【www.zhangdahai.com--其他范文】
张世晓，庞久寅，姜贵全，刘云龙，于丽辉
(1.北华大学材料科学与工程学院，吉林 吉林 132013；
2.吉林新元木业有限公司，吉林 敦化 133799)
因铺设快捷、维护方便，沥青路面得到了广泛应用[1].作为石油提炼的副产物，沥青资源减少、售价升高.秸秆在高温碳化过程中受热分解，秸秆中的木质纤维素产生可冷凝烟气，处理冷凝后的液体得到的黑色黏稠状液体即为秸秆焦油[2].秸秆焦油的性质与石油沥青类似，为了摆脱对沥青的依赖，国内外学者已开展了相关研究[3].冯德成等[4]提出的“一种道路用生物沥青材料及其制备方法”获得专利，主要解决了生物沥青在使用过程中存在的性能缺陷，以及传统道路黏结剂产量不足、价格高的问题；
廖晓峰等[5]试验研究了添加生物沥青的沥青共混物性能，结果发现：生物结合料具有良好的低温抗裂性，添加适量的生物结合料能显著改善常规沥青的抗裂性，可作为改性添加剂使用；
WILLIAMS R C等[6]针对有机油快速热解的胶结材料柔性路面，研究了橡木、樱桃柳树和玉米秸秆3种生物油用作沥青改性剂的效果.秸秆焦油含有很多有机成分，作为生产生物炭时的副产物，通常被直接排放，不仅给环境造成污染，而且也会造成很大的资源浪费.为了更加全面地评价生物沥青的性能，更好利用秸秆焦油，本文以玉米秸秆、90号基质沥青和增溶剂为原料，利用正交试验确定生物沥青的最佳物料比，采用延度、针入度和软化点等指标检测生物沥青的各项性能，研究结果可为秸秆制备生物沥青提供理论依据.
1.1 试验材料
玉米秸秆，市场购买；
玉米秸秆焦油，pH为3～4，含水率为18%～21%，吉林新元木业有限公司；
增溶剂、无水乙醇，分析纯，南京化学试剂有限公司；
90号石油沥青，广东茂名正诚石油化工有限公司.
1.2 试验仪器
YB-2000高速多功能粉碎机，浙江永康市速锋工贸有限公司；
MAX-C30002电子天平，深圳市无限量衡器有限公司；
DK-98-Ⅱ电子调温万用电炉，天津市泰斯特仪器有限公司；
DF-4智能数显沥青针入度仪，南京拓兴仪器仪表研究所；
SY-2D调温调速沥青延伸度测定仪，天津市庆达试验仪器制造有限公司；
DHG-90电热恒温鼓风干燥箱，上海一恒科学仪器有限公司；
HH-4数显恒温水浴锅，金坛市江南仪器厂；
DD5台式高速离心机，湖南凯达科学仪器有限公司.
1.3 试验方法
1.3.1 玉米秸秆焦油制备
称取一定量干燥至恒重的玉米秸秆置于反应釜内，按比例加入液化剂和催化剂.封闭反应釜，通入保护气(N2)，排出反应釜内的空气后密封.设定液化温度为200 ℃，液化时间为120 min，初步制得秸秆焦油.将体积比为1∶0.5的秸秆焦油与乙醇溶剂混合，在50 ℃常压下搅拌1 h，得到混合物料.将乙醇逐次加入混合物料中，加热蒸馏，直至混合物料质量不再减少.将混合物料放入离心机离心，2 000 r/min分离5 min，得到净化的秸秆焦油.秸秆焦油特性：密度(20 ℃)为1.09 g/cm3，黏度(20 ℃)为9.8 m2·s，pH为4.
1.3.2 生物沥青制备
将整株玉米秸秆用高速粉碎机粉碎，制成玉米秸秆纤维.按照基质沥青质量的5%、10%、20%、30%和40%添加净化后的秸秆焦油，按基质沥青质量的0.1%、0.2%、0.3%、0.4%和0.5%添加秸秆纤维，按基质沥青质量的0.1%、0.2%、0.3%、0.4%和0.5%添加增溶剂.120 ℃下混合搅拌，得到秸秆生物沥青.
1.3.3 基质沥青性能检测
基质沥青采用90号A级道路石油沥青，试验项目依照JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》中要求的主要技术指标进行选取，试验方法采用JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中规定的方法.各项技术要求和测试结果见表1.
表1 生物沥青性能检测结果Tab.1 Performance testing of bio-asphalt
1.3.4 正交试验
正交试验是依据Galois理论设计的一种研究多因素、多水平的试验方法，可在不影响试验结果的情况下简化试验[7].本文采用3水平3因素正交表进行试验.以秸秆焦油、秸秆纤维和增溶剂的添加量为变量因素，取3个变化水平，采用9种组合制备秸秆生物沥青，测试针入度、软化点和延度.正交试验方案见表2.
表2 正交试验方案Tab.2 Orthogonal experimental scheme
2.1 生物沥青性能
2.1.1 针入度
沥青针入度用来检测沥青的软、硬程度，针入度越高，沥青越软；
反之，则越硬.不同因素和水平下生物沥青针入度见图1.
图1不同因素和水平下生物沥青针入度Fig.1Variation of the penetration of bio-asphalt under different factors and levels
由图1可知：随着秸秆焦油添加量的增加，生物沥青的针入度也随之提高.秸秆焦油添加量在10%时斜率最大，表明随着焦油的添加，生物沥青的针入度增长速率显著增加；
当秸秆添加量达到20%时针入度最高；
随着焦油添加量的提高，针入度开始下降.这是由于秸秆焦油属于油分材料，与石油沥青相容性较好，但随着秸秆焦油的提高，石油沥青与秸秆焦油混合料达到饱和，继续添加秸秆焦油反而会降低针入度[8].
随着秸秆纤维掺量的提高，生物沥青的针入度逐渐减小.秸秆纤维每增加0.1%，针入度就会降低0.1～0.6 mm，这是由于添加大量秸秆纤维使得整个生物沥青体系变得浓稠，轻质组分减少，针入度降低.当秸秆纤维添加量为0.1%时，生物沥青的针入度最高.
增溶剂的作用是使秸秆焦油与基质沥青更好、更多地融合在一起.随着增溶剂添加量的提高，生物沥青针入度逐渐提高，但当增溶剂的添加量超过0.4%时，针入度不再提高，反而随着增溶剂的增加开始降低，这与秸秆焦油添加量的变化一致.
对比3个影响因素的极差可知，影响生物沥青针入度的主次因素为A>B>C，最佳配比为A3B1C3，即秸秆焦油添加量为30%、秸秆纤维添加量为0.1%、增溶剂添加量为0.3%时，生物沥青的针入度最高.
图2不同因素和水平下生物沥青延度Fig.2Ductility variation law of bio-asphalt under different factors and levels
2.1.2 延 度
在15 ℃下，以5 cm/min的速度拉伸试样，直至拉断，读取的数值即为延度.延度是对沥青低温延展性的表征，延度越大，表明其低温延展性越好.不同因素水平下生物沥青15 ℃延度见图2.
由图2可知：当秸秆焦油掺量增加时，生物沥青的延度逐渐上升.当焦油添加量超过10%时，延度开始高于基质沥青，20%～30%时延度增加最快，当达到30%时延度最高，随后开始下降.这是由于秸秆焦油中含有大量轻质组分，这些轻质组分与石油沥青混合，使得沥青的柔韧性增强[9].
添加的秸秆纤维会与沥青中的酸性成分产生吸附作用，使得沥青呈单分子状排列在纤维上，形成稳定的沥青-纤维混合结构.生物质纤维的比表面积较大，可以吸取秸秆焦油中的油分，使纤维的韧性增强，秸秆纤维、秸秆焦油和石油沥青三者协同作用使得生物沥青的延展性增强[10].
随着增溶剂添加量的提高，生物沥青的延度也逐渐提高，在添加量为0.3%时达到最大，超过0.3%时开始下降，此时增溶剂的作用开始降低.这可能是因为增溶剂减轻了分子间的范德华力，使得分子间移动性增大，生物沥青的延度得到提高[11].
对比3个不同因素的极差可知，对生物沥青延度影响由高到低为A>B>C，最佳配比为A3B3C2，即秸秆焦油为30%、秸秆纤维为0.3%、增溶剂为0.2%.
图3不同因素和水平下生物沥青软化点Fig.3Softening point of bio-asphalt under different factors and levels
2.1.3 软化点
沥青软化点是对沥青温度敏感性的表征，软化点越高，温度敏感性越低，高温稳定性越好.生物沥青软化点检测结果见图3.
由图3可知：随着秸秆焦油添加量的提高，生物沥青的软化点逐渐升高，这是因为秸秆焦油是经过高温裂解所获得的，在与石油沥青混合时高温稳定性得到提升，软化点也随之提高，当添加量在10%～20%时，软化点提高较快.
秸秆纤维的添加会提高沥青结构的稳定性，其内部结构会被逐渐加固，温度敏感性减弱，高温稳定性也随之增强[12].
增溶剂的添加使得秸秆纤维、秸秆焦油和沥青分子之间的作用力减小，能更好地相互融合，经过两者填充使得生物沥青的软化点提高，高温稳定性也随之提高.
虽然沥青的软化点越高稳定性越好，但同时也会对其他性质产生负面影响.检测发现，当软化点超过55 ℃时，生物沥青的针入度和延度将会大幅降低，因此，应合理添加秸秆纤维和焦油.经过试验分析确定，影响生物沥青软化点的因素为A>C>B，最佳配合比为A1C3B3，即秸秆焦油为10%、增溶剂为0.3%、秸秆纤维为0.3%.
2.2 正交试验结果
秸秆焦油对生物沥青性能的影响最大，其自身油分可以补充沥青中的轻质组分，使其延度增大，同时掺加其他添加剂能够进一步重塑生物沥青的性能[13].在单因素试验中，当增溶剂添加量超过0.4%时，生物沥青的性质均不能达到标准要求.这是由于增溶剂虽然能够将秸秆纤维和石油沥青更好地混合，但同时也会使石油沥青中的油分被吸收，加速沥青的老化，因此，本次正交试验并未对其进行研究.不同掺量组合生物沥青的性能见表3.由表3可见：随着秸秆焦油添加量的增加，生物沥青的软化点、针入度和延度都逐渐升高，但是当添加量超过20%时，针入度开始降低.因此，确定生物沥青的最佳掺量组合为A2B2C3，即秸秆焦油为20%、秸秆纤维为0.2%、增溶剂为0.3%.
表3 秸秆生物沥青性能测试结果Tab.3 Performance test results of straw bio-asphalt
玉米秸秆焦油中所含的有机成分较多，可以用来制备生物沥青，不仅符合绿色可持续发展要求，同时也能降低沥青的生产成本.其中，作为主要的填充剂，秸秆焦油对生物沥青的性质有很大影响.
1)通过正交试验，明确了玉米秸秆生物沥青的最佳配比为秸秆焦油20%、秸秆纤维0.2%、增溶剂0.3%，确定了秸秆焦油用于生物沥青的适用性，两者相互协调，可为今后研制绿色生物沥青奠定基础.
2)在基质沥青中适当添加玉米秸秆焦油与秸秆纤维可以提高基质沥青的针入度、延度和软化点，但当玉米秸秆焦油与秸秆纤维的添加量超过基质沥青质量的30%和0.3%时，生物沥青的性能达不到技术要求，同时也会使沥青的老化速度加快，因此，控制添加量对生物沥青的制备尤为重要.
受试验设备以及研究条件限制，本研究只针对玉米秸秆焦油生物沥青进行了试验检测，而不同生物质所生产出来的生物油性质不同，这也给生物沥青研究带来了许多新的方向；
针入度、延度和软化点只是沥青表观性能的一种表现，并不能体现生物沥青应用性的优劣，因此，后续还需对生物沥青混合料进行更深入的探讨与研究，以保证所制备的生物沥青可以更好地应用在道路工程领域.
