生物瀝青研究進(jìn)展報(bào)告

孫建勛

（中交第四公路工程局有限公司，中國北京 100022）

0 緒論

在各種可再生能源中，生物質(zhì)能源具有可再生、儲量巨大、分布廣的特點(diǎn)。當(dāng)前主要類型有：農(nóng)作物秸稈、廢棄食物油脂以及各類生畜糞便等。通過生物質(zhì)快速熱裂解技術(shù)，將生物質(zhì)分解并最終可得到生物質(zhì)重油。研究表明，生物質(zhì)重油的主要成分與石油瀝青的元素組成很接近，在化學(xué)組成上具備良好的相容性與穩(wěn)定性。將生物質(zhì)重油與石油瀝青在一定條件下相溶合或者在一定條件下?lián)郊悠渌鈸絼?，制備而成的結(jié)合物，稱之為生物瀝青。

1 國內(nèi)外生物瀝青的研究現(xiàn)狀

近幾年來，美國、澳大利亞、英國等國家開展了生物瀝青的研究及應(yīng)用工作。在2012年美國交通運(yùn)輸委員會TRB第91屆年會期間，舉辦了一場 “可持續(xù)瀝青路面替代結(jié)合料（Alternative Binders for Sustainable Asphalt Pavements）”的研討會，來自美國、法國、智利、荷蘭等多所大學(xué)與研究機(jī)構(gòu)的9個報(bào)告中，有7個是針對生物瀝青展開的研究。

愛荷華州大學(xué)的Abdel Raouf and Williams等開展了基于快速熱裂解生物油獲得的膠結(jié)料用于柔性路面的研究。他們系統(tǒng)研究了基于三種不同類型的生物油(分別為橡木、柳枝櫻和玉米秸稈)作為生物膠結(jié)料的物理化學(xué)性質(zhì)，并且采用三種不同的聚合物改性劑與生物油拌和以研究它們對生物油物理性質(zhì)的影響。Abdel Raouf and Williams通過流變特性研究了基于橡木生物油研發(fā)的生物膠結(jié)料作為一種直接替代方案的應(yīng)用。生物膠結(jié)料與改性生物膠結(jié)料的溫度與剪切率對改變生物油的黏度起主要作用。

我國在生物瀝青方面的研究基本上處于空白狀態(tài)，僅有少量有關(guān)植物油瀝青的文獻(xiàn)報(bào)道。孫勤闡述了利用植物油腳制取瀝青的原理及工藝，提出了工藝流程，指出油角瀝青不僅能防水而且無毒，具有很好經(jīng)濟(jì)效益，可用來鋪各等級的公路，也可作為防水材料。王曉輝等經(jīng)過初步分析表明，植物瀝青中含有60%到70%混都脂肪酸、5%～10%的植物甾醇及5%左右的天然維生素E等。

2 生物瀝青制備工藝

生物質(zhì)重油是生物瀝青的組成基礎(chǔ)，同時制備質(zhì)量合格的生物瀝青，需要將生物質(zhì)重油均勻地分布到基質(zhì)瀝青中，形成均一穩(wěn)定的體系。

2.1 生物質(zhì)重油的制備

生物質(zhì)重油是通過生物質(zhì)快速熱裂解技術(shù)制備而成的。生物質(zhì)熱裂解技術(shù)是生物質(zhì)在惰性氣氛下受高溫加熱后，其分子破裂而產(chǎn)生可燃?xì)怏w、液體生物質(zhì)油及固體生物炭的熱加工過程（如圖1所示）。

圖1 生物質(zhì)快速裂解過程示意圖

研究表明，國外在高溫加壓下生產(chǎn)出用于生物瀝青制備的生物質(zhì)重油，制備溫度一般在300℃以上，不同生物質(zhì)所適用的裂解溫度與壓力條件存在一定差異。受知識產(chǎn)權(quán)及商業(yè)保密等因素的影響，我國生物質(zhì)重油的制備工藝及詳細(xì)參數(shù)鮮有公開報(bào)道。

2.2 生物瀝青的制備

將生物質(zhì)重油加入石油瀝青，在一定溫度以一定的剪切速率溶合一定的時間，制備成生物瀝青。目前，國外專家學(xué)者對此過程進(jìn)行了研究，如表1所示。

表1 國外生物瀝青制備參數(shù)一覽表

3 生物瀝青及混合料性能特征

3.1 生物瀝青性能研究

生物質(zhì)重油和石油瀝青能夠較容易地溶合并體現(xiàn)出較好的性能。但目前的性能以及研究仍存在以下幾方面的局限性；1）生物瀝青高溫性能較弱，溫度敏感性強(qiáng)；2）研究過程中多采用車轍因子對生物瀝青結(jié)合料高溫性能進(jìn)行評價(jià)，但其適用性有待考證；3）目前生物瀝青的研究多集中在國外，其生物質(zhì)來源、參考規(guī)范、儀器標(biāo)準(zhǔn)等與我國均有一定差異。

3.2 生物瀝青混合料性能研究

單純依靠生物瀝青結(jié)合料的研究，無法較為全面地表征其在路面使用過程中所出現(xiàn)的高溫、低溫等性狀，因此，生物瀝青混合料的路用性能也成為其是否能夠大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵。

Mohammad等利用漢堡輪載試驗(yàn)、修正羅特曼試驗(yàn)、半圓彎曲試驗(yàn)與約束長度溫度應(yīng)力實(shí)驗(yàn)（TSRST）對由松木木屑生物油制備而成的生物瀝青進(jìn)行了高溫抗車轍、低溫抗裂、水敏感性及抗疲勞性能測試，認(rèn)為加入生物質(zhì)重油能夠在一定程度上改善水敏感性及低溫抗裂性能，體現(xiàn)出優(yōu)良的路用性能。

4 結(jié)語

綜上所述，國外的研究已表明生物瀝青是可以部分應(yīng)用于道路石油瀝青中，而且具有可再生、節(jié)能、環(huán)保與較低的成本等優(yōu)勢。目前，溫拌瀝青混合料(WMA)由于其拌和、攤鋪、碾壓溫度相對于熱拌瀝青混合料降低了30℃以上，可以降低生產(chǎn)能耗、減少廢氣和粉塵的排放及延長施工季節(jié)的功效，因而近幾年受到國內(nèi)外的熱捧。

生物質(zhì)能源具有高性價(jià)比、可再生、環(huán)保等特點(diǎn)，同時生物質(zhì)重油與石油瀝青具備良好的相容性和穩(wěn)定性，這將使得生物瀝青成為未來道路用瀝青材料研究發(fā)展的新方向。生物瀝青高溫性能較弱，溫度敏感性強(qiáng)。

［1］Mohamed Abdel Raouf Mohamed Metwally.Development of non-petroleum binders derived from fast pyrolysis bio-oils for use in flexible pavement[D].Ames;Iowa State University,2010.

［2］孫勤.利用植物油腳合成油腳瀝青的技術(shù)工藝[J].中國建筑防水,2001(4).

［3］張炳嶺,趙東方.植物瀝青鑄造型(芯)砂私劑的制作工藝[J].鑄造技術(shù),2009(4)：565-566.

［4］王曉輝,司南,葉愛英,等.植物油角的綜合利用[J].現(xiàn)代化工,2006,26(11)：21-24.

［5］Airey,Gordon D.;Mohammed,MusarratH.;Fichter,Caroline. Rheological characteristics of synthetic road binders[J].Fuel,2008(87)：1763-1775.

［6］Mohan D,Pittman CU，Steele PH.Pyrolysis of wood/biomass for bio——oil;a critical review[J].Energy Fuels,2006,20(3)：848-889.