本发明涉及道路建筑材料领域，涉及一种道路工程用基于生物质材料的多元共混复合改性沥青路面材料及其制备方法。
背景技术：
随着我国经济的快速发展，公路进入建设的高峰期，每年所修的公路中有90％以上为沥青路面，而沥青路面的铺设和养护会消耗掉大量的石油沥青。石油沥青由石油中提取，由于过度开采和使用，石油资源将逐渐枯竭，而且石油沥青制备过程中会产生大量的粉尘和温室气体，造成环境污染，影响人体健康。
为了提高路面材料性能，如何更有效地对沥青进行改性已成为道路工作者研究的主要方向。公路建设对改性沥青的质量和需求量都越来越高。目前已经大范围应用的胶粉改性沥青主要为以苯乙烯丁二烯三嵌段共聚物为改性剂制备的sbs改性沥青，此种沥青在高低温性能方面都表现优异，且能稳定储存，便于施工，但是其价格一般为沥青价格的3～5倍左右，导致工程成本过高。因此急需一种低成本高性能的改性沥青来满足道路建设的发展。
目前在我国已有文献公开用以废旧轮胎为原料制备的胶粉来对沥青进行改性，以此代替成本高昂的sbs改性沥青，但制备的改性沥青所用的胶粉都由常温破碎法制备，破碎时的高温使废旧橡胶的老化劣化程度加深，导致胶粉在沥青中分布不均、溶胀不充分，使改性沥青性质不稳定，无法保证施工质量，难以大规模投入使用。而且现有的生物改性沥青都是单一改性，改性沥青的性能提升仅仅局限在某一个或几个方面，相对应的其他性能则有下降的趋势，致使其无法实际应用。
技术实现要素：
针对现有制备技术的缺陷和不足，本发明提供了一种成本低廉且易于实现的基于多元生物质材料的复合改性沥青及其制备方法，解决不可再生的石油沥青资源逐渐枯竭、废旧材料再利用问题；以及现有胶粉改性沥青低温性能方面的不足与胶粉在沥青中混合不均和溶胀不充分的问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
一种基于多元生物质材料的复合改性沥青，由以下原料组成：基质沥青、地沟油、废旧橡胶粉、大豆脂肪酸、牦牛牛粪、咖啡渣、氮化硼、2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮和稳定剂。
以质量份数计，基质沥青100份，地沟油2.5～5份，废旧橡胶粉10～20份，大豆脂肪酸2～4份，牦牛牛粪1～3份，咖啡渣2～4份，氮化硼1～3份，2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮0.5～1.5份，稳定剂0.1～0.15份。
基于多元生物质材料的复合改性沥青的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将基质沥青加热至140～160℃后，逐次加入地沟油、大豆脂肪酸、干燥牦牛粪和咖啡渣，持续搅拌5～10min，再加入废旧橡胶粉，持续搅拌5～10min；
步骤二：在170～190℃下剪切25～35min，加入氮化硼，剪切10～15min，再加入2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮和稳定剂，继续剪切15～20min，总计剪切时间为60min；
步骤三：在140～160℃的条件下发育60min，并每15min搅拌一次，即得到复合改性沥青。
本发明还具有如下区别技术特征：
所述的步骤二中的剪切速度为3000～7000r/min。
所述的基质沥青采用道路用直馏70#沥青。
所述的废旧橡胶粉为废旧橡胶轮胎采用液氮冷冻粉碎法制得的80目颗粒橡胶粉。
所述的废旧橡胶粉的具体制备方法为：
步骤1.1：将废旧轮胎剪成含有若干孔洞的条状，用双重深度冷凝法进行冷冻处理，冷冻温度为-80°～-100°；
步骤1.2：对冷冻后的轮胎进行初次破碎，磁选分离后再进行深度粉碎，筛分，获得胶粉颗粒。
所述的咖啡渣为咖啡豆压榨冲泡咖啡后产生的残渣，并预先进行干燥加工与破碎处理。
所述的牦牛牛粪为直接收集的本年牦牛粪便，并预先进行干燥加工处理，破碎成牦牛粪便细碎颗粒。
所述的氮化硼为工业用六方氮化硼。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明的废旧橡胶粉源自废旧橡胶制品，由废旧轮胎加工制得，是一种高弹性聚合物材料，由于其质量轻、孔隙率大、密度小、弹性好，能够吸收沥青中的油分，烃类等多种有机质，发生溶胀，并经过一系列的物理和化学变化，使沥青黏度增大、软化点升高、低温延度提高；而且本发明所采用的胶粉由废轮胎经低温破碎法生产的胶粉，与常规破碎法生产的胶粉相比，低温破碎生产的橡胶颗粒粒径小、品质好、无老化变形，与其他材料的结合性能强，对油分的吸收更加充分。
(2)本发明的地沟油源于餐饮行业食用油加工油条后的废旧油脂，掺入沥青中可以降低橡胶沥青的黏度，大幅改善其低温延度，促进橡胶粉在沥青中的溶胀，并降低橡胶沥青的加工温度，改善其加工工艺，一定程度上改善沥青橡胶加工和施工时造成的烟尘污染。
(3)本发明大豆脂肪酸的加入不仅有助于降低沥青的粘度和针入度，还有助于提高胶粉的抗老化性能和沥青的拌合与压实温度，从而提升改性沥青的耐久性能。
(4)本发明的牦牛牛粪来源广泛，可再生，具有良好的保温性能，有利于提高改性沥青的抗冻性能和粘滞性，且对轻质油分具有较好的保存能力，加入牦牛牛粪可以减少沥青加工过程中的轻质油分损失，减少混合料的低温开裂，并提高耐久性。
(5)本发明的加入咖啡渣可以吸附沥青中的轻质油分，有利于减少沥青中轻质油分在加工环节中得损失，减缓沥青的老化。
(6)本发明的氮化硼有利于稳定沥青的性质，延缓沥青成分的老化；本发明的2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮有利于提高沥青的抗紫外老化性能，延长沥青在紫外光照射强烈地区的应用寿命；本发明所使用的改性剂均为可再生或制备的资源，价格低廉，原料充足，绿色环保，在制备过程中对环境无二次污染。
(7)本发明制备工艺简单，改性剂掺量大，生产出的改性沥青路面材料可以部分代替道路工程用石油沥青，可以在一定程度上缓解不可再生的石油沥青的消耗。
(8)通过本发明的原材料、配合比例、工艺生产出的改性沥青的低温延度及软化点有显著改善，能够提高软化点10℃以上，提高5℃延度80mm以上，对针入度指标影响不大，满足行业标准的要求。
以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
一种基于多元生物质材料的复合改性沥青，以质量份数计，由以下原料组成：基质沥青100份，地沟油2.5～5份，废旧橡胶粉10～20份，大豆脂肪酸2～4份，牦牛牛粪1～3份，咖啡渣2～4份，氮化硼1～3份，2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮0.5～1.5份，稳定剂0.1～0.15份。
基于多元生物质材料的复合改性沥青的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将基质沥青加热至140～160℃后，逐次加入地沟油、大豆脂肪酸、干燥牦牛粪和咖啡渣，持续搅拌5～10min，再加入废旧橡胶粉，持续搅拌5～10min；
步骤二：在170～190℃条件下以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-羟基-4-甲氧基二苯甲酮和稳定剂，继续剪切15～20min，总计剪切时间为60min；
步骤三：在140～160℃的条件下发育60min，并每15min搅拌一次，即得到复合改性沥青。
基质沥青采用道路用直馏70#沥青。废旧橡胶粉为废旧橡胶轮胎采用液氮冷冻粉碎法制的80目颗粒橡胶粉。
废旧橡胶粉的具体制备方法为：
步骤1.1：将废旧轮胎剪成含有若干孔洞的条状，用双重深度冷凝法(喷雾式冷凝和浸泡式冷凝)进行冷冻处理，冷冻温度为-80°～-100°；
步骤1.2：对冷冻后的轮胎进行初次破碎，磁选分离出金属线和胶粉与金属线的粘连物，并将磁选后的胶粉进行深度粉碎，通过筛分机分离所需的80目胶粉颗粒，将大于要求粒径的胶粉和磁选筛出的胶粒一同再次冷冻、破碎，最终制成高质量，粒径均匀的成品胶粉颗粒。
咖啡渣为咖啡豆压榨冲泡咖啡后产生的残渣，并预先进行干燥加工与破碎处理。
牦牛牛粪为直接收集的本年牦牛粪便，并预先进行干燥加工处理，破碎成牦牛粪便细碎颗粒。
氮化硼为工业用六方氮化硼。2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮标准为含量：≥99％，干燥失重：≤0.2％，灰分：≤0.1％。
本发明的稳定剂为马来酸酐与丁基橡胶的混合物。
当单一改性剂用于沥青改性时，由于自身性能的缺陷或与沥青相容性差等原因使沥青的性能不能获得较全面的提高，而复合改性沥青因其高低温性能的兼顾性而越来越受到重视。因此本发明中，对基质沥青的改性采用地沟油、橡胶粉、大豆脂肪酸、牦牛牛粪、咖啡渣、氮化硼和2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮复配改性的方法，既解决了低温抗裂性问题，又在一定程度上兼顾了其高温性能，还提升了沥青的抗紫外老化和耐久性能。
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
实施例1
本实施例给出一种基于多元生物质材料的复合改性沥青，由以下质量份数的原料制备而成：基质沥青：100份，地沟油：5份，废旧橡胶粉：20份，大豆脂肪酸：4份，牦牛牛粪：3份，咖啡渣：4份，氮化硼：3份，2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮：1.5份，稳定剂：0.1份。
基质沥青采用道路用直馏70#基质沥青，地沟油源于某餐饮店加工油条后的煎炸废油；废旧橡胶粉选用废旧橡胶轮胎采用液氮冷冻粉碎法制得的80目颗粒；大豆脂肪酸酸值(mgkoh/g，≥)200，水份(％)：0.5～0.6；牦牛牛粪为当年收集的牦牛粪便；咖啡渣为咖啡豆经研磨冲泡后剩余的残渣；氮化硼为常规工业用六方氮化硼；2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮标准为含量：≥99％，干燥失重：≤0.2％，灰分：≤0.1％。
步骤一：将基质沥青加热至150℃后，逐次加入地沟油、大豆脂肪酸、牦牛牛粪和咖啡渣，人工持续搅拌10min，再加入废旧橡胶粉，并人工持续搅拌10min；
步骤二：在180℃条件下经高速剪切机以5000r/min的剪切速率剪切35min，依次加入氮化硼剪切10min，再加入2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮和稳定剂后，继续剪切15min，总计剪切时间为60min；
步骤三：在150℃的恒温条件下发育60min，并每15min搅拌一次，即得到产品。
实施例2
本实施例给出一种基于生物质材料的复合改性沥青，由以下质量份数的原料制备而成：基质沥青：100份，地沟油：2.5份，废旧橡胶粉：20份，大豆脂肪酸：4份，牦牛牛粪：3份，咖啡渣：4份，氮化硼：3份，2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮：1.5份，稳定剂：0.1份。
本实施例的复合改性沥青制备方法与实施例1相同。
实施例3
本实施例给出一种基于生物质材料的复合改性沥青，由以下质量份数的原料制备而成：基质沥青：100份，地沟油：5份，废旧橡胶粉：10份，大豆脂肪酸：4份，牦牛牛粪：3份，咖啡渣：4份，氮化硼：3份，2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮：1.5份，稳定剂：0.1份。
本实施例的复合改性沥青制备方法与实施例1相同。
实施例4
本实施例给出一种基于生物质材料的复合改性沥青，由以下质量份数的原料制备而成：基质沥青：100份，地沟油：5份，废旧橡胶粉：20份，大豆脂肪酸：2份，牦牛牛粪：3份，咖啡渣：4份，氮化硼：3份，2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮：1.5份，稳定剂：0.1份。
本实施例的复合改性沥青制备方法与实施例1相同。
实施例5
本实施例给出一种基于生物质材料的复合改性沥青，由以下质量份数的原料制备而成：基质沥青：100份，地沟油：5份，废旧橡胶粉：10份，大豆脂肪酸：4份，牦牛牛粪：1份，咖啡渣：4份，氮化硼：3份，2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮：1.5份，稳定剂：0.1份。
本实施例的复合改性沥青制备方法与实施例1相同。
实施例6
本实施例给出一种基于生物质材料的复合改性沥青，由以下质量份数的原料制备而成：基质沥青：100份，地沟油：5份，废旧橡胶粉：10份，大豆脂肪酸：4份，牦牛牛粪：3份，咖啡渣：2份，氮化硼：3份，2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮：1.5份，稳定剂：0.1份。
本实施例的复合改性沥青制备方法与实施例1相同。
实施例7
本实施例给出一种基于生物质材料的复合改性沥青，由以下质量份数的原料制备而成：基质沥青：100份，地沟油：5份，废旧橡胶粉：10份，大豆脂肪酸：4份，牦牛牛粪：3份，咖啡渣：4份，氮化硼：1份，2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮：1.5份，稳定剂：0.1份。
本实施例的复合改性沥青制备方法与实施例1相同。
实施例8
本实施例给出一种基于生物质材料的复合改性沥青，由以下质量份数的原料制备而成：基质沥青：100份，地沟油：5份，废旧橡胶粉：10份，大豆脂肪酸：4份，牦牛牛粪：3份，咖啡渣：4份，氮化硼：3份，2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮：0.5份，稳定剂：0.1份。
本实施例的复合改性沥青制备方法与实施例1相同。
实施例9
本实施例的基于生物质材料的多元共混复合改性沥青的份数组成与实施例1相同，不同点在于制备方法步骤二中的剪切温度为170℃。
实施例10
本实施例基于生物质材料的多元共混复合改性沥青的份数组成与实施例1相同，不同点在于制备方法步骤二中的剪切温度为190℃。
实施例11
本实施例基于生物质材料的多元共混复合改性沥青的份数组成与实施例1相同，不同点在于制备方法步骤二中的剪切速率变为3000r/min。
实施例12
本实施例基于生物质材料的多元共混复合改性沥青的份数组成与实施例1相同，不同点在于制备方法步骤二中的剪切速率变为7000r/min。
实施例13
本实施例基于生物质材料的多元共混复合改性沥青的份数组成与实施例1相同，不同点在于制备方法步骤二中加入稳定剂前的剪切时间为15min，加入稳定剂后继续剪切15min，总计剪切时间为30min。
实施例14
本实施例基于生物质材料的多元共混复合改性沥青的份数组成与实施例1相同，不同点在于制备方法步骤二中加入稳定剂前的剪切时间变为45min，加入稳定剂后继续剪切45min，总计剪切时间为90min。
实施例15
本实施例基于生物质材料的多元共混复合改性沥青的份数组成与实施例1相同，不同点在于橡胶粉为常温破碎法制备的胶粉。
实施例16
本实施例基于生物质材料的多元共混复合改性沥青的份数组成与实施例1相同，不同点在于橡胶粉为湿法粉碎法制备的胶粉。
效果分析：
实施例1～8所制备的改性沥青和基质沥青性能指标见于表1，实施例9～14所制备的改性沥青性能指标见于表2，实施例15～16所制备的改性沥青性能至见于表3：
表1不同掺量的改性沥青性能指标(含基质沥青)
表2不同加工参数的改性沥青性能指标
表3不同加工方法橡胶粉制得的改性沥青性能指标
由表1可以看出实施例1所得的复合改性沥青对比70#基质沥青软化点明显升高，5℃延度显著增加，25℃针入度略微下降，说明沥青的具有较好的高温性能和优异的低温性能。而且对比所有同制备条件的实施例中，实施例1综合改性效果最优。查阅公路沥青路面施工技术规范jtgf40-2004，实施例1改性沥青的软化点、5℃延度和25℃针入度符合规范中对改性沥青的技术要求。
由表2可以优选出本基于生物质材料的多元共混复合改性沥青的最优制备工艺为：
步骤一、将基质沥青加热至150℃后，逐次加入地沟油、大豆脂肪酸、牦牛牛粪、废旧橡胶粉和咖啡渣，并持续搅拌10min～20min；
步骤二、在180℃条件下经高速剪切机以5000r/min的剪切速率剪切25～35min，依次加入氮化硼、2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮和稳定剂后，继续剪切25～35min，总计剪切时间为60min；
步骤三、在150℃的恒温条件下发育60min，并每15min搅拌一次，即得到产品。
由表3中可以看出低温破碎法生产的胶粉的改性沥青软化点明显高于其他两种方法，说明本发明中低温破碎法得到的胶粉在沥青中的到了充分溶胀，改性效果发挥良好，且较小的针入度说明低温破碎发生产的胶粉的改性沥青的粘滞性更好。