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原文传递玉米秸秆纤维沥青吸附机制及其SMA路用性能研究

论文题名：	玉米秸秆纤维沥青吸附机制及其SMA路用性能研究
关键词：	玉米秸秆纤维;沥青吸附;路用性能
摘要：	中国作为农业大国，每年在生产大量粮食的同时也会产生大量的农副产品秸秆作物，而秸秆的焚烧和堆积均会对环境造成危害。如果将玉米秸秆制作成纤维应用到沥青路面中，不但能够缓解秸秆作物对环境的污染，还能起到变废为宝、节约有限资源的作用，具有较大的环境与经济价值。但是目前如何将玉米秸秆制作成符合沥青路面要求的纤维材料还处于不同程度的研究阶段，同时对于沥青路用玉米秸秆纤维没有相应的技术标准。为此，本文将提出一种符合沥青路面应用玉米秸秆纤维的制备工艺，并给出玉米秸秆纤维的技术评价指标，在此基础上进行玉米秸秆纤维SMA混合料路用性能的调控研究。　　首先分析了玉米秸秆的组成结构，选取玉米秸秆皮作为制作纤维的原材料。通过皮穣分离得到玉米秸秆皮，对其进行物理以及化学处理，并基于纤维吸油试验结果确定玉米秸秆纤维制备工艺。在此基础上对玉米秸秆纤维的性能进行测试，结合我国交通运输行业标准沥青路面用纤维（JT/T533—2020）中对絮状木质纤维的技术要求对玉米秸秆纤维性能进行评价，进而提出沥青路用玉米秸秆纤维的评价指标。　　利用BET试验方法对玉米秸秆纤维的孔隙结构进行分析。基于玉米秸秆纤维吸附沥青质试验，分析了不同掺量下玉米秸秆纤维吸附沥青质的能力，以及单位质量玉米秸秆纤维对不同沥青种类中沥青质的吸附效果。结合吸附动力学以及吸附等温线模型，揭示了玉米秸秆纤维吸附沥青质的动态三阶段吸附机制。利用分子动力学模拟方法，建立了四种不同组分比例的沥青分子模型以及玉米秸秆纤维分子模型，设定分子力场以及计算参数，构建界面分子动力学模型，根据模拟结果分析了玉米秸秆纤维吸附沥青不同组分的规律性，研究表明饱和分和芳香分扩散系数数值较大。　　对玉米秸秆纤维沥青的高低温性能进行了试验研究，分析了不同掺量下玉米秸秆纤维对沥青基本性质、高温性能以及低温性能的影响。试验结果表明，玉米秸秆纤维能够提高沥青的黏度，改善沥青的温度敏感性，提高沥青的高温性能，且通过提高玉米秸秆纤维掺量是可以达到木质素纤维以及玄武岩纤维对沥青性能的改善效果。基于Han曲线分析，玉米秸秆纤维与沥青具有较好的相容性。当少量的玉米秸秆纤维掺入到沥青中时，纤维在沥青中会起到部分增韧作用，然而随着纤维掺量的增多，纤维在沥青中吸附作用将会更加突出。　　根据玉米秸秆纤维和玄武岩纤维的理化与力学属性，开展SMA（沥青玛蹄脂碎石）混合料路用性能调控与提升技术研究。基于纤维沥青试验结果，选择不同的玉米秸秆纤维掺量，进行SMA-13混合料配合比设计以及混合料高温性能、低温性能、水稳定性、疲劳性能以及动态模量性能试验研究，结合木质素纤维、玄武岩纤维沥青混合料路用性能，揭示玉米秸秆纤维对SMA混合料性能的提升规律和作用机理。进而设计吸附（玉米秸秆纤维）+增强（玄武岩纤维）型混合纤维，之后进行SMA-13混合料配合比设计以及混合料高温性能、低温性能、水稳定性以及疲劳性能试验研究，明确混合纤维对SMA混合料路用性能的调控原理，最后通过SMA混合料路用性能与经济性对比分析，推荐用于调控和提升SMA混合料性能的玉米秸秆纤维与混合纤维合理掺量。　　铺筑玉米秸秆纤维/玄武岩纤维SMA-13混合料室内足尺试验场，进行了生产配合比设计，总结路面施工工艺。基于足尺加速加载试验，对玉米秸秆纤维/玄武岩纤维SMA-13面层结构和木质素纤维SMA-13面层结构的车辙深度进行对比分析，研究结果表明玉米秸秆纤维/玄武岩纤维SMA-13面层结构具有更长的使用寿命，这为玉米秸秆纤维沥青混合料的应用和推广提供案例分析以及技术支撑。
作者：	陈梓宁
专业：	道路与铁道工程
导师：	冯德成
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2021