摘要：文章提出在公路路面纖維瀝青混合料中加入固廢焦化硫膏改性纖維瀝青混合料，研究其馬歇爾穩(wěn)定性、間接拉伸強(qiáng)度、低溫劈裂性能、直接拉伸性能以及界面粘附性。結(jié)果表明：隨著瀝青膠結(jié)料與集料的質(zhì)量比增加，瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度先上升后逐漸下降；瀝青膠結(jié)料與集料的質(zhì)量比為4.5%時(shí)混合料的馬歇爾穩(wěn)定度值最高；改性后的瀝青混合料損傷變形最大值為0.21 mm，最小值為0.19 mm，較未改性時(shí)分別下降13.64%、12.5%，進(jìn)一步表明利用焦化硫膏可以提高瀝青混合料的低溫劈裂性能。

關(guān)鍵詞：焦化硫膏；公路路面；纖維；瀝青混合料；力學(xué)變化

中圖分類號(hào)：U416.03? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-4874（2024）04-0092-03

0 引言

濕式氧化脫硫是焦?fàn)t煤氣的主要脫硫方法。在此過(guò)程中，H2S主要以焦化硫膏（CSP）的形式回收。除硫磺外，焦化硫膏還含有硫氰酸鹽和硫代硫酸鹽等副產(chǎn)品鹽類以及有機(jī)物質(zhì)和其他雜質(zhì)［1］。焦化硫膏是一種工業(yè)固體廢棄物，不僅難以利用，而且會(huì)造成嚴(yán)重污染。目前CSP的凈化處理方法可分為三大類：熔融法、氣化法和溶劑法。但這些方法普遍存在能耗高、投資大、操作復(fù)雜、原料易燃易爆、易造成二次污染、產(chǎn)品質(zhì)量差等問(wèn)題。因此，焦化硫膏的資源化處理和利用是焦化行業(yè)的一個(gè)重要研究課題［2］。

瀝青路面因其駕駛舒適性而廣泛用于高等級(jí)公路。然而，瀝青路面由于其抗拉強(qiáng)度低而容易開裂，微裂紋的擴(kuò)展會(huì)降低瀝青路面的使用壽命。在瀝青混合料中摻入纖維有利于提高路面強(qiáng)度和模量［3-5］。鋼纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維、聚合物纖維和天然植物纖維已被研究用作瀝青路面的增強(qiáng)材料［6］。但竹纖維與瀝青基體之間的界面附著力較差，進(jìn)一步限制纖維對(duì)瀝青混合料的增強(qiáng)作用以及纖維-瀝青復(fù)合材料在路面上的應(yīng)用。

纖維的表面改性是改善纖維與瀝青之間界面粘附性的有效方法。瀝青纖維主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成。纖維素的羥基可以與功能性單體或共聚物接枝，從而在纖維和瀝青之間引入偶聯(lián)劑［7］?；诖?，本文提出利用固廢焦化硫膏改性纖維瀝青混合料，并對(duì)焦化硫膏改性纖維瀝青復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行了評(píng)估。同時(shí)研究改性纖維與瀝青基質(zhì)之間的界面粘附性。研究結(jié)果可為公路路面纖維瀝青混合料性能的提升提供參考。

1 試驗(yàn)方法

1.1 材料

1.1.1 瀝青粘結(jié)劑

本文試驗(yàn)材料采用東海品牌90#瀝青，簡(jiǎn)稱DH。其主要屬性如表1所示。

1.1.2 焦化硫膏

試驗(yàn)原料為山西焦化集團(tuán)義興焦化有限公司脫硫工段生產(chǎn)的濕焦硫膏。濕焦化硫膏在真空干燥箱中于80 ℃下干燥8 h。在0.08 MPa的真空度下于80 ℃真空干燥箱中干燥8 h，然后研磨成粉末，粒徑約為0.2 mm。焦化硫膏記為CSP，需要密封避光保存［8］。表2為焦化硫膏-CSP的成分。

1.1.3 竹纖維

綠色竹纖維由福建HBS化學(xué)技術(shù)有限公司（中國(guó)福建）提供。將平均長(zhǎng)度為20 mm的竹纖維（13 g）分散在玻璃表面，并用數(shù)字掃描儀進(jìn)行掃描。掃描圖像通過(guò)WinRHIZO軟件（EcoTech，中國(guó)北京）進(jìn)行分析，以測(cè)量竹纖維的形態(tài)分布，得到所有纖維的總長(zhǎng)度和總表面積，計(jì)算得出平均直徑和長(zhǎng)徑比分別為443 μm和45.17。大部分纖維的直徑不超過(guò)1 000μm，約占總長(zhǎng)度的96%，占總表面積的85%。

1.1.4 纖維改性試劑

在三頸燒瓶中將焦化硫膏粉末（15.12 g，0.12 moL）逐漸加入甲醛溶液（58.38 g，0.72 moL）中，然后將所得溶液磁力攪拌5 min，以獲得均勻的溶液。焦化硫膏與甲醛的摩爾比為1∶6。用20 wt%（質(zhì)量）的NaOH溶液將混合溶液的pH值調(diào)至8.5。然后將三頸燒瓶置于50 ℃的水浴中，磁力攪拌溶液40 min，得到焦化硫膏-甲醛（MF）共聚物。得到的共聚物溶液冷卻至室溫后用于竹纖維的表面處理。將108 g竹纖維在103 ℃下烘干24 h，烘干后的竹纖維重量為100 g。然后在烘干后的竹纖維上均勻噴灑焦化硫膏-甲醛共聚物（10 g），再轉(zhuǎn)移到103 ℃下的烘箱中烘干20 h，得到改性纖維瀝青混合料［9］。

1.2 瀝青混合料制備

瀝青混合料和烘干集料（105 ℃，24 h）用于制備瀝青混合料。瀝青膠結(jié)料與集料的質(zhì)量比（RAA）分別定為4.0%、4.5%、5.0%、5.5%和6.0%。使用未經(jīng)處理和經(jīng)焦化硫膏-甲醛處理的纖維-瀝青混合料，纖維含量為0.2 wt%。同時(shí)還制備了不含纖維的瀝青混合料作為對(duì)照。馬歇爾試樣（尺寸：101.5 mm×63.5 mm）根據(jù)規(guī)范要求制備。以RAA為5.0%的混合料為例，馬歇爾試樣的制備過(guò)程為：將瀝青粘結(jié)劑（390 g）加熱至160 ℃，將集料（7 800 g）和礦粉（390 g）分別預(yù)熱至180 ℃并保持3 h；將骨料和礦石粉在170 ℃的攪拌鍋中混合，再將預(yù)熱的瀝青逐漸加入鍋中并攪拌3 min；將得到的瀝青混合物（約1 430 g）倒入模具中，上下表面分別覆蓋一張油紙；用馬歇爾壓實(shí)錘將混合物每側(cè)壓實(shí)75次；馬歇爾壓實(shí)錘在使用前預(yù)熱至105 ℃；將制作好的馬歇爾試樣在室溫下冷卻12 h后，進(jìn)行脫模評(píng)估［10］。

2 結(jié)果與討論

2.1 馬歇爾穩(wěn)定性結(jié)果分析

瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定性見圖1。隨著RAA的增加，瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度開始時(shí)有所上升，隨后逐漸下降。RAA為4.5%的混合料的馬歇爾穩(wěn)定度值最高，因?yàn)镽AA影響混合料中的瀝青涂層厚度。在RAA水平相對(duì)較低時(shí)，瀝青的主要功能是將集料粘結(jié)在一起，起到結(jié)構(gòu)骨架的作用；當(dāng)RAA增加到一定值時(shí)，部分瀝青會(huì)逐漸轉(zhuǎn)化為集料間的自由潤(rùn)滑劑，導(dǎo)致瀝青混合料的穩(wěn)定性降低。在混合物中的RAA相同的情況下，經(jīng)過(guò)焦化硫膏-甲醛處理的纖維混合物的馬歇爾穩(wěn)定度遠(yuǎn)高于對(duì)照組和未經(jīng)處理的纖維混合物，主要因?yàn)榻够蚋嗑鶆蚍稚⒃诟男詾r青粘結(jié)劑中，在改性瀝青中發(fā)揮了骨料作為填料或結(jié)構(gòu)劑的作用。以RAA為4.5%的混合物為例，改性后的馬歇爾穩(wěn)定度比對(duì)照組高14.3%，比未改性瀝青混合物高13.1%。這是因?yàn)楦男岳w維與瀝青基質(zhì)之間的界面粘合力得到了改善。界面粘合力的改善會(huì)大大提高改性纖維對(duì)瀝青基質(zhì)的加固效果。同時(shí)因?yàn)槔w維與基質(zhì)之間的應(yīng)力傳遞更為有效。在其他RAA條件下，改性混合料的穩(wěn)定性會(huì)有所下降，這是因?yàn)榛旌狭现杏坞x瀝青的潤(rùn)滑作用變得非常明顯（當(dāng)RAA>4.5%時(shí)）。同時(shí)，馬歇爾穩(wěn)定度越高，說(shuō)明瀝青與骨料之間的粘聚力越強(qiáng)，就越有利于瀝青混合料的抗水損傷。從馬歇爾穩(wěn)定性的試驗(yàn)結(jié)果可知，將焦化硫膏用于改性纖維瀝青混合料，可以有效提高瀝青基質(zhì)之間的界面粘合力，從而提升公路路面纖維瀝青混合料的力學(xué)性能。

2.2 間接拉伸結(jié)果分析

進(jìn)一步研究RAA為4.5%的間接拉伸強(qiáng)度。表3為RAA值為4.5%的焦化硫膏纖維瀝青混合料的間接拉伸結(jié)果。改性瀝青混合料的間接拉伸強(qiáng)度和拉伸模量分別比對(duì)照組高出16.0%和23.1%，而未改性瀝青混合料的間接拉伸強(qiáng)度和拉伸模量分別比對(duì)照組高出9.8%和9.7%。瀝青混合料在力學(xué)加載過(guò)程中，纖維的加入可以傳遞和消散瀝青基體上的應(yīng)力，有利于防止裂縫擴(kuò)展。與未處理的纖維相比，焦化硫膏改性纖維能更有效地分散應(yīng)力，主要因?yàn)榻够蚋喔男岳w維與瀝青基質(zhì)之間的界面粘附性得到了改善，改性竹纖維與瀝青基體具有良好的粘附性和完整性。同時(shí)，涂有焦化硫膏的竹纖維在瀝青中具有良好的應(yīng)力傳遞效果，顯著提高了瀝青混合料的抗拉強(qiáng)度、拉伸模量和拉伸剛度。

2.3 低溫劈裂試驗(yàn)

下頁(yè)表4為RAA值為4.5%的低溫劈裂試驗(yàn)比較結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果表明，未改性及改性兩種瀝青混合料固化前后的失效變形基本相同，但剪切抗拉強(qiáng)度有所不同。改性前的瀝青混合料0 d剪切抗拉強(qiáng)度為2.82 MPa，20 d后降低至2.50 MPa。而改性后的剪切抗拉強(qiáng)度在固化前后變化很大，0 d的抗拉強(qiáng)度為2.99 MPa，較未改性的降低11.7%。改性后的20 d剪切強(qiáng)度為2.88 MPa，大于改性后0 d的瀝青混合料。造成這一現(xiàn)象的主要原因是焦化硫膏的溫度敏感性較低，瀝青對(duì)其低溫抗裂性能起著決定性的作用。焦化硫膏中瀝青含量會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致瀝青混合料剪切抗拉強(qiáng)度降低，但瀝青混合料加入焦化硫膏仍可以提高瀝青混合料的剪切抗拉強(qiáng)度。同時(shí)可以觀察到，在低溫劈裂試驗(yàn)中，未改性的瀝青混合料的損傷變形最大值為0.24 mm，最小值為0.22 mm。而改性后的瀝青混合料損傷變形最大值為0.21 mm，最小值為0.19 mm，較未改性分別下降13.64%、12.5%，進(jìn)一步表明，利用焦化硫膏可以提高瀝青混合料的低溫劈裂效果。

2.4 直接拉伸性能結(jié)果分析

試樣的峰值拉伸載荷、最大拉伸載荷時(shí)的位移、最大拉伸應(yīng)力和拉伸剛度如表5所示。與對(duì)照組相比，焦化硫膏改性纖維試樣的直接抗拉強(qiáng)度提高16.0%，拉伸模量提高了12.1%，而未處理纖維的試樣的直接抗拉強(qiáng)度和拉伸模量與對(duì)照組相當(dāng)，這是因?yàn)榻够蚋嗑哂休^高的強(qiáng)度和模量。因此，在瀝青基體中添加焦化硫膏可大大提高加載時(shí)的抗變形能力。焦化硫膏與瀝青基質(zhì)之間界面粘附力的改善增強(qiáng)了直接拉伸效果。

2.5 瀝青混合料界面結(jié)合

掃描電鏡圖像（圖2）顯示，未改性瀝青混合料表面被瀝青覆蓋，且瀝青膜厚度均勻，說(shuō)明瀝青基質(zhì)對(duì)纖維表面具有良好的潤(rùn)濕效果。此外，纖維表面的瀝青皺紋和凹痕清晰可見，說(shuō)明焦化硫膏能夠很好地吸收瀝青成分。而改性纖維與瀝青基質(zhì)的粘結(jié)性能良好，當(dāng)材料承受荷載時(shí)，纖維周圍的瀝青也出現(xiàn)了拉出現(xiàn)象。這些均驗(yàn)證了焦化硫膏改性纖維與瀝青基體之間良好的界面粘附性。

與未改性瀝青混合料相比，焦化硫膏改性瀝青粘結(jié)劑表面的“蜂狀結(jié)構(gòu)”數(shù)量明顯增加，如圖2（b）所示，說(shuō)明焦化硫膏可以促進(jìn)“蜂狀結(jié)構(gòu)”的形成。微晶硫（白點(diǎn)）均勻分散在焦化硫膏改性瀝青粘結(jié)劑中，在改性瀝青中發(fā)揮了骨料作為填料或結(jié)構(gòu)劑的作用。固化后，硫單元結(jié)構(gòu)外的微晶硫顯著增加，且在固化過(guò)程中，焦化硫膏改性瀝青粘結(jié)劑中溶解的硫結(jié)晶緩慢，微結(jié)晶硫遷移形成一個(gè)大的硫單元結(jié)構(gòu)，使硫填補(bǔ)剩余的空隙，帶來(lái)更高的粘聚力，進(jìn)一步提高纖維瀝青混合料的力學(xué)性能。

3 結(jié)語(yǔ)

在瀝青混合料中使用纖維作為摻入材料，并加入焦化硫膏-甲醛對(duì)纖維瀝青混合料進(jìn)行改性，以改善纖維與瀝青基質(zhì)之間的界面粘附性。通過(guò)馬歇爾穩(wěn)定性試驗(yàn)、直接拉伸試驗(yàn)和間接拉伸試驗(yàn)對(duì)焦化硫膏纖維瀝青混合物的力學(xué)性能進(jìn)行了評(píng)估。得出的主要結(jié)論如下：

（1）焦化硫膏成功接枝在竹纖維表面，有利于改善竹纖維與瀝青基質(zhì)的界面相容性。

（2）改性竹纖維與瀝青基體具有良好的粘附性和完整性。涂有焦化硫膏的竹纖維在瀝青中具有良好的應(yīng)力傳遞效果，從而顯著提高了瀝青混合料的抗拉強(qiáng)度、拉伸模量和拉伸剛度。

（3）改性瀝青混合料的間接拉伸強(qiáng)度和拉伸模量分別比對(duì)照組高出16.0%和23.1%，而未改性瀝青混合料的間接拉伸強(qiáng)度和拉伸模量分別比對(duì)照組高出9.8%和9.7%。

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作者簡(jiǎn)介：黃吉存（1990—），主要從事公路瀝青路面施工及養(yǎng)護(hù)工作。