《Journal of Cleaner Production》：Upcycled diatomite and red mud as bitumen modifiers and multi–functional fillers for durable, eco–efficient asphalt pavements: A critical review
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硅藻土与赤泥协同作为多功能填料在可持续道路建设中的潜力评估，整合材料性能、废物资源化及循环经济原则，分析其技术优势（抗老化、抗车辙）与环境效益（CO?减排5-15%，支持SDGs 6/9/12），同时指出低温脆性、重金属渗滤等挑战，提出混合填料设计、长期性能验证及污染物防控等未来研究方向。
作者：Mthokozisi Hillary Ncube、Hui Li、Saad Khan、Haopeng Zhang、Xudong Zhao、Tinashe Nedi、Xukun Huang
中国同济大学交通学院道路与交通工程教育部重点实验室，上海市曹安路4800号，201804
摘要
尽管已有大量关于硅藻土和红泥作为单独沥青改性剂的研宄，但尚未有全面综述评估它们作为多功能填充剂在可持续路面中的协同潜力，这些填充剂结合了技术性能、废物利用和循环经济原则。这一空白阻碍了人们对这些材料如何优化路面性能并促进可持续性的全面理解。因此，本综述探讨了硅藻土和红泥的物理化学性质、制备方法及其环境效益，以符合联合国可持续发展目标（SDGs）。硅藻土可以提高路面耐久性，并帮助去除超过90%的雨水中的悬浮固体，从而支持SDG 6（清洁水和卫生）和SDG 11（可持续城市和社区）。红泥是铝土矿加工的副产品，通过减少不可恢复的蠕变性能来改善流变特性，有助于实现SDG 9（工业、创新和基础设施）；不过其高碱性需要相应的浸出管理措施。生命周期评估显示，使用这些材料可减少5-15%的二氧化碳排放，并降低对原始材料的依赖，从而推进SDG 12（负责任的消费和生产）。然而，硅藻土在低温下容易脆化，而红泥的耐湿性较差。基于这些发现，本综述指出了未来研究的方向，包括混合填充剂设计、长期验证以及污染物减排，并提出了一个循环经济框架，以打造更清洁、更高效的道路基础设施。
引言
由于城市化进程加快、资源短缺以及严格的气候政策，全球建筑行业面临着越来越大的采用可持续实践的压力（Li等人，2024年；联合国，2015年）。特别是道路建设，它高度依赖石油基粘合剂和原始骨料，导致不可再生资源的消耗和温室气体排放，这些排放约占全球二氧化碳总量的40%（Aryan等人，2023年；Butt等人，2015年；Harvey等人，2015年）。虽然之前的研究探索了石灰石等传统沥青填充剂的应用，但其功能主要限于提升机械性能，而忽视了关键的环境可持续性问题。这种狭隘的关注点未能解决对环保型路面解决方案的日益增长的需求，这些解决方案应促进循环经济、提高耐久性并缓解城市雨水问题。
硅藻土是一种富含二氧化硅的岩石，具有高表面积和稳定性，能够增强粘合剂与填充剂之间的相互作用、污染物吸附能力以及抗老化和抗车辙性能，尤其是在用于城市雨水管理的透水路面中（H. Liu等人，2021年；Liu等人，2021b年；Tan等人，2023年；Wang等人，2021年）。同样，红泥作为铝土矿精炼的碱性副产品，可以改善沥青的刚度和高温性能，尽管存在湿度敏感性和重金属渗出等挑战，以及轮胎磨损颗粒转化为有毒的6PPD-醌等新兴污染物的问题（Jayaneththi等人，2024年；Lima和Thives，2020年；美国环保署，2024年；Yao等人，2020年；H. Zhang等人，2018年；J. Zhang等人，2018年；Zhang等人，2021年）。此外，最近的研究还强调了替代材料在道路建设中的环境效益。传统路面材料的环境负担主要发生在生产阶段，Ji等人（2025年）将其称为“关键排放热点”。他们的研究表明，与传统的生产方法相比，采用创新的替代材料技术（特别是那些利用工业副产品的材料）可大幅减少46.9%的二氧化碳排放（Ji等人，2025年）。这一发现凸显了在道路建设中转向低碳替代品的紧迫性，尤其是在全球基础设施需求不断增长的情况下。硅藻土和红泥有助于打造更耐用、更环保的路面，减少环境影响，并可作为沥青改性剂和多功能填充剂。硅藻土能提高耐湿性，而红泥的碱性则有助于减缓氧化老化过程，类似于生物炭的效果（Yao等人，2020年；H. Zhang等人，2018年）。像RAP、碎橡胶和生物炭这样的可持续材料具有双重环境和性能优势（Hasheminezhad等人，2024年）。本研究的发现表明，将这些材料与硅藻土和红泥等新型添加剂协同使用，可以显著降低成本、改善路面性能并大幅减少废物。然而，它们的长期可行性需要通过机器学习模型进行预测，并通过现场研究和生命周期分析进行验证，以确保大规模的可持续实施。
中国第十四个五年计划和联合国可持续发展目标等全球可持续发展倡议进一步强调了采用多功能填充剂的紧迫性（Li等人，2024年；联合国，2015年）。尽管已有大量关于硅藻土和红泥作为单独沥青改性剂的研究，但它们作为多功能路面增强剂的联合应用尚未得到全面评估。本综述系统地总结了目前关于硅藻土和红泥作为可持续沥青改性剂的认知，探讨了它们的材料性质、改性方法和性能提升，包括红泥的优异高温性能和硅藻土的污染物过滤效果（Li等人，2021年；Yao等人，2020年）。通过生命周期评估，这些材料显示出5-15%的二氧化碳减排和雨水中的固体、重金属（铜、锌、铁）及营养物质（总磷、总氮）净化效果，同时还带来了经济优势，如废物利用和延长路面使用寿命（Li等人，2021年；Liu等人，2021b年，2022年）。尽管取得了这些进展，但在混合填充剂的协同效应、长期现场性能、红泥的浸出动态、机器学习模型在材料优化中的应用，以及与新兴污染物（特别是在橡胶化沥青中的相互作用）方面仍存在空白（Jiang等人，2024年；H. Li等人，2023年；Lokesh等人，2023年）。
为解决这些空白，本文的结构如下：第2节探讨了硅藻土和红泥在沥青改性中的物理化学性质；第3节回顾了沥青混合料的制备方法和加工参数；第4节评估了多个流变和机械性能领域的表现；第5节通过生命周期分析和循环经济框架评估了可持续性；第6节确定了研究重点，并提出了将这些材料整合到下一代路面系统中的路线图。虽然之前的研究已经单独探讨了硅藻土或红泥（例如Mukiza等人，2019年；Yang等人，2018年；Zhang等人，2021年），但它们在多功能路面设计中的相对效果和潜在协同作用尚未得到深入评估。本综述通过将这些分散的研究结果整合到一个统一的性能-可持续性框架中，为混合填充剂的发展提供了可行的见解。最后，该研究展示了道路工程领域的范式转变——通过循环经济原则将废弃物转化为有价值的资源。研究结果提供了：（1）更清洁的沥青生产策略；（2）与全球脱碳目标相一致的可持续基础设施政策的基于证据的建议。
硅藻土的化学性质
硅藻土是一种含硅的沉积岩，具有多种独特的化学性质，使其区别于传统的粘土和沙子（Zuluaga-Astudillo等人，2022年）。硅藻土主要由二氧化硅（SiO2）组成，其含量通常超过85%，这赋予了它独特的化学性质和广泛的工业应用（Ghobara等人，2019年）。硅藻土的高二氧化硅含量使其具有化学惰性，从而增强了其在酸性和碱性环境中的耐受性
填充剂-沥青混合物的设计与制备
填充剂在不同粘合剂系统中的加入方式因填充剂的类型、特性和所需性能目标而异。在改性的粘合剂系统中，硅藻土和红泥等填充剂与聚合物、橡胶或生物添加剂一起加入沥青中，以增强粘合剂的弹性和柔韧性（Davar等人，2017年；Tan等人，2023年）。相比之下，mastic粘合剂系统则是将沥青与填充剂混合，如图10所示
低温性能特性
在寒冷气候下，沥青路面的低温性能至关重要，因为温度波动会导致热裂纹，从而降低耐久性并增加维护成本（Ma等人，2024年）。在低温下，沥青粘合剂会收缩，不足的柔韧性可能导致脆性断裂（Zhao等人，2020年）。AASHTO T 313 BBR测试通过刚度模量（S）和蠕变率（m值）来评估这种行为，其中较高的S值表明裂纹风险增加
资源节约与循环经济
硅藻土和红泥是丰富的材料示例，可以减少对有限且成本较高的原始资源的依赖。将硅藻土加入沥青混合物中可以减少对石灰石等传统填充剂的需求，保护自然资源并减少采石活动对环境的影响。同样，红泥作为氧化铝生产的副产品，全球年产量超过1.77亿吨
挑战与影响
将硅藻土和红泥整合到沥青路面中为可持续基础设施提供了有前景的途径，但仍有几个关键挑战需要解决才能充分发挥它们的潜力。当前的局限性包括材料不一致性、性能权衡、环境风险和技术差距以及政策障碍，每个问题都需要有针对性的研究来推动大规模应用。例如，虽然硅藻土能增强抗老化性能，红泥能改善抗车辙性能
结论
本综述全面评估了硅藻土和红泥作为可持续改性剂和填充剂在沥青路面中的潜力，评估了它们的技术性能、环境效益和实施挑战。研究结果强调了它们作为性能增强剂和废物利用剂的双重作用，这与循环经济原则和全球可持续发展目标一致。
CRediT作者贡献声明
Mthokozisi Hillary Ncube：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、验证、方法论设计、调查、数据分析、概念化。Hui Li：撰写——审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、方法论设计、概念化。Saad Khan：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、验证、方法论设计、调查。Haopeng Zhang：撰写——审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理。Xudong Zhao：
伦理批准
由于本研究是一篇综述论文，因此不需要伦理批准。
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢以下机构的财政支持：中国国家重点研发计划（项目编号：2023YFE0121400）、中国交通建设集团有限公司科技创新项目（项目编号：2021KJW02）、河南交通投资集团有限公司研发计划（项目编号：HNJT2025-1-9）以及宁夏科技厅重点研发计划（项目编号：2022BEG02008）。
