本发明涉及道路工程用沥青混凝土，具体涉及一种绿色高黏韧沥青改性剂、改性沥青及制备方法与混凝土，尤其涉及一种适用于极重、特重、重载交通的绿色高黏韧沥青改性剂、改性沥青及制备方法与混凝土。
背景技术：
1、石油沥青作为沥青路面的主要原材料之一，它是石油在自然环境条件下，长时间经受地球物理因素作用而形成的一些极其复杂的高分子的碳氢化合物和这些碳氢化合物的非金属(氧、硫、氮)的衍生物所组成的混合物。但因公路超载重载现象普遍且严重，同时路面尤其沥青面层亦承受大温差、冰冻雨雪、强紫外线等恶劣的气候环境反复作用，引起路面开裂、车辙等病害频发。按现行标准，高速公路沥青路面设计寿命为15年，但通过调研发现，70％以上高速公路使用10年左右即需大中修，导致资源能源消耗巨大，环境污染破坏严重，阻碍了公路的可持续发展，传统基质沥青的性能难以满足日益增长的交通量的需求。因此，关于高性能沥青的研发也越来越受到道路工作者的关注，而通过沥青改性剂对基质沥青改进获得高性能沥青是目前最主要的一种方式。
2、sbs(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物)是现有比较常用的一种沥青改性剂，sbs改性剂可明显改进沥青的耐候性、耐负载性能、低温屈挠性、高温流动性等性能，可较大程度改善沥青的性能，延长沥青的使用寿命，因而在现有技术中得到了较为广泛地应用。
3、如：中国专利文献cn108034270a公开一种改性沥青及其制备方法，提供的改性沥青由包括以下重量份的原料制备而成：沥青100～120份，改性剂6～20份，相容剂3～9份，硫磺0.15～0.25份，非胺类抗剥落剂0.4～0.6份和偶联剂0.2～0.4份；所述改性剂包括苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(sbs)、橡胶和聚氨酯。通过高速剪切和胶体磨结合的方法制备了一种用于透水沥青铺装体系的高粘改性沥青。该方案提供的改性沥青可同时满足：25℃弹性恢复≥98％，60℃动力粘度≥50万pa·s，60℃复合剪切模量≥10kpa，g*/sinδ≥2.2kpa的临界温度≥94℃。
4、中国专利文献cn115304925a公开一种低融点速溶高黏沥青改性剂及其制备方法，其中沥青改性剂包括以下重量分的原料：镁铝双羟基复合金属氢氧化物8-15份；抗氧化剂12-14份；重质芳烃油，10-15份；硅烷偶联剂a151，0.4-2份；sbs橡胶粉40-60份；石墨烯0.01-0.05份；芳烃抽出油20-25份；硅酸四乙酯3-10份，改性剂12-21份。
5、上述两个现有技术方案，以sbs、橡胶为改性剂的主要成分。一方面，由于sbs改性剂的生产涉及石油化工原材料，具有不可持续性且成本高；而且sbs改性剂存在c＝c双键，极易老化，从而容易导致性能急剧下降。另一方面，橡胶改性沥青存在高温时黏度过大，难以保证施工和易性等问题。此外，透水沥青铺装体系的空隙率极大(15％-25％左右)，如将cn108034270a公开的方案所制备的高粘沥青用于透水沥青铺装体系，高粘沥青易与空气接触，会降低高粘透水沥青路面的服役性能。cn115304925a公开的方案中还加入了石墨烯材料作为改性材料，石墨烯材料是一种十分昂贵的材料，会进一步增加了高黏改性剂的成本，从而影响其实际应用。
6、为了克服上述sbs/橡胶沥青改性剂所存在的问题，现有技术又有方案提出采用纳米材料与废旧橡胶粉进行改性，可以解决sbs/橡胶改性的成本较高等问题。
7、如：中国专利文献cn107227031a公开一种纳米复合沥青改性剂及其制备方法，其中改性剂包括以下重量份的各组分：改性纳米材料3-5份；热塑性苯乙烯弹性体30-50份；再生橡胶粉30-40份；再生聚乙烯材料20-40份；硫化剂1-2份；马来酸酐接枝pe为所述再生聚乙烯材料用量的1.5％-3％。该发明方案通过对纳米材料先进行表面处理，增加了纳米材料的亲油性，提高了纳米材料在沥青中的分散性，纳米材料在改性剂中的掺入能够进一步提高添加有本发明改性剂的改性沥青的高、低温稳定性。
8、根据《排水沥青路面设计与施工技术规范》jtg/t 3350-03—2020特别标注的要求，极重、特重、重载交通应适当提高高黏度改性沥青动力黏度，宜为20wpa·s以上，高黏沥青最主要的指标是60℃动力黏度，即对于极重、特重、重载交通要求60℃动力黏度应当在20wpa·s以上，而上述现有技术cn107227031a提供的纳米材料与废旧橡胶粉复合改性剂及改性沥青，参考其公开的性能数据，其最佳实施例(实施例3)60℃动力黏度也仅达到15.7wpa·s，远达不到极重、特重、重载交通的黏度要求，从而会使得沥青的应用受到限制。此外，对于纳米材料与废旧橡胶粉复合改性虽然能解决sbs/橡胶改性成本高的问题，但由于纳米粒子具有较高的比表面能和表面积，在混合过程中容易与废旧橡胶粉容易发生团聚，进而影响材料的分散性、均匀性，从而影响材料的稳定性等性能。
9、因此，亟待开发一种成本低、稳定性好、制备简单、应用范围广，尤其适用于极重、特重、重载交通的高粘度、高性能的沥青改性剂、改性沥青及其制备方法与沥青混凝土。
技术实现思路
1、本发明要解决的技术问题是：提供一种绿色高黏韧沥青改性剂、改性沥青及制备方法与混凝土。其目的在于，针对现有技术的高粘沥青中存在的，纳米材料在沥青中易团聚、废旧橡塑材料-沥青间相容性差、稳定性差、成本高、不可持续、适用范围窄、施工和易性差以及综合性能难以有效提升的问题，通过优化改性剂的配方和制备工艺，首先采用环保性原材料，并创造性的提出采用二次熔融共混挤出法制备一种绿色高黏韧沥青改性剂，更好的实现层状纳米黏土材料的剥离，解决纳米黏土材料在废旧橡塑基材料中难以分散的难题，最终实现低成本绿色低碳高黏韧改性沥青及沥青混凝土的研发。
2、为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
3、第一方面，本发明提供一种绿色高黏韧沥青改性剂，其包括如下重量份的原料组分：
4、废旧橡塑胶混合物70～232份；
5、纳米黏土材料4～10份；
6、相容剂15～30份；
7、并采用二次熔融共混挤出法制得。
8、进一步地，所述废旧橡塑胶混合物由废旧橡胶和废旧塑料组成，废旧橡胶与废旧塑料的质量比为1:0.8～1.5。
9、进一步地，废旧橡胶为废旧橡胶粉，其粒径为40～120目，橡胶烃含量＞50％。
10、进一步地，废旧塑料为废旧聚乙烯颗粒或废旧聚丙烯颗粒，其粒径为10～15目。要求颗粒均匀、饱满。
11、进一步地，所述纳米黏土材料包括纳米有机蒙脱土、纳米累托石、纳米蛭石的至少一种。
12、进一步地，所述相容剂为芳烃油，其芳烃含量大于80％。
13、进一步地，二次熔融共混挤出法制备沥青改性剂的方法具体包括如下步骤：
14、(1)一次熔融共混挤出制备母料：按照质量比1:2～4:1～2称取纳米黏土材料、废旧橡塑胶混合物、相容剂，高速混合均匀后、挤出造粒制得母料；
15、(2)二次熔融共混挤出制备沥青改性剂：将废旧橡塑胶混合物、步骤(1)制得的母料、相容剂按照质量比为5～9:1～5:1～3高速混合均匀后、二次挤出造粒制得所述沥青改性剂。
16、进一步地，步骤(1)的高速混合在高速混合机内进行。优选地，所述高速混合机的转速控制在300～450r/min，时间控制在15～20分钟。
17、进一步地，步骤(2)的高速混合在高速混合机内进行。优选地，所述高速混合机的转速控制在300～450r/min，时间控制在15～20分钟。
18、进一步地，步骤(1)的挤出过程通过双螺杆挤出机进行。双螺杆挤出机可实现复合材料制备的高产量、高质量、高效率，故本发明选择双螺杆挤出机。
19、优选地，步骤(1)的双螺杆挤出机的机筒包括进料段、出料段及至少一个中间段，进料段、出料段的温度控制在170℃，中间段的温度控制在175℃，螺杆转速为100～180r/min。
20、优选地，所述双螺杆挤出机的机筒包括进料段、出料段及7个中间段，各段的温度从进料端往出料端分别为170℃，175℃，175℃，175℃，175℃，175℃，175℃，175℃，170℃。
21、进一步地，步骤(1)经挤出后的物料经水槽冷却后牵引至造粒机进行一次造粒，造粒机转速为200～400r/min。
22、进一步地，步骤(2)的挤出过程通过双螺杆挤出机进行。双螺杆挤出机可实现复合材料制备的高产量、高质量、高效率，故本发明选择双螺杆挤出机。
23、优选地，步骤(2)的双螺杆挤出机的机筒包括进料段、出料段及至少一个中间段，进料段、出料段的温度控制在170℃，中间段的温度控制在175℃，螺杆转速为100～180r/min。
24、优选地，所述双螺杆挤出机的机筒包括进料段、出料段及7个中间段，各段的温度从进料端往出料端分别为170℃，175℃，175℃，175℃，175℃，175℃，175℃，175℃，170℃。
25、进一步地，步骤(2)经挤出后的物料经水槽冷却后牵引至造粒机进行二次造粒，造粒机转速为200～400r/min。
26、进一步地，步骤(1)制得的母料的粒径控制在10～15目。
27、进一步地，步骤(2)制得的沥青改性剂粒径控制在10～15目。
28、第二方面，本发明提供一种绿色高黏韧改性沥青，包括基质沥青及上述的绿色高黏韧沥青改性剂。
29、进一步地，所述绿色高黏韧沥青改性剂与基质沥青的质量比为15～20:80～85。
30、第三方面，本发明提供一种上述绿色高黏韧改性沥青的制备方法。
31、进一步，所述制备方法具体包括以下步骤：
32、(1)基质沥青加热至融化。
33、(2)取出已融化的基质沥青，按照预设比例将所述绿色高黏韧沥青改性剂加入到基质沥青中，温度控制在175～180℃，初步搅拌。这个步骤中采用低速初步搅拌，如：人工搅拌。
34、(3)初步搅拌均匀后，对混合物料进行高速剪切20～30分钟，温度控制在175～180℃。
35、(4)之后，以300～500r/min的速度高速搅拌分散，分散时间控制在10～15分钟，温度控制在175～180℃。
36、(5)最后，将步骤(4)制得的物料175～185℃保温，密封发育60～70分钟，即得所述改性沥青。
37、上述制备方法中：步骤(3)的目的是为了将沥青改性剂磨细，高速剪切过程一般采用高速剪切仪进行；步骤(4)的目的是将磨细后的沥青改性剂在基质沥青中进行进一步地分散，高速搅拌分散过程一般在高速搅拌器内进行；步骤(5)的目的是使沥青改性剂在基质沥青中得到充分地发育，与基质沥青形成稳固的空间网状结构。
38、进一步地，步骤(1)中将基质沥青在135℃～140℃条件下加热30～40分钟至融化。
39、进一步地，步骤(2)中的高速剪切速率为4500～6000r/min。
40、第四方面，本发明还提供一种沥青混凝土，包括上述的绿色高黏韧改性沥青或上述的方法制得的绿色高黏韧改性沥青，以及矿料；所述绿色高黏韧改性沥青占矿料重量的5％～6％。
41、进一步地，所述矿料包括集料及矿粉，矿料的空隙率控制在3～6％。
42、本发明还提供上述沥青混凝土的制备方法，具体包括如下步骤：
43、(1)按比例称取绿色高黏韧改性沥青，并根据矿料级配要求(如：表1所示的ac-13密级配沥青混合料矿料级配)配置集料、矿粉；
44、(2)将所述绿色高黏韧改性沥青在175℃～185℃条件下加热30～40分钟至融化，集料加热4～8h备用；
45、(3)将步骤(2)中的集料和绿色高黏韧改性沥青置于175℃～185℃条件下搅拌90～120s；然后加入配置好的矿粉，175℃～185℃条件下继续搅拌90～120s，即得沥青混凝土。
46、表1ac-13密级配沥青混合料矿料级配
47、 筛孔尺寸(mm) 16 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075 级配上限 100 100 85 68 50 38 28 20 15 8 级配下限 100 90 68 38 24 15 10 7 5 4 级配中值 100 95 76.5 53 37 26.5 19 13.5 10 6 通过率(％) 100 95 74 48.5 34 23.5 15 11 8.5 6
48、本发明具有如下有益效果：
49、1、本发明通过优化沥青改性剂的配方和制备工艺，提供一种沥青改性剂及改性沥青与沥青混凝土，具有低成本、绿色低碳、高黏高韧的特点。
50、2、本发明创造性提出采用二次熔融共混挤出法制备所述沥青改性剂及改性沥青与混凝土，能更好地实现层状纳米黏土材料的剥离，解决纳米黏土材料在废旧橡塑基材料中难以分散的难题，同时通过纳米粘土材料的纳米效应改善废旧橡塑材料与沥青间相容性，从而提升沥青及其混凝土的综合性能。
51、由于纳米材料粒子具有较高的比表面能和表面积，在混合的过程中使得纳米材料粒子与废旧橡塑胶混合物混合时容易团聚的问题。本发明首先通过将废旧橡塑胶混合物先与纳米黏土材料、相容剂进行熔融共混，使大分子更容易插入到层状硅酸盐的片层间，起到撑开纳米黏土层间距离的作用，纳米黏土材料进行一次初步的分散，一次熔融共混挤出制备含有较高含量纳米黏土(含量为7.7％～25％)的母料。然后，通过废旧橡塑胶混合物、相容剂与制得母料直接共混，二次熔融共混挤出分散，进一步增加对纳米黏土材料的分散。
52、3、本发明采用的原材料中的废旧橡塑胶混合物均为环保性材料，能降低材料成本，同时实现废旧橡塑胶的资源化、高价值利用，能实现低成本、绿色低碳的改性沥青的研发，对于交通运输行业实现“双碳”目标至关重要。
53、4、本发明的沥青改性剂中纳米黏土材料具有层状结构，以纳米黏土材料作为辅助分散的稳定剂，能平衡废旧橡塑材料与基质沥青间的密度差，提高材料的分散性、均匀性，提高改性沥青的稳定性。且由于纳米黏土材料的层状结构，废旧橡塑基分子和沥青分子都可以嵌入到层状纳米黏土通道中去，形成稳定的三维空间网状结构，从而大幅提升沥青的综合性能。
54、5、本发明提供的沥青改性剂及改性沥青与沥青混凝土，具有高黏高韧的特点，沥青改性剂关键指标熔体质量流动速率(190℃，2.16kg)＞10g/10min；改性沥青关键指标150℃旋转黏度小于3pa·s，48h软化点差小于0.8℃，软化点大于100℃，5℃延度大于50cm，高温分级温度达100℃以上，低温分级温度达-24℃；60℃动力黏度大于50万pa·s；沥青混凝土的关键指标60℃车辙因子大于6000次/mm，低温弯曲破坏应变大于3000με。适用于极重、特重、重载交通的技术要求。因此本发明提供的沥青改性剂及改性沥青与沥青混凝土，在保证具有优异的施工和易性的同时，还具有优异的储存稳定性、高低温性能，可适用于排水噪路面、超薄罩面、桥面铺装、机场罩面等对结合料要求苛刻的铺装层，适用范围广。
55、综上，本发明提供的沥青改性剂及改性沥青与沥青混凝土具有低成本、绿色低碳、稳定性好、应用范围广、高黏高韧、综合性能高等特点，且制备工艺简单，适用于产业化生产。
1.一种绿色高黏韧沥青改性剂，其特征在于，包括如下重量份的原料组分：
2.根据权利要求1所述的绿色高黏韧沥青改性剂，其特征在于，所述废旧橡塑胶混合物由废旧橡胶和废旧塑料组成，废旧橡胶与废旧塑料的质量比为1:0.8～1.5。
3.根据权利要求2所述的绿色高黏韧沥青改性剂，其特征在于，废旧橡胶为废旧橡胶粉，其粒径为40～120目，橡胶烃含量＞50％。
4.根据权利要求2所述的绿色高黏韧沥青改性剂，其特征在于，废旧塑料为废旧聚乙烯颗粒或废旧聚丙烯颗粒，其粒径为10～15目。
5.根据权利要求1所述的绿色高黏韧沥青改性剂，其特征在于，所述纳米黏土材料包括纳米有机蒙脱土、纳米累托石、纳米蛭石的至少一种。
6.根据权利要求1所述的绿色高黏韧沥青改性剂，其特征在于，所述相容剂为芳烃油，其芳烃含量大于80％。
7.根据权利要求1所述的绿色高黏韧沥青改性剂，其特征在于，二次熔融共混挤出法制备沥青改性剂的方法具体包括如下步骤：
8.根据权利要求7所述的绿色高黏韧沥青改性剂，其特征在于，步骤(1)的高速混合在高速混合机内进行，所述高速混合机的转速控制在300～450r/min，时间控制在15～20分钟。
9.根据权利要求7所述的绿色高黏韧沥青改性剂，其特征在于，步骤(2)的高速混合在高速混合机内进行，所述高速混合机的转速控制在300～450r/min，时间控制在15～20分钟。
10.根据权利要求7所述的绿色高黏韧沥青改性剂，其特征在于，步骤(1)的挤出过程通过双螺杆挤出机进行，步骤(1)的双螺杆挤出机的机筒包括进料段、出料段及至少一个中间段，进料段、出料段的温度控制在170℃，中间段的温度控制在175℃，螺杆转速为100～180r/min。
11.根据权利要求7所述的绿色高黏韧沥青改性剂，其特征在于，步骤(2)的挤出过程通过双螺杆挤出机进行，步骤(2)的双螺杆挤出机的机筒包括进料段、出料段及至少一个中间段，进料段、出料段的温度控制在170℃，中间段的温度控制在175℃，螺杆转速为100～180r/min。
12.根据权利要求7所述的绿色高黏韧沥青改性剂，其特征在于，
13.根据权利要求7所述的绿色高黏韧沥青改性剂，其特征在于，
14.一种绿色高黏韧改性沥青，其特征在于，包括基质沥青及权利要求1-12任一所述的绿色高黏韧沥青改性剂，绿色高黏韧沥青改性剂与基质沥青的质量比为15～20:80～85。
15.如权利要求14所述的绿色高黏韧改性沥青的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
16.如权利要求15所述的制备方法，其特征在于，
17.一种沥青混凝土，其特征在于，包括权利要求14所述的绿色高黏韧改性沥青或权利要求15-16任一所述的方法制得的绿色高黏韧改性沥青，以及矿料；所述绿色高黏韧改性沥青占矿料重量的5％～6％。
18.根据权利要求17所述的沥青混凝土，其特征在于，所述矿料包括集料及矿粉，矿料的空隙率控制在3～6％。
