生物沥青制备工艺、改性机制与性能优化研究

The fossil fuel reserve is decreasing on the earth and the demand of seeking the alternative binder material is very urgent. The sustainable biomass energy has been a promising trend for the energy development. The bio oil obtained from the fast pyrolysis on the corn stover and wood chips was applied in this research. The precipitant after extracting of bio-gas, the residue, was used to modify and replace the fossil binder and make it into bio-binder. The low density polyethylene (LDPE) will be incorporated to improve its high temperature performance and temperature susceptibility. The jointed analytical chemical testing method, such as nuclear magnetic resonance (NMR), Fourier-transform infrared spectroscopy (FT-IR), gel permeation chromatograph (GPC) and atomic force microscope (AFM), will be applied to characterize the chemical modification nature on the elemental structure, molecular weight distribution, microstructure level. The Brookfield rotational viscometer, dynamic shear rheomter (CVOR) will be applied to charaterize the bio-binder's high temperature viscosity, rheological performance and aging properties. The constitute and fabrication techniques of bio-binder will be optimized based on the laboratory tests. The performance of bio-binder and LDPE modified bio-binder will be validated through a series of mixture test. The evaluation method and index will be put forward based on this research. The research can provide some solid theoretical and lab support for the further field application of bio-binder, and also give some references for the research and development of other alternative binder for fossil asphalt.

全球化石资源储备日趋枯竭，寻求可替代石油沥青的重任迫切。可再生的生物质能已成为能源发展的重要方向。本项目针对由秸秆、木屑等生物质快速裂解获得的生物油，采用其提取生物燃料后的残留物（生物质重油），对传统石油沥青进行改性与替代，制备成生物沥青材料，并采用低密度聚乙烯对生物沥青的高温性能进行复合改性。 通过核磁共振、红外光谱分析、液相凝胶色谱分析、以及原子力显微镜等多种分析化学手段联用，从元素组成、分子量分布、微观形态等多角度揭示生物沥青与聚合物改性生物沥青的化学改性机制。采用Brookfield旋转粘度仪、动态剪切流变仪等对生物沥青的高温粘度、流变行为、老化特征进行研究，对生物沥青的组成与制备工艺进行优化，并通过混合料实验对生物沥青与聚合物改性生物沥青的性能进行验证，最终提出生物沥青的评价方法与指标。研究成果可为生物沥青的工程实践供理论与实验支撑，亦可为沥青可替代材料的研发提供新的研究思路。

沥青材料的需求量始终居高不下，寻求新材料替代石油沥青的重任迫切。可再生的生物质能已成为能源发展的重要方向。本项目针对由秸秆、木屑等生物质快速裂解获得的生物油，在各种制备参数条件下如生物质类型、裂解温度等条件，进行生物质重油制备优化，获得不同类型的生物油；研究重油在不同制备温度和催化剂类型条件下重油产物分布的影响。采用其提取生物燃料后的残留物（生物质重油），对传统石油沥青进行改性与替代，生物质重油掺量分别为5%、10%、15%和20%，并加入SBS等对生物沥青进行复合改性，选取10%生物油掺量的改性生物沥青（S110）进行黏温曲线的绘制，初步评判采用黏温曲线进行生物沥青拌和与压实温度确定的适用性。其次，借助动态剪切流变测试仪（DSR），对不同掺量的生物沥青从温度扫描和频率扫描两个角度进行研究。.通过核磁共振、红外光谱分析、液相凝胶色谱分析、以及原子力显微镜等多种分析化学手段的联用，从元素组成、分子量分布、微观形态等多角度揭示生物沥青与聚合物改性生物沥青的化学改性机制。采用Brookfield 旋转粘度仪、动态剪切流变仪（DSR）等对生物沥青的高温粘度、流变行为、老化特征进行研究，对生物沥青的组成与制备工艺进行优化。并通过采用室内车辙实验、冻融劈裂实验、低温弯曲实验、Vialit板式黏结强度冲击试验等试验，对生物沥青混合料高温稳定性、水敏感性与低温抗裂性能和低温粘结性能等进行测试，最终提出生物沥青以及生物沥青混合料的制备、评价方法与指标。在添加SBS的基础上，生物质重油掺量分别为5%和10%的生物沥青结合料均满足50#沥青技术指标的规范要求，建议生物质重油掺量为10%。生物沥青S110混合料的高温性能有一定程度的降低，但动稳定度仍可满足规范的相应要求，其低温抗裂性能较50#基质沥青混合料有较大的改善，且水稳定性提高；S110生物沥青与集料的黏附性也远优于50#基质沥青。