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生物油在沥青再生中应用及性能评价研究进展

胡杰 ,  王岩 ,  李奎 ,  袁会彬 ,  郭豪彦 ,  翟健梁

现代化工 ›› 2026, Vol. 46 ›› Issue (2) : 69 -75.

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现代化工 ›› 2026, Vol. 46 ›› Issue (2) : 69-75. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.02.013
技术进展

生物油在沥青再生中应用及性能评价研究进展

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Application and performance evaluation of bio-oil in recycled asphalt

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摘要

为推动铺面工程可持续发展并利用废弃生物质,综述了生物油再生沥青研究进展,涵盖再生剂来源、类型、制备及性能,阐述老化机理、再生机理及性能恢复,并分析路用及长期服役表现。未来研究应聚焦于多源生物油复合、沥青多级再生及性能长期稳定性。

Abstract

To promote sustainable pavement engineering and valorize waste biomass,this study reviews the research progress on bio-oil recycled asphalt,covering the sources,types,preparation methods,and properties of bio-oil recycling agents.It summarizes asphalt aging mechanisms,rejuvenation mechanisms,and performance recovery,and analyzes pavement and long-term service performance.Future research should focus on multi-source bio-oil blending,multi-stage asphalt recycling,and long-term performance stability.

Graphical abstract

关键词

道路工程 / 性能评价 / 再生机理 / 生物油 / 再生沥青

Key words

road engineering / performance evaluation / rejuvenation mechanism / bio-oil / recycled asphalt

Author summay

胡杰(1985-),男,硕士,高级工程师,研究方向为道路工程材料, 。

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胡杰,王岩,李奎,袁会彬,郭豪彦,翟健梁. 生物油在沥青再生中应用及性能评价研究进展[J]. , 2026, 46(2): 69-75 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.02.013

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沥青性能会受到光、热、水和氧的作用而逐渐劣化,即沥青发生老化。且沥青作为不可再生石油资源蒸馏残渣,长期开采和消耗加剧了资源枯竭和铺面成本上升,可持续的沥青再生技术成为缓解资源压力和环境问题的重要途径[1]。
老化沥青的性能恢复主要依赖再生剂,类型可分为石油基、煤焦油基和生物基3类[2]。石油基再生剂主要由轻质芳烃组成;煤焦油基再生剂存在苯并芘和多环芳烃等多种致癌物质[3-4]。相比之下,生物质可持续再生剂富含芳香烃、酮和轻质化合物(如苯酚、萘、茚和甲苯),表现出良好的沥青“回春”潜力[5]。同时,将生物质材料用于沥青再生工艺能实现农林废弃物资源化,有效减少环境污染。
沥青再生过程中,再生剂的类型选择尤为重要。本文中整理了生物油再生剂的来源、种类、生产技术及物理化学性能,概述了沥青老化机理、生物油再生机理及再生效果,并综合评述了生物油再生沥青的高/低温、黏附及长期服役性能,以期为废弃生物质在道路工程中的环境友好型应用提供参考。

1 生物油再生剂

1.1 生物质概述

生物质是唯一能生产气体、液体和固体燃料的可再生资源,按资源类型可分为能源作物、林产品及废弃物[6],按路面工程应用可分为生物油、生物纤维和生物填料3类,其来源及代表产物见表1[7-9]。其中,生物纤维主要添加于沥青混合料的制备过程,生物填料既可在混合料拌和阶段掺入,也可用于沥青改性,而生物油则主要应用于改性与再生沥青。
生物质转化利用技术主要包括生物转化、化学处理和热化学转化3类[10]。生物转化基于厌氧消化和酶技术,提供沼气能源;化学处理通过加热和水解提取半纤维素类化工原料;热化学转化则主要制备生物油、生物炭和合成气,将在1.3节进一步介绍。

1.2 生物油种类

生物油是生物质经热解、醇解、酸解或液化等工艺得到的棕黑色液体,由C、H、O复合有机化合物组成,主要含有醇类、有机酸、酯类、醚类、醛类和酚类等数百种含氧化合物[11]。与石油基沥青相比,生物油含水量较高(质量分数10%~30%),因而H、O元素比例更高,而N、S元素则明显偏低。这一特性在提升环境友好性的同时,也导致了生物油热稳定性较差[12]。此外,高活性成分易引起生物油的含水量和黏度随时间推移而增加,导致性能不稳定。然而,受原料来源多样化影响,不同生物质制备生物油性质存在显著差异,典型特征列于表2[7,13]。

1.3 生物油生产技术

热化学转化是制备生物油的主要途径,工艺流程见图1,包括水热液化和热裂化热解2类。其中,热裂化热解可细分为快速热解、慢速热解、闪蒸热解、催化热解、混合热解和常规热解等[9-10],常用技术及特点见表3[7,9]。
水热液化操作温度较低,适用于动物粪便等高含水生物质,但产油率偏低(如猪粪仅输出生物油约18%)。相比之下,快速热解工艺简便、应用最为广泛,但不宜处理动物类生物质,输出产品占比为:60%~75%生物油、10%~20%合成气及15%~20%生物炭[7-8]。
初步制备的生物油通常酸值和含水量较高,难以直接用于沥青的改性与再生。为提升其与石油沥青的相容性及改性效果,常采用蒸馏、萃取和氧化分离等工艺去除或分离碳水化合物、酚类和有机酸,从而获得性能更稳定的生物改性剂或添加剂[7-8]。常用生物油改性剂/添加剂的精炼与加工方法及其特性见表4[6]。

1.4 生物油物理化学特性

生物油的水分含量、密度和黏度等物理特性直接影响再生沥青黏合剂的内聚性、离析性和流变性能[10,12],但因生物质来源不同而差异显著。生物油的元素组成与沥青相似,但多数市售生物油再生剂受专利保护,详细组分难以公开获取。常用气相色谱-质谱联用(GC-MS)和傅里叶变换红外光谱(FT-IR)技术对生物油的基本化学成分和官能团进行分析,发现其烷烃、环烷烃等官能团与沥青芳香族成分具有相似特性,可有效恢复老化沥青性能[14]。此外,不同生物质来源的生物油所含功能化合物存在差异,研究者已对其进行系统整理(表5[15]),为针对性选择生物油进行沥青的复合改性和再生提供了参考。

2 生物油再生沥青

2.1 生物沥青概述

生物沥青是指在沥青材料中引入一定比例生物油所得的复合材料,生产方式主要包括直接替代、改性和稀释3类[7,16]。不同工艺条件下的生物油替代率已在表6中进行了总结,本文中仅对生物再生沥青进行重点论述。

2.2 沥青老化机理

沥青的老化过程主要包括挥发性成分损失、物理硬化和化学氧化3类机制,其概要见表7[8,17-18]。随着老化过程中微观组分发生变化,沥青的宏观性能也会随之劣化:软化点、黏度、复数模量、劲度模量、车辙因子和疲劳因子均呈增加趋势,而针入度、延度、相位角和蠕变速率则明显降低[17]。这些性能衰减会加速路面结构的早期损坏,显著缩短服役寿命。

2.3 生物油沥青再生机理

生物油再生沥青的作用过程如图2所示,其中是否存在化学反应一直是研究人员关注的焦点[2]。从化学角度看,“再生”并不意味着逆转老化沥青的氧化过程,而是通过再生剂的扩散作用渗透至老化沥青内部,降低其中大分子组分比例,从而在流变学与力学性能上实现部分恢复(图3)[2,19]。因此,沥青质含量低而芳香分和树脂等组分相对丰富的再生剂,更有助于提升老化沥青的低温抗裂性与高温稳定性。然而,这一恢复效果明显依赖于生物油的来源[5,16]。例如,AFM测试结果表明,富含苯酚类物质的废木材生物油对老化沥青的性能恢复优于主要含烷烃的废食用油及秸秆液化残渣油(图4)[20]。此外,动物油等饱和脂肪酸比例较高的生物油会导致再生沥青凝固点偏高,在低温下易产生应力集中,从而削弱抗裂性能[21]。
本文中归纳了不同生物质来源生物油的再生沥青机理(表8)。其中,稀释作用通过调节老化沥青的组分比例来改善组分间的相容性;溶解作用则削弱极性分子间的相互作用,破坏大分子聚集结构[15]。然而,现有研究多集中于再生前后性能差异的“始-终”状态分析,对于生物油在与沥青分子动态接触过程中可能发生的反应机理仍缺乏深入探讨。

2.4 沥青再生效果

沥青的再生效果主要取决于再生剂的分散均匀性、在沥青中的扩散性能以及与沥青组分的相容性[2]。得益于生物油良好的再生特性,其再生沥青在组分上与石油沥青相似,均由饱和分、芳香分、树脂和沥青质构成。研究表明,轻质油因极性较低、分子间作用力较弱,更容易在老化沥青中实现有效扩散[24]。进一步的分子动力学模拟结果显示,再生剂掺量增加或扩散温度升高,能够削弱沥青质的团聚现象,从而改善再生效果(图5)[25]。然而,生物油中普遍含有较多低沸点成分[7],制备过程中难以通过常规加热完全去除水分,这一含水特性往往导致再生沥青性能的不稳定。
为克服生物油高含水量及性能不稳定等问题,许多学者尝试采用多种生物油进行复合再生[5,19]。例如,木材热解生物油中酚类和酮类含量较高,而芳烃和烷烃含量较低;废轮胎橡胶共热解生物油则表现出芳烃和烷烃含量较高、酮类较少。Li等[4]通过将2类生物油复配,优化芳烃与酮类的比例,实现了对严重老化沥青性能的有效恢复。

3 生物油再生沥青性能评价

3.1 高温稳定性

沥青老化过程中,轻质组分逐渐转化为胶质,胶质进一步转化为沥青质,表现为轻质组分减少、重质组分增加,从而导致黏度升高及高温性能指标增强。生物油的掺入可补充老化沥青中的轻质组分,降低黏度,其变化可通过软化点(等黏温度)、针入度(等温黏度)和运动黏度等指标加以表征[21,26]。此外,生物油再生剂能够降低沥青的车辙因子,但随着体系趋于稳定,该降低幅度逐渐减小[27]。然而,在有限掺量下,生物油能否使高温流变性能恢复至未老化水平,仍取决于其来源特性。

3.2 低温抗裂性

沥青在老化后低温性能显著劣化,表现为延度下降、蠕变劲度模量增大以及蠕变速率减小[27]。因此,生物油对低温性能的恢复能力已成为评估再生效果的重要指标。研究表明,随着生物油掺量增加,老化沥青中的芳香分和饱和分得到补充,使再生沥青的延度提升,但增幅逐渐减缓,说明恢复效果存在一定限度[15,21]。Lv等[28]提出,可通过高温性能确定掺量上限,通过低温性能确定掺量下限,但具体采用何种评价方法仍有待进一步研究。

3.3 界面黏附性能

部分生物油改性剂(如废食用油、植物油等)能够增加沥青材料中的酸性化合物含量,从而增强与硅质集料的吸附作用,但这一作用易受水分子取代而减弱[5]。为改善这一水敏性弱点,可采用生物油的酯交换处理或复合改性技术。此外,涂覆生物油硅质集料对沥青分子表现出的黏附倾向较涂覆有机硅烷集料更强[28]。这主要归因于生物油分子中的活性官能团能够在硅质集料表面与沥青分子之间形成稳定的化学桥联,从而提升复合材料的黏附性能,并显著增强界面黏结强度。
另一方面,生物油再生沥青在服役过程中仍会经历轻质组分向重质组分转化的老化过程[16]。在此过程中,生物油中轻质组分的挥发与转化不仅加速了性能劣化,还会导致沥青材料在老化前后产生明显的质量变化。

3.4 长期服役性能

生物油再生剂的再生效果与其在老化沥青中的渗透能力密切相关,但再生剂中某些特殊成分可能对混合料的长期服役性能产生不利影响,特别是在抗湿气破坏和抗老化方面存在耐久性不足的问题[29]。这意味着,再生剂的高修复能力并不能完全保证再生沥青材料的长期稳定性。Rajib等[30]指出,生物油再生沥青的耐久性能主要取决于再生剂的极化特性。极化率较高的分子更容易与空气和水等环境因子发生作用,从而加速再生沥青材料的老化和湿气损坏。
因此,在评价生物油再生沥青的长期服役性能时,应不仅关注其对老化沥青的即时修复能力,还应综合考量再生后材料的耐久性。未来研究建议将耐湿气破坏性和抗老化性能作为生物油再生沥青性能评价的关键指标,以全面衡量其服役价值。

4 结果与讨论

(1)生物质转化利用技术主要包括生物转化、化学处理和热化学转化3类。其中,生物油主要通过热化学转化中的快速热解制备,主要成分包括各种醇类、有机酸、醚类和醛类等数百种有机化合物,具有热不稳定性。且受生物质来源多样性影响,生物油的物理和化学特性存在显著差异。
(2)沥青老化是轻质组分挥发、向重质组分转化的过程。生物油中的烷烃、环烷烃等官能团与沥青中芳香族组分特性相似,渗入老化沥青后可通过稀释、溶解和调和作用降低大分子组分比例,从而改善流变学性能和整体性能指标。然而,水分存在可能导致生物油再生沥青性能不稳定。
(3)生物油掺入可补充老化沥青的轻质组分,使高温稳定性和低温抗裂性向原始沥青恢复。部分生物油改性剂还可增强沥青与硅质集料的吸附作用,但生物油中某些特殊成分可能对再生沥青的长期服役性能产生负面影响。
(4)未来应考虑采用复合生物油以实现沥青再生性能平衡,同时在性能评价中纳入长期服役性能指标。还应对再生沥青的性能评价方法及多级再生利用策略进行深入研究,重点探讨生物油分子与沥青分子在再生过程中的动态接触机制。

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