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原文传递农业废弃物用于沥青路面材料的研究

论文题名：	农业废弃物用于沥青路面材料的研究
关键词：	沥青路面材料;制备工艺;路用性能;微观机理
摘要：	我国作为农业大国，拥有巨大的粮食产量，伴随而生的还有大量的农业副产物秸秆，但是秸秆的常规处理方式如焚烧和堆肥都会对环境造成损害。如果能将农作物秸秆纤维应用到沥青路面材料中，不仅可以缓解秸秆废物对环境的污染，还可以将秸秆变废为宝、节约不可再生资源的作用，其高值化利用可以产生巨大的环境与经济效益。秸秆纤维作为一种高强重比、成本低廉且环保可再生的增强材料，可以显著的提升沥青路面材料的力学性能，但掺杂的高吸湿率的纤维长期处在自然环境下容易吸收水分发生霉变腐朽，影响混合料后期路用性能。为此，本研究提出了一种满足沥青路面应用的改性水稻秸秆纤维的制备方法，并测定了秸秆纤维的相关技术指标，然后对水稻秸秆纤维AC-16沥青混合料路用性能和微观作用机理进行了研究。　　首先，将水稻秸秆粉碎成纤维，然后用乙酸法对纤维进行改性，并对改性前后的纤维微观形貌、吸湿性、沥青吸持性能、化学成分变化和热稳定性进行对比分析。在纤维掺量为0.2wt%、0.4wt%和0.6wt%（占混合料质量）下按照规范要求进行集料配合比设计，并采用马歇尔试验来确定沥青混合料的最佳油石比。然后通过马歇尔稳定度试验、车辙试验、低温小梁弯曲试验、马歇尔冻融劈裂试验及浸水马歇尔试验来评价纤维沥青路面材料的路用性能，并应用红外光谱仪和扫描电镜对纤维沥青沥青混合料共混机理及微观作用进行表征。结果表明：乙酸处理可以除去纤维表面的部分外表皮和蜡质层，增加纤维表面粗糙度，提高纤维热稳定性，降低纤维吸湿性，增强纤维对沥青的吸持性；乙酸处理后的纤维沥青混合料稳定度、高温稳定性和水稳定性均有所提升，且都优于未处理纤维，添加纤维后混合料低温抗裂性有所下降；当改性纤维掺量为0.4wt%时混合料综合性能最优；纤维与沥青为物理结合，两者在混合料中产生了紧密的结合，纤维发挥了良好的应力传递作用。　　基于纤维沥青混合料的试验研究基础之上，鉴于天然纤维预处理成本的高昂、处理方法的繁杂和纤维沥青混合料在低温性能上的缺陷，进一步开展了以水稻秸秆粉、地沟油和90#基质沥青为原料制备改性沥青的试验研究。　　研究中将水稻秸秆机械粉碎成粉末，然后对其热稳定性进行测定，再将水稻秸秆粉末与地沟油按1:0.95的比例混合制备复合改性剂,然后将其以不同掺量（0%，4%，8%，12%，质量分数）加入90#基质沥青中制备改性沥青，利用三大指标、软化点差值法、动态剪切流变仪法和弯曲梁流变仪法对水稻秸秆粉/地沟油改性沥青性能进行测定，通过X射线衍射仪对水稻秸秆粉与地沟油混合后晶体结构变化进行表征，并应用红外光谱仪和扫描电镜对改性沥青共混机理进行分析，采用车辙试验、低温小梁弯曲试验、浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验对沥青混合料的路用性能进行测定。结果表明：水稻秸秆粉具有良好的热稳定性，与地沟油混合后疏水性有所提高；水稻秸秆粉/地沟油复合改性剂的掺入会增大沥青胶浆针入度，延度和软化点有所降低，复合改性剂相较于地沟油和水稻秸秆粉单独掺加的沥青三大指标波动幅度更低，沥青热储存稳定性随改性剂掺量增加而下降；水稻秸秆粉、地沟油和沥青的化学组成相似，其混合为物理共混；水稻秸秆粉/地沟油复合改性剂的掺加可以提高沥青及其混合料的低温抗裂性能，对其高温稳定性和水稳定性有不利影响；当沥青中掺加4%的复合改性剂时其各项性能仍能满足90#基质沥青标准要求。　　由以上研究发现水稻秸秆粉/地沟油改性沥青低温性能有所改善，但改性剂在沥青中分散效果一般，符合标准条件下改性剂掺量不高，且秸秆粉中存在的半纤维素吸湿性大耐腐性差，为此本研究继续以农业废弃物生产糠醛产生的废弃物糠醛渣（主要成分为纤维素、木质素和少量半纤维素）、地沟油和90#基质沥青为原料制备改性沥青并对其路用性能进行探究。　　本部分研究中先将糠醛渣机械粉碎后筛分，然后对其吸湿性和热稳定性进行测定，再将糠醛渣粉末与地沟油按1.1:1的比例混合,然后将其以不同掺量（0%，4%，8%，12%，质量分数）加入90#基质沥青中制备改性沥青，利用三大指标、软化点差值法、动态剪切流变仪法和弯曲梁流变仪法对糠醛渣/地沟油改性沥青性能进行测定，通过X射线衍射仪对糠醛渣与地沟油混合后晶体结构变化进行分析，并采用红外光谱仪和扫描电镜对改性沥青共混机理及微观形貌进行表征，应用高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性测试对沥青混合料的性能进行评价。结果表明：糠醛渣具有较低的吸湿性和较好的热稳定性，糠醛渣与地沟油混合后疏水性增强；糠醛渣/地沟油复合改性剂的掺入会增大沥青胶浆针入度，降低其软化点，其延度值随掺量增加出现先增大后减小的趋势，复合改性剂相较于地沟油和糠醛渣单独掺加的沥青三大指标波动幅度更低，改性沥青具有良好的热储存稳定性；糠醛渣、地沟油和沥青的化学组成相似，具有良好的相容性，三者之间的混合为物理共混；糠醛渣/地沟油复合改性剂的掺加可以提高沥青及其混合料的低温抗裂性能，对其高温稳定性和水稳定性有不利影响；当沥青中掺加8%的复合改性剂时其各项性能仍能满足90#基质沥青标准要求。
作者：	赖硕荣
专业：	林业工程(木材科学与技术)
导师：	张显权;李淑君
授予学位：	硕士
授予学位单位：	东北林业大学
学位年度：	2022