0.引言
我国作为世界交通大国，路网规模巨大。截至2023年末，我国综合交通运输网络里程超过600万公里，全国公路总里程为544.1万公里，其中公路养护总里程占比超过99%。沥青路面因其良好的路用性能以及优异的行车舒适性，已大规模应用在我国已建成的高等级路面当中，其占比超过90%。
我国石油沥青消耗总量在2023年超3000万吨且呈上升趋势。然而，由于石油资源的不可再生且大量依赖进口等原因，石油沥青价格一直维持在较高水平。同时，石油沥青的大量使用导致了粉尘和温室气体过度排放，对环境有较大影响[1]。
相关研究表明，生物油化学组成和石油沥青差异很小，两者存在优异的相容性[2]。生物油来源于各类生物质资源，在不同可再生能源中，生物质资源具有可再生、储量大、分布广等特点，主要包含：农作物秸秆、动植物尸体、动物粪便、厨余垃圾、农业垃圾等。全球每年大约生产20亿吨农作物秸秆，而作为农业大国的中国，秸秆年产量约为7亿吨左右，居世界首位。基于生物油的生物沥青，可作为石油沥青的可替代产品，具有绿色、环保、可再生等一系列优点。目前国内外已有许多学者对生物沥青展开了广泛的研究。
我国目前主要生物质资源年产生量约为34.94亿吨，其储量十分丰富。但对其开发利用起步较晚，利用程度较低，且主要集中在作为燃料供热发电、农田有机肥料等，生物质转化利用技术运用较少。清华大学杨旭东教授指出，虽然我国生物质资源的开发潜力达到4.6亿吨标准煤，但当前实际被转化为能源进行应用的尚不足6000万吨，其间存在巨大浪费，对生物质资源的能源化利用要引起足够重视。
1生物质重油
生物沥青的制备，首先需要将生物质重油与基质沥青加热共混，再对混合液通过高速剪切乳化机进行机械混合，在强剪切作用下生物质重油与基质沥青细化分散，在乳化机离心挤压、液层摩擦等综合作用下，二者能均匀细致的分散和溶解，形成相互包封的共混微粒，即可得到生物沥青。而生物质重油是生物沥青的核心与关键所在，制备生物沥青首先需要得到生物质重油。
1.1生物质重油的制备
生物质重油是呈暗棕色可流动的液体或半固体，由生物质制备生物质重油可通过生物酶转化、水热液化和热裂解等方法，三种技术中热裂解最为成熟且被广泛应用[3]。
热裂解包括低温慢速热裂解（＜500℃）、中温快速热裂解（500~650℃）以及高温闪速热裂解（700~1100℃）。图1所示为一种快速热裂解工艺流程，生物质在惰性气氛下，高速升温到预定温度，生物质中的有机高聚物在极短时间内解聚，生成含有大量可凝有机分子的气体，气体冷凝后便得到生物质油。裂解反应在热裂解反应器中进行，其是热裂解技术的核心。中温快速热裂解产物以生物油为主，产率较高，通过控制合适的反应条件，生物油产率最高可达到70wt%左右[4]。
图1生物质快速热裂解工艺流程
快速热裂解反应条件为高温高压，温度普遍高于300℃。植物基生物质热解温度一般在300~500℃，而动物粪便的热解温度普遍高于600℃，可能是因为粪便的含水率较高且挥发性物质较少。因此实际中快速热裂解制备生物油通常采用植物基原料。
不同裂解条件会对生物油产率造成巨大影响，南昌大学郑典模等在540℃及70min的条件下，采用催化裂解工艺加工地沟油制得生物油，产率高达77．94% [5]。Oh等[6]在500℃的条件下热裂解芒草，最高产率为48.3%。其中裂解温度、升温速率以及气体停留时间为最重要影响因素。
2.生物沥青制备
2.1材料来源
当前可用生物质主要包括：农作物秸秆、森林废弃物、藻类植物、废弃食物油脂以及牲畜粪便等。研究表明，不同生物质来源获得的生物质重油在性质上存在差异，进而造成生物沥青性能的不同，因此，应根据原材料的不同选择合适的加工工艺制备生物沥青。
2.2生物沥青制备
不同生物质来源的生物油成分性质存在差异，制备生物沥青的相应温度、剪切速率以及混合时间存在较大区别。廖晓锋[7]等在温度为170℃的条件下，采用高速剪切乳化机以4000r／min的转速剪切20~30min，再对乳化后的共混物发育60min，最终制得生物沥青共混物。
不同生物质原料制备生物沥青时，剪切温度不宜过高（110℃至150℃最为适宜）。木材、玉米秸秆等植物基原料剪切速率普遍偏高，而猪粪等动物基原料剪切速率较低。植物原料剪切速率高，可能是由于植物废料中往往含有较多的木质素、纤维素以及树脂，使得二者共混难度增加，剪切速率要求高。剪切时间一般为30min，防止长时间保温导致生物沥青中轻组分挥发，影响相应性能。
综上，在制备生物沥青时，建议温度控制在110℃至150℃，混合时间控制在30min以内，剪切速率则需根据生物质原料进行选择。
3适用性分析
针对沥青的适用性分析主要从以下两个方面进行阐述，一是针对生物沥青的性能研究进行归纳总结，并与规定指标做对比。二是从市场角度出发，分析未来沥青的市场规模、生物沥青的材料来源等，探究生物沥青作为道路工程材料的行业前景。
3.1生物沥青性能分析
3.1.1生物沥青性能试验
通过三大指标试验，可以探究生物质重油对生物沥青针入度、软化点、延度的影响。曹卫东等在70号基质沥青中掺入9%（以基质沥青重量计）的生物沥青，发现掺入后沥青的针入度小幅增大，软化点小幅下降，延度升高。生物沥青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能够部分代替石油沥青的假设。许多研究表明，改性生物沥青具有优良的低温性能，其高温性能依据生物质重油的类型和掺量不同而发生变化。
3.1.2生物沥青性能总结
总的来说，添加生物重油可以改善普通石油沥青的部分性能，主要表现在，沥青的低温性能有所提高，并且表现出一定的抗老化性能，但高温稳定性有所下降，需控制在合理范围内。由于生物重油的来源和制备工艺差异较大，其对基质沥青性能的影响十分复杂。生物沥青的比重、温度敏感性、抗老化性与流变性能在相同环境下与石油沥青相比有明显的区别。因此，需对生物沥青进行更进一步的研究，以推进生物沥青应用于道路工程。
3.2生物沥青市场分析
3.2.1沥青市场规模分析
石油沥青是石油化工产业的副产品，随着不可再生的石油资源的逐渐消耗，国际原油储备、国际战乱等不可控因素的影响，沥青价格居高不下，这些必将影响与制约沥青路面的发展格局。然而，大规模的高等级公路沥青路面建设与养护工程对沥青材料的需求仍不断增加。因此，生物沥青作为可替代石油沥青的道路工程材料，其市场规模巨大。
3.2.2生物沥青应用前景分析
在各种可再生能源中，生物质能具有可再生、储量巨大、分布广的特点。中国产业调研网所发布的2016-2020年中国生物质能利用行业研究分析及发展趋势预测报告认为，中国拥有丰富的生物质能资源，中国理论生物质能资源50亿吨左右。现阶段可供利用开发的资源主要为生物质废弃物，包括农作物秸秆、薪柴、禽畜粪便、工业有机废弃物和城市固体有机垃圾等。
4生物沥青对环境影响
沥青路面因其优异的路用性能，在高速公路以及一二级公路等高等级路面中应用广泛。随着交通运输行业的不断发展，对沥青材料的需求与日俱增。但沥青材料的生产与铺设却对环境产生了极大的危害，特别是大气污染。
普通石油沥青在加热及燃烧时均会产生有害的沥青烟气，美国《科学进展》杂志指出，石油沥青在不断地向空气中释放危险的污染物，且在极端高温环境下情况尤其严重。据统计，夏季高温时，沥青的二次有机气溶胶排放量甚至超过了天然气及柴油车相关的排量之和。二次有机气溶胶是指排放到大气中的气态或颗粒态污染物发生化学反应形成新的大气颗粒物。该统计结果足可以说明普通石油沥青对大气环境的影响是一个不能忽视的问题。随着近年来全球各国对新能源汽车的研究，柴油车对大气的污染即将迎来改善；而由于交通建设的继续推进，如果不对沥青材料进行革新，沥青对大气的污染将持续恶化。
普通石油沥青生产中产生的沥青烟气含有二氧化硫、氮氧化物以及多种多环芳烃类物质，如葸、莹葸、苯并芘。除对大气造成严重污染外，还会直接或间接的对人的健康产生影响，特别是其中的多环芳烃类物质，具有致癌作用。现行的减排办法通常为使用温拌沥青，有效降低各种污染气体的产生，但由于温拌沥青需要额外加入温拌剂，会造成沥青成本的提高。因此，还需要寻找更优的解决办法。
制备生物沥青的生物油来源于生物资源，对比石油，本身就属于一种可再生，环保的资源。而且生物沥青的施工温度相较于石油基质沥青更低，因此可以减少在施工过程中产生的碳排放。
沥青路面的碳排放来源于沥青加热及摊铺过程中各种能源的燃烧。邹晓明[8]通过对相同质量的木屑类生物沥青混合料和热拌沥青混合料在施工过程中的碳排放量进行理论计算，得到的结果是生产一吨生物沥青混合料的碳排放量仅为相同重量的基质沥青混合料碳排放的50%左右。宋昭睿等[9]通过对生物沥青制备工艺的研究发现生物沥青的应用可以有效减少道路工程中的污染物排放。二者的研究都说明生物沥青符合绿色发展观，在改善工程环保问题的同时还能兼顾工程对经济性的要求。生物沥青对比石油基质沥青，对环境更加友好。
5结语
人类社会的进步离不开各种资源，而只依赖于石油这类不可再生资源势必会为发展带来巨大限制，未来是属于可再生资源的。现行的主要道路材料——石油沥青虽然性能契合道路材料的要求，但其原材料石油却终将枯竭。将生物沥青作为石油沥青的替代品是一个不错的解决办法，生物沥青的原材料为可再生的生物质资源，没有枯竭的危险。同时，生物沥青的路用性能较好，相比于石油沥青性价比更高，对环境更为友好。目前生物沥青的各项性能距石油沥青还存在一定差距，需要改进。但相关的多项研究表明，生物沥青具有替代石油沥青的潜力。相信将来的某天，我们脚下的路都会变成生物沥青路面。
参考文献：
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[2] 汪海年, 高俊锋, 尤占平, et al. 路用生物沥青研究进展 [J]. 武汉理工大学学报, 2014, 36(07): 55-60.
[3] 孙晓龙, 张奕康, 袁俊申, et al. 生物沥青的研究现状及发展趋势 [J]. 广东工业大学学报, 2022, 39(02): 105-19.
[4] 刘荣厚 鲁楠, 曹玉瑞, et al. 旋转锥反应器生物质热裂解工艺过程及实验 [J]. 沈阳农业大学学报, 1997, (04): 307-11.
[5] 郑典模, 屈海宁, 孙云. 地沟油催化裂解制备生物燃油 [J]. 南昌大学学报(工科版), 2010, 32(03): 242-5.
[6] OH S, KIM U-J, CHOI I-G, et al. Solvent effects on improvement of fuel properties during hydrodeoxygenation process of bio-oil in the presence of Pt/C [J]. Energy, 2016, 113: 116-23.
[7] 廖晓锋, 雷茂锦, 陈忠达, et al. 生物结合料共混沥青的路用性能试验研究 [J]. 材料导报, 2014, 28(02): 144-9.
[8] 邹晓明, 侯海元. 生物沥青碳排放量与经济效益定量分析 [J]. 中外公路, 2020, 40(04): 323-6.
[9] 宋昭睿, 付玉涛, 林锋, et al. 改性生物沥青制备工艺条件对环境的影响 [J]. 环境科学导刊, 2018, 37(01): 51-4.