综述：钢渣的高价值利用：与沥青的界面粘结机制及预处理技术的综述

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Towards high value utilization of steel slag: A review on interfacial adhesion mechanisms with asphalt and pretreatment technologies

　　

摘要

将钢渣作为沥青混凝土中的替代骨料，为可持续、低碳的道路工程提供了一条有前途的途径。然而，其更广泛的应用仍然受到与游离CaO和MgO相关的水化引起的膨胀以及水分、温度和机械载荷共同作用下的不可逆界面剥离的限制。为了解决这些瓶颈，本系统综述严格研究了钢渣与沥青之间的粘合机制、多尺度评估框架、机器学习（ML）预测模型以及先进的预处理技术。文章综合研究表明，稳定的界面粘合是由物理互锁、化学协调和静电吸附的多尺度协同作用所控制的，而剥离失效则源于内部膨胀应力与外部水分渗透的共同破坏作用。此外，将多尺度测试与ML算法相结合，能够准确地量化并预测在不同使用条件下的粘合行为和混合物性能。最后，与效率低下的传统物理老化方法相比，先进的改性技术（如化学复合涂层、加速碳化和人工骨料重构）能够有效封闭孔隙并原位中和膨胀源。这些创新的预处理方法提升了钢渣与沥青的界面粘合性，改善了钢渣的体积稳定性，从而为其在道路工程中的应用提供了有用的参考，并为未来的研究奠定了理论基础。

引言

道路网络是国家经济发展的关键基础设施。在中国第十五个五年计划（2026~2030年）期间，交通运输部门肩负着推动高质量经济增长和实现国家战略目标的任务。然而，持续的道路建设和维护需要大量消耗天然骨料，包括石灰石和玄武岩。全球每年对建筑骨料的需求超过400亿吨，大规模的采石活动导致了不可逆的环境退化，包括地形破坏、土壤侵蚀和生物多样性的丧失[1]、[2]、[3]。随着全球向绿色、低碳和循环经济的转型，利用工业固体废物替代天然骨料已成为道路工程中的关键工程要求和环境需求[4]、[5]。

钢渣是一种主要的冶金副产品，其成分和性质随炼钢过程而变化（表1）。全球年产量超过1.2亿吨，这导致了超过10亿吨的累积库存（图1），占用了大量土地资源并带来了环境风险。尽管如此，由于其高耐磨性和粗糙的表面纹理，钢渣已被研究作为沥青混凝土中的替代骨料[6]、[7]、[8]。大量研究验证了其可行性。与传统混合物相比，钢渣沥青混合物具有更好的抗湿性、抗高温车辙性和抗低温开裂性[9]、[10]。

尽管有这些优点，但钢渣在公路工程中的大规模应用仍受到三个关键瓶颈的严重阻碍。首先，钢渣的高孔隙结构导致其吸水率高于天然骨料，增加了粘合剂的需求，可能影响路面性能并提高项目成本。复杂的孔结构也使得建立标准化的钢渣-沥青界面粘合评估指标变得复杂[11]、[12]、[13]。其次，钢渣的化学成分随炼钢过程的不同而有显著变化（表1），导致材料的一致性不足，阻碍了标准化应用。特别是含有的膨胀矿物（如f-CaO和f-MgO）会导致水化反应延迟。由此产生的体积膨胀会导致不可逆的路面开裂，而重金属的渗出则可能带来生态风险[14]、[15]、[16]。第三，尽管初期粘合性良好，但在环境和化学的共同作用下，钢渣-沥青系统的长期界面耐久性会恶化。钢渣中不稳定成分（如游离CaO和MgO）的水化会产生内部膨胀应力，而水分渗透和冻融循环会进一步加速微裂纹的形成和界面剥离，最终导致沥青剥离和水分引起的损坏[17]、[18]、[19]。因此，要实现钢渣的高价值利用，需要全面研究体积稳定性、界面增强、标准化和环境风险评估。尽管初步研究已经解决了界面力学和体积不稳定性问题[20]、[21]，但仍缺乏将矿物异质性、多尺度粘合演化和新兴预处理策略联系起来的系统综合研究。

为了解决这些相互关联的挑战，本综述对钢渣骨料在沥青路面中的应用进行了严格的多尺度综合分析，如图2所示。首先，系统分析了钢渣-沥青界面处的基本粘合机制。该分析阐明了通过机械互锁、化学吸附和多尺度界面热力学的界面粘合性质。其次，对旨在提高路面性能的现有预处理策略进行了详细评估，包括自然老化、先进表面改性和混合物优化。然后比较评估了它们的化学原理、改性效率和工程限制。最后，通过识别当前的知识空白和技术障碍，本文指出了未来的研究方向，包括微观机制的阐明、数据驱动的智能材料设计和长期耐久性建模。最终，本综述为钢渣在可持续路面基础设施中的高价值、环境安全和大规模应用建立了坚实的学术基础和战略技术蓝图。

章节摘录

钢渣与沥青之间的界面粘合

大量研究探讨了钢渣与沥青之间的界面粘合。从单变量分析发展到多场耦合效应的探索，这些研究系统阐明了钢渣本身的特性、粘合剂类型和环境条件如何决定粘合效果。实证证据表明，钢渣-沥青界面的粘合强度优于传统的天然骨料

道路工程中钢渣预处理技术的现状

在将钢渣作为沥青路面骨料使用之前，有针对性的预处理是减轻体积不稳定性、提高界面粘合性和确保路面性能长期可靠性的关键前提[98]、[99]。概念上，钢渣预处理包括一系列专门的工艺，这些工艺应用于冶金熔炼过程中产生的熔融或高温固体钢渣，在其后续处理、使用之前进行

结论与展望

本综述系统阐明了钢渣-沥青界面粘合机制、失效模式以及多尺度预处理技术对宏观路面性能的影响。它批判性地评估了当前的研究局限，并指出了未来的研究方向。基于此综合分析，得出以下主要结论：

(1)

由于钢渣的高硬度、角状结构、高表面自由能和强碱性，

CRediT作者贡献声明

吴光帅：撰写——审稿与编辑，监督，概念构思。朱洪斌：方法论，正式分析，数据整理。崔世超：撰写——审稿与编辑，监督。 苏航：撰写——审稿与编辑，初稿撰写，监督，项目管理，调查，数据整理。张军：方法论，正式分析，数据整理。郭乃生：撰写——审稿与编辑，初稿撰写，项目管理，资金筹集。谭毅秋：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（51308084）、中央高校基本科研业务费（3132017029）、大连海事大学“双一流”建设专项（BSCXXM021）、辽宁公路科技创新重点科研项目（201701）、辽宁重点研发计划（2025110234-JH2/1018）及大连科技创新基金的支持

苏航|郭乃生|张军|朱洪斌|吴光帅|崔世超|付鼎文|谭毅秋中国辽宁省大连市大连海事大学交通运输工程学院，邮编116026