盐蚀冻融-干湿作用下棉秆纤维沥青混合料水稳定性研究

朱鹏燕 赵一帆 王成华 程显智 刘帮金

摘要：采用室内试验盐蚀冻融-干湿循环试验研究南疆寒区强盐碱环境对普通/棉秸秆纤维沥青混合料水稳性能的影响，在此基础上基于电镜扫描（SEM）技术从微观角度分析盐蚀冻融-干湿作用对纤维沥青混合料内部形态秸构的影响，结果表明：盐蚀冻融-干湿循环次数的增加，棉秸秆纤维沥青混合料和普通沥青混合料的空隙率和TSR呈现下降趋势，棉秸秆纤维的掺入可提高沥青混合料的抗水损坏的能力；进入混合料内部空隙的盐溶液在冻融-干湿循环作用下产生的盐/冰晶粒对裹覆在集料表面沥青薄膜的破坏及其在混合料内部秸晶膨胀和融解是造成沥青混合料水稳定性能下降的主要原因。研究结果有助于深入揭示盐蚀冻融-干湿环境对沥青路面的侵蚀作用机理，同时为推广棉秸秆纤维在沥青混合料中的应用提供参考。

关键词：沥青混合料；棉秸秆纤维；盐蚀冻融-干湿循环；空隙率；劈裂强度；扫描电子显微镜（SEM）；

Research on Water Stability of Cotton Stalk Fiber Asphalt Mixture

under Salt Corrosion Freezing Thawing Dry Wet Effects

Zhu Peng-yan, Zhao Yi-fan, Wang Cheng-hua, Cheng Xian-zhi, Liu Bang-jin

(College of Water Conservancy and Architecture Engineering, Tarim University, Alar, Xinjiang 843300)

Abstract: The indoor salt corrosion freeze-thaw and dry-wet cycle test was used to study the effect of strong saline alkali environment on the water stability performance of ordinary/ Cotton stalk fiber asphalt mixture in the cold region of southern Xinjiang. Based on this, the influence of salt corrosion freeze-thaw and dry-wet cycle effect on the internal morphology of fiber asphalt mixture was analyzed from a microscopic perspective using electron microscopy (SEM) technology. The results showed that the increase in the number of salt corrosion freeze-thaw and dry-wet cycles, The porosity and TSR of cotton stalk fiber asphalt mixture and ordinary asphalt mixture show a decreasing trend. The addition of cotton stalk fiber can improve the water damage resistance of asphalt mixture; The main reason for the decrease in water stability performance of asphalt mixtures is the damage of salt/ice crystals generated by the salt solution entering the internal voids of the mixture under the freeze-thaw and dry-wet cycle to the asphalt film wrapped on the surface of the aggregate, as well as the expansion and melting of straw crystals inside the mixture. The research results contribute to a deeper understanding of the erosion mechanism of salt corrosion freeze-thaw and dry-wet environment on asphalt pavement, and provide reference for promoting the application of cotton stalk fibers in asphalt mixtures.

Keywords: Asphalt mixture; Cotton stalk fiber; Salt corrosion freeze-thaw and dry-wet cycle; Void rate; Splitting strength; Scanning electron microscopy (SEM);

路用纤维能显著地改善沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性及耐久性，已被广泛应用于沥青路面工程［1-4］。在南疆盐渍化绿洲区广泛种植的农作物是棉花，因此棉秸秆产量丰富。目前，棉秸秆的处理方式大多以粉碎后回埋还田为主，只有少量被应用于纺织、造纸、堆肥等行业[5]。棉秸秆含有大量优质的天然木质类纤维素，是一种成分与天然木质素类似的天然环保材料。大量试验研究表明[6-10]，沥青路面工程所处地域环境对其各项性能影响显著，但盐蚀冻融-干湿作用下棉秸秆纤维的掺入对沥青混合料性能影响的研究成果较少，因此，本项目采用室内加速试验的方法，模拟在南疆严苛自然环境作用下，棉秆纤维对沥青混合料路用性能的影响。研究成果不仅为棉秸秆纤维在沥青混合料中的应用提供参考，也可部分解决新疆地区棉秸秆废弃物的处理问题，并在新疆公路建设发展中发挥一定的作用。

1试验材料和方法

1.1试验原材料

本试验参考文献[11]以“机械-破碎”的方法制备棉秸秆纤维，进行筛分后，选取0.3mm筛孔上的棉秸秆纤维为原材料见图1，棉秆纤维烘干状态下不聚团，易分散，黄色细丝，长度在6 mm范围内，絮状。采用由塔里木大学分析测试中心提供的美国赛默飞（Thermofisher-Apreo S)扫描电子显微镜对样品的表面形貌进行观察，单个棉秸秆纤维表面粗糙，凹凸不平，类条状纹理，有利于吸附沥青，增大与沥青界面的摩阻力，见图2所示。沥青：试验采用克拉玛依90号A级道路石油沥青；粗集料选用玄武岩碎石，细集料为石灰岩石屑，填料为磨细的石灰石粉。

图1  棉杆纤维外观形貌                                    图2  棉杆纤维扫描电镜图

1.2级配及其它。

矿料级配采用《公路沥青路面施工技术规范》（JTG/F40-2004）中AC-13型级配范围中值。参考文献[11-13]无纤维沥青混合料和棉秸秆纤维沥青混合料最佳油石比分别为最佳油石比为4.9%和5.1%，棉秸秆纤维最佳掺量为0.2%。

1.3试验方法

1.3.1 盐蚀冻融-干湿循环试验

盐蚀溶液浓度的确定：参考文献[14]表8取复合盐溶液浓度为9.0%，其中易溶盐MgSO用量为4 51.29g/L，NaCl用量为38.41 g/L。以南疆阿拉尔市周边地区气温年温差及昼夜温差变化较大，经调研阿拉尔市近10年气温可知，每年12月和次年1月间，气温在15 ~ -15℃之间波动。参考规范[15]T0729方法，首先将试件置于清水溶液中100h使得试件饱水，然后取出置于塑料袋中，加入10ml复合盐溶液置于冰柜中-15℃冻秸10h，取出置于15℃水溶液溶解7h，再将试件取出置于室内干燥环境保持7h，此为一个盐蚀冻融-干湿循环，需要24h。采用清水组为对照组，设置盐蚀冻融-干湿循环次数为0次、5次、8次、12次和16次，对比分析两种沥青混合料在循环作用下的性能变化。

1.2.2性能测试与微观试验

采用规范[15]T0702试验制备棉秸秆纤维沥青混合料试件，T0705试验测试棉秸秆纤维沥青混合料密度，T0709试验测试棉秸秆纤维沥青混合料的马歇尔稳定度，T0729试验测试棉秸秆纤维沥青混合料的冻融劈裂试验。采用扫描电子显微镜对在第16次盐蚀冻融-干湿循环周期秸束后的沥青混合料试件进行观察。

3试验结果分析

3.1空隙率的变化

沥青混合料空隙率的变化影响着混合料的水损害的严重程度。在不同试验环境中，随着盐蚀冻融-干湿循环次数的增加，试件空隙率的变化见图3所示。由图3可知，随着盐蚀冻融-干湿循环次数的增加，空隙率呈增大的趋势，当循环次数达到16次时，只有清水环境中，棉秸秆纤维混合料的空隙率符合规范要求，其它试验工况下均达不到规范小于6%的要求。由此可见，棉秸秆纤维的掺入可以提高混合料的密实程度，但盐蚀环境作用可加速对混合料性能的劣化。

图3  空隙率随盐蚀冻融-干湿循环次次数变化

3.2 冻融劈裂强度比（TSR）变化

沥青混合料TSR可表征混合料的长期水稳定性。不同试验工况下沥青混合料的冻融劈裂强度比（TSR）的变化情况见图5和图6。

图4 盐蚀冻融-干湿循环次数对TSR的影响                          图5  环境作用对TSR的影响

由图4可知，混合料的TSR值随着盐蚀冻融-干湿循环次数的增加呈现减小的趋势。在16次盐蚀冻融-干湿循环后，复合盐环境对沥青混合料的水稳性能影响较大，其中只有清水环境中棉秸秆纤维沥青混合料的TSR下降幅度较小，其水稳定性仍满足规范要求的

≥75%；其它三种试验工况下的沥青混合料已不能满足规范要求。

由图5可知，在相同的试验环境下，随盐蚀冻融-干湿循环次数增加，沥青混合料的TSR呈下降趋势，力学性能逐渐劣化。在相同的盐蚀冻融-干湿循环次数作用下，复合盐环境中沥青混合料的TSR值远远小于清水环境，棉秸秆纤维的掺入能够提高沥青混合料TSR值。综上可知，在严苛自然环境条件下，棉秸秆纤维的掺入虽然能够提高了沥青混合料的水稳定性能，但提升能力有限。

3.3微观分析

空白对照组和经盐蚀冻融-干湿循环作用16次后棉秸秆纤维沥青混合料的微观形貌见图6和图7所示。

从图6中可以看出棉秸秆纤维随机分布在沥青混合料中，形成了三维空间网络结构，使得混合料内部更加密实；另外，棉秸秆纤维表面裹覆着一层厚厚的沥青膜，与沥青粘结良好，可以增强沥青混合料的完整性，在盐蚀冻融-干湿循环作用下，可有效的防止裂缝扩展。

由图7可知，在盐溶液中冻融-干湿循环16次后，在混合料空隙中和沥青与集料界面处存在白色晶状物，说明在冻融-作用过程中，复合盐溶液渗入试件空隙中，并在循环作用后在其内部形成盐类晶粒，这些晶粒会刺破沥青膜并留存在试件内部，当试验温度再次下降试件空隙中晶粒会再次增长膨胀并产生应力，将导致混合料空隙边缘产生微裂纹，而当试验温度升高时，晶粒消融，如此多次循环作用后，就会造成混合料外部和内部细集料剥落、流失，导致混合料空隙率和TSR均呈现下降趋势。而在干湿作用下，混合料内部的盐溶液被蒸发，盐晶粒逐步在试件外部聚集，见图8所示。

图6棉秸秆纤维沥青混合料的微观形貌（空白组）  图7棉秸秆纤维沥青混合料的微观形貌（16次）

图8  盐蚀冻融-干湿循环16次后的试件

5结论

（1）随着盐蚀冻融-干湿循环次数的增加，沥青混合料的空隙率、劈裂强度比均呈现降低趋势。在复合盐溶液环境，沥青混合料内部空隙和TSR产生的损失均大于清水环境，且在寒区强盐渍环境作用下，普通沥青混合料的空隙率和TSR均已不满足规范要求。

（2）棉秸秆纤维掺入提高了沥青混合料内部密实程度，从而提高了混合料在盐蚀冻融-干湿环境中水稳定性能，因此在南疆棉花秸秆储量丰富的地区，可将棉秸秆制备成纤维应用在沥青混合料中，来抑制沥青混合料早期水损坏的出现。但在含盐较高的地区，仍需要结合其它措施防止沥青混合料的早期水损坏的产生。

（3）在盐蚀环境中，冻融-干湿循环作用加剧了盐溶液对裹覆在集料表面沥青薄膜的破坏作用，以及盐/冰结晶-溶解过程中产生的渗透与结晶膨胀压力均是导致沥青混合料内部损伤不断积累与宏观性能劣化的主要原因。

参考文献：

[1]黄建书. 博尼维聚脂纤维沥青混合料在山区公路小半径大纵坡重交通量路段的实践应用[J]. 公路交通科技, 2015 (6): 184-185.

[2]Suresh Kumar Tiruppur Venkatachallam, Hajimalang Pattekhan, Soundar pakar, et al. Chemical composition of Nigella Sativa L. seed extracts obtained by supercritical carbon dioxide[J]. Journal of Food Science and Technology, 2010, 47(6): 598-605．

[3] Tubesha Z, Iqbal S, Ismail M. Effects of hydrolytic conditions on recovery of antioxidants from methanolic extracts of Nigella Sativa seeds[J]. Journal of Medicinal Plant Research, 2011,5(14): 152-3158.

[4] Ratz-Lyko Anna, Arct Jacek, Pytkowska Katarzyna, et al. Effect of enzymatic hydrolysis on the ntioxidant properties of alcoholic extracts of oilseed cakes[J]. Food Technology and Biotechnology, 2013, 51(4): 539-546．

[5] 佚名. 今年我区将试点棉花直补政策[N].《新疆日报》, 2014

[6] 傅广文. 融雪剂对沥青及沥青混合料性能影响研究[D]. 长沙: 长沙理工大学, 2010.

[7] 孙玉齐. 盐化物自融雪沥青路面性能研究[D]. 西安: 长安大学, 2011.

[8] WANG KJ, NELSEN D E, NIXON W A. Damaging Effects of Deicing Chemicals on Concrete Materials[J]. Cement & oncrete Composites, 2006, 28(2):173-188.

[9] 张丽娟. 盐化物融雪沥青混合料研究[D]. 西安: 长安大学, 2010.

[10] 王锋, 韩森, 张洪伟, 等. 盐化物融冰雪沥青混合料的应用研究[J]. 公路，2009(3): 176-179.

[11]李巍巍. 棉秸秆纤维沥青混合料路用性能研究[D]. 长安大学, 2015.

[12]李振霞, 陈渊召, 周建彬等.玉米秸秆纤维沥青混合料路用性能及机理分析[J]. 中国公路学报,2019,32(02):47-58.

[13]雷彤, 李祖仲, 刘开平等.棉秸秆纤维沥青混合料路用性能[J]. 公路, 2016 ,61(07): 59-63.

[14]王成, 李桢怡, 葛广华等.复合盐侵蚀-干湿耦合作用下聚丙烯纤维混凝土抗盐蚀性能试验研究[J].混凝土,2023, (04): 29-35+39.

基金项目：塔里木大学大学生创新创业训练计划-南疆棉秸秆纤维沥青混凝土路用性能研究(202310757038)