳性能得到提高，而抗车辙性能和动态劲度无明显变化。

根据国外的研究可看出，当前生物沥青主要是由废弃油、猪粪和木材等转化得到，可进一步开展其他生物质的转化研究。

国内研究进展

目前生物沥青在国内的研究还十分缺乏，在道路工程中的应用更少，少数试验主要是对生物结合料的理化性质方面的研究。我国生物质资源丰富，近些年来随着热裂解技术的推广和使用，一些高校和科研院所也开始开展大量的研究，大量的国内生物能源企业陆续建立并投产运行。宋昭睿等研究了生物沥青的特性，通过试验表明具有比较好的高温性能，同时进行了车辙试验和低温弯曲试验得出水稳性和低温抗裂性较差。曹卫东等通过把9%的生物沥青与70号石油沥青调配混合试验，发现掺入生物沥青后延度略有升高，软化点有所下降，针入度有所增加，试验初步证明国内企业生产的生物沥青是可以部分替代石油沥青的。孙朝杰通过将地沟油等废弃油脂掺入基质沥青的试验，对其进行化学分析与生物沥青的高低温情况下延度等特性研究，研究发现废弃油脂的掺入量和沥青低温延性间存在着良好的一致性。廖晓锋等通过生物沥青结合料的针入度、延性、软化点3大指标试验和蠕变等试验，得到生物结合料的强度和高温性能不如常规沥青，抗疲劳性和低温抗裂性高于常规沥青。

从国内研究来看，生物沥青有比较好的实用性，发展潜力巨大，然而国内研究生物沥青的使用性能相对较少。今后我国可根据实际情况加强其路用方面的研究，制定出相关的行业标准，以便于更好的开展后期的研究。

生物沥青制备及性能研究

生物沥青的制备过程

生物沥青从广泛上说，凡是以生物质为原料通过一系列转化得到具有沥青性能的材料，都可以将其称之为生物沥青。生物沥青在国内外公路工程主要有3种形式:1直接代替即使用量为100%2部分掺入石油沥青即使用量为25%～75%3作为石油沥青的改性剂即使用量小于10%。

生物沥青制备的核心是生物重油的制备，生物重油是一种自由流动、暗棕色的有机液体或半固体，主要是通过生物质裂解技术制备得到。生物质裂解过程主要是在充满惰性气体的裂解炉内高温加热，产生固体生物炭、部分可燃性气体和生物油，再对生物油作蒸馏等一系列处理得到生物重油。在生物重油与基质沥青混合之前，先把基质沥青加热至120℃左右，把生物重油通过水浴加热至大约90～100℃，生物油与基质沥青按照预先设计量进行混合。然后通过高速剪切设备进行高速搅拌，转速约为5000转/时，在110℃下搅拌约15分钟，使二者充分均匀混合即可得到生物沥青。

生物沥青的性能研究

通过对生物沥青性能研究，测得其各项技术指标，主要试验包括软化点试验、针入度试验、延度试验及黏度试验。

可以看出，相对石油沥青而言，生物沥青的软化点有所提高，说明生物沥青高温性能较好;针入度、延度和黏性等级都有显著的降低，说明在常温下黏度较大，塑性较差，有硬脆的不足。

除了以上主要的性能特征外，生物沥青的比重、温度敏感性、抗老化性与流变性能在相同环境下与石油沥青也有明显的区别。

比重

通过比重试验比较生物沥青与石油沥青之间的不同，由于生物粘结剂的比重值均大于沥青粘结剂的比重值，所以一般生物沥青的比重略大于石油沥青。但是通常情况下植物秸秆等生物质得到的生物沥青比重与石油沥青无明显差异。

温度敏感性

沥青的温度敏感型对沥青而言是一个十分重要的性能指标，生物沥青的温度敏感型不能过高。因为高温条件下，若粘结剂的粘度非常低，会导致拌和压实过程中无法均匀混合的问题;低温条件下，若粘结剂粘度十分高，会引起混合料低温缩裂的问题。生物重油掺入后会使沥青的温度敏感性下降，由于生物沥青中沥青质的含量较大，所以粘结剂的温度敏感性会随着生物油的加入而下降，这是十分有利的。猪粪生物粘结剂掺入时，会使生物沥青的温度敏感型明显变小。

虽然生物沥青与石油沥青在高温性能方面没有太大变化，但是低温情况下明显优于目前的石油沥青。因为与沥青相比生物重油重氧含量较高，易老化。加入猪粪生物油很好的改善了沥青的低温性能，低温开裂明显减少。

抗老化性

老化作用在生物沥青中表现的更为明显，由于生物沥青中氧含量较多，更易在环境中发生氧化作用，引起组成成分发生变化，伴随着结构也会发生变化，从而变硬，变脆。因此生物重油必须在120℃下才能进行相关处理，这也解释了在施工时采用温拌沥青的方式。除此之外，为了减少在施工过程中的氧化作用，在沥青温度较低时(90℃)施工更加有效，同时也更好的保证了施工人员的安全性。

流变性

生物重油的黏性温度相比沥青低了35℃左右，由生物重油得到的没有改性的生物沥青和石油沥青相比，流变性能有明显差异，特别是在生物沥青中加入聚合改性剂后，生物沥青的流变特性变化更加明显。

生物沥青的优点

完善传统沥青的缺陷

传统石油沥青在拌合时都要加入沥青黏结剂，以此来改善沥青的黏性、老化速度、延性等性能。在沥青中加入生物重油后不仅可以改善路用性能还能降低能量损耗。生物重油中含有丰富的碳氢成分，降低了沥青的黏度，从而减小了拌合难度，同时还降低了拌合与压实所要求温度，改善了施工的和易性、开裂性能及抗疲劳性能等。

具有良好的经济和环境效益

生物沥青的使用不仅大大完善了传统沥青的性能，而且还减小了沥青路面的资金投入。如果生物沥青部分或全部取代石油沥青，十分可观的工程费用将被节约。同时生产生物沥青的原材料一般都是废弃的生物质，这也对废弃生物质提供了一个很好的重复利用方案。同时随着石油的严重开采，石油储量的迅速减少，石油沥青的价格逐渐上升。生物沥青提供了一种可再生、可持续的替代选择，具有良好的可实施性，巨大的经济效益潜力。

传统石油沥青铺路材料的生产过程产生大量的污染气体和挥发性物质。有植物秸秆、动物粪便等生物材料提取得到的生物重油在沥青中的使用不仅会降低挥发性物质等污染，还能减少植物秸秆的燃烧，粪便气味污染、存放和处理等问题，能够产生巨大的环境效益。

结论

生物沥青是传统沥青的良好替代品，具有可再生、高性价比和环保等优点。我国已经开始研究生物沥青并且已有能源企业规模化生产，技术方面逐渐变得成熟。通过对国内外生物沥青发展研究可以看出生物沥青能够降低石油沥青的黏度、提高低温性能、降低传统沥青温度敏感性，与基质沥青有很好的相溶性;但也有高温下易老化、低温下易脆、延性较低、长时间放置后会表现出非均匀性等问题。

本论文提供了生物沥青与传统沥青的部分性能对比，对其部分优点进行了介绍，可为国内未来生物沥青的研究提供基础的参考和借鉴。