基于生物質材料的瀝青再生劑研發

張文軒 李強

摘 要：生物油是生物質材料熱解的重要產品，可用作瀝青改性劑或老化瀝青粘合劑的再生劑。本文綜述了生物質材料的類型，生物油的制備工藝、生物油再生瀝青及其混合料的常規性能。最后，提出生物油再生劑研究中可能遇到的問題，為生物油再生劑的研究提供參考。

關鍵詞：生物質材料; 生物油再生劑; 再生瀝青性能

中圖分類號：U414.75? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ?文章編號：1006-3315（2021）7-176-002

1.生物油再生劑研發背景

近些年來，我國道路建設事業發展迅速，已經步入“建養并重”的階段。現階段我國瀝青路面大修普遍采用銑刨重鋪的方法，這種方法會導致每年產生大量廢舊瀝青混合料。如果這些廢舊料得不到合理的處置，既會造成環境污染，也是對資源的極大浪費。

目前，處理瀝青路面廢舊料的較好方法就是對其再生利用。而再生技術應用的關鍵之一就是再生劑的選擇。目前工程中廣泛使用的是石油基再生劑，其主要成分是石化副產物。在石化產業中，瀝青作為下游產物，價格較低;而用于再生劑的油漿原料相對于瀝青來說屬于上游產物，經濟價值比瀝青高出不少。進一步考慮到石油再生劑本身就是一種不可再生的資源，用不可再生的材料進行再生，本質上仍是不可持續的技術[1]。所以，為彌補傳統再生劑的不足，研究者嘗試開發基于生物質材料的綠色環保、來源廣泛且性價比高的生物油再生劑。

2.生物油制備工藝

生物油是生物質材料經過加工后的部分產物，生物質材料來源廣泛，包括廢棄的食用油，動物廢物，農業和林業廢物，微藻類，咖啡渣等。在熱化學過程之后，生物質材料會轉化為燃料氣體生物油和生物碳。生物油是液體產品，主要成分是脂肪酸酯，將其加入較高瀝青中可補充瀝青因老化而缺失的油分，從而調整老化瀝青膠體結構以恢復其性能[2]。

目前應用較廣泛的生物油制備方法有兩種：快速熱解法和水熱液化法。采用快速熱解法制備生物油時，首先向流化床反應器中加入生物質材料，經過一系列反應，生物質分解為生物炭和揮發物，并且揮發物包含可冷凝和不可冷凝的氣體[3]。然后，可冷凝氣體冷卻下來成為生物油。水熱液化法是從生物質中制備生物油的另一種方法。水熱液化法比熱解法對植物生物質的制備溫度和壓力要低。但是與熱解法相比，水熱液化法的生物油產率更低，所以快速熱解法通常用于處理植物類生物質材料，而水熱液化法主要用于處理動物糞便。

3.生物油在再生劑中的應用

3.1植物基生物油

目前已經有研究使用新鮮大豆油、菜籽油以及亞麻籽油等作為再生劑的基礎油分，對比后發現摻入新鮮大豆油再生劑后，舊瀝青的針入度、軟化點降低，延度增加[1][4]，是其中最適合作為再生劑的植物油，但新鮮植物油作為再生劑基礎油存在經濟成本較高的問題。

相比新鮮植物油，廢棄植物油（WCO）作為再生劑也具有軟化瀝青的作用，且兼具產量大、價格低廉、環保等優點。研究表明WCO再生劑可使老化的瀝青恢復為基礎瀝青的水平，再生瀝青的軟化點隨生物油含量的增加而降低，而針入度和延度的變化卻相反。WCO再生劑可以減輕高氧化組分的聚集，并增強老化瀝青分子的擴散能力，但不能顯著改變老化瀝青的形態[5]。

WCO再生瀝青混合料較差的抗車轍性與老化后的瀝青混合料相當，但WCO再生瀝青混合料的高溫性能可以滿足規范要求。老化瀝青的低溫性能得到了顯著改善，原因可能是生物油可以增加老化瀝青的彈塑性。在水穩定性方面，WCO用量為12%的情況下，可以增強生物再生瀝青混合料的水穩定性，并滿足規范的凍融劈裂強度比要求，但殘留穩定性不能滿足規范[6]。

3.2動物糞便類生物油

對于動物糞便中的生物質材料，大多數研究人員和工程師都將重點放在基于豬糞的生物油上。將豬糞經加工產出的生物油，加入1.5%PPA（聚磷酸）進行改性，最后加入到老化瀝青中，結果顯示該生物油一定程度上恢復了老化瀝青的性能，PPA增強了粘合劑的高溫性能[7]。

此外，該生物油可以改善瀝青粘合劑的流變性能以抗老化性。使用豬糞開發的生物粘合劑作為石油瀝青粘合劑的部分替代物，將增強瀝青的流變性能;在瀝青混合料中應用可以降低混合和壓實溫度，減少了工廠生產和鋪設路面過程中的燃料消耗和由此產生的二氧化碳排放[8]。由于成本相對較低，使用這種生物粘合劑還可以降低路面建設成本。此外，銷售生物粘合劑也為農民提供了額外收入來源。

4.結語

綜上所述，利用生物膠結料制備生物再生劑從而實現資源的可持續利用是可行的，但仍存在生物質原料開發較少、現有制備工藝的產油率低等問題。此外，生物再生劑的研究方向不應只關注其對老化瀝青基本性能的恢復，也應該考慮生物再生劑的抗老化性質。生物再生瀝青的抗老化能力一定程度上影響著再生瀝青使用的壽命，如果生物再生瀝青的抗老化能力較差，則勢必在短期內又需要對其進行再生修復，嚴重影響路面的使用年限，實際工程價值將大大降低。

參考文獻：

[1]龔明輝.生物質再生瀝青混合料微觀特性研究[D]東南大學，2017

[2[胡森.生物油再生SBS改性瀝青性能研究[D]重慶交通大學

[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]徐剛，楊軍，朱浩然，張佳運，龔明輝，陳志泉.生物再生劑再生效率研究[J]石油瀝青，2017，31（01）：14-20

[5]高新文，劉朝暉.生物油再生瀝青自愈合機理分析[J]中國公路學報，2019，32（04）：235-242

[6]唐伯明，曹芯芯，朱洪洲，曹雪娟.生物油再生瀝青膠結料路用性能分析[J]中國公路學報，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