《Journal of Road Engineering》：State of the art of asphalt pavement aggregate and aggregate alternatives in the context of China’s long-life pavement concepts
引言
自20世纪末以来，为延长道路使用寿命并最大限度地减少沥青和集料等不可再生资源的消耗，各国纷纷启动了长寿命路面的研究。长寿命路面，也称为永久性路面，设计使用寿命为50年或以上，期间无需进行结构性重建，仅需定期进行表面功能性修复。在中国，提出的长寿命路面技术体系包含结构、材料、监测、质量控制和维护五个关键组成部分。当前研究充分强调了路面结构和材料在延长服务寿命中的作用。
沥青路面集料及集料替代品概述
集料作为沥青混合料中的主要组成部分，约占混合物质量的90%至95%。因此，集料级配及其固有特性显著影响沥青混合料的使用寿命。随着高品质天然集料资源的逐渐枯竭，各种集料产品相继出现，导致集料质量存在显著变异性。根据来源和加工方法的不同，集料主要分为天然集料、废弃集料和人造集料三类。
天然集料
天然集料通常包括砂、砾石和碎石，具有良好的物理和化学性质。现有研究表明，集料的岩性显著影响其性能，特别是与沥青的粘附性，并非所有集料都适用于长寿命路面建设。此外，作为不可再生资源，高品质集料的产量下降和成本上升正逐渐限制其在长寿命路面中的应用。从2020年到2024年，中国天然集料产量下降了23.6%。研究表明，天然集料的生产带来了显著的环境负担，其中岩石开采和破碎子过程占总环境影响的90%以上。这些发现凸显了寻找合适替代集料材料的迫切性。
废弃集料
建筑固体废弃物集料
建筑固体废弃物是固体废弃物集料的主要来源。据统计，2020年中国产生了约50亿吨建筑垃圾，其中约15至20亿吨为建筑固体废弃物，但利用率仅为5%，导致了大量的土地资源浪费和环境问题。建筑固体废弃物的应用有助于减少废弃物堆积、节约自然资源并减少环境污染。在建筑固体废弃物中，再生沥青路面（RAP）和再生水泥混凝土集料（RCA）是应用最广泛的固体废弃物集料。
RAP的质量由于材料来源、回收方法和结构分层等因素差异很大，沥青含量和集料级配变异性高。由于长寿命路面对集料的高质量要求，有必要对RAP进行预处理以减少其变异性。最常见的预处理方法是物理机械剥离。研究表明，机械处理可改善RAP质量并减少变异性。精细分离的RAP表现出良好的力学性能，压碎值在13.7%至15.8%之间。低温和多次分离工艺有助于减少RAP结块。然而，增加精细分离RAP的含量仍对热拌沥青混合料（HMA）的低温性能和水稳定性有显著影响。因此，精细分离的RAP仍需与常规集料结合使用。现有研究表明，将RAP掺入HMA可降低能耗和碳排放5%至15%。
由于表面存在水泥砂浆，RCA表现出高孔隙率（20%–35%）、较差的力学性能（压碎值15%–30%）和高吸水率（3%–15%）。尽管通过改进破碎工艺和严格控制粒径可以有效提高RCA的质量，但与天然集料相比仍有明显差距。因此，RCA通常用于基层。当用于面层时，它会影响路用性能和疲劳性能，因此掺量不宜过高，且只能用于下层。为了增强RCA的应用潜力，研究人员提出了强化方法，包括化学试剂（如水玻璃、酸、有机硅树脂）和物理方法（如超声波清洗）。破碎的建筑混凝土块由于含有木屑、钢筋和铁屑等杂质，会降低压碎值、含泥量等性能。常见的除杂方法包括风选、磁选和清洗。尽管经过这些处理，破碎的建筑混凝土块仍需要通过物理或化学方法进行进一步强化。强化后的集料性能显著改善，接近天然集料的性能。
除了RAP和RCA，建筑废弃物中的砖、陶瓷和玻璃等材料也显示出作为集料替代品的潜力。由于再生砖集料性能较差，本综述主要关注玻璃。与天然集料相比，玻璃具有较低的热导率和较好的反射性能，使其适合作为沥青路面建设中的功能材料。作为一种脆性材料，较大粒径的碎玻璃含有更多针片状颗粒，纹理特性较差。加工后的废玻璃集料的压碎值高于天然集料（15%-30%）。然而，它们表现出较低的吸水率和较好的耐久性，因此仅适合作为沥青混合料中的细集料。玻璃的酸性性质显著影响路面性能，限制了其使用比例低于15%。值得注意的是，当使用环氧沥青时，玻璃集料可以增强路面性能。
工业固体废弃物集料
工业固体废弃物材料，如钢渣、铁尾矿和煤矸石，越来越多地用于生产废弃集料。
与天然集料相比，钢渣具有多种优势，包括高碱度、与沥青良好的粘附性、优异的强度（压碎值：12%–15%）和更好的耐磨性（洛杉矶磨耗值：8%–13%）。然而，其高孔隙率（>5%）和吸水率（1%–3%），以及潜在的体积稳定性差的问题，限制了其作为替代集料的应用。为了改善钢渣的体积稳定性，已开发出两种主要方法：基于工艺的预处理（如热闷、水淬）和老化处理（如自然老化和高压蒸汽处理）。研究表明，这两种方法都能有效降低钢渣的膨胀率。钢渣集料的高孔隙率增加了混合料制备时的沥青用量要求，加剧了沥青吸收效应。为了缓解这些问题，常见的方法是将钢渣粗集料与天然集料混合使用，以减少高孔隙率带来的不利影响。在现有研究中，替代率从20%到100%不等。然而，由于工作性考虑，钢渣含量不建议超过75%。在经济和环境效益方面，结合钢渣和RAP可以实现集料成本降低42%，同时保持路面性能，并验证了这种方法的可持续性。
铁尾矿是矿石选矿的副产品，构成了工业固体废物的很大一部分。中国每年排放约5亿吨铁尾矿，目前累积量达数十亿吨。然而，利用率仅为7%，导致严重的资源浪费。虽然铁尾矿的性能因加工方法而异，但它们通常表现出比钢渣更好的稳定性。铁尾矿粗集料存在形态缺陷，如针片状颗粒含量高（15%–25%）和力学性能差（压碎值：25%–40%）。当前研究主要集中在将铁尾矿作为沥青混合料中细集料和矿物填料的替代品。铁尾矿呈碱性，作为矿物填料时表现出优异的粘附性，能有效增强沥青混合料的高温性能。值得注意的是，铁尾矿作为替代集料可以赋予沥青混合料常规性能之外的其他功能，例如提高微波加热效率。
煤矸石是煤炭工业的副产品，产量大，对环境构成重大挑战。研究表明，煤矸石的化学成分和物理结构高度多样化，导致性能变异性大。经过破碎和筛分后，部分煤矸石集料表现出良好的力学性能（压碎值：13.2%–29.5%）、耐久性和形态特征。然而，它们的耐磨性相对较差（洛杉矶磨耗值：25%–40%）。大多数煤矸石含有大量的SiO2，呈酸性，导致与沥青的粘附性差，对沥青混合料的水稳定性产生负面影响。除了用作集料外，煤矸石粉由于其高活性组分含量，也被用作沥青混合料中的填料。当煤矸石粉与矿粉混合作为填料时，大多数路用性能指标显著改善。为了推进煤矸石在路面中的应用，研究人员开始关注性能增强方案。增强煤矸石集料性能的方法包括煅烧、活性硅铝改性、浆料涂层改性和生物诱导沉淀强化等。这些方法有效改善了煤矸石集料的质量和效用。
人造集料
随着科技进步，人造集料的性能显著提高，部分产品已满足长寿命路面建设的要求。代表性集料包括碱激发集料、煅烧矾土集料和磷石膏基集料。其中，磷石膏基集料具有良好的棱角性但纹理特性差，不适用于表层。煅烧矾土集料比天然集料具有更高的强度和优异的耐磨性，是长寿命路面表层的理想材料。同样，只要原材料合适，碱激发集料可以达到与天然集料相当的性能。然而，人造集料仍面临挑战，包括生产成本高、二氧化碳排放量大和其他空气污染物，这限制了其更广泛的应用。
各类集料的特性总结表明，钢渣和两种人造集料表现出最佳的强度和耐磨性，其压碎值和洛杉矶磨耗值与天然集料相当甚至更优。然而，它们分别存在稳定性与工作性问题以及高成本问题。RAP和RCA的力学性能与天然集料相比存在显著缺陷，尤其是洛杉矶磨耗值高达45%。通过物理或化学方法增强这些材料是实现高替代率的关键。铁尾矿和玻璃也存在明显的力学性能缺陷，洛杉矶磨耗值高达40%，并分别伴有高孔隙率和表面特性差等问题。煤矸石表现出最差的力学性能，洛杉矶磨耗值在30%至50%之间。
长寿命路面理念下的性能要求
由于沥青路面基层对集料的性能要求相对较低，本综述主要关注面层集料的性能要求。在中国，高等级沥青路面的面层通常包括三个子层：表层、中层和底层。为确保沥青路面结构层的强度和耐久性，必须基于这些层的功能进行针对性的材料组成设计。研究表明，长寿命沥青路面应保持其结构层完整性50年，而功能性表层需要每6-10年维护一次。与常规路面相比，长寿命路面的使用寿命预计延长一倍以上。荷载和环境因素的耦合效应可能呈指数级增长。然而，简单地提高材料规范要求会导致性能冗余。在高品质天然集料资源日益减少的背景下，更合适的方法是根据长寿命路面不同层的具体需求对集料及其替代品进行分类。因此，每层使用的集料必须表现出针对其功能角色的特定属性。
表层
沥青路面的表层直接与车辆轮胎接触，不仅需要表现出高强度、抗车辙性和优异的水稳定性，还需要满足抗滑、减溅降噪等功能要求。该层使用的集料通常采用密级配或断级配，公称最大粒径范围为10毫米至16毫米，这有利于抗滑和抗水损害。当关注集料特性时，抗滑耐久性主要取决于集料的初始表面纹理和耐磨性。此外，集料的形状影响路面的宏观纹理和粗纹理，这是降噪的关键因素。因此，为保持表面功能6-10年，用于表层的集料必须满足基本性能标准，并表现出优异的初始形状特征和耐磨性。
中层
沥青路面的中层主要功能是分布荷载，是承受车轮荷载冲击的高应力区。设计时通常采用高模量沥青混凝土，要求高强度和优异的耐久性。该层通常使用密级配或断级配集料，公称最大集料尺寸范围为19毫米至25毫米，这确保了承载能力和变形控制。现有研究表明，抵抗高应力和高温变形依赖于集料颗粒形成的嵌锁骨架结构。集料的棱角性和表面纹理对于该骨架结构的形成和稳定性至关重要。此外，集料的质量和级配显著影响沥青混合料的耐久性。随着结构层使用寿命延长至50年，路面承受的重载次数增加，中层集料需要具有更优异的棱角性和表面纹理，以建立更稳定的骨架结构。此外，这些集料必须表现出更高的强度。然而，由于中层不直接与车辆轮胎接触，耐磨性标准可以适当放宽。
底层
沥青路面的底层主要承受交通荷载产生的弯曲和拉应力，主要抵抗疲劳开裂。该层集料也采用密级配，但公称最大粒径通常大于25毫米，确保高模量和高密度，这有助于抗疲劳和抗永久变形。通常采用高柔性沥青混凝土。现有研究表明，针片状颗粒和软弱颗粒含量、集料岩性和强度等因素显著影响沥青混合料的疲劳性能。其中，集料岩性是决定其与沥青粘附性的关键。随着深度增加，荷载减小，底层承受的峰值荷载相对较低。该层集料的强度要求可以适当放宽。然而，当结构层使用寿命延长至50年时，疲劳荷载循环次数增加2-3倍。因此，必须增强集料的抗重复荷载能力，同时控制针片状和软弱颗粒含量，并优化其与沥青的粘附性能。
根据现有研究，各层级对集料的要求可以总结为：强度、耐磨性、抗疲劳性、表面纹理、颗粒形状、棱角性和与沥青的粘附性在不同层位各有侧重，但集料轮廓、棱角性和与沥青的粘附性无论集料用于哪一层都是至关重要的。
集料及集料替代品的应用方向
在长寿命路面理念下，各类集料的应用趋势可以总结为：随着天然集料的枯竭，再生集料和人造集料是未来发展的关键方向。功能集料是指可用于建造功能性路面的集料，其功能包括降温、导电、反射等。
对于建筑废弃物集料，控制预处理技术可以增强RAP的力学性能和形态特征，使其与部分天然集料结合时有可能成为长寿命路面集料。然而，由于RAP表面覆盖老化沥青，其粘附性能需要进一步研究。此外，从表层铣刨的RAP因长期磨耗导致表面纹理严重退化，不适合在表层重复使用。经过初步破碎的RCA不适合铺筑长寿命路面，需要考虑物理和化学增强技术。RCA的碱度有利于与沥青的粘附，因此不应使用酸性增强剂。此外，在应用前需要全面评估增强技术的经济和环境效益。玻璃集料仅限于需要在特定路段具有反射或降温功能的沥青混合料中使用。当使用环氧沥青作为结合料时，玻璃集料可以实现优异的性能。
经过老化处理的钢渣是长寿命路面的理想材料，特别是作为表层的粗集料。其优异的耐磨性和抗滑性能有助于保持路面功能。然而，要完全替代天然集料，钢渣需要通过工艺改进或后处理来解决高孔隙率和高沥青消耗量等问题。钢渣破碎产生的细集料和填料比表面积大，对体积稳定性影响显著，不适合长寿命路面建设。同时，由于其高强度和密度，生产钢渣细集料消耗大量能源，导致能耗增加和环境污染，这与利用固体废弃物集料的初衷相悖。铁尾矿砂和粉是长寿命路面细集料和填料的潜在替代品。需要进一步研究阐明其对路用性能的影响，并开发改善其内在性能的方法。评估应侧重于其形态特征和孔隙率。其良好的导电性和传热性能使其在实现路面表面多功能性方面具有优势。未来的研究应利用这些功能特性，同时确保令人满意的性能。同样，与铁尾矿类似，煤矸石粗集料不适合铺筑长寿命路面。然而，经过处理的煤矸石砂和粉有潜力作为替代材料。鉴于其酸性性质，必须特别注意其与沥青的粘附性能。
人造集料虽然具有优异且可控的特性，但面临着平衡成本与性能的挑战。尽管长寿命路面材料的成本要求不如常规材料严格，但在人造集料生产过程中实现降本增效对于更广泛的应用和采用仍然至关重要。
长寿命路面理念下的性能评价方法
传统评价方法
本综述主要参考《公路工程集料试验规程》（JTG E3432-2024）（以下简称“规程”）。根据规程，集料的性能大致可分为两类：力学性能和物理化学特性。传统方法评价集料性能的缺陷可总结为：无法完全模拟实际应力状态、试验方法存在局限性、评价指标不完善。
不同路面层的应力状态因路面结构和材料而异，但可以总结出一些普遍规律：表层承受最高的压应力，并随深度逐渐减小。当沥青层较厚时，底层可能出现拉应力。剪应力随深度增加，影响中层和底层，底层承受最大剪应力。因此，仅通过传统方法中的压应力和冲击力来评价集料的强度和耐久性，无法完全满足长寿命路面的发展要求。同时，评价耐磨性的方法存在样本量有限、标准试件过时、试验程序繁琐和试验误差大等缺点。在规程中，进行了冻融试验和高温稳定性试验来评价集料的抗冻性和耐热老化性，但仅以质量损失和磨耗值变化作为评价指标。
在集料的物理特性中，含泥量和砂当量值影响集料与沥青的粘附性。化学性质主要影响集料与沥青的粘附性。传统的粘附性能试验方法，如沸水试验，存在主观性强、缺乏可量化指标的缺点。先进的方法，如光电比色法和静水搅拌吸附试验，能够进行定量评价，但仍依赖于剥落行为等间接测量。机械拉伸试验，如拉拔试验，直接评估粘附强度。然而，它们通常使用玻璃等平坦基板或单一集料类型，难以评价不同集料的粘附性。
在规程中，集料形态特征的评价方法有限。现有试验侧重于集料轮廓和棱角性特征，如针片状颗粒试验、碎石含量试验、平均厚度和中值粒径试验以及棱角性试验。集料形态包括轮廓、棱角性和表面纹理。在长寿命路面理念下，无论哪一层级，集料形态都至关重要。特别是对于粗集料，形态不仅影响路面功能，还影响骨架结构的形成，进而影响高低温性能、水稳定性等路面特性。因此，迫切需要更全面的集料形态评价方法和指标。
符合长寿命路面的力学性能评价方法
强度和耐久性
三轴试验可以评价材料在复杂应力条件下的力学性能，比常规试验更适用于评估多轴应力状态，满足长寿命路面的需求。三轴试验可分为常规三轴试验和真三轴试验。
一些研究已经利用这些方法评价岩石的性能。研究了高温和三轴应力联合作用下岩石的力学参数，得出结论：中间主应力对花岗岩的起裂应力影响最显著。通过真三轴试验，检验了不同应力和温度条件下砂岩的强度特性，发现砂岩的变形参数通常与三轴应力呈正相关。真三轴试验可以根据不同路面层的应力条件确定试验参数，更好地满足长寿命路面集料的需求。然而，真三轴试验较高的成本和复杂性也限制了其广泛应用。常用的真三轴试验方法总结表明，刚性加载真三轴仪测量精度最高，可以实现全三向拉应力状态。然而，其测量过程复杂且成本高。由于三向拉应力条件在沥青路面结构层中很少见，可以考虑使用操作更简单、成本更低的柔性三轴仪进行试验。
在沥青混合料中，水稳定性和抗老化性等耐久性因素主要取决于沥青的性能和集料级配，与集料的耐久性相关性有限。然而，根据长寿命路面理念下的集料性能要求，中层和底层承受的重载频率增加，底层经历的疲劳荷载循环次数可能增加2-3倍。因此，在评价长寿命路面集料的耐久性时，建议设计试验来评估集料承受重复疲劳荷载的能力，用于中层和底层。试验方法可参考强度试验，利用循环加载来评价疲劳性能。轴向荷载应根据不同路面层的要求确定。在试验中结合加热和冻融循环有助于评估集料在极端气候条件下的耐久性。
耐磨性
无论是磨耗还是磨光性能，现有的室内设备都已朝着模拟实际车轮与路面之间行为的方向发展。在磨光试验仪器方面，开发了一种摩擦测试装置，简化了磨光值测试方法，提高了试验结果的稳定性。开发了一种新型加速室内磨光装置，能够模拟橡胶轮胎与HMA表面之间的实际磨损和磨光行为。在德国，韦纳/舒尔茨磨光机能够测量集料表面的动摩擦系数。在评价指标方面，提出了以抗滑衰减速率和最终衰减值作为集料耐磨性的综合评价指标。韦纳/舒尔茨磨光机通常以60公里/小时速度下的动摩擦系数作为评价标准。
磨耗试验主要评价集料抵抗车轮冲击和磨耗的能力。现有方法通过集料与磨盘或钢球之间的摩擦来评价耐磨性，这与实际道路磨耗情况有显著差异。为了更好地模拟真实磨耗场景，各国开发了小型加速磨耗设备。在中国，开发了轮驱动加速磨耗测试系统，该系统安装在密封室内，能够控制温度和湿度。构建了温控轮式加速磨耗系统，可以通过更换轮胎或改变接地压力来模拟各种条件下的磨耗。这些磨耗设备大多用于研究沥青混合料试件的耐磨性，评价指标通常基于通过3D扫描获得的表面信息。对于集料磨耗，主要指标通常是磨耗前后的质量损失。然而，最近的研究开始采用形态指标，如分形维数、轴向系数、弗雷特直径和棱角性参数来评估耐磨性。
基于现有研究，耐磨性测试设备在理论上是可互换的，主要区别在于评价指标。长寿命路面要求表层保持其功能性能6-10年。因此，在设计用于表层的集料耐磨性试验时，必须考虑使用寿命内的累积磨耗周期，同时考虑气候影响。在评价中，建议使用动摩擦系数的衰减速率和最终值进行磨光评价，而磨耗则应考虑质量损失和集料形态变化。
符合长寿命路面的物理化学性能评价方法
物理性质
随着玄武岩、石灰岩等自然资源的逐渐枯竭，再生集料和替代产品大量涌现。对物理性质的要求应针对不同类型的集料进行调整，只要满足性能标准，可以进行合理调整。例如，在测试RAP的密度时，可以增加洗涤剂清洗步骤。对于密度较高的集料替代品，如钢渣和铁尾矿，应重新定义密度要求。
粘附性能
利用表面能理论计算集料与沥青之间的粘附功和剥落功，是直接评价不同集料与沥青粘附性能的有效方法。基于测量方法的原理，集料表面能参数的直接测量方法可分为三类：基于润湿特性的方法（如躺滴法、威廉米板法、柱状芯吸法）、基于吸附的方法（如通用吸附装置、反相气相色谱法）和基于浸入的方法（如微量热计）。在这些方法中，基于润湿特性使用接触角测试的三种方法可以确定各种集料的表面能参数，应用范围更广，更适合评价集料粘附性。
在其他测试粘附功的方法中，原子力显微镜（AFM）使用的探针和分子动力学模拟采用的模型无法准确模拟集料及其替代品的复杂成分。因此，这些方法不适合评价集料的粘附性能。在评估集料性能时，建议使用通过表面能参数计算的粘附功作为初步评价方法，并辅以定量粘附试验，综合评价集料对长寿命路面建设的适用性。
形态特征
目前，将集料图像转换为数值格式的数字成像技术已成为分析集料
