摘要:石油沥青是当前沥青路面建设与养护工程不可或缺的材料。作为一种不可再生资源，石油沥青替代材料研究具有重要的环保与经济价值和战略意义。综述了以木质纤维、动物粪便、地沟油等作为生物质来源制备生物沥青的工艺，分析了不同种类生物沥青的技术性能及用途中国沥青网sinoasphalt.com。目前，生物沥青主要作为石油沥青的添加剂或改性剂使用，完全替代石油沥青仍需要进一步研究。

关键词:生物沥青 生物质来源 生物油 制备工艺 路用性能

沥青路面具有平整、舒适、耐久、便于施工及维修等优点，在道路建设中得到大规模应用川。据统计，当前我国沥青表观消耗量超过2200、10^4t。路用沥青胶结料主要来源于石油，而石油作为一种不可再生资源，面临供求失衡的危机。同时，石油沥青在生产及使用过程中会排放大量温室气体，因此寻求石油沥青的替代材料迫在眉睫。生物沥青是以农林业产品及废弃物、生活有机废弃物、能源作物等生物质材料为原料，经过热裂解、调合等工艺制备而成性能类似石油沥青的胶结料困，具有绿色无污染、成本低廉、来源广泛等优势。生物沥青是石油沥青的一种部分或全部替代方案，主要有三种替代方式:完全替代(100%替代)、作为添加剂(25%一75%替代)、作为改性剂(<10%替代)。目前生物沥青研究的生物质来源主要分为以下三类，分别为:1)秸秆、木屑、草屑等木质纤维类;2)猪粪等动物粪便类;3)废弃食用油脂、煎炸废油等地沟油类。此外，生物油还可以通过微藻、橡木分解、棉籽和大豆炼油的下脚油以及咖啡渣等生产。

生物沥青是一种可再生的新型材料，具备成为水泥、石油沥青以外的第三类道路铺面材料的潜质，已经受到越来越多研究者的关注。美国等国家率先开展了路用生物沥青的研究及应用，爱荷华州立大学联合美国的Avell。公司已铺筑了试验路段，但国内的相关研究较少，工程应用更是鲜见报道。本研究综述了国内外不同生物质来源的生物沥青的制备方法，总结了各种类型生物沥青的特性、路用性能及改性技术，分析了生物沥青存在的问题及其发展方向，旨在为我国生物沥青的研究和应用提供借鉴与参考。

生物沥青主要由生物油和基质沥青采用调合法制备，生物油作为改性剂或添加剂部分替代石油沥青。可以将生物沥青制备过程分为两个阶段:①将生物质原料液化处理，得到生物油;②直接利用或者提质生物油，并与基质沥青调合制备生物沥青。

生物质通过酸解、醉解、热裂解、高压液化等方式能够得到生物油，其中快速热裂解技术是常用的生物油制取手段。生物质快速热裂解技术是指热解温度为400一550℃，在气体停留时间小于2s的条件下，将生物质原料热解并在反应器中冷却，得到生物油、生物炭和不可凝气体。

反应器是生物质热裂解技术的核心，不同生物质原料及反应器的最佳热解反应条件不完全相同。爱荷华州立大学Raouf等研制的生物质快速热裂解发应器，该反应器以玉米秸秆、橡木木屑和柳枝视为原料，快速热裂解得到生物油;并采用聚乙烯类改性剂直接对生物油进行改性，得到的生物沥青可以完全替代石油沥青。山东理工大学杨坦坦等设计的快速热裂解液化装置，将玉米秸秆粉在不同热裂解条件下液化为16种生物油，发现原料粒径和反应温度对生物油成分的组成有较大影响。

综上所述，不同来源的生物质可能需要选用不同的反应器，对应的最佳反应条件也不尽相同，针对不同生物质制备生物油工艺仍需进一步系统研究。此外，国内相关技术研究多局限于实验室阶段，需尽快实现工业化。

研究表明生物油和基质沥青的相容性较好，可以通过搅拌机、高速剪切机将生物油和基质沥青混合，制成一种均匀的生物沥青共混物。由于生物沥青高温易老化，温度较高时生物油中的轻质组分易挥发，因此在制备时最好控制加工温度低于170。

总结了15项研究成果，认为:①剪切温度存在明显差异，主要原因是为了适应不同生物油、基质沥青的黏度;②第4项研究所用的生物沥青结合料中含有橡胶粉，能够提高沥青胶结料的黏度和弹性，因此需要更高的剪切温度(200℃)，并降低了剪切速率;③生物油与石油沥青共混时一般需要较高的剪切速率，木质纤维类、油脂类的生物沥青尤为突出;④剪切时间一般控制在30min左右，表明生物油与基质沥青具有较好相容性，同时也为了避免生物沥青的老化和部分组分的分解。

生物油是一种复杂的有机混合物，由碳、氢、氧、氮、硫等元素构成。柏雪源等对玉米秸秆进行快速热解液化处理，得到玉米秸秆基生物油，利用气相色谱一质谱联用仪(GC-MS)分析生物油的化学组成，发现生物油主要由酸、酮、醛、峡喃、水等组成。此外热解设备、热解技术和喂料速度均对生物油的化学成分产生一定影响。Gong等从地沟油提炼生物柴油所剩的残渣中，采用蒸馏技术得到地沟油基生物油，通过GC一MS分析，发现试验结果存在40多种峰值，这表明生物油是一种复杂的混合物，其中有7种成分占比超过2%，基本是长链脂肪酸甲醋，这与地沟油生产生物柴油的机理有关。另一方面，生物油能够软化老化沥青，降低老化沥青的乳度并提高其性能，生物油的加人能够补偿老化沥青损失的轻组分。在四组分(SARA)分析中，发现加人生物油将增加饱和分含量，但会降低沥青质和芳香分的含量。

Fini等采用热化学液化过程把猪粪转变为生物油，利用这一过程遗留下的残留物作为沥青改性剂。从猪粪便基生物油和石油沥青的SARA分析结果，可见生物油含有近90%的沥青质和胶质，而传统的石油沥青沥青质和胶质含量一般不超过50%。接近一半胶质和一半沥青质的组成能够降低沥青胶结料的黏度，改善猪粪基生物沥青的流变性能，同时具有提高沥青胶体稳定性的潜质。

猪粪基生物油与石油沥青相比，含有相对较多的沥青质和胶质，仅有少量饱和分和芳香分，而地沟油基生物油的饱和分含量高，可见不同类型的生物油因生物质来源不同，组成成分不尽相同。

木质纤维类生物沥青的生物质来源包括农作物秸秆、树木木屑、割草草屑、废旧木材、淀粉质等农业废弃物和林业废弃物。一般将该类生物油作为改性剂或添加剂，通过高速剪切、机械或人工搅拌的方式和基质沥青混合，得到木质纤维类生物沥青，采用三大指标试验、BBR,DSR,RV,MSCR等试验测试其性能。

可以看出:①大部分木质纤维类生物油被作为改性剂或添加剂掺人基质沥青;②木质纤维类生物油掺人基质沥青后黏度增大，低温性能有所改善，但对高温性能的影响争议较大，多数研究表明木质纤维类生物油对沥青结合料的高温性能影响不大，甚至降低高温性能;③Raouf等选用玉米秸秆、橡木木屑和柳枝被为生物质原料，将PE类聚合物以0,2%,4%的比例掺人生物油中制得生物沥青，其高温性能、抗老化性能、温度敏感性均满足路用要求，可完全替代石油沥青。此外，绝大部分研究仅针对木质纤维类生物沥青结合料性能，而对于生物沥青混合料的路用性能研究较少，后续研究应侧重其路用性能开展研究。

目前动物粪便类生物沥青的生物质来源以猪粪为主，一般由猪粪经过热化学液化过程得到的生物油残渣作为改性剂，掺人基质沥青。研究多集中在国外，采用BBR,DSR,RV,FTIR等试验方法测试生物沥青性能。

可以看出:①动物粪便类生物油性能较差，大部分被作为改性剂掺人基质沥青且掺量较少(不超过10%);②普遍认为动物粪便类生物油能够提高结合料的高温稳定性和低温抗裂性，降低沥青黏度;③FiniH等采用2%,5%,10%猪粪类生物油和1.5%PPA对基质沥青进行改性，发现生物油能改善胶结料的低温抗裂性，加人PPA可提高生物沥青的高温性能。另外，关于粪便类生物沥青的研究多针对生物沥青结合料性能，缺乏对于生物沥青混合料路用性能研究与评价。

地沟油类生物沥青的生物质来源包括废弃食用油脂、煎炸废油等，一般将地沟油作为再生剂或改性剂直接掺人基质沥青，达到软化老化沥青、改善沥青结合料低温性能的目的。国内外关于地沟油类生物沥青的研究较少。

表明:①废弃食用油脂、煎炸废油等地沟油类生物油多用作沥青结合料的改性剂或添加剂，已有相关混合料铺筑自行车道的报道;②对于该类生物沥青来说，其低温延展能力高于石油沥青，但对其抗车辙和疲劳性能存在较大争议;③Gong等认为地沟油基生物油能够有效软化老化沥青，提高其和易性和流变性能，但由于亲水基团的存在，生物沥青的抗水损害能力不足。

生物沥青具有原材料来源广泛、价格低廉、绿色环保等优势，目前研究表明生物油与石油沥青具有良好的相容性，经过处理后能够达到现行石油沥青技术规范要求，这为生物沥青的发展与推广奠定了基础。但不同生物质来源的生物沥青性能存在差异，尤其是高温稳定性和水稳定性还存在一定争议。我国应充分借鉴国外研究成果，并结合我国不同生物质来源与分布开展针对性研究。同时，生物沥青与石油沥青在组成上存在显著差异，其老化机理、老化行为以及评价方法仍需进行深人研究。

另外，如何面向不同生物质来源优化生物沥青制备技术，研发完善的生物沥青改性技术，制订生物沥青的技术规范，并针对生物沥青性能特点形成适宜的混合料设计方法和施工技术，逐步实现完全替代石油沥青，是未来生物沥青研究的重点。