低碳沥青混合料中工业固废（钢渣 / 矿粉）协同改性机理与性能优化

一、引言

随着交通基础设施建设的快速发展，沥青混合料作为道路工程的主要材料，其生产与使用消耗了大量的自然资源，同时产生了较高的碳排放。工业固废（如钢渣、矿粉）的大量堆积不仅占用土地资源，还对生态环境造成严重威胁 。将工业固废应用于沥青混合料中，实现固废资源化利用，是降低道路工程碳排放、推动低碳发展的重要途径。

钢渣是炼钢过程中产生的废渣，具有强度高、耐磨性好等特点；矿粉是矿石加工过程中的细粉末，具有良好的填充和活性作用 。研究表明，钢渣和矿粉协同应用于沥青混合料，可有效改善混合料性能，同时减少传统材料的使用，降低碳排放。然而，目前对于钢渣和矿粉在低碳沥青混合料中的协同改性机理及性能优化方法研究尚不够深入。因此，开展相关研究对促进工业固废资源化利用、推动道路工程绿色低碳发展具有重要的现实意义。

二、工业固废（钢渣 / 矿粉）协同改性沥青混合料的机理

（一）物理填充作用

钢渣和矿粉具有不同的粒径分布，二者协同掺入沥青混合料后，能够相互填充空隙，形成更致密的结构 。矿粉的粒径较小，可填充于钢渣颗粒之间的孔隙以及沥青胶浆的微小空隙中，减少混合料内部的空隙率；钢渣颗粒则作为骨架结构，为混合料提供强度支撑。这种物理填充作用使沥青混合料的密实度提高，从而增强其整体力学性能。

（二）化学活性激发作用

钢渣中含有一定量的活性成分（如游离氧化钙、氧化镁等），矿粉中也存在部分活性物质 。在沥青混合料的拌和与使用过程中，这些活性成分与沥青中的酸性物质以及周围环境中的水分发生化学反应，生成具有胶凝性质的物质，增强了沥青与集料之间的黏结力 。同时，化学反应的进行还能改善混合料的微观结构，提高其耐久性和抗疲劳性能。

（三）界面增强作用

钢渣和矿粉的表面性质与传统集料和矿粉有所不同，其表面粗糙且具有一定的亲水性 。当钢渣和矿粉协同掺入沥青混合料后，能够改善沥青与集料之间的界面状态。一方面，粗糙的表面增加了沥青与颗粒的接触面积，使沥青能够更好地包裹集料；另一方面，亲水性物质有助于沥青与集料之间形成更强的物理吸附和化学结合，提高界面的黏结强度，从而提升沥青混合料的水稳定性和抗剥落性能。

三、工业固废（钢渣 / 矿粉）对沥青混合料性能的影响及优化

（一）对路用性能的影响

1.高温稳定性

适量掺入钢渣和矿粉可提高沥青混合料的高温稳定性。钢渣的高强度和高硬度使其能够在高温下抵抗变形，作为骨架增强混合料的抗车辙能力；矿粉的填充作用则使沥青胶浆更加黏稠，限制沥青的流动，进一步提升高温稳定性 。但当钢渣掺量过高时，可能会因颗粒间的嵌挤不良导致混合料内部结构松散，反而降低高温稳定性。

2.低温抗裂性

钢渣和矿粉的协同作用对沥青混合料的低温抗裂性具有双重影响。一方面，合理的掺量可以改善混合料的柔韧性，使混合料在低温下能够更好地适应变形，减少裂缝的产生；另一方面，若掺量不当，可能会导致混合料内部应力集中，降低低温抗裂性能 。通过优化二者的掺量和粒径级配，可有效提高沥青混合料的低温抗裂性。

3.水稳定性

由于钢渣和矿粉对沥青的黏附性增强作用，协同改性后的沥青混合料水稳定性得到显著提升 。它们能够减少水分对沥青与集料界面的侵蚀，降

低因水损害导致的剥落和松散现象发生的概率。

（二）对低碳性能的影响

将钢渣和矿粉应用于沥青混合料中，替代部分传统集料和矿粉，减少了天然资源的开采，降低了生产过程中的能源消耗和碳排放 。同时，工业固废的资源化利用避免了其堆积造成的环境问题，具有显著的低碳环保效益。

（三）性能优化方法

1.优化掺量与级配

通过大量室内试验，研究不同钢渣和矿粉掺量、粒径级配组合对沥青混合料性能的影响，确定最佳掺量和级配方案 。例如，采用正交试验设计，系统分析钢渣（ 20%-40% ）、矿粉（ 5%-15% ）不同掺量下混合料的各项性能指标，找到使混合料综合性能最优的组合。

2.表面改性处理

对钢渣和矿粉进行表面改性，如采用化学药剂处理，改善其表面活性和与沥青的相容性 。例如，使用偶联剂对钢渣表面进行处理，增强钢渣与沥青的黏结力，进一步提升沥青混合料的性能。

3.与其他改性剂协同使用

将钢渣、矿粉与橡胶粉、纤维等其他改性剂协同使用，发挥不同改性剂的优势，实现沥青混合料性能的全面提升 。例如，钢渣和矿粉与纤维协同改性，可同时提高混合料的高温稳定性、低温抗裂性和抗疲劳性能。

四、案例分析

在某城市道路改造工程中，采用了钢渣和矿粉协同改性的低碳沥青混合料。通过前期试验确定钢渣掺量为 30% 、矿粉掺量为 10% ，并优化了二者的粒径级配 。施工完成后，对道路进行性能检测，结果显示：与传统沥青混合料相比，该改性沥青混合料的动稳定度提高了 40% ，低温弯曲破坏应变增加了 25% ，残留稳定度提升了 15% ，有效改善了道路的路用性能。同时，经测算，该工程减少了天然集料使用量约 25% ，降低碳排放约 18% ，实现了良好的低碳环保效益，验证了钢渣和矿粉协同改性在实际工程中的可行性和有效性。

五、结论

钢渣和矿粉在低碳沥青混合料中具有显著的协同改性作用，通过物理填充、化学活性激发和界面增强等机理，能够有效改善沥青混合料的路用性能和低碳性能 。通过优化掺量与级配、表面改性处理以及与其他改性剂协同使用等方法，可进一步提升混合料的综合性能。实际工程案例表明，钢渣和矿粉协同改性的低碳沥青混合料具有良好的应用效果，能够实现道路工程的绿色低碳发展。

然而，目前工业固废在沥青混合料中的应用仍存在一些问题，如钢渣的安定性问题、不同来源工业固废性能差异较大等。未来，需要进一步深入研究工业固废的预处理技术、性能评价标准，完善相关应用规范，推动工业固废在低碳沥青混合料中的广泛应用，为实现交通基础设施建设的可持续发展提供有力支撑。

参考文献

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