固廢焦化硫膏改性纖維瀝青混合料的力學性能研究

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，研究其馬歇爾穩定性、間接拉伸強度、低溫劈裂性能、直接拉伸性能以及界面粘附性。結果表明：隨著瀝青膠結料與集料的質量比增加，瀝青混合料的馬歇爾穩定度先上升后逐漸下降；瀝青膠結料與集料的質量比為4.5%時混合料的馬歇爾穩定度值最高；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，較未改性時分別下降13.64%、12.5%，進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。

關鍵詞：焦化硫膏；公路路面；纖維；瀝青混合料；力學變化

中圖分類號：U416.03? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1673-4874（2024）04-0092-03

0 引言

濕式氧化脫硫是焦爐煤氣的主要脫硫方法。在此過程中，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品鹽類以及有機物質和其他雜質［1］。焦化硫膏是一種工業固體廢棄物，不僅難以利用，而且會造成嚴重污染。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、操作復雜、原料易燃易爆、易造成二次污染、產品質量差等問題。因此，焦化硫膏的資源化處理和利用是焦化行業的一個重要研究課題［2］。

瀝青路面因其駕駛舒適性而廣泛用于高等級公路。然而，瀝青路面由于其抗拉強度低而容易開裂，微裂紋的擴展會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材料［6］。但竹纖維與瀝青基體之間的界面附著力較差，進一步限制纖維對瀝青混合料的增強作用以及纖維-瀝青復合材料在路面上的應用。

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劑［7］。基于此，本文提出利用固廢焦化硫膏改性纖維瀝青混合料，并對焦化硫膏改性纖維瀝青復合材料的力學性能進行了評估。同時研究改性纖維與瀝青基質之間的界面粘附性。研究結果可為公路路面纖維瀝青混合料性能的提升提供參考。

1 試驗方法

1.1 材料

1.1.1 瀝青粘結劑

本文試驗材料采用東海品牌90#瀝青，簡稱DH。其主要屬性如表1所示。

1.1.2 焦化硫膏

試驗原料為山西焦化集團義興焦化有限公司脫硫工段生產的濕焦硫膏。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化學技術有限公司（中國福建）提供。將平均長度為20 mm的竹纖維（13 g）分散在玻璃表面，并用數字掃描儀進行掃描。掃描圖像通過WinRHIZO軟件（EcoTech，中國北京）進行分析，以測量竹纖維的形態分布，得到所有纖維的總長度和總表面積，計算得出平均直徑和長徑比分別為443 μm和45.17。大部分纖維的直徑不超過1 000μm，約占總長度的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%（質量）的NaOH溶液將混合溶液的pH值調至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。瀝青膠結料與集料的質量比（RAA）分別定為4.0%、4.5%、5.0%、5.5%和6.0%。使用未經處理和經焦化硫膏-甲醛處理的纖維-瀝青混合料，纖維含量為0.2 wt%。同時還制備了不含纖維的瀝青混合料作為對照。馬歇爾試樣（尺寸：101.5 mm×63.5 mm）根據規范要求制備。以RAA為5.0%的混合料為例，馬歇爾試樣的制備過程為：將瀝青粘結劑（390 g）加熱至160 ℃，將集料（7 800 g）和礦粉（390 g）分別預熱至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；用馬歇爾壓實錘將混合物每側壓實75次；馬歇爾壓實錘在使用前預熱至105 ℃；將制作好的馬歇爾試樣在室溫下冷卻12 h后，進行脫模評估［10］。

2 結果與討論

2.1 馬歇爾穩定性結果分析

瀝青混合料的馬歇爾穩定性見圖1。隨著RAA的增加，瀝青混合料的馬歇爾穩定度開始時有所上升，隨后逐漸下降。RAA為4.5%的混合料的馬歇爾穩定度值最高，因為RAA影響混合料中的瀝青涂層厚度。在RAA水平相對較低時，瀝青的主要功能是將集料粘結在一起，起到結構骨架的作用；當RAA增加到一定值時，部分瀝青會逐漸轉化為集料間的自由潤滑劑，導致瀝青混合料的穩定性降低。在混合物中的RAA相同的情況下，經過焦化硫膏-甲醛處理的纖維混合物的馬歇爾穩定度遠高于對照組和未經處理的纖維混合物，主要因為焦化硫膏均勻分散在改性瀝青粘結劑中，在改性瀝青中發揮了骨料作為填料或結構劑的作用。以RAA為4.5%的混合物為例，改性后的馬歇爾穩定度比對照組高14.3%，比未改性瀝青混合物高13.1%。這是因為改性纖維與瀝青基質之間的界面粘合力得到了改善。界面粘合力的改善會大大提高改性纖維對瀝青基質的加固效果。同時因為纖維與基質之間的應力傳遞更為有效。在其他RAA條件下，改性混合料的穩定性會有所下降，這是因為混合料中游離瀝青的潤滑作用變得非常明顯（當RAA>4.5%時）。同時，馬歇爾穩定度越高，說明瀝青與骨料之間的粘聚力越強，就越有利于瀝青混合料的抗水損傷。從馬歇爾穩定性的試驗結果可知，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性能。

2.2 間接拉伸結果分析

進一步研究RAA為4.5%的間接拉伸強度。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果。改性瀝青混合料的間接拉伸強度和拉伸模量分別比對照組高出16.0%和23.1%，而未改性瀝青混合料的間接拉伸強度和拉伸模量分別比對照組高出9.8%和9.7%。瀝青混合料在力學加載過程中，纖維的加入可以傳遞和消散瀝青基體上的應力，有利于防止裂縫擴展。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力，主要因為焦化硫膏改性纖維與瀝青基質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，涂有焦化硫膏的竹纖維在瀝青中具有良好的應力傳遞效果，顯著提高了瀝青混合料的抗拉強度、拉伸模量和拉伸剛度。

2.3 低溫劈裂試驗

下頁表4為RAA值為4.5%的低溫劈裂試驗比較結果。試驗結果表明，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，但剪切抗拉強度有所不同。改性前的瀝青混合料0 d剪切抗拉強度為2.82 MPa，20 d后降低至2.50 MPa。而改性后的剪切抗拉強度在固化前后變化很大，0 d的抗拉強度為2.99 MPa，較未改性的降低11.7%。改性后的20 d剪切強度為2.88 MPa，大于改性后0 d的瀝青混合料。造成這一現象的主要原因是焦化硫膏的溫度敏感性較低，瀝青對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進一步導致瀝青混合料剪切抗拉強度降低，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度。同時可以觀察到，在低溫劈裂試驗中，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 直接拉伸性能結果分析

試樣的峰值拉伸載荷、最大拉伸載荷時的位移、最大拉伸應力和拉伸剛度如表5所示。與對照組相比，焦化硫膏改性纖維試樣的直接抗拉強度提高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度和拉伸模量與對照組相當，這是因為焦化硫膏具有較高的強度和模量。因此，在瀝青基體中添加焦化硫膏可大大提高加載時的抗變形能力。焦化硫膏與瀝青基質之間界面粘附力的改善增強了直接拉伸效果。

2.5 瀝青混合料界面結合

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，說明瀝青基質對纖維表面具有良好的潤濕效果。此外，纖維表面的瀝青皺紋和凹痕清晰可見，說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的粘結性能良好，當材料承受荷載時，纖維周圍的瀝青也出現了拉出現象。這些均驗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劑表面的“蜂狀結構”數量明顯增加，如圖2（b）所示，說明焦化硫膏可以促進“蜂狀結構”的形成。微晶硫（白點）均勻分散在焦化硫膏改性瀝青粘結劑中，在改性瀝青中發揮了骨料作為填料或結構劑的作用。固化后，硫單元結構外的微晶硫顯著增加，且在固化過程中，焦化硫膏改性瀝青粘結劑中溶解的硫結晶緩慢，微結晶硫遷移形成一個大的硫單元結構，使硫填補剩余的空隙，帶來更高的粘聚力，進一步提高纖維瀝青混合料的力學性能。

3 結語

在瀝青混合料中使用纖維作為摻入材料，并加入焦化硫膏-甲醛對纖維瀝青混合料進行改性，以改善纖維與瀝青基質之間的界面粘附性。通過馬歇爾穩定性試驗、直接拉伸試驗和間接拉伸試驗對焦化硫膏纖維瀝青混合物的力學性能進行了評估。得出的主要結論如下：

（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力傳遞效果，從而顯著提高了瀝青混合料的抗拉強度、拉伸模量和拉伸剛度。

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

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作者簡介：黃吉存（1990—），主要從事公路瀝青路面施工及養護工作。