2024, Vol. 41扩展功能
文章信息
- 惠迎新, 王欣宇, 徐新强, 赵涛.
- HUI Ying-xin, WANG Xin-yu, XU Xin-qiang, ZHAO Tao
- 钢渣沥青混合料在道路工程中的应用
- Application of Steel Slag Asphalt Mixture for Road Engineering
- 公路交通科技, 2024, 41(2): 22-38
- Journal of Highway and Transportation Research and Denelopment, 2024, 41(2): 22-38
- 10.3969/j.issn.1002-0268.2024.02.003
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文章历史
- 收稿日期: 2023-08-18
, 2. 宁夏交通建设股份有限公司, 宁夏 银川 750001;
3. 宁夏交建交通科技研究院有限公司, 宁夏 银川 750004
2. Ningxia Communications Construction Co., Ltd., Yinchuan, Ningxia 750001, China;
3. Research Institute of Transportation Technology of Ningxia Communications Construction, Yinchuan, Ningxia 750004, China
自1996年起，中国钢铁产能开始迅速增长，如今中国的钢铁产量已位居全球第一。根据中国国家统计局数据显示，2022年中国粗钢产量约达10.18亿吨，占全球总产量的54.19%。随着钢铁产量的不断上升，产生的钢渣也相应增加。钢渣作为占粗钢产量12%~15%的工业废渣，如不加以合理利用，将导致资源浪费、土地占用以及环境污染等问题[1]。然而，目前中国钢渣综合利用率仅为30%左右，与发达国家80%以上的利用率相差甚远[2]。为此，中国在2021年发布的《关于“十四五”大宗固体废弃物综合利用的指导意见》中明确提出，“十四五”期间将大力推进钢渣的综合利用工作，以推动绿色发展。因此，提高中国钢渣的综合利用率、拓展钢渣的多领域利用、挖掘钢渣的二次利用价值，已迫切且具有重要意义。
钢渣因其具备强度高、耐磨以及与沥青黏附性良好等优点，被认为是理想的筑路原材料。该材料与沥青结合后，能够有效提升路面的承载能力和抗剥落能力，特别适用于高交通量和重载交通道路，具备大规模利用潜力[3-4]。因此，将钢渣应用于道路工程领域，有着广阔的发展前景，不仅能改善道路工程的质量，提升道路的承载能力和耐久性，同时还能实现固废资源的有效利用与回收，为可持续基础设施建设做出积极贡献。
以钢渣沥青路面研究为主旨，本研究在介绍国内外钢渣利用现状的基础上，回顾了国内外钢渣在道路领域的发展历程；围绕钢渣的自身特点，分析了钢渣沥青混合料的制备与施工工艺；重点基于钢渣掺量的变化，总结了其对沥青混合料路用性能的影响；此外，对钢渣沥青混合料的经济效益、体积膨胀性和环境影响进行了综合评估，对相关应用与研究提供参考。
1 钢渣沥青混合料的应用与研究进展 1.1 国外应用与研究进展国外对于钢渣的利用与研究开展较早，但各国的钢渣综合利用发展存在一定的差异。钢渣的主要利用领域可分为冶炼、农业和土木3大类，具体用作道路材料、农业肥料和回收炼铁等[5]，如图 1(a)所示。美国、日本和欧洲发达国家的钢渣综合利用率普遍偏高，具体如图 1(b)所示[2, 5-7]，从图中可以看出，美国将钢渣主要用于公路、铁路等道路建设；日本将钢渣主要用于土木工程、道路建设和内循环等领域；而欧洲国家除了将钢渣用于道路建设和内循环外，还用于农业和水利工程中。总体而言，国外对于钢渣的利用领域多且利用率高，尤其在道路建设方面表现突出。此外，各国还根据自身情况开拓了特定的钢渣利用途径，例如，日本利用钢渣修复海洋环境[8]，欧洲一些国家将钢渣应用于废水处理和填料处理等行业[9]。
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| 图 1 国外钢渣综合利用 Fig. 1 Comprehensive utilization of foreign steel slag |
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国外将钢渣应用到道路工程领域可以追溯到20世纪30年代，有资料表明，1937年英国就已将钢渣用作沥青骨料来铺设路面[10]。1970年，美国芝加哥举办的第2届矿物废料利用会议首次提出将钢渣用于道路工程，自此之后，各国开始在全球范围内开展钢渣在道路领域的应用与研究。在北美地区，美国的印第安纳州于1979年和1981年使用钢渣沥青混凝土进行路面铺设，1998年的检测结果显示绝大部分路段状态良好。截至目前，美国的钢渣沥青路面已铺设超过16个州。加拿大的多伦多市于1974年铺筑了一段钢渣沥青路面试验道路，经过4 a的监测，发现钢渣沥青路段的抗滑性能优于其他路段。在亚洲，日本于1979年率先开始研究钢渣在道路中的应用[11]，在福山市、札幌市等地铺设了钢渣沥青路面，经过多地区的试验应用之后，于1988年确认了钢渣处理后可用于路面铺设。在欧洲，德国于1976年铺设了一条钢渣沥青碎石混凝土试验段，经实践应用证明钢渣沥青路面的使用效果良好。法国也在20世纪成功将钢渣用作公路面层的防滑材料[12]。
近年来，国外学者主要围绕混合料自愈能力、极端气候下的应用以及路用性能等方面展开研究。Ba等[13]研究了钢渣沥青混合料的自愈合能力，试验结果显示钢渣的加入可以提高沥青混合料的导电性能和感应加热速率，改善沥青混合料的自愈性能；Hassan等[14]对钢渣沥青混合料在常年炎热地区的性能进行了研究，结果显示，在炎热气候下，钢渣骨料对膨胀反应敏感性较低，具有更好的抗变形能力；Shaker等[15]采用了响应面法对钢渣沥青混合料的低温抗裂性进行了评估，研究结果表明，采用粗细钢渣组合的沥青混合料表现出最佳低温抗裂性；Beatrice等[16]将电炉(EAF)钢渣和再生沥青路面(RAP)骨料组合制备沥青混合料，发现与使用天然骨料相比，采用EAF钢渣和RAP骨料能够获得更高的力学和功能特性，同时在环境影响评估方面表现出色，具备良好的可再生性。
1.2 国内应用与研究进展中国的钢渣处理利用大致分为3个阶段：第1阶段(1950—1980年)，钢渣直接堆弃于渣场；第2阶段(1980—2005年)，部分未经处理的钢渣直接用于回收炼钢和道路建筑材料，其余被堆弃渣场；第3阶段(2005年至今)，经过处理的钢渣在钢厂内部、道路和建材领域得到应用，未利用的仍被堆弃渣场[6]。自2005年起，中国粗钢年产量整体呈递增趋势，2020年达到峰值10.65亿吨，尽管此后两年有所下降，但钢渣产量整体上呈递增趋势，具体见图 2(a)[17]。然而，中国的钢渣综合利用率仅为30%左右，其中用于道路工程的比例仅占8%，与国外相比有不小差距，如图 2(b)所示[2]。因此，中国亟需加大推动钢渣的资源化利用力度。
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| 图 2 中国钢渣综合利用 Fig. 2 Comprehensive utilization of steel slag in China |
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中国对于钢渣在道路工程方面的应用与研究起步较晚。20世纪60年代，国内才开始尝试使用转炉钢渣铺筑道路基层和面层，但由于缺乏成熟的钢渣处理技术和标准，进展缓慢, 直到20世纪90年代，应用与研究才逐渐展开。1997年，朱三棣[18]发现将钢渣用作沥青混合料的骨料可以显著提高混合料的抗破坏能力，其稳定度比石灰石骨料稳定度提高了1.5~2倍。2001年，丁庆军等[19]指出，钢渣表面的金属阳离子会与沥青酸发生反应形成沥青酸盐，因此钢渣与沥青具有良好的黏结力，奠定了两者共同工作的基础。2003年，吴少鹏等[20]研究了钢渣沥青混合料的路用性能，发现其高温稳定性、水稳性和抗滑性良好，肯定了钢渣作为集料在沥青路面中的应用价值。近年来，国内学者在钢渣的预处理、不同级配下的应用以及最佳掺量等方面进行了研究。李灿华等[21]将钢渣作为粗集料，采用开级配方式制备了钢渣透水沥青混合料，通过试验发现该混合料具有较强的抗车辙能力、抗水损害能力和耐磨性。祁昊等[22]利用灰靶决策理论，在AC-16级配基础上，研究了不同钢渣掺量下胶粉改性沥青混合料的路用性能，试验结果表明，钢渣替换5~20 mm粗集料且掺量为58%时为最佳方案。在钢渣的预处理方面，颜锋等[23]指出碳化处理和表面改性处理对钢渣效果较好，而化学处理可能会对环境造成污染，建议进一步研究引起钢渣体积不稳定的不良因素。
在实际应用方面，1997年中国首次在上海宝山区杨行镇富杨路铺设了钢渣沥青混凝土试验段。2002年，湖北武汉的武钢在其厂道上铺筑了一条密级配钢渣沥青混合料试验段。紧接着在2004年，钢渣沥青混合料被应用于湖北仙桃汉江公路大桥的桥面铺装，扩大了其应用范围。2009年，在北京市长安街大修工程中采用钢渣替代玄武岩用于沥青表面层的修筑。2015年在湖北省的宜张高速当枝段，采用钢渣AC-13C沥青混合料铺筑了中国首条高速公路试验段[24]。尽管中国在钢渣沥青路面的应用与研究还处于起步阶段，但在借鉴国外研究基础上，发展迅速。针对早期铺设的钢渣沥青路面，国内研究人员进行了后期跟踪检测，发现路面整体保持良好，没有明显病害[25-27]。实际应用结果充分证明了钢渣沥青路面具有优异的路用性能。
2 钢渣沥青混合料的制备与施工 2.1 钢渣沥青混合料的制备钢渣沥青混合料是由沥青、钢渣、集料、矿粉组成的复合材料，其制备过程为：首先，将钢渣与其他矿料按级配进行配合比设计，确定并调整钢渣替代天然集料的范围和比例；然后，将配好的集料和沥青放入烘箱中进行加热处理；接着将加热后的集料放入拌和缸进行机械拌和；根据所选最佳油石比，添加适量沥青；最后将称量好的矿粉加入拌和缸中进行拌和，最终得到钢渣沥青混合料。制备流程如图 3所示。在制备过程中，需注意钢渣的体积-质量换算，以确保准确的替换比例。此外，适当延长钢渣加热与拌和时间，防止温度流失过快影响混合料的性能。
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| 图 3 钢渣沥青混合料的制备工艺 Fig. 3 Preparation process of steel slag asphalt mixture |
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在制备钢渣沥青混合料时，原材料的选择是关键。首先，由于钢渣体积易膨胀，使用前需控制钢渣内游离氧化钙(f-CaO)含量小于3%[28]。钢渣用于路面材料时，常用作混合料粗集料，与用作细集料相比，钢渣粗集料可以减少沥青用量、降低体积膨胀性的风险，然而粒径也并非越大越好，当钢渣公称粒径大于20 mm时易出现花料现象。若将钢渣用作细集料，需对其进行清理，否则钢渣表面携带的粉尘会导致搅拌困难、搅拌不均匀等问题。钢渣掺量也是制备过程中的重要考虑因素，适当的钢渣掺量能显著提升沥青混合料的路用性能。其次，在沥青的选取方面，常采用道路石油沥青和改性沥青，改性沥青具有较强的黏结力、抗水损害能力以及较长的使用寿命。最后，在矿粉的选取方面，通常选择石灰岩等碱性石料磨细后得到的粉末，这是因为沥青呈弱酸性，而碱性矿粉能与沥青发生化学反应，提高黏附性。目前也有研究将钢渣粉替代矿粉来制备沥青混合料，研究发现，钢渣粉相比于石灰岩矿粉能提高混合料的高温稳定性、水稳定性[29-34]，如图 4所示。
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| 图 4 钢渣粉与矿粉所制沥青混合料性能对比 Fig. 4 Comparison of properties of asphalt mixture made of steel slag powder and mineral powder |
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为进一步优化钢渣沥青混合料的制备工艺，国内外学者对钢渣与沥青的界面行为进行了深入研究。Shen等[35]通过微观测试，指出钢渣表面的多孔结构可以有效提高钢渣与沥青的黏结力。Liu等[36]发现钢渣集料表面的凹坑和纹理具有骨架效应，有助于提高界面相强度，并增加钢渣与沥青的物理吸附。另外，钢渣与沥青之间还存在化学反应，形成化学键，进一步提高黏结性能。此外，Liu等[37]通过分子动力学，发现钢渣能增强沥青各组分在矿物表面的浓度，使其与沥青的黏附性能优于其他天然集料。
综上所述，钢渣沥青混合料的性能与多个因素密切相关，包括沥青的类型和用量、矿粉的种类和掺量、钢渣的性能、制备工艺等。同时，钢渣与沥青之间良好的黏附性为混合料的优异性能奠定了坚实基础。未来，钢渣沥青混合料将继续在道路建设和维护中扮演重要角色，通过持续研究和创新，进一步提高混合料的性能，为道路建设提供更高质量的材料。
2.2 钢渣沥青混合料的施工钢渣沥青混合料在制备完成后，经过运输、摊铺、碾压、接缝处理、检测和成品保护，形成钢渣沥青路面。钢渣沥青混合料的施工工序与传统沥青混合料基本相同，但由于钢渣具有独特的导热性能、多维孔结构以及较大的相对密度等特征，使得其在运输、摊铺和碾压工序时具有独特特点。
在运输过程中，需要对钢渣沥青混合料进行均匀的搅拌或振动，以防止混合料分层和堆积，确保混合料的均匀性。钢渣集料具有良好的导热性能，因此在混合料运输过程中需用保温布覆盖，避免温度过低影响施工质量。到达铺设现场后，应及时开展摊铺工作，在摊铺前需严格检测混合料温度，以确保不低于最低摊铺温度标准，保证混合料的黏附性和流动性。由于钢渣的大比重特征，摊铺时需特别注意混合料的厚度均匀性，避免出现高低起伏的现象，保证道路表面平整度和均匀性。钢渣沥青混合料温度散失较快，在混合料摊铺结束后，应立即进行碾压工作，该工作分为初压、复压和终压3个阶段，并确保压路机紧跟摊铺机，同时控制好碾压温度。若碾压温度过高，路面易发生横向裂纹和推移，碾压温度过低则会导致路面孔隙率增大，使水分与空气进入使沥青老化。由于钢渣的多维孔结构，碾压时需注意控制压实参数与压实次数等，以增强混合料的致密性和稳定性，提高道路的承载能力。
综上所述，钢渣沥青混合料在运输、摊铺和碾压过程中需要注意多个关键步骤，以提升施工质量和道路性能。通过合理的操作和控制，可以充分发挥钢渣沥青混合料的优势，实现持久耐用的高质量路面。
3 钢渣掺量对沥青混合料路用性能的影响在钢渣沥青混合料路用性能方面，分析国内外研究成果发现，钢渣掺量对沥青混合料的路用性能有显著影响。因此，本节通过综合国内外研究成果，重点总结了钢渣掺量对沥青混合料路用性能的影响。
3.1 高温稳定性由于钢渣的导热性较强，而沥青属于热塑性材料，因此在高温条件下，需确保钢渣沥青混合料具有足够的强度和刚度，以防止路面出现车辙、推挤、拥包等现象。研究人员针对不同级配、钢渣掺量对沥青混合料的高温稳定性进行了大量研究，相关数据见表 1。由表 1可知，钢渣掺量对混合料的高温稳定性有显著影响。首先，不同级配的影响程度各不相同，在适宜钢渣掺量下，AC级配的动稳定度提升幅度为45.2%~50.8%，SMA级配为48.7%~157.1%，OGFC级配为42.3%~85.8%，PAC级配为15.3%~26.1%。这表明钢渣的掺入可以有效提升混合料的高温稳定性。其次，对比不同级配下的影响结果，发现钢渣对SMA级配的提升效果最为显著，对PAC级配的影响相对较弱。最后，进一步分析还发现，不同级配的动稳定度(DS)最大值都集中在50%左右。
| 级配 | 钢渣掺量/% | 变化趋势 | 0%钢渣掺量DS值/(次·mm―1) | 最大DS值/(次·mm―1) | 最大DS值时钢渣掺量/% | 规范要求/(次·mm―1) | 文献 |
| AC-13 | 0~100 | 先增后减 | ≈3 800 | 5 732 | 60 | ≥1 000 | [38] |
| AC-13 | 0~100 | 先增后减 | 3 947 | 5 732 | 60 | ≥1 000 | [39] |
| AC-13C | 0~90 | 先增后减 | 2 842 | 4 222 | 50 | ≥1 000 | [40] |
| SMA-13 | 0~100 | 先增后减 | 6 794 | 10 423 | 20 | ≥3 000 | [41] |
| SMA-13 | 0~100 | 先增后减 | 4 200 | 8 035 | 75 | ≥3 000 | [42] |
| SMA-10 | 0~100 | 先增后减 | ≈4 300 | 6 392 | 50 | ≥3 000 | [43] |
| SMA-5 | 0~100 | 先增后减 | 2 333 | 6 000 | 75 | ≥3 000 | [44] |
| OGFC-13 | 0~100 | 先增后减 | ≈4 800 | 6 832 | 50 | ≥3 000 | [45] |
| OGFC-13 | 0~100 | 先增后减 | 5 342 | 9 564 | 50 | ≥3 000 | [46] |
| OGFC-13 | 0~100 | 先增后减 | 5 385 | 9 546 | 50 | ≥3 000 | [47] |
| OGFC-13 | 0~100 | 先增后减 | 4 053 | 7 532 | 40 | ≥3 000 | [48] |
| PAC-13 | 0~60 | 先增后减 | 6 325 | 7 292 | 50 | ≥3 000 | [49] |
| PAC-13 | 0~75 | 先增后减 | 4 064 | 5 124 | 50 | ≥3 000 | [50] |
综合来看，适当的钢渣掺量能显著提升沥青混合料的高温稳定性。这是因为钢渣具有高密度、高强度和丰富的棱角，适当的掺入可以增强结构的整体性，提高混合料的抗剪切能力和抗高温变形能力。然而，过高的掺量会导致多孔结构吸附过多的沥青，阻碍集料形成嵌挤结构，从而影响混合料的结构强度导致高温稳定性降低。因此，在考虑高温稳定性时，钢渣掺量应控制在40%~60%之间。
3.2 低温抗裂性低温环境下，沥青混合料容易发生脆化现象，严重情况下将导致路面开裂。国内外学者通过低温弯曲试验，对不同钢渣掺量的混合料低温性能进行了深入研究，试验结果整理分析后如图 5所示[38-42, 44, 46-47, 50-52]。
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| 图 5 不同钢渣掺量对沥青混合料低温性能的影响 Fig. 5 Influences of different steel slag contents on low temperature properties of asphalt mixtures |
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根据数据分析，随着钢渣掺量增加，多数情况下最大弯拉应变逐渐减小，部分甚至在钢渣掺量过高时低于2 800 με的施工技术规范要求。各级配下的降幅范围为4.4%~56.9%，这表明钢渣的掺入会降低沥青混合料的低温抗裂性。从弯曲劲度模量数据来看，其值随钢渣掺量的增多呈递增趋势，这说明虽然钢渣未改善混合料的低温性能，但提高了混合料的承载能力。分析认为，随着钢渣掺量的增加，混合料中钢渣颗粒比例增大，由于钢渣本身的脆性，在低温下容易发生断裂和破碎，导致混合料的抗裂强度降低。
然而，也有研究表明钢渣的掺入会提高混合料的低温抗裂性。Bai等[53]采用三维数值模型模拟了三点弯曲试验，结果显示，不同低温下钢渣沥青混合料的损伤比玄武岩沥青混合料低14.7%~19.6%，具有更好的低温抗裂性。Li等[54]通过直接拉伸蠕变试验和直接拉伸松弛试验评估了钢渣沥青混合料的低温性能，发现用钢渣替代玄武岩作为骨料可以提高沥青混合料的低温抗裂性，且提升效果与钢渣掺量成正比。此外，研究人员还发现将钢渣同时替代粗细集料时，其低温抗裂性能要优于粗钢细石沥青混合料，进一步推断钢渣作细集料时对沥青混合料低温性能的提升更大，如表 2所示。
结合多数研究结论来看，钢渣的掺入会一定程度削弱沥青混合料的低温抗裂性。然而，研究结果可能存在差异，因为混合料的低温抗裂性除了受钢渣性质、沥青种类和含量、级配类型的影响外，还受到混合料的空隙率、集料嵌挤能力和试验条件等因素的影响。因此，在多种因素耦合的情况下，还需进一步研究钢渣掺量对沥青混合料低温性能的影响。
3.3 水稳定性沥青混合料的水稳定性是指其抵抗水损坏的能力，国内外学者通过试验探究了不同钢渣掺量对不同级配下沥青混合料水稳定性的影响，研究结果如图 6所示[40-43, 45, 47, 50-52]。分析试验结果，发现其变化规律基本皆随钢渣掺量的增加呈先增后减趋势，残留稳定度与冻融劈裂强度比的峰值均集中在钢渣掺量为50%左右。相比于天然集料，钢渣沥青混合料在残留稳定度与冻融劈裂强度比的提升幅度可达1.9%~6.2%与2.4%~8.1%。从性能提升方面分析，这是由于初期增加钢渣掺量时，钢渣颗粒提供了更多的接触面积，增强了与沥青的结合，且钢渣呈碱性，与呈弱酸性的沥青发生反应形成沥青膜较厚，有利于提高水稳定性。然而，过多的钢渣掺入会增加混合料的空隙率，使水分更容易渗入结构中，增加沥青与集料的剥落风险，从而导致水稳定性降低。
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| 图 6 不同钢渣掺量对沥青混合料水稳定性的影响 Fig. 6 Influences of different steel slag contents on water stability of asphalt mixtures |
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Guo等[57]进行了干湿和冻融循环试验，研究了钢渣沥青混合料的长期水损害问题，结果显示，50%钢渣掺量的沥青混合料的长期耐水性较普通沥青混合料提高了11%，水稳定性能优异。Wang等[58]研究发现，钢渣经浸泡后会形成氢氧化钙晶体，使骨料表面粗糙度增加，从而提高混合料的内摩擦角，增强其抗变形能力。刘晋周等[59]通过分子动力学模拟，发现钢渣中C2S，C3S，Ca2Fe2O5等强碱矿物的水敏感性较低，能提升钢渣的抗水损害能力。为了区分钢渣沥青混合料水稳定性的影响因素权重比，Jiang等[60]通过各种试验对不同制备工艺的沥青混合料进行比较，并采用灰色关联法分析，得出了水稳定性的主要影响因素依次为沥青、集料、级配、粒径。
综上所述，钢渣对沥青混合料的水稳定性具有双重作用，过多的钢渣掺入会增加空隙率、剥落风险，导致水稳定性下降。因此，钢渣掺量的合理控制是确保钢渣沥青混合料水稳定性的关键，建议钢渣的掺量范围为30%~70%。
3.4 体积稳定性钢渣作为集料的沥青混合料遇水易发生膨胀，进而导致路面结构层发生断裂、鼓包和结构松散等问题。为了评估钢渣沥青混合料的体积稳定性，需要进行体积膨胀率测试。本节总结了不同钢渣掺量对不同级配下沥青混合料体积稳定性的影响，如图 7所示[41-42, 49, 51, 61-62]。
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| 图 7 体积膨胀率 Fig. 7 Volume expansion rate |
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根据图 7(a)中数据可知，沥青混合料的体积膨胀率与钢渣掺量成正相关，即钢渣掺量越高，沥青混合料的体积膨胀率越大。分析认为，随着钢渣掺量增加，钢渣集料中的f-CaO和f-MgO含量相应增多，从而增加了体积膨胀风险。对比不同钢渣粒径可以发现，钢渣作细集料的体积膨胀率通常大于作粗集料的情况，如图 7(b)所示。这是由于细钢渣杂质含量较多，其比表面积也更大，导致在浸水过程中，更多不稳定物质与水接触，从而膨胀量也更大。值得注意的是，当钢渣细集料掺量达到54%时，沥青混合料的体积膨胀率突然下降，这是由于细集料钢渣所用沥青量较大，减少了钢渣与水的接触，从而减小了膨胀的可能性。
此外，钢渣的膨胀率还受到铁矿石特性、处理工艺以及陈化时间等因素影响，且不同钢厂之间存在差异性。因此，在考虑钢渣沥青混合料的体积稳定性时，建议控制钢渣掺量在50%以下，并充分考虑钢渣的来源和处理工艺，以减少钢渣体积膨胀引起的潜在问题。
3.5 抗疲劳性钢渣作为一种强度高且黏附性良好的材料，为沥青混合料的抗疲劳性能提供了独特优势。国内外学者基于不同钢渣掺量，对混合料的抗疲劳性能进行了研究，如表 3所示。
根据表 3中数据，适量的钢渣掺量可以有效提高沥青混合料的抗疲劳性能，延长其疲劳寿命。然而，过高的钢渣掺量将会导致抗疲劳性能下降，甚至低于未掺钢渣的水平。分析认为，钢渣表面的粗糙结构增大了集料和沥青之间的接触面积。同时，钢渣与沥青反应后极大增强了两者的黏附性，使得钢渣沥青混合料在经受交通荷载循环时更能抵抗裂纹扩展和应力累积，从而延长了混合料的使用寿命。然而，过多地添加钢渣会显著增加沥青混合料的初始劲度模量，导致在相同应变水平下承受更大的疲劳应力，降低其疲劳寿命。因此，在实际工程中，需要权衡钢渣掺量与混合料的性能要求，以确定适宜的掺量水平。此外，浸水时间对沥青混合料的疲劳寿命也会产生显著影响。研究结果表明，随着浸水时间的增加，钢渣沥青混合料的疲劳寿命逐渐减小[67]。曹静[68]在浸水的基础上，研究了改性前后钢渣沥青混合料的疲劳性能，发现改性钢渣沥青混合料的疲劳寿命优于未改性和普通沥青混合料。
综合来看，当钢渣掺量在25%~50%时，钢渣沥青混合料表现出较好的抗疲劳性能。但在具体工程中仍需结合实际情况进行综合考虑和优化设计，以提升路面的安全性和持久性。
3.6 抗滑性沥青路面的抗滑性对车辆行驶安全至关重要，通常以摆值(BPN)作为其评价指标。研究表明，钢渣的添加能提升混合料的抗滑性能，提升幅度为7.8%~12.3%，如图 8所示[43, 45, 48, 61, 69]。分析认为，钢渣的表面粗糙和棱角性优于玄武岩、石灰岩等天然集料，可以增加混合料的表面粗糙度，增强路面与车辆轮胎之间的摩擦力，从而提高抗滑性能。但由于部分钢渣呈现近立方体形状，导致表面凸起的尖锐程度降低，这时钢渣的过多掺入反而会影响路面的抗滑能力。此外，过多的钢渣颗粒会占据沥青和集料之间的接触面积，减少沥青与集料的黏结强度，影响摩擦力的传递[45, 69-70]。
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| 图 8 不同钢渣掺量对沥青混合料抗滑性的影响 Fig. 8 Influences of different steel slag contents on skid resistance of asphalt mixtures |
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研究人员还研究了钢渣掺量对混合料长期抗滑性能的影响。Ji等[71]通过钢渣的矿物组成预测其混合料的长期抗滑性，发现混合料的长期抗滑性与钢渣掺量呈非线性关系，并指出钢渣掺量为50%时，其长期抗滑性最佳。Cui等[72]和Wang等[73]将激光扫描技术与数字化分析方法相结合，研究了钢渣的抗滑机理，结果表明钢渣具有更强的联锁结构和轮廓指数，能减小横向与竖向位移，从而显示出更优异的抗滑性能。此外，冯宝珠[44]分别用钢渣替换粗细集料，通过三轮加速磨光试验对比了抗滑性能，发现钢渣作为粗集料对混合料的抗滑性能贡献更大。
总体而言，钢渣沥青混合料的抗滑性能优于普通沥青混合料，鉴于各钢渣掺量下混合料的摆值均远大于45的规范要求，综合考虑长期抗滑性、经济效益和各向性能的影响，建议将钢渣的掺量控制在20%~60%之间。
3.7 各性能平衡区间分析综上所述，钢渣掺量对沥青混合料路用性能的影响规律并不一致。由于钢渣表面多孔、粗糙、棱角丰富等特点，可显著提升混合料的水稳定性、高温稳定性、抗疲劳性以及抗滑性。然而，因钢渣体积易膨胀，会降低混合料的体积稳定性。关于钢渣对混合料低温抗裂性的影响，存在不同观点，需进一步研究。由此，综合考虑钢渣沥青混合料的各项性能，发现钢渣掺量为40%~50%时，各项性能指标均衡，总体表现较好，如图 9所示。对于个别具有特殊要求的情况，可以进行针对性的优化设计，以满足特定要求。
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| 图 9 确定最佳钢渣掺量 Fig. 9 Determining optimal content of steel slag |
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4 钢渣沥青混合料的综合评估 4.1 经济效益评估
沥青混合料的直接经济成本主要由原材料、加工和施工成本3部分构成。如图 10(a)所示[74]，钢渣沥青混合料的成本存在高于普通沥青混合料的情况。一方面，这是由于钢渣沥青混合料的密度较大，导致每立方米的加工和运输费用增加，进而形成较高的加工和施工成本。另一方面，虽然钢渣集料的单价相对较低，但由于钢渣表面呈多孔性质，使得沥青用量增加，因此钢渣沥青混合料在材料单价上无明显的优势。此外，材料成本还受材料价格和运输距离等因素的影响，如图 10(b)所示[74]。根据图示，随着天然集料价格的增加，钢渣沥青混合料的经济优势越发明显。然而，钢渣沥青混合料的成本随着运输距离的增加而递增。因此，在中国天然集料短缺问题逐渐凸显且相关开采受到限制的情况下，钢渣沥青混合料在一定的运输距离范围内将成为更加经济高效的选择。
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| 图 10 经济成本分析 Fig. 10 Analysis on economic cost |
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中国东部地区的钢渣产量高于西部地区，同时钢渣售价与东西部石料价格之间存在较大差异，从而导致钢渣沥青混合料在不同地区的生产成本和经济效益呈现差异化特点。因此，在采用钢渣沥青混合料之前，需要综合考虑不同地区的经济使用半径，并进行全面的经济效益评估，包括成本分析、生命周期成本考虑以及工程质量评估等，以进一步推动钢渣在工程实践中的广泛应用。
4.2 体积膨胀性评估目前国内外已开发多种方法来调控钢渣的体积膨胀性，根据原理主要分为促进、抑制f-CaO水化和消除f-CaO这3大类，其作用效果如图 11(a)所示[28, 75-78]。陈化法作为促进f-CaO水化的主要方法，可使膨胀率减小80%以上。消除f-CaO的方法也可使膨胀率减小80%以上。相比之下，抑制f-CaO水化的作用效果相对较差。除了上述提到的调控方法外，近年来，微生物介入快速矿化的技术引起了广泛关注，这是一种基于间接碳酸化技术演变而来的新型方法，通过微生物介导，实现对钢渣中的化学成分转化、降解，从而降低其膨胀性[79-81]。
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| 图 11 不同处理工艺及其作用效果 Fig. 11 Different treatment technologies and effects |
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钢渣经处理后用于沥青混合料的制备，能有效提高钢渣沥青混合料的体积稳定性。同时，沥青的包裹作用能防止钢渣与水的接触，进一步降低钢渣膨胀的风险。如图 11(b)所示[10, 67, 78, 82-88]，采用改性剂对钢渣进行处理，能够显著降低钢渣沥青混合料的体积膨胀率，不同改性剂的降低幅度为11.4%~41.7%。此外，使用改性钢渣不仅能降低油石比，减少沥青用量，还能提升沥青混合料的水稳定性、高温稳定性和低温抗裂性[10, 89-91]。作为促进f-CaO的典型代表，自然陈化和热闷法的处理效果要优于改性处理，体积膨胀率降幅超过50%。然而，碳酸化处理后的钢渣其效果存在着较大的变动幅度，且由于当前相关研究较少，酸碱中和法和外掺和材料法对钢渣沥青混合料的应用效果仍需进一步研究。
为了解决传统陈化法耗时长、占地大等问题，水热陈化和蒸汽陈化法因其高效率而备受青睐，但由于两者对设备要求高且能耗大，应用受到限制。改性处理工艺相对来说较为简单，但未能彻底消除钢渣体积膨胀的风险。酸碱法和外掺料法的处理效果虽佳，但依赖额外添加剂，增加了生产成本。因此，针对目前不同的工程项目，需综合考虑需求、条件限制以及成本效益等因素，选择适合的钢渣处理方法，并可将不同方法组合使用，以追求更佳的改性效果。展望未来，亟需研发低成本、高效、简易快捷的钢渣处理技术，以进一步改善钢渣的应用性能，提高钢渣处理过程的效率并降低成本，为工程建设带来更好的灵活性。
4.3 环境影响评估钢渣中含有多种重金属等有毒物质，因此将其作为筑路材料时，需要进行长期环境监测与评估，以确定对周围土壤和水体的潜在危害。研究发现，经一定时间的陈化，钢渣中的重金属浸出率显著减少，当沥青与钢渣混合后，沥青的包裹作用进一步降低了重金属的浸出率[92]。然而，随着沥青路面的服役，路面会受到来自荷载、水损害等因素的影响，导致沥青从钢渣表面脱落，从而增加重金属释放的风险。因此，研究人员对钢渣沥青混合料浸出液进行了详细研究，并从不同因素的角度进行了评估，结果如图 12所示[93-94]。
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| 图 12 不同条件下重金属的浸出 Fig. 12 Leaching of heavy metals under different conditions |
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首先，随着沥青用量的增加，Fe，Cu，Mn的浓度呈不同程度的下降趋势。这表明增加沥青用量可以提高对钢渣的固封效果，但随着沥青用量的进一步增加，其抑制重金属浸出的效果逐渐减弱。因此，在确定沥青用量时，需找到合适的平衡点，以兼顾经济性和环境友好性。其次，随着温度升高，混合料中重金属的浸出率逐渐增加。相较低温下，高温使得重金属的溶解和迁移更加明显，不利于减少重金属的释放。另外，对比AC和PAC这2种级配发现，混合料的空隙率增大会导致重金属浸出量增加。因此，若将钢渣应用于透水沥青路面，需对其潜在的环境污染风险进行严格评估。最后，对钢渣沥青混合料长时间的浸水监测，发现随着浸泡时间的增加，各重金属的浸出率呈递增趋势，但增长速率逐渐减缓。胡锐[95]基于重金属释放模型对钢渣沥青路面进行了为期15 a的模拟预测，结果显示其扩散至地下水中的重金属浓度均远低于生活用水标准。
5 结论与展望本研究综述了钢渣沥青混合料的应用与研究进展、制备与施工过程中需要注意的问题以及钢渣掺量对混合料性质的影响，并探讨了钢渣的处理方法和未来发展方向，主要结论如下：
(1) 钢渣沥青混合料的制备过程中，原材料性能的选择以及钢渣掺量的合理调配，对混合料性质具有至关重要的影响。同时，需要特别关注钢渣的膨胀性、混合料加热时间以及温度控制等关键问题。在混合料的界面作用机理方面，由于钢渣表面粗糙多孔等性质，使得钢渣-沥青之间的界面强度优于其他天然集料。
(2) 由于钢渣独特的导热性能、多维孔结构以及较大的相对密度，使得钢渣沥青混合料的施工工艺与普通沥青路面有所区别，主要表现在运输、摊铺和碾压工序上。因此，在施工过程中，需严格遵循“合格材料筛选、精确温度控制、均匀铺设压实”的原则，以确保钢渣沥青混合料的质量和可靠性。
(3) 基于国内外学者的研究成果，总结了钢渣掺量对沥青混合料路用性能的影响。主要表现为：适量的钢渣掺量能显著提高沥青混合料的高温稳定性、水稳定性、抗疲劳性以及抗滑性，但随着钢渣掺量的增加，沥青混合料的体积稳定性会降低，而钢渣对沥青混合料的低温抗裂性影响尚需进一步研究。综合考虑，建议将钢渣掺量控制在40%~50%之间，以获得更优异的路用性能。
(4) 在中国天然集料逐渐短缺的背景下，钢渣沥青混合料在一定的运输距离范围内将成为更经济高效的选择。针对钢渣的体积膨胀性，不同处理方法之间优缺点明显，应综合考虑工程需求、成本效益和条件限制来选择合适的处理方法。此外，亟需要研发低成本、高效、简易快捷的钢渣处理技术，以提高钢渣应用性能和处理效率。钢渣作为筑路材料，在符合质量标准的条件下使用，其对环境的潜在危害可以得到有效控制。
随着中国在绿色发展之路上不断迈进，对钢渣的研究工作也将持续深入。通过探索钢渣成套化处理工艺、发展精细分离技术以及增加应用领域，逐步实现钢渣的“梯度利用”，从而有效减少加工过程中的资源浪费。同时，结合环境和质量控制，并采取相应经济激励措施，将钢渣固碳技术与中国的“碳达峰、碳中和”目标紧密结合，进而推动钢渣的高值化、资源化与规模化利用，以在全球气候变化应对领域发挥实质性作用。展望未来，期待钢渣在应用和创新方面取得更进一步的突破，推动中国钢铁产业向更环保、更高效的方向发展，为建设资源节约型和环境友好型社会做出卓越贡献。
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