本發(fā)明涉及道路建筑材料領(lǐng)域，涉及一種道路工程用基于生物質(zhì)材料的多元共混復(fù)合改性瀝青路面材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，公路進(jìn)入建設(shè)的高峰期，每年所修的公路中有90％以上為瀝青路面，而瀝青路面的鋪設(shè)和養(yǎng)護(hù)會消耗掉大量的石油瀝青。石油瀝青由石油中提取，由于過度開采和使用，石油資源將逐漸枯竭，而且石油瀝青制備過程中會產(chǎn)生大量的粉塵和溫室氣體，造成環(huán)境污染，影響人體健康。

為了提高路面材料性能，如何更有效地對瀝青進(jìn)行改性已成為道路工作者研究的主要方向。公路建設(shè)對改性瀝青的質(zhì)量和需求量都越來越高。目前已經(jīng)大范圍應(yīng)用的膠粉改性瀝青主要為以苯乙烯丁二烯三嵌段共聚物為改性劑制備的sbs改性瀝青，此種瀝青在高低溫性能方面都表現(xiàn)優(yōu)異，且能穩(wěn)定儲存，便于施工，但是其價格一般為瀝青價格的3～5倍左右，導(dǎo)致工程成本過高。因此急需一種低成本高性能的改性瀝青來滿足道路建設(shè)的發(fā)展。

目前在我國已有文獻(xiàn)公開用以廢舊輪胎為原料制備的膠粉來對瀝青進(jìn)行改性，以此代替成本高昂的sbs改性瀝青，但制備的改性瀝青所用的膠粉都由常溫破碎法制備，破碎時的高溫使廢舊橡膠的老化劣化程度加深，導(dǎo)致膠粉在瀝青中分布不均、溶脹不充分，使改性瀝青性質(zhì)不穩(wěn)定，無法保證施工質(zhì)量，難以大規(guī)模投入使用。而且現(xiàn)有的生物改性瀝青都是單一改性，改性瀝青的性能提升僅僅局限在某一個或幾個方面，相對應(yīng)的其他性能則有下降的趨勢，致使其無法實際應(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有制備技術(shù)的缺陷和不足，本發(fā)明提供了一種成本低廉且易于實現(xiàn)的基于多元生物質(zhì)材料的復(fù)合改性瀝青及其制備方法，解決不可再生的石油瀝青資源逐漸枯竭、廢舊材料再利用問題；以及現(xiàn)有膠粉改性瀝青低溫性能方面的不足與膠粉在瀝青中混合不均和溶脹不充分的問題。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)：

一種基于多元生物質(zhì)材料的復(fù)合改性瀝青，由以下原料組成：基質(zhì)瀝青、地溝油、廢舊橡膠粉、大豆脂肪酸、牦牛牛糞、咖啡渣、氮化硼、2-羥基-4-甲氧基二苯甲酮和穩(wěn)定劑。

以質(zhì)量份數(shù)計，基質(zhì)瀝青100份，地溝油2.5～5份，廢舊橡膠粉10～20份，大豆脂肪酸2～4份，牦牛牛糞1～3份，咖啡渣2～4份，氮化硼1～3份，2-羥基-4-甲氧基二苯甲酮0.5～1.5份，穩(wěn)定劑0.1～0.15份。

基于多元生物質(zhì)材料的復(fù)合改性瀝青的制備方法，包括以下步驟：

步驟一：將基質(zhì)瀝青加熱至140～160℃后，逐次加入地溝油、大豆脂肪酸、干燥牦牛糞和咖啡渣，持續(xù)攪拌5～10min，再加入廢舊橡膠粉，持續(xù)攪拌5～10min；

步驟二：在170～190℃下剪切25～35min，加入氮化硼，剪切10～15min，再加入2-羥基-4-甲氧基二苯甲酮和穩(wěn)定劑，繼續(xù)剪切15～20min，總計剪切時間為60min；

步驟三：在140～160℃的條件下發(fā)育60min，并每15min攪拌一次，即得到復(fù)合改性瀝青。

本發(fā)明還具有如下區(qū)別技術(shù)特征：

所述的步驟二中的剪切速度為3000～7000r/min。

所述的基質(zhì)瀝青采用道路用直餾70#瀝青。

所述的廢舊橡膠粉為廢舊橡膠輪胎采用液氮冷凍粉碎法制得的80目顆粒橡膠粉。

所述的廢舊橡膠粉的具體制備方法為：

步驟1.1：將廢舊輪胎剪成含有若干孔洞的條狀，用雙重深度冷凝法進(jìn)行冷凍處理，冷凍溫度為-80°～-100°；

步驟1.2：對冷凍后的輪胎進(jìn)行初次破碎，磁選分離后再進(jìn)行深度粉碎，篩分，獲得膠粉顆粒。

所述的咖啡渣為咖啡豆壓榨沖泡咖啡后產(chǎn)生的殘渣，并預(yù)先進(jìn)行干燥加工與破碎處理。

所述的牦牛牛糞為直接收集的本年牦牛糞便，并預(yù)先進(jìn)行干燥加工處理，破碎成牦牛糞便細(xì)碎顆粒。

所述的氮化硼為工業(yè)用六方氮化硼。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

(1)本發(fā)明的廢舊橡膠粉源自廢舊橡膠制品，由廢舊輪胎加工制得，是一種高彈性聚合物材料，由于其質(zhì)量輕、孔隙率大、密度小、彈性好，能夠吸收瀝青中的油分，烴類等多種有機(jī)質(zhì)，發(fā)生溶脹，并經(jīng)過一系列的物理和化學(xué)變化，使瀝青黏度增大、軟化點升高、低溫延度提高；而且本發(fā)明所采用的膠粉由廢輪胎經(jīng)低溫破碎法生產(chǎn)的膠粉，與常規(guī)破碎法生產(chǎn)的膠粉相比，低溫破碎生產(chǎn)的橡膠顆粒粒徑小、品質(zhì)好、無老化變形，與其他材料的結(jié)合性能強(qiáng)，對油分的吸收更加充分。

(2)本發(fā)明的地溝油源于餐飲行業(yè)食用油加工油條后的廢舊油脂，摻入瀝青中可以降低橡膠瀝青的黏度，大幅改善其低溫延度，促進(jìn)橡膠粉在瀝青中的溶脹，并降低橡膠瀝青的加工溫度，改善其加工工藝，一定程度上改善瀝青橡膠加工和施工時造成的煙塵污染。

(3)本發(fā)明大豆脂肪酸的加入不僅有助于降低瀝青的粘度和針入度，還有助于提高膠粉的抗老化性能和瀝青的拌合與壓實溫度，從而提升改性瀝青的耐久性能。

(4)本發(fā)明的牦牛牛糞來源廣泛，可再生，具有良好的保溫性能，有利于提高改性瀝青的抗凍性能和粘滯性，且對輕質(zhì)油分具有較好的保存能力，加入牦牛牛糞可以減少瀝青加工過程中的輕質(zhì)油分損失，減少混合料的低溫開裂，并提高耐久性。

(5)本發(fā)明的加入咖啡渣可以吸附瀝青中的輕質(zhì)油分，有利于減少瀝青中輕質(zhì)油分在加工環(huán)節(jié)中得損失，減緩瀝青的老化。

(6)本發(fā)明的氮化硼有利于穩(wěn)定瀝青的性質(zhì)，延緩瀝青成分的老化；本發(fā)明的2-羥基-4-甲氧基二苯甲酮有利于提高瀝青的抗紫外老化性能，延長瀝青在紫外光照射強(qiáng)烈地區(qū)的應(yīng)用壽命；本發(fā)明所使用的改性劑均為可再生或制備的資源，價格低廉，原料充足，綠色環(huán)保，在制備過程中對環(huán)境無二次污染。

(7)本發(fā)明制備工藝簡單，改性劑摻量大，生產(chǎn)出的改性瀝青路面材料可以部分代替道路工程用石油瀝青，可以在一定程度上緩解不可再生的石油瀝青的消耗。

(8)通過本發(fā)明的原材料、配合比例、工藝生產(chǎn)出的改性瀝青的低溫延度及軟化點有顯著改善，能夠提高軟化點10℃以上，提高5℃延度80mm以上，對針入度指標(biāo)影響不大，滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

以下結(jié)合實施例對本發(fā)明的具體內(nèi)容作進(jìn)一步詳細(xì)解釋說明。

具體實施方式

一種基于多元生物質(zhì)材料的復(fù)合改性瀝青，以質(zhì)量份數(shù)計，由以下原料組成：基質(zhì)瀝青100份，地溝油2.5～5份，廢舊橡膠粉10～20份，大豆脂肪酸2～4份，牦牛牛糞1～3份，咖啡渣2～4份，氮化硼1～3份，2-羥基-4-甲氧基二苯甲酮0.5～1.5份，穩(wěn)定劑0.1～0.15份。

基于多元生物質(zhì)材料的復(fù)合改性瀝青的制備方法，包括以下步驟：

步驟一：將基質(zhì)瀝青加熱至140～160℃后，逐次加入地溝油、大豆脂肪酸、干燥牦牛糞和咖啡渣，持續(xù)攪拌5～10min，再加入廢舊橡膠粉，持續(xù)攪拌5～10min；

步驟二：在170～190℃條件下以3000～7000r/min的剪切速率剪切25～35min，加入氮化硼，剪切10～15min，再加入2-羥基-4-甲氧基二苯甲酮和穩(wěn)定劑，繼續(xù)剪切15～20min，總計剪切時間為60min；

步驟三：在140～160℃的條件下發(fā)育60min，并每15min攪拌一次，即得到復(fù)合改性瀝青。

基質(zhì)瀝青采用道路用直餾70#瀝青。廢舊橡膠粉為廢舊橡膠輪胎采用液氮冷凍粉碎法制的80目顆粒橡膠粉。

廢舊橡膠粉的具體制備方法為：

步驟1.1：將廢舊輪胎剪成含有若干孔洞的條狀，用雙重深度冷凝法(噴霧式冷凝和浸泡式冷凝)進(jìn)行冷凍處理，冷凍溫度為-80°～-100°；

步驟1.2：對冷凍后的輪胎進(jìn)行初次破碎，磁選分離出金屬線和膠粉與金屬線的粘連物，并將磁選后的膠粉進(jìn)行深度粉碎，通過篩分機(jī)分離所需的80目膠粉顆粒，將大于要求粒徑的膠粉和磁選篩出的膠粒一同再次冷凍、破碎，最終制成高質(zhì)量，粒徑均勻的成品膠粉顆粒。

咖啡渣為咖啡豆壓榨沖泡咖啡后產(chǎn)生的殘渣，并預(yù)先進(jìn)行干燥加工與破碎處理。

牦牛牛糞為直接收集的本年牦牛糞便，并預(yù)先進(jìn)行干燥加工處理，破碎成牦牛糞便細(xì)碎顆粒。

氮化硼為工業(yè)用六方氮化硼。2-羥基-4-甲氧基二苯甲酮標(biāo)準(zhǔn)為含量：≥99％，干燥失重：≤0.2％，灰分：≤0.1％。

本發(fā)明的穩(wěn)定劑為馬來酸酐與丁基橡膠的混合物。

當(dāng)單一改性劑用于瀝青改性時，由于自身性能的缺陷或與瀝青相容性差等原因使瀝青的性能不能獲得較全面的提高，而復(fù)合改性瀝青因其高低溫性能的兼顧性而越來越受到重視。因此本發(fā)明中，對基質(zhì)瀝青的改性采用地溝油、橡膠粉、大豆脂肪酸、牦牛牛糞、咖啡渣、氮化硼和2-羥基-4-甲氧基二苯甲酮復(fù)配改性的方法，既解決了低溫抗裂性問題，又在一定程度上兼顧了其高溫性能，還提升了瀝青的抗紫外老化和耐久性能。

以下給出本發(fā)明的具體實施例，需要說明的是本發(fā)明并不局限于以下具體實施例，凡在本申請技術(shù)方案基礎(chǔ)上做的等同變換均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。

實施例1

本實施例給出一種基于多元生物質(zhì)材料的復(fù)合改性瀝青，由以下質(zhì)量份數(shù)的原料制備而成：基質(zhì)瀝青：100份，地溝油：5份，廢舊橡膠粉：20份，大豆脂肪酸：4份，牦牛牛糞：3份，咖啡渣：4份，氮化硼：3份，2-羥基-4-甲氧基二苯甲酮：1.5份，穩(wěn)定劑：0.1份。

基質(zhì)瀝青采用道路用直餾70#基質(zhì)瀝青，地溝油源于某餐飲店加工油條后的煎炸廢油；廢舊橡膠粉選用廢舊橡膠輪胎采用液氮冷凍粉碎法制得的80目顆粒；大豆脂肪酸酸值(mgkoh/g，≥)200，水份(％)：0.5～0.6；牦牛牛糞為當(dāng)年收集的牦牛糞便；咖啡渣為咖啡豆經(jīng)研磨沖泡后剩余的殘渣；氮化硼為常規(guī)工業(yè)用六方氮化硼；2-羥基-4-甲氧基二苯甲酮標(biāo)準(zhǔn)為含量：≥99％，干燥失重：≤0.2％，灰分：≤0.1％。

步驟一：將基質(zhì)瀝青加熱至150℃后，逐次加入地溝油、大豆脂肪酸、牦牛牛糞和咖啡渣，人工持續(xù)攪拌10min，再加入廢舊橡膠粉，并人工持續(xù)攪拌10min；

步驟二：在180℃條件下經(jīng)高速剪切機(jī)以5000r/min的剪切速率剪切35min，依次加入氮化硼剪切10min，再加入2-羥基-4-甲氧基二苯甲酮和穩(wěn)定劑后，繼續(xù)剪切15min，總計剪切時間為60min；

步驟三：在150℃的恒溫條件下發(fā)育60min，并每15min攪拌一次，即得到產(chǎn)品。

實施例2

本實施例給出一種基于生物質(zhì)材料的復(fù)合改性瀝青，由以下質(zhì)量份數(shù)的原料制備而成：基質(zhì)瀝青：100份，地溝油：2.5份，廢舊橡膠粉：20份，大豆脂肪酸：4份，牦牛牛糞：3份，咖啡渣：4份，氮化硼：3份，2-羥基-4-甲氧基二苯甲酮：1.5份，穩(wěn)定劑：0.1份。

本實施例的復(fù)合改性瀝青制備方法與實施例1相同。

實施例3

本實施例給出一種基于生物質(zhì)材料的復(fù)合改性瀝青，由以下質(zhì)量份數(shù)的原料制備而成：基質(zhì)瀝青：100份，地溝油：5份，廢舊橡膠粉：10份，大豆脂肪酸：4份，牦牛牛糞：3份，咖啡渣：4份，氮化硼：3份，2-羥基-4-甲氧基二苯甲酮：1.5份，穩(wěn)定劑：0.1份。

本實施例的復(fù)合改性瀝青制備方法與實施例1相同。

實施例4

本實施例給出一種基于生物質(zhì)材料的復(fù)合改性瀝青，由以下質(zhì)量份數(shù)的原料制備而成：基質(zhì)瀝青：100份，地溝油：5份，廢舊橡膠粉：20份，大豆脂肪酸：2份，牦牛牛糞：3份，咖啡渣：4份，氮化硼：3份，2-羥基-4-甲氧基二苯甲酮：1.5份，穩(wěn)定劑：0.1份。

本實施例的復(fù)合改性瀝青制備方法與實施例1相同。

實施例5

本實施例給出一種基于生物質(zhì)材料的復(fù)合改性瀝青，由以下質(zhì)量份數(shù)的原料制備而成：基質(zhì)瀝青：100份，地溝油：5份，廢舊橡膠粉：10份，大豆脂肪酸：4份，牦牛牛糞：1份，咖啡渣：4份，氮化硼：3份，2-羥基-4-甲氧基二苯甲酮：1.5份，穩(wěn)定劑：0.1份。

本實施例的復(fù)合改性瀝青制備方法與實施例1相同。

實施例6

本實施例給出一種基于生物質(zhì)材料的復(fù)合改性瀝青，由以下質(zhì)量份數(shù)的原料制備而成：基質(zhì)瀝青：100份，地溝油：5份，廢舊橡膠粉：10份，大豆脂肪酸：4份，牦牛牛糞：3份，咖啡渣：2份，氮化硼：3份，2-羥基-4-甲氧基二苯甲酮：1.5份，穩(wěn)定劑：0.1份。

本實施例的復(fù)合改性瀝青制備方法與實施例1相同。

實施例7

本實施例給出一種基于生物質(zhì)材料的復(fù)合改性瀝青，由以下質(zhì)量份數(shù)的原料制備而成：基質(zhì)瀝青：100份，地溝油：5份，廢舊橡膠粉：10份，大豆脂肪酸：4份，牦牛牛糞：3份，咖啡渣：4份，氮化硼：1份，2-羥基-4-甲氧基二苯甲酮：1.5份，穩(wěn)定劑：0.1份。

本實施例的復(fù)合改性瀝青制備方法與實施例1相同。

實施例8

本實施例給出一種基于生物質(zhì)材料的復(fù)合改性瀝青，由以下質(zhì)量份數(shù)的原料制備而成：基質(zhì)瀝青：100份，地溝油：5份，廢舊橡膠粉：10份，大豆脂肪酸：4份，牦牛牛糞：3份，咖啡渣：4份，氮化硼：3份，2-羥基-4-甲氧基二苯甲酮：0.5份，穩(wěn)定劑：0.1份。

本實施例的復(fù)合改性瀝青制備方法與實施例1相同。

實施例9

本實施例的基于生物質(zhì)材料的多元共混復(fù)合改性瀝青的份數(shù)組成與實施例1相同，不同點在于制備方法步驟二中的剪切溫度為170℃。

實施例10

本實施例基于生物質(zhì)材料的多元共混復(fù)合改性瀝青的份數(shù)組成與實施例1相同，不同點在于制備方法步驟二中的剪切溫度為190℃。

實施例11

本實施例基于生物質(zhì)材料的多元共混復(fù)合改性瀝青的份數(shù)組成與實施例1相同，不同點在于制備方法步驟二中的剪切速率變?yōu)?000r/min。

實施例12

本實施例基于生物質(zhì)材料的多元共混復(fù)合改性瀝青的份數(shù)組成與實施例1相同，不同點在于制備方法步驟二中的剪切速率變?yōu)?000r/min。

實施例13

本實施例基于生物質(zhì)材料的多元共混復(fù)合改性瀝青的份數(shù)組成與實施例1相同，不同點在于制備方法步驟二中加入穩(wěn)定劑前的剪切時間為15min，加入穩(wěn)定劑后繼續(xù)剪切15min，總計剪切時間為30min。

實施例14

本實施例基于生物質(zhì)材料的多元共混復(fù)合改性瀝青的份數(shù)組成與實施例1相同，不同點在于制備方法步驟二中加入穩(wěn)定劑前的剪切時間變?yōu)?5min，加入穩(wěn)定劑后繼續(xù)剪切45min，總計剪切時間為90min。

實施例15

本實施例基于生物質(zhì)材料的多元共混復(fù)合改性瀝青的份數(shù)組成與實施例1相同，不同點在于橡膠粉為常溫破碎法制備的膠粉。

實施例16

本實施例基于生物質(zhì)材料的多元共混復(fù)合改性瀝青的份數(shù)組成與實施例1相同，不同點在于橡膠粉為濕法粉碎法制備的膠粉。

效果分析：

實施例1～8所制備的改性瀝青和基質(zhì)瀝青性能指標(biāo)見于表1，實施例9～14所制備的改性瀝青性能指標(biāo)見于表2，實施例15～16所制備的改性瀝青性能至見于表3：

表1不同摻量的改性瀝青性能指標(biāo)(含基質(zhì)瀝青)

表2不同加工參數(shù)的改性瀝青性能指標(biāo)

表3不同加工方法橡膠粉制得的改性瀝青性能指標(biāo)

由表1可以看出實施例1所得的復(fù)合改性瀝青對比70#基質(zhì)瀝青軟化點明顯升高，5℃延度顯著增加，25℃針入度略微下降，說明瀝青的具有較好的高溫性能和優(yōu)異的低溫性能。而且對比所有同制備條件的實施例中，實施例1綜合改性效果最優(yōu)。查閱公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范jtgf40-2004，實施例1改性瀝青的軟化點、5℃延度和25℃針入度符合規(guī)范中對改性瀝青的技術(shù)要求。

由表2可以優(yōu)選出本基于生物質(zhì)材料的多元共混復(fù)合改性瀝青的最優(yōu)制備工藝為：

步驟一、將基質(zhì)瀝青加熱至150℃后，逐次加入地溝油、大豆脂肪酸、牦牛牛糞、廢舊橡膠粉和咖啡渣，并持續(xù)攪拌10min～20min；

步驟二、在180℃條件下經(jīng)高速剪切機(jī)以5000r/min的剪切速率剪切25～35min，依次加入氮化硼、2-羥基-4-甲氧基二苯甲酮和穩(wěn)定劑后，繼續(xù)剪切25～35min，總計剪切時間為60min；

步驟三、在150℃的恒溫條件下發(fā)育60min，并每15min攪拌一次，即得到產(chǎn)品。

由表3中可以看出低溫破碎法生產(chǎn)的膠粉的改性瀝青軟化點明顯高于其他兩種方法，說明本發(fā)明中低溫破碎法得到的膠粉在瀝青中的到了充分溶脹，改性效果發(fā)揮良好，且較小的針入度說明低溫破碎發(fā)生產(chǎn)的膠粉的改性瀝青的粘滯性更好。