基于生物質(zhì)材料的瀝青再生劑研發(fā)

張文軒 李強(qiáng)

摘 要：生物油是生物質(zhì)材料熱解的重要產(chǎn)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(zhì)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(guī)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(guān)鍵詞：生物質(zhì)材料; 生物油再生劑; 再生瀝青性能

中圖分類號(hào)：U414.75? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ?文章編號(hào)：1006-3315（2021）7-176-002

1.生物油再生劑研發(fā)背景

近些年來，我國道路建設(shè)事業(yè)發(fā)展迅速，已經(jīng)步入“建養(yǎng)并重”的階段。現(xiàn)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(huì)導(dǎo)致每年產(chǎn)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(huì)造成環(huán)境污染，也是對(duì)資源的極大浪費(fèi)。

目前，處理瀝青路面廢舊料的較好方法就是對(duì)其再生利用。而再生技術(shù)應(yīng)用的關(guān)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(chǎn)物。在石化產(chǎn)業(yè)中，瀝青作為下游產(chǎn)物，價(jià)格較低;而用于再生劑的油漿原料相對(duì)于瀝青來說屬于上游產(chǎn)物，經(jīng)濟(jì)價(jià)值比瀝青高出不少。進(jìn)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(jìn)行再生，本質(zhì)上仍是不可持續(xù)的技術(shù)[1]。所以，為彌補(bǔ)傳統(tǒng)再生劑的不足，研究者嘗試開發(fā)基于生物質(zhì)材料的綠色環(huán)保、來源廣泛且性價(jià)比高的生物油再生劑。

2.生物油制備工藝

生物油是生物質(zhì)材料經(jīng)過加工后的部分產(chǎn)物，生物質(zhì)材料來源廣泛，包括廢棄的食用油，動(dòng)物廢物，農(nóng)業(yè)和林業(yè)廢物，微藻類，咖啡渣等。在熱化學(xué)過程之后，生物質(zhì)材料會(huì)轉(zhuǎn)化為燃料氣體生物油和生物碳。生物油是液體產(chǎn)品，主要成分是脂肪酸酯，將其加入較高瀝青中可補(bǔ)充瀝青因老化而缺失的油分，從而調(diào)整老化瀝青膠體結(jié)構(gòu)以恢復(fù)其性能[2]。

目前應(yīng)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(shí)，首先向流化床反應(yīng)器中加入生物質(zhì)材料，經(jīng)過一系列反應(yīng)，生物質(zhì)分解為生物炭和揮發(fā)物，并且揮發(fā)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(zhì)中制備生物油的另一種方法。水熱液化法比熱解法對(duì)植物生物質(zhì)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(chǎn)率更低，所以快速熱解法通常用于處理植物類生物質(zhì)材料，而水熱液化法主要用于處理動(dòng)物糞便。

3.生物油在再生劑中的應(yīng)用

3.1植物基生物油

目前已經(jīng)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(chǔ)油分，對(duì)比后發(fā)現(xiàn)摻入新鮮大豆油再生劑后，舊瀝青的針入度、軟化點(diǎn)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(chǔ)油存在經(jīng)濟(jì)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(chǎn)量大、價(jià)格低廉、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。研究表明WCO再生劑可使老化的瀝青恢復(fù)為基礎(chǔ)瀝青的水平，再生瀝青的軟化點(diǎn)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(qiáng)老化瀝青分子的擴(kuò)散能力，但不能顯著改變老化瀝青的形態(tài)[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(dāng)，但WCO再生瀝青混合料的高溫性能可以滿足規(guī)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(wěn)定性方面，WCO用量為12%的情況下，可以增強(qiáng)生物再生瀝青混合料的水穩(wěn)定性，并滿足規(guī)范的凍融劈裂強(qiáng)度比要求，但殘留穩(wěn)定性不能滿足規(guī)范[6]。

3.2動(dòng)物糞便類生物油

對(duì)于動(dòng)物糞便中的生物質(zhì)材料，大多數(shù)研究人員和工程師都將重點(diǎn)放在基于豬糞的生物油上。將豬糞經(jīng)加工產(chǎn)出的生物油，加入1.5%PPA（聚磷酸）進(jìn)行改性，最后加入到老化瀝青中，結(jié)果顯示該生物油一定程度上恢復(fù)了老化瀝青的性能，PPA增強(qiáng)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(fā)的生物粘合劑作為石油瀝青粘合劑的部分替代物，將增強(qiáng)瀝青的流變性能;在瀝青混合料中應(yīng)用可以降低混合和壓實(shí)溫度，減少了工廠生產(chǎn)和鋪設(shè)路面過程中的燃料消耗和由此產(chǎn)生的二氧化碳排放[8]。由于成本相對(duì)較低，使用這種生物粘合劑還可以降低路面建設(shè)成本。此外，銷售生物粘合劑也為農(nóng)民提供了額外收入來源。

4.結(jié)語

綜上所述，利用生物膠結(jié)料制備生物再生劑從而實(shí)現(xiàn)資源的可持續(xù)利用是可行的，但仍存在生物質(zhì)原料開發(fā)較少、現(xiàn)有制備工藝的產(chǎn)油率低等問題。此外，生物再生劑的研究方向不應(yīng)只關(guān)注其對(duì)老化瀝青基本性能的恢復(fù)，也應(yīng)該考慮生物再生劑的抗老化性質(zhì)。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(shì)必在短期內(nèi)又需要對(duì)其進(jìn)行再生修復(fù)，嚴(yán)重影響路面的使用年限，實(shí)際工程價(jià)值將大大降低。

參考文獻(xiàn)：

[1]龔明輝.生物質(zhì)再生瀝青混合料微觀特性研究[D]東南大學(xué)，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(xué)

[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(yùn)，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(jī)理分析[J]中國公路學(xué)報(bào)，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(jié)料路用性能分析[J]中國公路學(xué)報(bào)，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