综述：道路工程中钢渣集料改性：关键技术、性能提升与可持续前景

《Coatings》：Modification of Steel Slag Aggregate in Road Engineering: Key Technologies, Performance Enhancements, and Sustainable Prospects

　　

天然集料需求增长与钢渣持续堆存推动了钢渣集料（SSA）在道路工程中的应用研究，但游离氧化钙（f-CaO）与游离氧化镁（f-MgO）的延迟水化、多孔粗糙表面及潜在有害元素释放限制了其长期应用。研究人员从原料异质性与缺陷导向视角，系统对比了陈化处理、表面改性、直接碳化、微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）及复合处理技术。结果表明，各类技术的有效性具有显著条件依赖性：陈化处理可控制体积膨胀，但反应深度与处理均匀性仍受限；表面改性可降低吸水率并改善界面性能，却无法消除内部膨胀相；直接碳化与MICP可稳定活性相、细化孔结构并降低部分元素迁移性，但分别受限于传质与设备要求、矿化均匀性及铵副产物管理；复合处理虽可协同解决多重缺陷，却增加了工艺复杂度、资源消耗与质量控制难度。由于各研究间材料属性与评价方法差异较大，所报道的性能增益不宜直接用于技术排序，技术选择应遵循“原料特性–主导缺陷–优选技术–工程边界”框架。从全生命周期视角看，可持续性取决于资源环境效益与额外处理负担的平衡。近期工程应用应结合原料分类、过程监控、长期耐久性与动态浸出验证，并逐步将关键性能与环境指标纳入道路材料规范与工程验收体系。

1. 引言

全球工业化与城镇化推进导致交通、建筑及市政工程对天然集料的需求持续上升，同时作为最大粗钢生产国，中国钢渣产量巨大且综合利用率偏低，累计堆存量已超11亿吨，资源与环境压力突出。钢渣经破碎筛分后可制备钢渣集料（SSA），其高硬度、耐磨性及颗粒棱角性可为路面材料提供优异的骨架承载、嵌挤与抗滑性能，但f-CaO与f-MgO的缓慢水化可能引发体积膨胀，多孔粗糙表面会增加吸水率与胶结料用量并削弱界面水稳定性，Cr、V、Ni、Cd等微量元素在特定赋存状态与长期环境作用下存在迁移风险。现有改性技术主要包括陈化处理、表面改性、直接碳化与微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）。陈化处理通过促进活性钙镁组分提前水化控制膨胀，工艺成熟但受限于反应深度与均匀性；表面改性借助活性反应、孔隙填充、疏水成膜或界面桥接改善表面性能，但难以消除内部膨胀源；直接碳化将活性钙镁矿物转化为稳定碳酸盐，兼具CO₂矿化封存潜力，却受传质条件、设备投入与资源消耗制约；MICP在温和条件下诱导碳酸盐沉积，可实现活性相稳定与孔隙修复，但仍面临矿化均匀性、副产物管理、成本与长期耐久性挑战。复合处理可发挥技术互补优势，但会提升工艺复杂度与质量控制难度。现有综述多聚焦单一技术或特定问题，缺乏基于原料异质性与主导缺陷的多技术系统比较。本综述从原料异质性与缺陷导向出发，阐明SSA特性、主导缺陷与改性机制的关联，对比各类技术的适用条件、性能证据与工程边界，提出匹配不同原料与缺陷的技术选型框架，并从长期服役与生命周期视角探讨性能提升与额外资源环境负担的权衡，明确工艺控制、耐久性评估与规模化应用的关键研究方向。

2. 文献检索与筛选方法

研究人员以Web of Science核心合集为主要数据源，检索式为TS = ((steel slag* OR steel slag aggregate* OR slag aggregate) AND (road OR pavement* OR highway* OR asphalt* OR infrastructure* OR “civil engineering”) AND (stabiliz* OR modification* OR treatment* OR aging* OR surface* OR carbonat* OR MICP OR combined* OR synergistic*))，检索时限为2008年1月至2026年6月，仅纳入英文研究论文与综述。经去重后获得886篇文献，通过标题与摘要初筛保留187篇，再经全文评估排除73篇不相关研究或数据缺失文献，最终纳入114项研究作为定性合成的核心证据基础，辅以少量文献用于方法学描述与机制背景补充。

3. 钢渣集料的来源、性能与固有缺陷

3.1 钢渣的分类与来源

按生产工艺，钢渣主要分为转炉渣（BOFS）、电弧炉渣（EAFS）与钢包渣（LFS）。BOFS产生于铁水转炉初炼阶段，约占钢渣总量的80%，具有高CaO、高铁氧化物与硅酸盐矿物含量，结构致密且孔隙发育，含较多f-CaO与f-MgO；EAFS以废钢为原料经电弧炉熔炼产生，碱度较低，RO相（FeO、MgO、MnO、CaO形成的固溶体）比例较高，成分受原料来源与工艺波动影响显著；LFS形成于钢包二次精炼阶段，为脱硫脱氧通常添加大量石灰与铝系造渣剂，故具有高CaO、高Al₂O₃与低铁氧化物特征，胶凝活性强但冷却后易粉化，颗粒形态稳定性弱于前两类。三类钢渣化学组成相似，但组分含量与矿物结构的差异决定了其物理力学与颗粒特性的分化。

3.2 钢渣集料的基本力学性能

SSA具备高硬度、抗破碎与耐磨性能，压碎值通常为12%–16%，低于石灰岩并接近玄武岩与花岗岩，表观相对密度达3.1–3.5，高于常用石灰岩与玄武岩，利于形成稳定集料骨架。洛杉矶磨耗值多为11%–26%，优于石灰岩且接近优质玄武岩。破碎后SSA棱角尖锐、表面纹理粗糙，颗粒间嵌挤作用与路面抗滑性能较花岗岩、石灰岩提升30%–50%，但工程适用性仍受活性组分迁移、多孔粗糙表面及风险元素的制约。

3.3 材料特性与性能缺陷的内在关联

f-CaO与f-MgO是影响SSA体积稳定性的主要活性物质，水化生成Ca(OH)₂与Mg(OH)₂时摩尔体积分别增大约98%与148%，前者主要影响早期稳定性，后者则可能导致长期服役中的持续膨胀，引发集料开裂、界面脱粘及路面拱胀或基层松散。冷却过程中形成的孔隙、裂纹与凹坑赋予SSA高比表面积与吸附能力，虽有利于机械嵌挤与初始界面粘附，但开放孔隙会吸附水分与沥青轻质组分，导致有效沥青膜减薄并增加沥青用量；在水泥稳定材料中还会干扰胶凝反应，冻融循环进一步加剧孔隙扩展与界面劣化。Cr、V、Ni、Cd等微量元素主要赋存于硅酸盐、氧化物等矿物相中，其迁移释放受价态、赋存形态与环境条件调控，在酸性淋滤、盐湿环境或路面结构破损条件下可能溶出可移动离子，增加水土污染风险。上述特性、过程与缺陷的对应关系构成了靶向改性技术的选择依据。

4. 钢渣集料的主要改性技术

4.1 陈化处理

陈化处理通过在温湿度适宜条件下储存SSA，促使f-CaO与f-MgO在工程应用前完成水化。按介质与温压条件分为自然陈化、水热陈化、常压蒸汽陈化与高压蒸汽陈化。自然陈化依赖降水、空气湿度与大气CO₂，周期长；水热与蒸汽陈化通过加热与饱和蒸汽加速反应，可将周期缩短至数天或数小时，但料堆过厚易导致水化不均。研究表明，自然陈化12个月后f-CaO与f-MgO含量分别降低57.89%与24.32%，但在162°C、0.6 MPa饱和蒸汽下仅需3小时即可完成反应。陈化同时改变SSA孔结构与力学性能：90°C水热陈化2天使压碎值、磨耗值与吸水率分别降低13.85%、15.89%与3.83%，但自然陈化12个月却使压碎值与磨耗值略有上升，反映孔隙填充与颗粒局部劣化的并存。陈化还改变元素浸出机制，前期因f-CaO与水化硅酸钙溶解可能释放较多Ca、Si、V，随表面水化硅酸钙层与CaCO₃沉积转为扩散控制，V的长期释放率可降低一个数量级，但颗粒破碎会重新暴露内部活性相。陈化技术成熟、操作简单，自然陈化设备投资低，强化陈化可提升效率，但反应深度与均匀性不足，粗颗粒内部仍残留未反应的活性相，且可能削弱SSA与沥青的界面粘附——水化后SSA与沥青的粘附功降低2.0%，剥离功增加33.5%。因此陈化效果需结合颗粒物理性质、界面水稳定性与元素浸出指标综合评判。

4.2 表面改性

表面改性按材料与机理分为无机、有机与复合改性。无机改性采用硅灰、粉煤灰、矿渣粉或水泥浆等，通过微填充与火山灰反应在SSA表面形成致密保护层，阻断f-CaO等膨胀组分与水分接触；有机改性包括有机酸（乙酸、草酸、柠檬酸等）处理与树脂（聚氨酯、有机硅树脂、环氧材料等）涂覆，前者通过形成稳定盐类消解表面活性膨胀源，后者通过成膜与疏水作用封闭孔隙、降低吸水率与水分敏感性；复合改性结合无机活性材料、有机酸、树脂或偶联剂实现多机制协同，如硅灰与柠檬酸钠体系中，柠檬酸根促进f-CaO水化与金属离子吸附，水化产物Ca(OH)₂部分被消耗生成柠檬酸钙沉淀，其余与活性SiO₂反应生成水化硅酸钙（C-S-H）凝胶，纳米SiO₂连接凝胶在SSA表面形成致密层状结构。代表性改性效果显示，矿物细掺料对体积稳定性的综合改善效果更优；草酸处理可使SSA表面CaO衍射峰消失，生成草酸钙与Ca(OH)₂沉积填充孔隙，提升体积稳定性、耐磨性与抗碎裂性；树脂涂覆与复合改性可有效降低吸水率与胶结料需求，改善混合料界面与水稳定性，硅氧烷涂层可减少Cd、Cr等元素浸出。但无机改性疏水能力有限，过量填充可能削弱表面粗糙度与嵌挤作用；有机酸处理对浓度与时间敏感，消解活性组分的同时可能扩大表面孔隙，且酸性废液需中和处理；树脂涂层过厚会覆盖原始粗糙纹理，降低沥青-集料粘附等级。表面改性作用深度有限，无法消除颗粒内部残留的f-CaO与f-MgO，改性层在长期荷载、冻融与高温施工下的完整性仍需系统验证，故更适用于解决高吸水率、高胶结料吸附与界面水稳定性不足等表面问题。

4.3 直接碳化

加速碳化分为直接碳化与间接碳化，前者保留集料颗粒形态，更符合道路SSA稳定化需求。按体系含水率，直接碳化分为干法碳化（含水率<0.2）与湿法碳化（含水率>0.2）。干法碳化为气-固两相反应，CO₂扩散进入SSA内部与f-CaO、f-MgO、Ca(OH)₂、Mg(OH)₂、C₂S、C₃S反应生成稳定碳酸盐；湿法碳化以水为介质，CO₂溶解形成H₂CO₃、HCO₃^-、CO₃^2-，促进钙镁相溶解并在溶液中沉淀碳酸盐。直接碳化通过稳定活性矿物与重构孔结构改善SSA体积稳定性与吸水性能，并改变元素浸出行为。常温常压下碳化8小时可使钢渣细集料f-CaO含量从3.17%降至0.93%，但CO₂扩散限制导致粗集料内部反应不足；加压水热碳化（1.0 MPa CO₂，180°C，3小时）可使f-CaO近完全消耗，压蒸粉化率降低56.24%，碳化产物CaCO₃填充表面孔隙，连通孔隙封闭率超90%，吸水率从1.91%降至1.08%，沥青混凝土残留稳定度与冻融劈裂强度比分别达91.3%与91.0%，同时为水泥水化提供成核位点，使水泥稳定材料28天抗压强度提升37%。碳化还可降低Ni、Pb等金属迁移性，但pH下降与矿物相变可能增加V释放风险。干法碳化工艺简单、耗水少，但受CO₂扩散与产物层钝化限制；湿法碳化反应速率高，但需固液分离、清洗干燥与废水处理，水耗与后处理负担大；加压水热碳化可提升粗集料碳化深度，但设备投资与能耗高。干湿循环碳化法兼顾低水耗与高反应效率，常温常压下CO₂吸收量较纯干法提升114.8%，压蒸粉化率<5.9%，水耗降低50%以上，但补水系统与批量处理均匀性仍需中试验证。

4.4 微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）改性

MICP改性核心在于微生物代谢与碳酸钙沉淀的协同：产脲酶微生物（如巴氏芽孢杆菌）催化尿素水解提升局部pH，碳酸酐酶加速CO₂水合生成HCO₃^-，在碱性条件下与SSA释放的Ca²⁺、Mg²⁺沉淀为碳酸盐，填充孔隙并稳定活性相。MICP效果受菌株类型、脲酶活性、反应物浓度、温度、pH与处理时间影响。优化条件下（菌液投加量为SSA质量的60%，尿素浓度2 mol/L，20±2°C反应72小时）可使f-CaO含量降至2.98%；多菌种协同体系（巴氏芽孢杆菌:酵母:碳酸酐酶菌=5:2:3）可进一步降至1.85%。真空浸渍工艺促进反应液进入连通孔隙，使细集料吸水率降低62.7%，粗集料压碎值降低75.5%。MICP生成的碳酸盐可通过吸附、共沉淀与晶格取代降低重金属迁移性，处理后钢渣砂各元素浸出率<0.5%。MICP反应条件温和，可利用工农业副产品降低培养成本，但尿素水解产生的NH₄⁺副产物需配套冲洗与废水处理。SSA高碱环境可能抑制微生物活性，温度波动影响矿化均匀性，碳酸盐易在颗粒表面或孔口优先沉淀阻碍反应物向内传输，导致“外密内疏”的非均匀改性。酸性环境、干湿循环、冻融与交通荷载可能引起矿化层开裂剥落，高温拌和与压实过程对矿物化层完整性的影响及长期水稳定性仍需验证，目前该技术仍处于实验室与小试阶段。

4.5 复合处理

复合处理通过技术组合拓宽缺陷覆盖范围。典型方案包括“直接碳化+硅烷偶联剂”：碳化稳定内部活性相，硅烷在碳化产物表面形成疏水桥接层，使SSA吸水率从1.85%降至1.61%，沥青-集料拉拔破坏模式由界面粘附失效转变为内聚失效；“沸水预处理+MICP”：沸水促进f-CaO与f-MgO水化并释放Ca²⁺、Mg²⁺，为后续微生物矿化提供反应物，复合处理后f-CaO与f-MgO含量分别降至0.16%与0.12%；“MICP+湿法碳化”：嗜碱芽孢杆菌产生的碳酸酐酶促进CO₂溶解与碳酸盐成核，碳化增重较常规湿法碳化提高57%–236%，10天水浸膨胀率限制在1.74%。SEM观察显示，微生物协同碳化后SSA表面疏松结构与开放孔隙被矿化沉积物填充覆盖，整体结构趋于致密。复合处理虽可实现多缺陷协同改善，但增加的工艺步骤会提升资源投入、过程交互作用与质量控制难度，其综合效益未必优于单一技术。

5. 讨论

5.1 钢渣集料改性技术的多维比较

各类技术在缺陷覆盖范围、效果均匀性与工程投入上存在显著差异：陈化处理利于体积稳定性控制，粗颗粒内部反应不足；表面改性针对吸水率与界面调控，但无法消除内部膨胀源；直接碳化与MICP具备活性相稳定、孔隙修复与环境风险控制的多目标潜力，但受传质与反应均匀性限制，前者还需应对设备与能耗约束，后者面临生物活性与副产物管理挑战；复合处理可协同改善多重缺陷，但工艺复杂度与质量控制要求更高。现有研究的定量结果仅代表特定实验条件下的性能变化幅度，因原料类型、粒径、初始活性相含量、处理条件与评价方法的差异，不宜直接用于技术优劣排序，应结合缺陷诊断与技术匹配框架进行选择。

5.2 基于原料异质性的靶向改性与工程适用性

改性技术选择需综合原料特性与主导缺陷：体积稳定性不足时，依据f-CaO/f-MgO含量、膨胀率与颗粒完整性，在陈化、直接碳化与MICP中权衡——陈化适于处理周期充足的场景，直接碳化兼顾活性相稳定与孔隙控制但受CO₂源与设备限制，MICP适于可控制反应液输送与副产物处置的小规模场景；高吸水率或界面水稳定性不足时，采用无机填充、树脂涂覆或偶联剂处理，若内部仍存在显著膨胀风险，需优先稳定内部活性相再行表面控制；高风险元素浸出场景，根据目标元素赋存形态与环境响应选择直接碳化、MICP或表面涂覆，需注意碳化可能降低Ni、Pb迁移性但增加V释放风险，环境安全性需结合长期服役条件与动态浸出行为评估；多缺陷共存时可考虑复合处理，但需同步评估工艺顺序、兼容性、反应均匀性与新增成本。

5.3 全生命周期视角的环境可持续性与权衡

SSA道路利用可减少天然集料开采与钢渣堆存，但其环境效益受运输距离、改性剂投入、能耗水耗、污染控制与服役寿命的综合影响，需以等效路用性能与设计服役寿命为基础评价。经济层面，自然陈化直接处理成本低，表面改性增加材料与工艺投入，生命周期评估显示硅树脂改性SSA方案较辉绿岩方案可降低能耗2.92×10⁴ MJ与CO₂当量2.4×10³ kg，但加压碳化方案的原材料获取与施工阶段碳排放较玄武岩方案高10%，MICP的菌液培养、尿素消耗与废水处理也会带来新增负荷。复合处理的工艺与材料增量可能抵消部分性能提升收益。当前评估多聚焦于原材料获取、改性施工阶段，对养护维修、改性效果衰减、长期重金属迁移与报废阶段的考量不足，功能单元与能源结构假设也不统一，尚无法对各技术全生命周期环境效益绝对排序。只有当资源替代、堆存规避、胶结料节约、CO₂封存与寿命延长的综合效益能够抵消改性过程的新增负担时，SSA改性才具备实质可持续性。

5.4 研究不足与未来方向

未来研究应聚焦：（1）原料异质性、缺陷诊断与靶向设计：建立多源SSA数据库，开发涵盖体积失稳、高吸水、界面水损害与元素浸出的缺陷诊断方法，构建“原料特性–主导缺陷–改性机制–工艺参数–目标性能”靶向设计框架；（2）多尺度改性机制与过程控制：利用X射线CT、原子力显微镜、透射电镜与原位表征技术揭示反应前沿推进、产物层形成与孔隙连通性演化规律，建立“反应–传质–损伤”模型指导工艺优化；（3）绿色低碳复合改性及工艺协同：开发陈化-MICP、碳化-表面改性、无机填充-有机涂覆等复合体系，探索生物基改性剂与工业固废衍生改性剂，解析工艺间的协同与拮抗效应；（4）长期服役性能、环境安全与寿命预测：开展多因素耦合加速老化与长期野外暴露试验，建立改性效果衰减、失效阈值与服务寿命预测方法，将环境安全评估从短期批次浸出拓展至动态浸出与损伤条件下的元素迁移；（5）低碳工程应用、质量控制与标准化：研发适配钢渣破碎、筛分、储存、拌和、施工流程的连续处理系统，建立原材料检测、过程监控、产品验收与质量追溯体系，将生命周期评估与成本分析纳入决策，推动关键性能与环境指标纳入道路材料规范与验收标准。最终通过原料识别、工艺控制、性能评价与标准化的全链条整合，推动改性SSA成为稳定、低影响、可规模化的道路材料，支撑大宗固废利用与道路工程低碳转型。

6. 结论

SSA的工程适用性由内部活性相、孔结构、界面特性及潜在有害元素赋存形态共同决定，这些性质随钢渣来源、冶炼冷却工艺与初始陈化程度显著波动，不存在普适最优改性技术，需以原料表征与主导缺陷识别为前提指导技术选型。各类改性技术的提升效果具有显著条件依赖性：陈化与表面改性分别侧重活性组分消解与表面孔隙界面控制；直接碳化与MICP具备多目标改善潜力但受传质与反应均匀性制约；复合处理可拓宽缺陷覆盖范围但增加工艺集成复杂度与资源投入。鉴于现有研究材料条件与评价方法差异较大，所报道的性能增益不宜直接用于技术排序，应遵循“原料特性–主导缺陷–优选技术–工程边界”框架进行方案比选。SSA改性的可持续性取决于资源环境效益与改性过程新增负担的净平衡，全生命周期评估需基于等效路用性能与设计服役寿命，而非单纯依据固废替代率或碳封存量判定。近期工程应用需着力解决原料波动、批量处理均匀性、长期耐久性与动态浸出证据不足及标准缺失等问题，建立原料分类、过程监控、质量追溯与示范验证体系，逐步将关键性能与环境指标纳入道路材料规范与验收标准，协同绿色采购、固废资源属性认定与碳减排核算，推动SSA改性技术与碳中和及固废管理目标的衔接。