基于性能、环境和经济标准的热轧厂污泥改性微表处自愈性能评估

《Construction and Building Materials》：Self-healing evaluation in microsurfacing modified with Hot Rolling Mill Sludge based on performance, environmental, and economic criteria

　　

# 摘要

沥青路面维护与修复的最优策略需要在技术性能、经济效率和可持续性之间取得平衡。尽管保护性沥青稀浆封层有助于实现这些目标，但路面耐久性常常受到环境因素和交通荷载引起的机械应力所导致的裂缝的限制。本研究探讨了使用热轧厂泥渣（HRMS）替代天然硅质集料填料（NSAF）的可行性，旨在同时改善混合料性能并通过感应加热实现具有感应功能的自修复。首先进行了傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析，以研究HRMS掺入混合料所带来的化学变化。随后评估了比重大小和感应加热分布情况，并通过在带缺口的圆盘弯曲试件（ENDB）上进行三点弯曲试验，评估了干燥条件和冻融（F-T）条件下的愈合效率。湿磨耗抗力通过湿磨耗试验（WTAT）进行了评估。此外，使用荷载轮试验（LWT）模拟了疲劳行为，随后在单边缺口梁试件（SENB）上进行了五个加载循环的三点弯曲试验进行评估。同时使用摆式摩擦系数（BPN）和构造深度（TD）测量值评估了抗滑性能。该评估在具有与疲劳试验相似配置的试件上进行，并在相同的加载-愈合序列条件下完成。通过三个连续循环进行了生命周期评价（LCA）和生命周期成本分析（LCCA）。FTIR分析为铁基结构域以及沥青基体中脂肪族和含氧官能团的光谱变化提供了补充性的、半定量和间接的证据。HRMS含量越高，自修复过程中感应加热效率越高，混合料密实度越高，空隙率降低幅度可达59.74%。较薄的厚度和更大的压实度进一步提高了感应加热效率。随着自修复循环次数的增加，混合料的空隙率逐渐下降，作为愈合的间接指标，这与较高的HRMS掺量相对应，降低幅度可达59.74%。尽管经过连续的轮载加载-感应愈合循环后BPN和TD逐渐下降，但改性混合料在抗滑力保持、机械耐久性和愈合能力之间保持了良好的平衡，其中HRMS-2表现出最佳的整体性能。LCA和LCCA显示能耗（0.117%）和温室气体排放（1.91%）仅有微小增加，HRMS-3的成本增加了157%，而对照组的成本增加了300%。总体而言，基于HRMS的感应愈合有效延长了稀浆封层的使用寿命，同时增强了环境和经济可持续性。

# 引言

沥青路面不断受到各种因素的影响而发生性能退化，这些因素包括施工质量[1]、交通荷载[2]和环境条件[3]、[4]、[5]、[6]。这些因素会导致路面在使用寿命期内形成微裂缝，并逐渐发展为更大的裂缝[7]、[8]，从而降低路面的使用寿命和交通安全性[9]、[10]。在这方面，解决早期微裂缝的形成可以降低维护成本并延长路面寿命[11]。超薄耐磨层、稀浆封层和碎石封层是裂缝封堵的传统经济有效的预防性维护方法。相比之下，凿除和加铺等方法成本更高，且层间可能存在粘结问题。然而，每种方法都有其自身的优势和局限性[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。

如今，由于经济和人口的快速增长所带来的环境污染、温室气体排放和全球能源资源枯竭已成为全球面临的重大挑战[17]、[18]、[19]。对沥青路面维护需求的增加以及相关自然资源的消耗促使研究人员转向采用可持续路面技术[20]、[21]、[22]。在此背景下，自修复沥青混合料受到了越来越多的关注[23]、[24]。一般而言，该方法可以减少维护需求、资源消耗和温室气体排放[25]，同时增强道路安全、减少交通中断并降低路面的全生命周期成本[26]、[27]、[28]。

沥青混合料中的自修复主要归因于沥青结合料具有温度依赖的粘弹性行为。因此，它使结合料能够在较高温度下流入微裂缝中，封堵裂缝，从而恢复机械完整性并延长使用寿命[29]。愈合效率是结合料粘度[30]、化学成分[31]、集料类型[32]、混合料压实度[33]和路面老化程度[34]等因素的函数。尽管Wan等人报告沥青具有固有的裂缝愈合能力[35]，但Qiu指出在常温条件下该过程可能需要数周时间[36]。由于沥青路面中引起裂缝的因素（例如交通荷载）无法长时间停止，因此人们开发了人工技术，如电磁波技术和再生剂胶囊[37]、[38]。在电磁方法中，微波加热和感应加热已成为加速自修复过程的热门研究课题[39]。

在主要的自修复方法（即感应加热、微波加热和再生剂胶囊）[40]、[41]中，感应加热在避免微波辐射带来的环境隐患和实现反复愈合循环方面具有优于胶囊系统的优势[21]、[42]、[43]、[44]、[45]。然而，根据法拉第定律，电磁场强度随着感应线圈与路面表面之间距离的增加而减弱[46]、[47]。相应地，Liu等人报告随着混合料厚度的增加，感应加热的穿透深度减小，导致自修复效率降低[48]。要在较厚的层中达到更高温度，需要增加施加的功率或感应加热的持续时间。根据Li等人的研究，这种施加功率的增加可能导致表面过度加热和表面沥青的老化加速[49]。考虑到这些局限性，在常规沥青层的全厚度范围内实现均匀的感应加热仍然具有挑战性，需要进一步研究。

尽管已有大量关于使用感应加热在沥青混合料中实现自修复的研究，但大多数研究集中于含有感应材料的常规沥青层，如沥青混合料（HMA）。在这方面，这些层的厚度可能会限制电磁波的穿透，产生温度梯度，从而降低愈合效率。此外，先前研究中所使用的感应材料可能由于强烈的局部感应加热而导致结合料老化，甚至周围沥青涂层的热降解。这些局限性凸显了研究薄保护性沥青层（特别是稀浆封层）自修复行为的重要性。在这方面，本研究旨在通过探讨开发通过感应加热激活的自修复稀浆封层混合料可行性来解决这一差距。与常规沥青层不同，稀浆封层是一种薄保护性维护层；因此，其热响应和愈合行为不能直接从先前的较厚沥青混合料研究中推断。由于其厚度有限，该层可以减少温度梯度，这可能会增强感应加热的效率，从而改善愈合性能。此外，热轧厂泥渣（HRMS）被评估为一种由工业废物衍生的新型双功能感应填料，用于赋予稀浆封层混合料感应能力。与常规感应材料不同，HRMS利用其高氧化铁含量与材料中存在的有机成分协同产生感应加热。理论上，这种有机成分可能充当再生剂，减轻局部结合料氧化。这是因为随着温度升高，粘度降低可能允许有机成分受控释放到微裂缝中，从而可能提供与热修复协同的再生效应。虽然与该过程相关的微观化学反应机理需要进一步的系统研究，但本研究通过使用HRMS作为感应填料来增强感应愈合效率，同时最大化环境和经济效益，从而填补了这一研究空白。此外，该研究旨在改善机械性能和重复自修复行为。该技术在稀浆封层混合料中实现了这种工业副产品的可持续再利用。为此，稀浆封层的自修复性能从抗低温开裂和冻融（F-T）损伤、湿态磨耗抗力以及交通荷载引起的疲劳方面进行了研究。

本研究主要探讨利用感应加热在HRMS改性稀浆封层中触发重复自修复的可行性。具体研究目标如下：

1. 分析HRMS含量与温度分布之间的关联，以最大化加热效率同时减轻结合料损伤。
2. 评估在多次感应加热事件后，在静态和交通模拟荷载下，特别是开裂、水分和磨耗抗力方面的机械性能恢复情况。
3. 考察与车辙和压实相关的疲劳行为，建立热干预前后混合料性能基线。
4. 通过综合环境（LCA）和经济（LCCA）框架确定自修复系统的整体可持续性。

## 材料

本研究中使用的沥青乳化液为CQS-1h型，由60/70针入度等级沥青制备。此外，按照基础沥青质量掺入了3%的苯乙烯-丁二烯橡胶（SBR）聚合物。沥青乳化液按照ASTM D2397标准，采用皂基预配批法制备[50]、[51]。采用硅质集料，随后根据集料重量掺入1%的消石灰和0.5%的二型波特兰水泥作为矿物填料。

## 热轧厂泥渣（HRMS）

## 傅里叶变换红外光谱

傅里叶变换红外光谱（FTIR）用于评估HRMS及含HRMS稀浆封层混合料在感应加热前后的化学特性。使用Thermo Scientific Nicolet iS50光谱仪在400–4000 cm?1波数范围内记录光谱，光谱分辨率为4 cm?1。该分析旨在检查HRMS中存在的氧化铁相的光谱贡献，并评估有机成分释放的潜力。

## 生命周期评价（LCA）和生命周期成本分析（LCCA）

本研究使用LCA和LCCA评估了HRMS改性自修复稀浆封层相较于传统稀浆封层在其使用寿命期间的环境（即能耗和温室气体排放）和经济影响。该方法有助于全面评估改进稀浆封层相较于传统选项的性能、可持续性和经济可行性。表4中所示的稀浆封层试件在此评估中进行了测试。

## FTIR分析

图7展示了基础组分和HRMS改性稀浆封层混合料在感应加热前后的FTIR光谱。这些光谱提供了关于混合料中与Fe-O、羰基和脂肪族烃类区域相关谱带存在的补充信息。400–650 cm?1范围内的吸收带与Fe-O振动一致，可能表明HRMS中存在含铁结构域。这些特征与解释相关。

## 优势与实际应用

本研究在受控的、实际模拟条件下对HRMS改性稀浆封层的机械性能和感应愈合能力进行了全面的实验室评估。这些发现与路面维护作业密切相关，其中HRMS的掺入可以通过将机械强化与感应自修复相结合，减少频繁修复的需要，从而延长路面使用寿命。然而，

## 未来工作

尽管本研究的结果证实了HRMS改性自修复稀浆封层的技术可行性和可持续性潜力，但其长期结构可靠性取决于混合料优化和感应愈合过程的效率。此外，层间机械行为和下方路面的状况也是控制该性能的其他因素。因此，未来研究应重点关注定量表征……之间的相互作用机理。

## 结论

本研究提出了一种通过重复感应自修复来延长稀浆封层使用寿命的创新且可持续的方法。研究旨在通过用热轧厂泥渣（HRMS）替代天然硅质集料填料（NSAF），增强机械性能、提高感应加热效率并改善环境可持续性。主要发现和意义如下：

- FTIR分析揭示了与……相关的谱带的存在。

## CRediT作者贡献声明

Mahyar Arabani：写作–审阅与编辑、监督、项目管理、方法论。Mousa Andarz Jadehkenari：写作–初稿、软件、方法论、调查研究、形式化分析、数据整理。

## 生成式AI及AI辅助技术在写作过程中的声明

在准备本工作的过程中，作者使用了Grammarly、Claude和ChatGPT来提高稿件的可读性和语言质量。作者已审阅并编辑了内容，并对出版物的内容承担全部责任。

## 利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

Mousa Andarz Jadehkenari | Mahyar Arabani
伊朗吉兰大学，拉什特市