国内外研究现状和发展动态
近年来为了缓解石油沥青资源紧张，对于生物沥青等新型替代资源的开发越来越受到大家的关注。生物沥青是一种深棕色、非石油基生物结合料，各种农林业废料和生活废弃物都可能成为它的原材料。凡是以生物质为原料，最终能转化为具有沥青功能的材料，都可以称之为（纯）生物沥青；从化学组分的角度来看，（纯）生物沥青是指经过加工、改性可制得具有胶结料性能的高分子碳氢化合物及其非金属衍生物组成的混合料。按照生物质原料和加工工艺不同，（纯）生物沥青分为三类：热解生物沥青、植物油脚生物沥青和聚糖类生物沥青。而将（纯）生物沥青与道路石油沥青经过一定生产工艺加工后制备的沥青材料成为混合生物沥青。为了掌握生物沥青这种新型材料的组成和结构，各国学者通过化学分析及性能测试等手段对其进行了大量的研究，并且将生物沥青添加到普通石油沥青中进行了一系列混合生物沥青及沥青混合料性能评价，证明了其在替代石油沥青方面的可行性。
1、生物沥青来源及生产工艺
（1）生物沥青来源
生物沥青来源十分广泛，从生活废弃物到农林业作物废料都可以通过快速热解等技术变废为宝。Elham H.F.等人利用从动物粪便中提取的生物油脂与橡胶相结合制备了生物改性橡胶沥青。Mohamed A.R.等人利用从柳枝稷中提取的植物沥青直接部分替代石油沥青并研究其流变性能。Peralta J.等人利用从红橡木中提取的生物沥青进行了混合生物沥青流变性能及储存稳定性方面的研究。Uzun B.B.等人对从茶叶残渣中提取的生物沥青及生物炭的元素及物质组成进行了研究。Zofka A.等人分析了从咖啡残渣中提取的生物沥青的老化及流变性能。由此可见生物沥青来源多为废弃资源，这不仅缓解了废弃物造成的环境污染，还能变废为宝创造经济效益。
（2）国内外主要生产工艺
现阶段生物沥青主要利用快速热解技术，通过隔绝氧气快速升温加热生物质原料，经快速冷凝系统制备而成，具体工艺流程如图所示。热解技术生产生物沥青的优点是能同时利用生物质中的碳水化合物和木质素，缺点是生产出来的生物沥青不稳定并具有一定腐蚀性。快速热解技术的关键条件可总结为一下三点：
在较高传热速率下加热至500℃左右；严格控制反应温度并保证蒸汽停留时间不超过2秒；通过迅速冷却得到生物沥青。生物质快速裂解后一般可以生成固态的生物炭和液态的生物沥青。生物炭对改善土壤环境，增强土壤肥力有一定的效果，同时还可以减少温室气体的产生。
热解生物沥青：经过热解工艺将生物质原料（通常是锯末等木材加工下脚料以及秸秆、稻壳等农业副产物）转化为生物质油（主要用于制备燃料和化学品），再进一步将其重组分进一步加工为生物沥青。
植物油脚生物沥青：利用大豆、玉米等为原料制植物油（主要为食用油），植物油炼制后的下脚料，约占植物油质量分数的3%～5%左右，将其进一步加工为生物沥青材料。
聚糖类生物沥青：利用淀粉质材料或玉米秸秆中的C5、C6糖经过酯化或环化处理成大分子化合物之后，添加到沥青当中，减少沥青的用量，达到部分替代的目的，这类大分子化合物即为生物沥青。
道路用生物沥青：将（纯）生物沥青与道路石油沥青经过一定生产工艺加工后制备的沥青材料。
2、生物沥青化学组成及结构分析
（1）四组分分析
传统石油沥青是由分子量较大的烃类化合物构成的成分复杂的混合物，主要包括脂肪族和芳香族化合物，适量的硫，少量的氧和氮及微量的过渡金属元素。学者们将其大致分为四类即芳香酚、饱和酚、沥青质及胶质。沥青中各成分的含量决定了沥青的性能表现，大量学者通过分析不同沥青中的四组分含量及沥青性能，建立了沥青四组分与沥青性能的相关关系。来源不同的生物沥青，四组分含量不同，各种性质因此也不相同。
Elham H.F.等对猪粪在真空下进行热分解得到的生物沥青和两种普通石油沥青进行了四组分分析，发现生物沥青中的饱和酚和芳香酚均较少，胶质和沥青质较多。
（2）官能团及主要成分分析
国内外的学者们利用高分子材料的分析方法对生物沥青的化学组成及官能团构成进行了研究，分析与石油沥青的组成差异，包括傅里叶变换红外光谱法、气相色谱-质谱联用分析法、核磁共振波谱法等。这些方法近年来在高分子材料中的应用已越来越广泛，可以对生物沥青材料的化学本质有更好的了解。利用不同生物沥青的官能团判断其所含有的主要成分，根据成分选择化学改性方法，从而提高生物沥青的性能。
Elham等采用傅里叶红外光谱法发现生物沥青的谱图和石油沥青有很大不同，在生物沥青的谱图中碳碳和碳氢单键并没有出现在石油沥青出现的区域；在1700cm-1和1000cm-1处用来评价老化程度的羰基和亚砜在区域内无法区分；对照已有材料的谱图发现在生物沥青中存在脂肪族、稀族、芳香族以及一些羰基、醛、胺等碳氧官能团。Adam Zofka等采用傅里叶红外光谱分析了咖啡色及提取咖啡后残渣的化学成分，观察到了咖啡豆作为抗氧化剂的原因，缘于成分中含有绿原酸、木质素、咖啡因等。Joseph等发现大豆脂肪酸具有与沥青相似的化学成分，主要包括长链型的脂肪酸，可以归类为羧酸类。Elham等使用核磁共振谱法的氢谱发现了来自猪粪的生物沥青存在烯烃、醇类和羧酸酯。
3、生物沥青路用性能
将生物沥青应用于道路建设中，必须对其几方面的性质加以研究，包括：粘度、劲度、延展性、蠕变、黏结性及防水特性。目前国外的研究主要是将生物沥青作为改性剂掺入不同PG分级的基质沥青中，并对混合改性之后的性质加以探究。
（1）生物沥青的高温性能
采用动态剪切流变仪（DSR）对沥青施加动态循环荷载测试沥青的复数剪切模量和相位角已成为研究沥青材料流变性能的一种主要手段。而基于此提出的车辙因子G*/sinδ也是评价沥青结合料高温性能的一个重要指标。根据其得出的复数剪切模量G*、相位角δ、抗车辙因子G*/sinδ、损失剪切模量G*·sinδ与温度T的关系来评定该沥青的高温稳定性能。G*/sinδ是SHRP规范提出的车辙因子，其值越大，沥青材料抵抗高温变形能力越好。
Elham等在复数模量主曲线的研究中发现，随着生物沥青掺量的增加，复数模量降低，且在频率跨度上小于未改性的沥青，说明掺入生物沥青后温度敏感性降低。Elham，You及Wen等分别对来自猪粪和废弃食用油的生物沥青进行PG分级，发现高温性能下降的同时低温性能得到了改善。
（2）生物沥青的低温性能
BBR试验可以提供一种测试沥青结合料低温刚度和松弛特性的方式，可以用来预测沥青的热开裂趋势，试验结果是蠕变柔量、刚度、m值和开裂温度Tcr。因此研究学者经常采用BBR试验法评价生物沥青的低温性能。
Elham等研究发现掺入生物沥青会降低改性后沥青的刚度，提高m值（改善了应力松弛性能），降低石油沥青的开裂温度，且随着其掺量的增加，开裂温度降低的幅度越大。Williams和Raouf等将来自于橡木、柳枝和玉米秸秆的生物沥青掺入石油沥青中进行改性，BBR试验发现m值降低，即低温抗开裂性能降低。
（3）生物沥青的疲劳性能
目前，国内外有很多测试沥青疲劳性能的试验，但迄今为止Superpave的G*·sinδ依旧是描述疲劳性能最有效的指标。
（4）生物沥青的流变特性
国外学者对生物沥青和石油沥青的流变特性进行了比较，研究集中在把前者作为后者替代品的可行性上。有研究表明，生物沥青与石油沥青表现出不同的流变性能，生物沥青更适合用来作为硬沥青的改性剂。也有研究学者表明，即使在温度敏感性上有一些不同，生物沥青在一定程度上也表现出与石油沥青相似的流变性能。Airey、Wan Nik和Abdel Raouf研究表明，流变特性在描述和预测生物沥青的行为特性上具有重要的作用，其中包括粘弹性、温度敏感性、剪切敏感性以及老化。
4、生物沥青作为改性剂-混合生物沥青的研究现状
国内外在进行的研究中，生物沥青多是作为改性剂掺入到石油沥青中，生物沥青的改性效果依赖于很多因素，如基质沥青、生物沥青来源、生物沥青与沥青材料的掺配比例等，目前两者的混合大多是采用不同掺量。
Elham和You等以猪粪为原料的生物沥青作为改性剂分别掺入石油沥青中，发现增加生物沥青的含量可以降低改性后沥青的开裂温度，改善了低温抗开裂性能。Wen等采用废弃食用油聚合得到的生物沥青以不同比例与不同PG分级的传统石油沥青进行混合得到混合生物沥青，最后结论与Elham和You的结论一致，且抗疲劳性降低。Williams等对不同来源的生物沥青分别掺入到传统石油沥青中3%、5%、9%进行研究，表明生物沥青可以使混合生物沥青的高温等级提高将近6℃；而将生物沥青的含量提高到9%时，混合生物沥青高温等级得到明显改善，即生物沥青加入到基质沥青可以改善车辙性能，但也同时降低了抗开裂性能。这在前面已经交代，不同来源的生物沥青性能相异，导致出现的结论相悖。Elham H.F.等通过不同掺量生物沥青的混合沥青复数模量主曲线的变化发现，当生物沥青掺量增加时，混合生物沥青复数模量降低，并且混合生物沥青的感温性和抗车辙性能得到改善。Wen等发现经混合生物沥青的抗车辙能力有所提高，其PG分级为58-28，与之前的沥青复数模量结果一致。MillsBeale J等将猪粪基生物沥青掺入到石油沥青中，采用RV , DSR, BBR等试验评定其流变性能，通过研究得到生物沥青能有效与石油沥青混合，此时结合料的粘度下降；在较高温度下，生物沥青结合料显示出高温抗车辙性能；在较低温度时，能有效提高其低温抗裂性。涂成等以20%为范围在石油沥青中掺入生物沥青，得出比例小时混合沥青在高温储存或运输过程中能保持物理性能的稳定；比例大时在长期高温条件下，生物沥青与石油沥青共混体系流变性能保持稳定；并从物理性能、流变性能以及官能团结构三方面对生物沥青与石油沥青共混体系的热储存稳定性进行评价均得出其具有较优的热储存稳定性；生物沥青与石油沥青的混合沥青在长时间的高温储存和运输过程中能保持性能的稳定。山东大学曹卫东等将9%的生物沥青掺入70号沥青中，发现混合沥青针入度略有增大，软化点略有下降，延度升高，三大技术指标均满足规范要求，初步验证了国内生产的生物沥青是可以部分代替石油沥青的假设[8]。长安大学廖晓锋等通过沥青3大常规指标试验、DSR试验、BBR试验和重复蠕变恢复试验等综合评价了混合生物沥青的路用性能，并取得了一下成果：生物沥青强度和高温性能劣于常规沥青，二者共混后高温稳定性有所下降；生物沥青的中等温度疲劳性能适中，与基质沥青共混后可提高其疲劳性能；生物结合料的低温抗裂性优于常规沥青，在常规沥青中添加适量的生物沥青能显著改善结合料的抗裂性[1]。曹雪娟等认为生物沥青强度和高温性能劣于常规沥青,温度敏感性较强,但其低温抗裂性良好。利用生物沥青与石油沥青的相溶性，将生物沥青全部或部分替代石油沥青制备生物沥青结合料,能提高其低温抗裂性，但仍需深入研究以获得更好的综合路用性能。栾海等提出一种利用植物沥青添加至石油沥青作为道路用沥青及生产方法，所制备的沥青混合料具有一定的高温稳定性，能够提高沥青混凝土路面高温和重载交通的抗车辙变形的能力[3]。
5、改性生物沥青的研究
想要成功的将生物沥青应用到道路建设中去，需要对生物沥青进行改性升级，根据现有研究总结可知，不同生物来源和生产工艺生产出来的生物沥青性能缺陷不同，而可以对其改性的材料很多，有可能是高分子聚合物，也有可能是无机非金属材料或者金属材料，但现阶段研究一般都是单一的改性，而关于复合改性的研究相对较少。
Raouf的研究结论是需要改性剂改善生物沥青的低温性能。Joana Peralta等向其中掺加橡胶对其进行改性，评价了其化学相容性。Peralta等在玉米秸秆裂解得到的生物油中加入橡胶粉，制备成橡胶改性生物沥青，并采用红外光谱对其化学成分进行测试。得出橡胶颗粒在生物油中可以较好地溶胀发育，二者具有良好的配伍性。Fini E H等用猪粪通过快速热裂解制得生物粘合剂，然后将其与废旧橡胶粉混合制得改性生物沥青BMR，发现BMR和常规橡胶粉改性沥青CRM的性质接近，粘度提高，为废弃生物质及废旧轮胎的合理利用提供了一条可行的出路[6-7。何敏等对改性生物沥青常规性能研究表明生物沥青与改性沥青混合后，其针入度值随着改性沥青比例的增大而减小。进行温度稳定性分析知，两种生物沥青与改性沥青混合后，高温性能受影响，但改善了生物沥青低温下硬脆的缺点[5]。哈尔滨工业大学曹羽研究了复合改性生物沥青的性能，先对混合生物沥青进行SBS改性，SBS掺量为2%，硫粉掺量为0.2%，然后进行橡胶粉改性，橡胶粉掺量为15%，对改性后的沥青进行三大指标、流变性能、疲劳性能、温度敏感性等性能评价，并比较复合改性前后生物沥青性能变化情况，得出复合改性后高温性能得到明显的提升，高温区感温性能明显得到改善，老化性能得到明显的改善，粘附性均达到规范中的要求，粘附性较好[2]。
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