沥青路面中钢渣的可持续利用：三维变形表征与环境性能评估

《Journal of Cleaner Production》：Sustainable utilization of steel slag in asphalt pavement: Three-dimensional deformation characterization and environmental performance assessment

　　

摘要

钢渣（SS）作为一种可持续沥青路面的替代集料已得到广泛研究。然而，对于钢渣沥青混合料（SSAM），其变形演化特征的综合表征和结构稳定性的定量评价仍具有挑战性。本研究探讨了掺入四种不同类型钢渣且不同替代率沥青混合料的高温变形行为和环境性能。对钢渣集料的化学组成和表面特性进行了表征，并通过轮迹试验和三维激光扫描技术获取高温荷载作用下的变形演化信息。结果表明，钢渣与玄武岩集料在化学成分和形态特征上存在显著差异，具有更高的碱度和更粗糙的表面纹理。增加钢渣含量可有效提升抗车辙性能，最大动态稳定性达到12,987 cycles/mm。基于三维变形场，提出了沉降-隆起比 $V_r$ 和体积变形稳定性指数 $V_{DSI}$，以定量描述变形重分布和稳定性特征。基于这些指标建立的离散模型达到了 $R^2$ 值为0.908，表明所提出的指标能够有效表征综合变形响应的变化。此外，碳排放评估和浸出试验表明，钢渣的利用可以减少碳排放并保持环境安全。本研究为理解变形特征和推广SSAM的可持续应用提供了三维评价方法。

引言

钢渣（SS）是钢铁工业的固有副产品，在大量产生过程中难以避免，对其消纳提出了持续挑战（Guo et al., 2018; Francisca and Glatstein, 2020; Xu et al., 2026a）。目前，钢渣的传统处置方式主要依赖堆存和填埋（Naidu et al., 2020; Gu et al., 2021）。这种做法不仅浪费了宝贵的土地资源，还可能因重金属浸出而构成严重的环境威胁（Mal et al., 2022; Sorlini et al., 2012）。相比之下，钢渣的资源化利用为彻底解决这些长期难题提供了可行途径。

道路基础设施的建设需要大量集料；然而，从矿山开采天然集料会对环境资源造成不可逆的影响（Sun et al., 2023）。随着道路网络的扩展，采用钢渣作为可持续的替代集料已成为重要趋势。凭借其优异的力学强度、高表观密度和出色的耐磨性，钢渣在路面建设中具有显著潜力（Sun et al., 2025; Amelian et al., 2018）。此外，与天然集料相比，钢渣的表面孔隙率显著更高，增强了其沥青吸附能力，促进了牢固的机械嵌锁和锚固界面形成（Yang et al., 2022; Xu et al., 2026b）。同时，其棱角形态有助于集料间的嵌锁效应，从而增强混合料骨架的整体结构完整性（Li et al., 2024; Polaczyk et al., 2019）。Yang et al. (2024a) 对钢渣进行了集料图像测量系统二值化分析，显示其高度不规则的形状和多孔表面扩展了接触面积并提高了沥青吸收能力，从而增强了界面黏附性。Xu et al. (2024) 进一步从集料接触特征的角度研究了SSAM的增强机制，证明钢渣的掺入可增加集料接触密度并改善沥青混合料的结构稳定性。之前的研究也表明，集料排列和接触条件在决定沥青混合料的荷载传递能力和变形抗性方面起着重要作用。Vavrik et al. (2002) 强调了集料堆积特性在优化内部结构中的重要性，而Polaczyk et al. (2021) 揭示压实过程中形成的集料嵌锁有助于应力传递和机械稳定性。类似地，Yucel et al. (Yucel, 2024) 证实集料堆积和接触特性的变化显著影响沥青混合料的骨架结构和宏观性能。这些发现表明，SSAM变形抗性的提升可能与钢渣集料的内在特性及其引起的集料接触特性变化的综合作用有关。

变形抗性是路面耐久性的关键指标，指路面混合料在重复交通荷载和热循环作用下抵抗永久变形的能力。在高温条件下，沥青砂浆的黏度和弹性降低通常会导致车辙——沿轮迹形成的纵向凹陷（Pasetto et al., 2022; Lu et al., 2023）。此外，集料间的嵌锁结构也对车辙性能产生显著影响（Polaczyk et al., 2021）。通过对试件施加模拟动态交通荷载，轮迹试验能够提供对沥青混合料高温稳定性和车辙性能的可靠评估（Preti et al., 2019）。Zhao et al. (2022) 将花岗岩和钢渣组合掺入沥青胶结料中制备高性能沥青混合料。与石灰岩基混合料相比，SSAM表现出显著降低的车辙深度和动态稳定性（$DS$）的显著提高。这些结果突显了SSAM出色的永久变形抗性和优越的高温结构稳定性。此外，现有研究表明，掺入钢渣可显著增强路面变形抗性，尤其是在重载条件下（Li et al., 2022; Yang et al., 2024b）。

尽管以往的研究已证明钢渣作为改善沥青混合料高温性能的理想集料具有潜力，但变形评价仍主要依赖动态稳定性（$DS$）等传统指标。这些参数可以反映整体变形抗性，但不能充分描述荷载作用下的内部变形演化，包括横向迁移和体积重分布。因此，需要更全面的方法来表征SSAM的三维（3D）变形行为并区分不同来源钢渣的性能差异（Zhao et al., 2022; Ameri et al., 2013; Neves and Crucho, 2023）。

基于表面扫描技术的三维变形表征为沥青混合料稳定性评价提供了新机遇，能够捕捉超越传统一维测量的空间变形特征。然而，体积变形参数在SSAM中的应用研究仍不足，特别是在表征整体变形响应和识别不同来源钢渣性能变异方面的能力。

为克服这些限制，本研究提出了一个数字三维表征框架。通过整合三维激光点云扫描技术，分析范式从线性沉降观测转变为空间体积演化分析。本研究的核心创新在于开发了两个关键指标：沉降-隆起比（$V_r$）和体积变形稳定性指数（$VDSI$）。首先分析钢渣的化学成分和表面形态以揭示不同来源的差异。随后，基于表面扫描测量开发了三维变形参数以表征变形重分布和结构稳定性。最后，建立了这些指标与综合变形响应之间的关系以评估其在描述SSAM变形行为方面的有效性。本研究为理解SSAM的变形特征提供了定量方法，并支持异构钢渣资源在可持续路面工程中的高效利用。

章节片段

材料

为确保研究结果的广泛普适性和代表性，本研究选取了四种来自不同来源的钢渣以代表钢渣材料的固有异质性。所选钢渣在物理性能、化学成分和表面特征方面存在差异，为评估所提出的变形表征方法的适用性和稳健性提供了更广泛的材料范围（编号为SS1–SS4）。在测试前，

集料的物理和力学测试

通过测定压碎值和洛杉矶磨耗值来表征不同来源钢渣和BA的机械耐久性和抗集料劣化能力。

集料的物理和力学性能

如图3(a)中的压碎值数据所示，不同集料之间存在显著差异，表明不同来源钢渣的力学特性具有异质性。以BA为基准（压碎值为10.67%），SS1在钢渣样品中表现出优异的承载能力。具体而言，其压碎值与BA相比进一步降低了7.87%，达到最低9.83%，这突显了其卓越的结构

结论

通过多尺度实验和理论框架的协同作用，本研究探讨了钢渣的化学-几何属性及其对沥青混合料高温变形的影响。主要发现总结如下：

• a)
  与天然集料相比，钢渣表现出独特的化学和形态特征。其碱性显著高于玄武岩（$ALK$ 为2.39–2.69，而玄武岩为0.19），表明其高度

CRediT作者贡献声明

孙泽康： 写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿，验证，软件，方法论。丁吉同： 软件，资源，方法论。王厚之： 资源，方法论。罗桑： 可视化，验证，资源。卢国阳： 写作 – 审阅与编辑，监督，资源，调查研究，资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们不存在已知的可能影响本文报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本文所述工作完全由中国香港特别行政区研究资助局资助（项目编号：CityU 21216024 和 CityU 11217825）。

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