将固体废物回收制成用于低碳路面的沥青胶料：性能研究与环境影响评估

《Journal of Chromatography A》：Recycling solid wastes into asphalt mastics for low-carbon pavements: Performance investigation and environmental impact assessment

本研究探讨钢渣、石膏等五种固体废弃物作为沥青混合料填料，结合分子动力学模拟与实验分析，揭示了矿物成分增强沥青界面粘附的机理，并通过生命周期评估证实其环境效益显著，为绿色道路建设提供技术支撑。

　　近年来，随着全球对可持续发展和环境保护的关注不断加深，利用固体废弃物作为沥青混合料中的填料以构建低碳道路成为了一个备受瞩目的研究方向。这一领域的发展不仅有助于减少固体废弃物的堆积，还能在一定程度上缓解传统矿物填料资源枯竭的问题。本文通过结合分子动力学（MD）模拟和实验测试的方法，系统研究了多种固体废弃物作为填料在沥青玛蹄脂中的性能表现及其背后的原子尺度机制。研究还引入了生命周期评估（LCA）手段，以全面分析使用固体废弃物填料替代传统矿物填料对沥青路面环境影响的改善情况。研究结果表明，大多数固体废弃物衍生的填料在沥青玛蹄脂中展现出优于传统矿物填料的性能，特别是在高温车辙抗性和疲劳性能方面，提升了40%以上。此外，这些填料还增强了与沥青分子的相互作用能力和粘附性能。通过MD模拟，研究揭示了这些性能提升背后的原子尺度机制：固体废弃物填料中的造岩矿物通过增强与沥青分子之间的界面相互作用，提高了粘附工作并降低了扩散系数。LCA结果显示，固体废弃物替代技术能够系统提升路面材料生命周期中的关键环境指标，如生态系统质量提升了6%以上，资源可用性提升了9%以上。这些成果为绿色道路建设提供了一个可持续的技术框架，同时也为固体废弃物管理和矿物资源保护提供了一个双赢的策略。

沥青路面因其优良的机械性能、低噪音和舒适的行驶体验，被广泛应用于约90%的高等级公路中。沥青混合料主要由不同粒径的骨料嵌入沥青基体构成，其中填料是通过0.075毫米（中国/美国）或0.063毫米（欧洲）筛孔的细骨料，占混合料总质量的5%-12%。尽管填料在混合料中的比例较小，但其对沥青混合料的机械性能有着显著的影响。目前，矿物填料主要来源于岩石或熟石灰，但其开采过程会消耗不可再生资源，并引发一系列环境问题，进而导致供应短缺和成本上升。因此，寻找传统矿物填料的可持续替代品变得尤为迫切。全球每年产生约1.9亿吨的固体废弃物，其中工业废弃物如钢渣、脱硫石膏和高炉渣是主要组成部分。在中国，这些废弃物的产量非常可观，但其利用率却相对较低。建筑废弃物如过期水泥，以及采矿废弃物如铁尾矿，也大量堆积，但其回收率仍然不足。因此，将这些废弃物作为沥青混合料中的替代填料进行全面回收具有重要的环境和实际意义。

现有的处理废弃物的方法主要包括填埋和回收，但填埋的容量有限，难以应对大量固体废弃物的处理需求。相比之下，将这些废弃物应用于沥青路面不仅可以实现废弃物的彻底处理，还能推动路面工程领域的可持续发展，这是一项双赢的解决方案。近年来，关于在路面工程中用固体废弃物替代传统矿物填料的研究不断增多。例如，Wang等人（2024）系统比较了流化催化裂化（FCC）填料与沥青之间的相互作用与传统矿物填料与沥青之间的相互作用，发现FCC废弃物催化剂显著增强了沥青与填料之间的粘附性和相互作用。Yin等人（2024a, 2024b）研究了包括磷石膏和天然气渣在内的固体废弃物填料对沥青混合料粘弹性的影响，得出结论表明改进后的广义Sigmoidal模型最准确地描述了包含固体废弃物填料的混合料的粘弹性特性。Lei等人（2024）报告指出，铜尾矿粉作为替代填料在沥青玛蹄脂中表现出优于传统石灰石填料的高温性能，同时具备可接受的低温和抗水性能，且不会带来显著的环境风险。Zhong等人（2024）发现，采用钢渣粗骨料和粉末的钢渣基沥青混合料相较于传统玄武岩沥青混合料，展现出更优的工程性能，减少了温室气体排放（减少1.1%-8.6%），并降低了成本（减少14.4%-19.8%）。Lu等人（2024a, 2024b）发现，加入具有微波响应特性的填料如铁氧体粉末和煤矸石粉末，可以显著降低沥青玛蹄脂的自愈启动温度，提高微波诱导热转换效率，同时增强自愈的可持续性，并带来显著的经济和环境效益。Antunes等人（2017）研究了三种废弃物填料与沥青之间的相互作用，发现加入废弃物填料的玛蹄脂表现出更强的抗水性能。Russo等人（2022）指出，当填料与沥青的比例为1时，用粉煤灰或喷射灌浆废弃物替代石灰石填料可以显著提升沥青的流变性能，提高复数剪切模量约50%，并减少不可恢复的蠕变合规性约35%，同时有效固定有毒元素并保持环境兼容性。Kong等人（2023）发现，加入混合矿物填料可以显著提升沥青玛蹄脂的热发射率和导热性，使路面表面温度比传统石灰石填料降低高达5.4°C。Du等人（2020）指出，用玻璃微珠替代传统石灰石填料可以显著提升沥青混合料的隔热性能，降低热量吸收，使内部温度降低约1.7°C，并减少车辙深度约8.5%。Choudhary等人（2021a, 2021b）进一步指出，用石灰石浆粉作为填料在沥青混合料中显著提升了性能，同时降低了材料成本约11%，减少了碳排放约11%，并在每公里路面上节省了75吨的骨料，相较于传统石粉填料。

通过对已有研究的深入回顾，发现存在几个重要的研究空白。首先，虽然已有研究主要关注固体废弃物填料的机械性能和环境兼容性，但缺乏详细和全面的生命周期评估（LCA）研究，以评估这些填料在路面工程中的整体可持续性。其次，大多数研究集中在宏观和微观尺度的实验分析，而对填料行为的分子尺度机制理解有限。在现有的分子模拟研究中，通常选择氧化物作为矿物模型的代表性成分，但从矿物学角度来看，造岩矿物通常由多种氧化物组成，是矿物结构的基础。因此，仅使用单个氧化物构建矿物模型必然存在误差，而采用造岩矿物则能更真实地反映分子动力学模拟中的填料行为。第三，研究往往局限于同一类别的废弃物，而不同种类废弃物之间的比较研究较为匮乏。此外，当前沥青玛蹄脂的性能评估体系也存在一定的局限性。例如，弯曲梁流变仪（BBR）测试无法直接提供评估沥青材料对热裂纹抵抗潜力的参数。为了填补上述研究空白，本研究收集了五种废弃物填料（三种工业废弃物、一种建筑废弃物和一种采矿废弃物），并与三种常见的矿物填料进行了对比，系统评估了相应沥青玛蹄脂的机械性能。建立了沥青与填料之间的界面模型，并通过MD模拟研究了填料中的造岩矿物与沥青分子之间的界面相互作用的原子尺度机制。通过LCA方法，对用固体废弃物填料替代传统矿物填料在沥青路面中的环境影响进行了全面评估。本研究的成果可为固体废弃物填料在沥青路面中的应用提供指导。

在研究过程中，我们首先对所使用的原材料进行了详细分析。表1列出了本研究中使用的沥青的基本特性，其Superpave性能等级为64-28。本研究中选择了三种常见的矿物填料，即花岗岩（G）、玄武岩（B）和石灰石（L）作为对照填料。为了评估将固体废弃物作为沥青混合料填料进行回收再利用的可行性，以及减轻固体废弃物对环境的负面影响，我们从三个来源中选取了五种固体废弃物。这些废弃物包括钢渣、脱硫石膏、高炉渣、过期水泥和铁尾矿。这些填料的选取基于其在实际应用中的广泛存在以及其在不同环境条件下的性能表现。通过对这些填料的物理和化学特性进行系统分析，我们能够更好地理解其在沥青混合料中的潜在作用。此外，我们还对这些填料的粒径分布、密度、比表面积等关键参数进行了测量，以确保其能够满足沥青混合料对填料的基本要求。

在研究过程中，我们重点分析了沥青与不同造岩矿物之间的粘附工作。粘附工作（W_ad）是衡量沥青与填料之间相互作用能力的重要参数。通过计算粘附工作，我们可以评估不同填料对沥青性能的影响。本研究中，我们采用分子动力学模拟方法，对沥青与填料之间的界面相互作用进行了深入分析。模拟结果显示，固体废弃物填料中的造岩矿物能够显著增强与沥青分子之间的界面相互作用，提高粘附工作并降低扩散系数。这些结果与实验测试的结果相吻合，表明固体废弃物填料在沥青玛蹄脂中展现出优越的性能。此外，我们还通过实验测试验证了这些填料在不同温度和湿度条件下的表现，发现其在高温和疲劳性能方面均优于传统矿物填料。

为了全面评估固体废弃物填料在沥青路面中的环境影响，我们进行了生命周期评估（LCA）。LCA是一种系统评估产品或过程在整个生命周期中对环境影响的方法，包括原材料获取、生产、使用和废弃阶段。本研究中，我们对使用固体废弃物填料替代传统矿物填料在沥青路面中的环境影响进行了评估，重点分析了其对碳排放、资源消耗和生态质量的影响。结果显示，固体废弃物填料的使用能够显著减少碳排放，提高资源可用性，并改善生态质量。这些环境效益不仅体现在材料生产阶段，还贯穿于整个路面生命周期。例如，在材料生产阶段，固体废弃物填料的使用减少了对不可再生资源的依赖，降低了开采和加工过程中的环境影响。在使用阶段，这些填料能够提高沥青路面的性能，延长使用寿命，减少维护成本。在废弃阶段，固体废弃物填料的回收利用减少了废弃物的堆积，提高了资源循环利用率，从而减少了对环境的长期影响。

通过本研究的分析，我们发现固体废弃物填料在沥青路面中的应用具有重要的环境和经济意义。首先，这些填料能够显著提升沥青玛蹄脂的性能，包括高温车辙抗性和疲劳性能，从而提高道路的使用寿命和安全性。其次，这些填料能够减少碳排放，提高资源可用性，并改善生态质量，这有助于实现可持续发展的目标。此外，这些填料的使用还能够降低材料成本，提高经济收益，这为道路建设提供了更具成本效益的解决方案。然而，尽管固体废弃物填料在沥青路面中的应用前景广阔，但仍存在一些挑战和问题。例如，不同类型的固体废弃物在物理和化学特性上存在差异，这可能导致其在沥青混合料中的表现不一致。此外，固体废弃物填料的回收利用需要满足一定的技术要求，包括粒径控制、表面处理和混合均匀性等，这可能增加生产成本和工艺复杂性。因此，未来的研究需要进一步探索如何优化固体废弃物填料的性能，以确保其在沥青路面中的稳定性和可靠性。

本研究的成果不仅为固体废弃物填料在沥青路面中的应用提供了科学依据，还为相关技术的推广和应用提供了指导。通过结合分子动力学模拟和实验测试的方法，我们能够更全面地理解固体废弃物填料在沥青玛蹄脂中的性能表现及其背后的原子尺度机制。这些研究成果有助于推动固体废弃物的资源化利用，提高沥青路面的可持续性，并为绿色道路建设提供技术支持。此外，本研究还强调了在路面工程中采用综合评估体系的重要性，以确保固体废弃物填料的使用能够实现环境和经济的双重效益。通过LCA方法，我们能够量化固体废弃物填料在沥青路面中的环境影响，为相关政策和标准的制定提供参考。因此，未来的研究应进一步关注如何优化固体废弃物填料的性能，提高其在沥青路面中的应用效果，并探索更高效的回收利用技术，以实现更广泛的环境和经济效益。

本研究的实施得到了国家自然科学基金和黑龙江省自然科学基金研究团队项目的资助，为研究提供了必要的资源和支持。研究团队由多位专家和学者组成，他们在材料科学、环境工程和化学工程等领域具有丰富的研究经验。通过团队的共同努力，我们能够系统地评估固体废弃物填料在沥青路面中的性能表现，并揭示其背后的科学机制。此外，研究团队还对实验数据进行了深入分析，确保研究结果的准确性和可靠性。这些研究成果不仅为固体废弃物填料在沥青路面中的应用提供了科学依据，还为相关技术的推广和应用提供了指导。通过本研究的实施，我们希望能够推动固体废弃物的资源化利用，提高沥青路面的可持续性，并为绿色道路建设提供技术支持。此外，研究团队还希望通过本研究的成果，促进更多关于固体废弃物填料在沥青路面中的应用研究，为相关领域的可持续发展贡献力量。