石油资源的日渐枯竭、沥青价格的不断攀升，已开始制约我国道路建设的可持续发展。石油沥青具有不可降解，路面翻新产生的废旧沥青利用率低，难以处理的缺点。在使用过程中，沥青烟中还含有大量致癌物质，污染环境，同时排放大量二氧化碳。在美国、澳大利亚以及一些欧洲国家已经开始进行利用生物质资源来研制筑路沥青的相关研究工作^{[1, 2, 3, 4]}。为紧跟国际前沿研究动态，我国也提出用生物沥青来代替石油沥青的研究方向。

生物沥青是由生物质热解油中的沥青组分(重质油)经过分离和深加工制备的新型沥青材料。与石油沥青相比生物沥青在生产成本、施工温度以及温室气体排放方面有较大优势，但在技术性能上也存在一些缺陷：(1)生物沥青低温下容易硬脆，延度值较小；(2)生物沥青在高温下易老化，并随着时间的延长，老化速度加快；(3)生物沥青成分复杂，稳定性差，长时间放置后，表现出非匀质特性。

为克服生物沥青的缺陷，在本文的试验研究中将生物沥青与不同种类的改性沥青按不同的掺混比例进行混合，制得改性生物沥青。并与基质沥青的性能对比，进行改性生物沥青的稠度(针入度试验)、温度稳定性(软化点试验)和塑性(延度试验)指标的研究，综合分析不同的生物沥青种类，掺混比例以及改性沥青种类对改性生物沥青性能的影响，最后通过采用合理的掺混比例和改性沥青来改善生物沥青的性能，以满足规范要求，同时也为进一步的应用奠定基础。

1 试验材料与方法 1.1 原材料 1.1.1 改性沥青

本次试验选用70^#基质沥青，沥青指标必须符合我国《公路沥青路面施工技术规范》(JTJ)重交沥青70^#标准，并制备SBS改性沥青、SBR改性沥青、橡胶沥青和LDPE改性沥青，其性能测试结果如表 1所示。

本次试验采用的生物沥青是用两种方法制备得到的，制备得到的生物沥青称为生物沥青I、生物沥青II，其常规性能测试结果如表 2所示。

以下主要就表 2对两种生物沥青的常规指标进行简要分析。

(1)针入度。由表 2试验数据可知，两种生物沥青的针入度值均不到30，说明在相同温度下，生物沥青的稠度要比改性沥青大。

(2)软化点。由表 2试验数据可知，两种生物沥青都具有很高的软化点，可达到60 ℃，这说明生物沥青高温时的稳定性与改性沥青相差不大。

(3)延度。 由表 2试验数据可知，与改性沥青相比，生物沥青的低温延性普遍较差，这说明生物沥青低温下容易硬脆，没有弹性，会极大地影响混合料的抗水损性能。 1.2 试验方法

制备过程中，使用普通小型搅拌设备、高速剪切机设备、玻璃棒人工搅拌和电热恒温油浴锅等设备。但不管采用何种方法，制得的改性生物沥青必须达到匀质均相的要求。具体的制备步骤如下:

第一，将70^#石油沥青高温下融化，注意加热温度应在闪点以下。将改性剂放入已融化的70^#石油沥青中，使用普通小型搅拌设备，在160～170 ℃下搅拌20 min，以保证改性剂溶胀发育完全；再使用高速剪切机设备对改性沥青进行剪切，剪切时间不少于1 h，温度控制在160～170 ℃，改性剂剪切完全后再搅拌20 min，保证改性剂均匀分散在沥青中；搅拌完后放入120 ℃烘箱中备用。

第二，制备两种生物沥青，一种是采用脱糖氧化方法得到的生物沥青Ⅱ；一种是常压蒸馏方法制备得到的生物沥青Ⅰ。两种生物沥青制备完成后，控制温度在120 ℃左右，为制备改性生物沥青做准备。

第三，使用普通小型搅拌设备，搅拌速率控制在0.4～0.6 Kr/min范围内，采用改性沥青慢慢加入到生物沥青中的顺序搅拌，将生物沥青与改性沥青完全混合，搅拌时的温度控制在95～110 ℃范围内，搅拌时间控制在30 min左右，当改性沥青与生物沥青搅拌均匀即可停止。将沥青浇注试模，按规范要求测试其性能指标。

2 改性生物沥青的稠度研究

沥青的稠度体现的是沥青材料内黏性和弹性抵抗变形能力的综合，一般只限于描述低于60 ℃条件时的沥青黏稠程度^{[5, 6]}。本次试验研究采用针入度指标对改性生物沥青的稠度进行研究。

2.1 掺混比例对稠度的影响

在25 ℃下对生物沥青Ⅱ以及其改性沥青在不同掺混比例下制得的改性生物沥青进行针入度试验，测试结果如表 3所示。

由表 3可以看出，生物沥青Ⅱ与改性沥青混合后，针入度值明显增大，黏度减小，并随着改性沥青所占比例的增加，改性生物沥青的针入度值不断减小，这与预测的结果相反。分析原因可能是因为改性沥青本身稠度就比较大，与生物沥青混合后，内部会发生一系列的化学反应，改变整体结构，促使沥青黏度增大，并随着改性沥青所占比例的增加，反应程度越剧烈。

2.2 改性沥青种类对稠度的影响

在25 ℃下，将生物沥青I按照3∶7的质量比例分别与SBS改性沥青、SBR改性沥青等改性沥青进行掺混，测试针入度值，测试结果如表 4所示。

从表 4可以看出，在相同的掺混比例下，改性生物沥青使用改性沥青种类的不同，针入度值增加的幅度也有不同，LDPE改性沥青效果最好，SBR改性沥青次之，SBS改性沥青最差，但与生物沥青I相比进步很大。这可能是因为每种改性沥青的稠度差异较大所导致的，本次试验采用的SBS改性沥青的针入度值只有51.7，本身针入度值就小，导致混合后改性生物沥青的针入度值也小，虽然SBS改性沥青的效果最差，但通过测试结果的对比，可以看出3种改性生物沥青的针入度值相差不大。由表 3可知，对于生物沥青II，相同的掺混比例下与SBR改性沥青混合后，其针入度值的增长幅度明显高于与SBS改性沥青和橡胶沥青混合，SBR改性沥青效果更优，这也是因为橡胶沥青和SBS改性沥青的稠度过大所引起的。

3 改性生物沥青的温度稳定性研究

软化点是沥青从黏塑状态转变为黏流状态的临界温度，实质上反映沥青的黏度，与沥青的标号有关，是一种条件黏度。软化点的高低通常用于评价沥青的温度稳定性，这是因为较高的温度会影响到沥青胶结料的黏弹性，会使沥青变软，为保证沥青拥有良好的温度稳定性，所采用的沥青应当具有较高的软化点^{[7, 8]}。因此本次试验研究通过软化点指标来对改性生物沥青的温度稳定性进行研究。

3.1 掺混比例对温度稳定性的影响

对生物沥青Ⅱ以及与改性沥青在不同掺混比例下制得的改性生物沥青进行软化点试验，测试结果如表 5所示。

由表 5可以看出，生物沥青II本身软化点较高，说明高温时的稳定性能较好，当与改性沥青混合后，软化点值呈现出一定的规律性，随着改性沥青比例的增加软化点逐渐增大。这主要是因为改性沥青本身软化点就很高，当与生物沥青Ⅱ掺混后，软化点值必会增大，且一般都超过生物沥青Ⅱ的软化点。而SBR改性沥青的软化点只有47.5 ℃，导致了SBR改性生物沥青的软化点值较小。

由图 1可知，石油沥青的显微图片色泽一致，说明石油沥青为均相的胶体物质^{[9, 10]}。但生物沥青中均含有大量的焦质成分，即图中黑色物质，在对石油沥青的组分分析时，一般认为石油沥青由饱和分、芳香分、胶质和沥青质组成，并随着老化反应的进行，芳香分减少，沥青质增加，平均分子量增大，黏度升高，沥青中比沥青质更重的组分称为焦质，生物沥青中正是由于含有较多的焦质，从而导致了生物沥青的黏度大于石油沥青，如图 1所示，由于两种沥青属于不同体系，混合沥青的分散的均匀性有待改善。

图 1 生物油和生物沥青的显微透射图片(放大倍数：100) Fig. 1 Microscope transmission images of bio-oil and bio-asphal (magnification: 100)

图选项

将生物沥青I按照3∶7的质量比例分别与SBS改性沥青、SBR改性沥青等改性沥青进行掺混，测试软化点值，测试结果如表 6所示。

由表 6可以看出，在相同的掺混比例条件下，生物沥青I与改性沥青掺混合后，混合沥青的软化点变化不同。对于SBS混合沥青，软化点增加15.5%，而对于SBR混合沥青和LDPE混合沥青，软化点分别降低了6.8%和10.2%。这主要是因为SBS改性沥青的软化点是66.3 ℃，本身高温时的稳定性就好，而SBR改性沥青和LDPE改性沥青的软化点只有47.5 ℃和56.9 ℃，所以才导致混合沥青软化点的变化不一。由此可推出，对于生物沥青I，在提高混合沥青高温性能方面，SBS改性沥青效果最好，SBR改性沥青次之，LDPE改性沥青最差。分析表 5数据可知，对于生物沥青II，从提高高温稳定性的角度出发，橡胶沥青的效果要优于SBS改性沥青和SBR改性沥青。

4 改性生物沥青的塑性研究

沥青路面的开裂通常表现为低温条件下，沥青混合料中的沥青膜首先被拉伸破坏，然后导致整个混合料的开裂。因此要求沥青混合料具有良好的低温抗裂性能，进而要求沥青低温下的变形能力要好^[11]。生物沥青低温下容易硬脆，在生物沥青中加入改性沥青，可以提高沥青的塑性，降低沥青的低温劲度，消解沥青内部温度应力的产生和积聚，进而提高沥青材料的低温延性。本次试验研究采用延度指标对改性生物沥青的塑性进行研究。

4.1 掺混比例对塑性的影响

在5 ℃下，对生物沥青II与改性沥青在不同掺混比例下制得的改性生物沥青进行延度试验，测试结果如表 7所示。

由表 7可以看出，生物沥青II与改性沥青掺混后，延度值明显增大，低温性能提高，并随着改性沥青所占的比例增大，这种现象越明显。这主要是因为生物沥青在低温下容易硬脆，低温劲度较大。而改性沥青在低温下延性好，延度值均符合规范，当改性沥青与生物沥青掺混后，有利于提高生物沥青的低温柔性，改善了生物沥青低温下硬脆的特性。由此可知，与改性沥青混合后，改性生物沥青的低温延性指标明显改善。

4.2 改性沥青种类对塑性的影响

在5 ℃低温下，将生物沥青I按照3∶7的质量比例分别与SBS改性沥青、SBR改性沥青等改性沥青进行掺混，测试延度值，测试结果如表 8所示。

表 8中测试结果可知，SBS改性生物沥青的5 ℃延度达到54.2 cm，是原材料SBS改性沥青的延度的2.7倍。而SBR改性生物沥青的5 ℃延度竟超过150 cm，规范要求达到，相比之下SBR改性沥青5 ℃ 延度只有22.5 cm。看来对生物沥青I，在相同的掺混比例下，对于混合沥青使用改性沥青的种类不同，其低温延性的优劣程度也有所不同，SBR改性沥青效果最好，SBS改性沥青次之，LDPE混合沥青最差。说明生物沥青I与改性沥青掺混合后，改性生物沥青的低温延性不仅改善了原有的硬脆特性，甚至还超过了材料中改性沥青的低温性能。由表 7中的测试结果可知，对于生物沥青II，SBR改性沥青效果会更优，橡胶沥青最差，这可能是因为橡胶沥青中的胶粉颗粒较大，分布不均匀，影响到改性生物沥青的低温性能。

5 结论

(1) 由改性生物沥青的针入度试验可知，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。

(2) 对改性生物沥青进行温度稳定性分析可知，两种生物沥青本身高温性能就好，当与改性沥青混合后，软化点降低，影响高温性能。

(3) 生物沥青与改性沥青混合后，其低温延度都有很大程度的提高，改善了生物沥青低温下硬脆的缺点，特别是SBS改性沥青和SBR改性沥青作用最大。并且改性沥青所占比例越大，效果越好。

综上所述，通过对改性生物沥青的稠度、温度稳定性和塑性进行考察可知，改性生物沥青的各常规性能的指标都有很大的改善，尤其是塑性提高最大。