《Next Materials》：Microstructural and mechanical performance of coconut shell biochar – Modified asphalt for sustainable pavement applications
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本研究针对传统沥青路面在高交通负荷和多变气候条件下易出现车辙、疲劳开裂等问题，引入椰壳生物炭（CSB）作为一种可持续的生物基改性剂。通过系统评估CSB改性沥青（CSB-MB）及混合料（HMA）的常规性能、马歇尔特性、体积参数及抗湿损性能，并结合响应面法（RSM）优化，确定12.5% CSB为最佳掺量，显著提升沥青刚度、热稳定性和耐久性。微观结构表征（SEM、EDX、FTIR、XRD）证实CSB与沥青间以物理相互作用为主，增强界面粘结。该研究为资源受限地区（如印度）提供了一种经济、环保的铺面材料解决方案，有助于延长路面使用寿命并降低沥青需求，符合循环经济原则。
随着全球道路网络的不断扩张，沥青作为柔性路面的关键粘结材料，其消耗量逐年攀升，尤其在印度等发展中国家，国家公路建设热潮导致沥青需求激增，2023-2024财年消费量达880万公吨，但国内产量仅约513万吨，供需缺口显著。然而，传统沥青路面在承受繁重交通荷载及复杂气候条件（如高温、雨水）时，容易出现车辙、疲劳开裂和温度裂缝等病害，缩短使用寿命并增加维护成本。为提升沥青路面的耐久性，研究人员尝试了多种改性剂，包括聚合物、纤维、纳米材料以及各类废弃物（如橡胶、粉煤灰）和农业残余物（如稻壳灰、甘蔗渣灰）。尽管这些材料在一定程度上改善了沥青性能，但纳米材料成本高、分散性差，而部分废弃物则存在应用局限性。在此背景下，生物炭（Biochar）——一种通过生物质热解产生的富碳、多孔材料——因其高比表面积、丰富官能团以及潜在的环境效益（如碳封存、废物资源化）而受到关注。椰壳生物炭（Coconut Shell Biochar, CSB）作为热带地区易得的农业废弃物衍生材料，其在高碳含量、微孔结构方面的特性尤为突出，有望成为沥青改性的理想候选者。然而，现有研究多聚焦于生物炭改性沥青的流变行为或短期力学性能，缺乏将微观结构表征与统计优化相结合的系统评估，尤其针对印度本地气候条件、沥青标号及农业废物资源化需求的验证尚不充分。为此，来自印度B.S. Abdur Rahman Crescent科学技术学院土木工程系的S. Mahalakshmi、Revathy Jayaseelan和Gajalakshmi Pandulu团队在《Next Materials》上发表了题为“Microstructural and mechanical performance of coconut shell biochar – Modified asphalt for sustainable pavement applications”的研究论文，旨在全面探究CSB对沥青粘结剂及混合料性能的影响，并通过响应面法（RSM）优化改性方案，为可持续铺面工程提供理论与实践依据。
本研究主要采用了以下关键技术方法：首先，通过实验室马弗炉在500°C、缺氧条件下对椰壳进行热解制备CSB，并利用扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线光谱（EDX）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线衍射（XRD）对其微观结构、元素组成、官能团和晶体结构进行表征。其次，将CSB以不同掺量（0%、5%、10%、15%、20%，按沥青质量计）掺入40/50针入度级沥青中，通过高速剪切混合制备CSB改性沥青（CSB-MB），并测试其针入度、软化点、延度和弹性恢复等常规性能。第三，制备CSB改性热拌沥青混合料（HMA），评估其马歇尔稳定性、流值、体积参数（如毛体积密度、空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度）以及抗湿损性能（通过间接拉伸强度ITS和间接拉伸强度比ITSR）。最后，应用响应面法（RSM）中的中心复合设计（CCD）对沥青含量和CSB含量两个自变量进行优化，建立预测模型并验证。
5.1. 常规粘结剂性能
CSB的掺入显著改变了沥青的常规性能。随着CSB掺量从0%增至20%，针入度值先略有增加（5%时），后持续下降，表明CSB对沥青产生了硬化效应；软化点则逐步升高，说明改性沥青的热稳定性增强；延度值下降，反映材料柔性降低；而弹性恢复率提高，表明CSB提升了沥青的弹性响应能力。综合来看，CSB在10-15%掺量下可使沥青变得更硬、更耐温且更具弹性回复性。存储稳定性测试显示，CSB掺量不超过15%时，上下部分软化点差在可接受范围内（≤2.5°C），而20% CSB时差值增大至3.6°C，提示相分离风险。
5.2. 马歇尔稳定性和流值趋势
马歇尔试验结果表明，CSB改性沥青混合料的稳定性在CSB掺量达12.5%时约为9.2 kN，流值为2.6 mm，此组合满足规范要求（稳定性>9 kN，流值2-4 mm），表明在此掺量下混合料兼具良好的承载能力和适中的变形能力。马歇尔商（MQ，稳定性/流值）随CSB增加而上升，在15% CSB时达到峰值3.75 kN/mm，进一步证实12.5-15% CSB是平衡强度与柔性的理想范围。
5.3. 毛体积密度与空隙率
CSB的多孔特性导致混合料毛体积密度随其掺量增加而轻微下降（从2.33 g/cm3降至2.21 g/cm3），而空隙率（Va）则从3.52%升至4.18%。在12.5-15% CSB掺量下，空隙率维持在3-5%的规范范围内，保证了充分的压实度和耐久性。
5.4. VMA与VFB
矿料间隙率（VMA）随CSB掺量增加而上升（13.70%至14.86%），沥青饱和度（VFB）则相应下降（74.33%至71.91%）。中等CSB掺量（12.5-15%）下，VMA和VFB处于平衡状态，既提供了足够的空隙容纳沥青，又避免了沥青膜过薄导致的粘结力下降。
5.5. ITS和ITSR
间接拉伸强度（ITS）和间接拉伸强度比（ITSR）用于评估混合料的抗拉强度和抗水损害能力。结果表明，CSB掺量在12.5-15%时，ITS和ITSR值最优，ITSR超过80%的耐久性阈值，说明CSB通过其多孔结构增强沥青与集料间的粘结，有效抵抗水分侵蚀。超过15%后性能略有下降，可能与沥青膜厚度不足有关。
5.6. CSB改性沥青混合料的RSM模型
通过响应面法建立了CSB改性沥青混合料性能的预测模型。模型显示，沥青含量（A）和CSB含量（B）对各项响应（如稳定性、流值、体积参数、ITS、ITSR）有显著影响，且存在交互作用。二次模型具有高预测精度（R2 > 0.95），验证实验证实预测值与实验值偏差小于5%。多响应优化确定最佳参数为沥青含量4.5%、CSB含量12.5%，此时混合料综合性能最佳。
5.8. 热拌MB-CSB的微观结构和化学表征
SEM和EDX分析显示，12.5% CSB改性沥青（MB-CSB）表面更致密，碳、氧元素分布均匀，伴有硅、铝等矿物相，有助于提升刚度和抗老化性。孔隙结构分析表明，12.5% CSB使混合料孔隙数量减少，粘结性增强。FTIR谱图显示CSB与沥青间主要为物理相互作用（如氢键、极性作用），未形成新化学键，但官能团峰强度变化证实界面粘结增强。XRD图谱中碳和二氧化硅的特征峰（2θ≈20°和42°）在12.5% MB-CSB中响应最强，表明该掺量下改性沥青的结构稳定性最佳。
6. 实际意义
力学性能提升直接转化为路面使用性能的改善：更高的马歇尔商意味着抗车辙能力增强；较高的ITS表明抗开裂性能更好；ITSR超过80%则确保路面在潮湿环境下仍能保持完整性。这些改进共同延长了路面服务寿命，使CSB成为一种具有实际应用前景的可持续改性剂。
7. 节约效益
以12.5% CSB替代部分沥青计算，每吨混合料可节约沥青0.25%，相当于每吨混合料节省约137.5印度卢比。对于典型的1公里长、4车道、50毫米厚面层（约1680吨混合料），可节省沥青4.2吨，成本节约约231,000卢比，兼具经济与环境效益。
8. 研究局限性
本研究侧重于实验室尺度的短期性能评估，未进行全尺度路面试验或长期耐久性（如老化、疲劳）验证。高级流变学测试（如MSCR、BBR）也未包含在内。经济性分析假设CSB获取成本为零，实际应用中需考虑其加工与运输费用。
9. 结论
本研究系统评估了椰壳生物炭（CSB）作为沥青可持续改性剂的潜力。主要结论包括：CSB显著提升沥青粘结剂的刚度、热稳定性和弹性恢复能力，最佳掺量为12.5-15%；马歇尔性能、体积参数及抗湿损性在此范围内达到最优；RSM模型精准预测了改性混合料的行为；微观结构表征证实CSB通过物理作用增强沥青基质，改善界面粘结。部分替代沥青可降低材料消耗，实现资源节约。综上，CSB改性沥青是一种经济、环保且高效的铺面材料解决方案，尤其适用于印度等热带地区的高负荷道路建设，为可持续基础设施发展提供了新途径。
未来研究与建议
后续工作可包括：长期现场性能监测；老化、疲劳及流变学深度表征；不同生物炭源的比较研究；结合机器学习或生命周期评估（LCA）的多目标优化；以及在实际工程中推广CSB作为部分沥青替代品，以最大化其经济与环境效益。
