将锑尾矿回收制备可持续SMA-13沥青混合料：性能、耐久性及环境-经济评估

《Sustainable Materials and Technologies》：Recycling antimony tailings into sustainable SMA-13 asphalt mixtures: Performance, durability, and environmental–economic assessment

　　

摘要

为促进高等级沥青路面中矿山固体废弃物的循环利用，本研究采用锑尾砂作为粗集料制备了沥青玛蹄脂碎石（SMA-13）混合料。研究对其配合比设计、路面性能、盐冻融循环耐久性、重金属浸出安全性及经济可行性进行了系统评价，并以辉绿岩SMA-13混合料和钢渣SMA-13混合料作为对照。采用粗集料空隙填充法（CAVF）和Bailey法优化了集料级配，并通过基于规范的体积法确定最佳油石比，利用Schellenberg沥漏试验和Cantabro磨耗损失试验加以验证。结果表明，级配方案II形成了稳定的石-石嵌挤骨架结构，最佳油石比为6.10%。锑尾砂混合料的动态稳定性达到6616次/mm，超过规范要求的2.2倍以上，其冻融劈裂强度保留率和剩余马歇尔稳定度分别为88.25%和82.96%。与辉绿岩混合料相比，锑尾砂混合料的最大弯拉应变为3305.75 με，而其弯拉刚度模量低于两种对照混合料，表明其低温变形能力良好。其断裂能达到3970.0 J/m2，分别比辉绿岩和钢渣混合料高出58.0%和23.4%。在盐冻融条件下，锑尾砂混合料在所采用的等应力比评价方法下表现出更长的疲劳寿命。在4% NaCl溶液中进行20次盐冻融循环后，其疲劳寿命仍为4297次，比辉绿岩混合料高出30.4%，疲劳寿命保留率达91.9%。重金属浸出浓度低于相关法规限值，锑尾砂集料的单位成本比辉绿岩低7.38美元/t，降幅达27.8%。总体而言，锑尾砂SMA-13混合料通过技术可行性、盐冻融耐久性、浸出安全性和成本优势的结合，作为可持续路面表层材料展现出良好潜力。

引言

道路基础设施建设的日益增长提高了对优质天然集料的需求。同时，矿山开采和矿物加工产生的大量尾砂引发了环境隐患，包括长期堆放、占用土地、粉尘污染、酸性浸出及潜在的重金属迁移风险。Araujo等[1]报告称，全球每年约产生70亿吨矿山尾砂，预计到2025年固体尾砂累积量将达到190亿吨。因此，尾砂循环利用已成为绿色矿山转型和低碳建筑材料发展的重要方向。Guo等[2]进一步指出，将尾砂转化为水泥基或地聚合物基建筑材料可以推动循环经济发展并减少资源消耗。然而，其应用仍受到矿物成分变化、重金属浸出风险以及长期耐久性不确定性的限制。Zetola等[3]基于2010至2024年间Web of Science上1096篇文献的文献计量分析发现，尾砂基建筑材料的研究重点已从单一力学性能评价转向材料性能、环境风险和工程适用性的综合评估。对于锑尾砂，Yu等[4]综述了锑尾砂和锑冶炼渣的综合利用，指出目前研究主要集中在有价值金属回收、固化/稳定化、矿山充填和建筑材料生产等方面。Li等[5]利用冶金渣基胶凝材料稳定含锑尾砂，表明合适的胶凝体系可以降低Sb等有害元素的释放风险。Khorshidi等[6]也强调，锑相关废物的回收和安全处理对于关键金属供应和环境保护仍是重要议题。总体而言，锑尾砂具有资源利用潜力，但作为高等级沥青路面表层粗集料的应用仍然有限，特别是对于石-石嵌挤骨架结构的SMA-13混合料，其配合比设计、使用性能和环境适用性尚未得到充分评价。

近年来，在沥青混合料中使用矿山固体废弃物和工业副产品引起了越来越多的关注。然而，不同废弃物材料的机理和应用界限存在显著差异。Cui等[7]将铁尾砂用作沥青玛蹄脂中的矿物填料，发现尾砂-沥青界面黏结性能与疲劳性能密切相关，这表明尾砂的表面特性会影响沥青材料的损伤演化。Li等[8]研究了铁尾砂填料对沥青玛蹄脂流变行为的影响，指出尾砂填料可改变沥青玛蹄脂的高温性能和疲劳响应。Oguntayo等[9]综述了尾砂作为沥青黏结剂玛蹄脂中可持续填料的应用，并认为尾砂可以改善某些玛蹄脂性能。然而，现有研究多集中于其作为细集料或矿物填料的使用。相比之下，SMA-13沥青混合料依靠粗集料的嵌挤形成骨架结构。因此，固体废弃物粗集料的密度、棱角性、压碎值、吸水率和沥青黏附性能直接影响混合料的体积结构和路面性能。现有钢渣研究为固体废弃物粗集料在SMA混合料中的应用提供了有益参考。Chen等[10]研究了钢渣含量对SMA-13混合料路面性能的影响。当钢渣含量为75%时，动态稳定性、冻融劈裂强度保留率和单轴贯入强度分别比常规SMA-13混合料提高了90.48%、7.39%和88.08%，但最大弯拉应变降低了5.98%。这表明固体废弃物集料可能改善高温稳定性和承载能力，但也可能降低低温变形能力。Kumar等[11]、Pasetto等[12]和Sun等[13]报道，由于钢渣具有高棱角性、高强度和耐磨性，可改善沥青混合料的路用性能和抗滑性能。然而，其高密度、重金属浸出风险以及游离CaO/MgO引起的体积稳定性问题仍需关注。Gan等[14]进一步发现，酸雨会增加钢渣重金属的浸出风险，而将钢渣掺入沥青混合料后，该风险显著降低。其他研究还表明，钢渣沥青混合料的工程应用应考虑质量控制、界面黏附、抗滑耐久性和体积稳定性等问题[15-17]。这些发现表明，在沥青混合料中使用工业固体废弃物集料不应被视为对天然集料的简单替代，而应根据各材料的具体特性开展级配设计、体积结构控制、路面性能评价和环境风险评估。

锑尾砂在密度、矿物成分和界面特性上与钢渣和辉绿岩差异显著。因此，钢渣或天然集料SMA-13混合料的现有设计经验不能直接应用于锑尾砂混合料。与常用作矿物填料的铁尾砂和常用作高密度粗集料的钢渣相比，锑尾砂是一个更具针对性的案例，因为本研究将其作为SMA-13骨架中的承重粗集料。其不均匀矿物成分、相对低密度、沥青-集料黏附行为以及潜在的Sb相关浸出隐患可能影响骨架形成、体积稳定性、路面性能和环境安全性。因此，锑尾砂在SMA-13混合料中的应用需要针对性的级配设计、体积控制、性能验证和浸出安全性评估，而非直接替代天然集料。

除了常规路面性能外，沥青路面在使用过程中会受到低温收缩、重复交通荷载、水分侵入、冻融循环和融雪剂侵蚀的耦合作用。这些因素可促进裂缝扩展、削弱沥青-集料黏结并加速疲劳损伤累积。以往研究表明，半圆盘弯拉试验可利用断裂能、断裂韧性和柔度指数评价沥青混合料的抗裂缝扩展能力[18]。疲劳寿命受应力水平、加载模式、温度、试件尺寸和破坏准则的影响。因此，仅凭强度指标无法充分表征沥青混合料在重复荷载下的使用可靠性[19-21]。在冻融条件下，路面材料的力学性能可能显著恶化。Akbas等[22]发现，天然集料基层材料在经历5次冻融循环后，回弹模量从约220 MPa降至196 MPa。在冬季使用融雪剂的地区，氯盐侵蚀可进一步加剧沥青材料的劣化。Qiu等[23]将沥青黏结剂和混合料暴露于0%、5%、15%和25% NaCl溶液中，发现盐浓度和侵蚀时间的增加会降低混合料强度和抗水损害稳定性。相关综述也报道，盐溶液渗入、盐结晶压力、冻胀压力和界面黏结损伤是盐冻融环境下沥青混合料退化的主要原因[24-27]。此外，在使用固体废弃物材料于道路工程之前，必须考虑其环境安全性和经济可行性。Zou等[28,29]报道，沥青路面材料中重金属和有机污染物的浸出受混合料类型、级配和环境条件的影响，可能对水生环境构成潜在风险。对再生沥青材料的研究也强调，污染物浸出、路面径流和环境风险应纳入固体废弃物路用材料的评价框架中[30-32]。生命周期评价研究进一步表明，废弃物替代品的环境效益与材料来源、加工路线、运输距离和维护阶段密切相关[33-36]。因此，作为绿色路面材料应用，锑尾砂SMA-13沥青混合料不仅应满足高温稳定性、低温性能和抗水损害稳定性的要求，还应在抗裂缝扩展能力、疲劳性能、盐冻融疲劳耐久性、重金属浸出安全性和经济可行性方面进行系统评价。

基于上述背景，本研究采用锑尾砂作为粗集料制备SMA-13沥青混合料。利用CAVF法和Bailey法进行级配设计，并通过马歇尔试验、Schellenberg沥漏试验和Cantabro磨耗损失试验确定并验证最佳油石比。以辉绿岩和钢渣SMA-13混合料作为对照，评价锑尾砂混合料的路面性能、抗裂性能和疲劳行为。这些路面性能试验不仅用于评估力学适用性，也作为在沥青路面表层用锑尾砂替代天然粗集料的技术可行性依据。此外，还进行了盐冻融疲劳试验、模拟酸雨浸出试验和工程成本估算，以评价耐久性、环境安全性和经济可行性。本研究的创新之处在于将锑尾砂作为密实石-石嵌挤SMA-13骨架的承重粗集料，并将骨架级配设计、路面性能评价、盐冻融耐久性、浸出安全性和成本分析纳入统一的可持续性评价框架。通过将技术性能、尾砂循环利用、天然集料替代、浸出安全性和成本节约相联系，本研究为在绿色沥青路面表层循环利用锑尾砂提供了面向可持续发展的依据。

段落节选

沥青黏结剂

作为SMA-13沥青混合料的黏结剂，沥青直接影响混合料的黏附性、高温稳定性和低温变形能力。考虑到SMA-13混合料的结构特性和性能要求，本研究选用SBS改性沥青作为黏结剂。其主要技术性能测试[37]结果见表1。

集料

锑尾砂粗集料的代表性照片见图1。

锑尾砂SMA-13沥青混合料的路面性能试验与对比分析

利用确定的最佳级配和油石比，制备了锑尾砂SMA-13沥青混合料的马歇尔试件和轮辙试验板。选取常用的优质天然集料辉绿岩代表常规SMA-13混合料的性能水平；选取典型的工业固体废弃物集料钢渣，以比较锑尾砂在资源循环利用中的路面性能差异。

辉绿岩SMA-13和钢渣

抗裂性能

不同粗集料SMA-13沥青混合料的半圆盘弯拉（SCB）试验结果和荷载-位移曲线见图9a和b。结果表明，粗集料类型对混合料的抗裂缝扩展行为有明显影响。辉绿岩和钢渣混合料的断裂功值分别为12.68 J和12.12 J，均高于锑尾砂混合料的10.65 J。

这表明玄武岩和钢渣混合料吸收了更多（水分）。绿色再生评估边界基于上述实验室结果和工程情景分析，锑尾砂SMA-13混合料在气候适应性、材料供应和技术可行性方面在中国湖南省展现出良好的潜在工程适用性。因此，进一步进行了重金属浸出试验。结合湖南省当地锑尾砂的供应条件，评估了将该混合料用于沥青路面的环境适用性和经济可行性。结论本研究采用锑尾砂作为粗集料制备SMA-13沥青混合料，并对其配合比设计、路面性能、抗裂性与抗疲劳性能、耐盐冻融耐久性以及环境-经济适用性进行了评价。研究结果不仅从路面材料性能的角度进行了解释，还从天然集料替代、尾砂回收、浸出风险控制和工程成本降低的可持续性角度进行了分析。CRediT作者贡献声明L.I. Sheng：撰写—原始草稿、项目管理、资金获取、数据整理。Haitao Zhang：撰写—审阅与编辑、撰写—原始草稿、软件、资金获取、数据整理。Xi Yang：撰写—原始草稿、调查研究、数据整理、概念设计。Ming Zhong：项目管理、研究方法、调查研究。Han Xiao：资源、项目管理、调查研究。利益冲突声明作者声明，不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。致谢本研究得到了国家自然科学基金（52378436）、湖南省自然科学基金项目（2026JJ50193）、湖南省科技创新计划（2024RC1053）、湖南省教育厅科学研究基金（25A0186）以及湖南省研究生创新基金（CX20251313）的支持。L.I. Sheng | Haitao Zhang | Xi Yang | Ming Zhong | Han Xiao 国家公路养护工程技术研究中心，长沙理工大学，湖南 长沙 410114，中国