《TRANSPORTATION RESEARCH PART D-TRANSPORT AND ENVIRONMENT》：Sustainable dual-restoration of self-healing and drainage capabilities in porous asphalt mixture with iron tailings via microwave treatment
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本研究探究铁尾ings沥青混合料（ITAM）的微波愈合行为，通过CT扫描和渗流模拟量化介观结构演变，发现中等掺量（50-75%）下ITAM微波加热效率显著提升，达109.4°C，首周期峰值载荷恢复率达75.68%，表明微波加热可有效修复沥青混合料损伤，促进可持续铺装发展。
刘建安|丁子钊|李俊蒙|尹伟|李晨阳|王振军|郭伟|张雷|景浩森|任仕松
中国矿业大学矿业学院，徐州221116，中国
摘要
本研究探讨了铁尾矿沥青混合物（ITAM）的微波修复行为，以支持可持续的路面工程，重点关注在损伤-修复循环下宏观和介观尺度性能的演变。对铁尾矿的物理化学性质进行了表征，并进行了微波加热、多循环损伤-修复测试和道路性能评估，以确定最佳的替代比例。结合渗流模拟的CT技术量化了损伤和微波修复过程中裂缝的介观结构变化、孔隙连通性和流动行为。结果表明，ITAM表现出较高的微波加热效率，温度可达到109.4°C，较高的加热速率有利于沥青混合物的快速裂缝修复，在第一个修复循环中实现了75.68%的峰值荷载恢复，表明其具有显著的力学恢复能力。冻融循环显著增加了孔隙连通性和平均孔隙体积，而微波加热通过减少连通孔隙、孔隙体积和流动通道长度部分恢复了介观结构。
引言
全球交通基础设施的快速扩张以及对路面建设和维护需求的增长导致了高质量天然骨料的长期大量消耗，给资源供应带来了巨大压力（Dong等人，2025年；Hasheminezhad等人，2024年；Xu等人，2025年）。过度开采天然骨料不仅导致高级矿物资源的枯竭，还造成了生态退化和碳排放增加。这些影响与低碳交通系统和可持续路面的发展目标相悖。同时，大量的工业固体废物，特别是铁尾矿，持续累积，占用土地资源并带来潜在的生态和水环境风险（Ambarita等人，2024年；Wong等人，2025年）。为了促进资源回收并实现低碳和可持续的路面建设，用铁尾矿替代传统天然骨料生产沥青混合物已被认为是一种有效策略（Si等人，2025年）。这种方法可以缓解对天然骨料供应的压力，减少固体废物堆积，并加速路面材料向绿色、循环和可持续发展的转变。
在长期使用过程中，沥青路面反复受到车辆荷载、温度波动、水分侵入和环境退化的影响，容易形成微裂缝（Lu等人，2026年；Wei等人，2026年）。如果不加以缓解，这些微裂缝会逐渐发展成宏观裂缝，导致结构恶化、行驶质量下降和更频繁的维护，最终影响路面的使用寿命和可持续性（Zhou等人，2026年）。当前的工程实践主要依赖于外部修复方法，包括裂缝填充、裂缝密封、薄层铺装和结构加固，以解决路面裂缝问题（Awuah和Garcia-Hernández，2022年；Schneider等人，2025年；Yu等人，2024年）。然而，这些方法通常伴随着较长的施工周期、高昂的维护成本、交通中断和大量的碳排放，这与绿色、低碳和可持续交通系统的目标相矛盾。更重要的是，传统的维护方法很大程度上忽视了沥青混合物内在的自修复潜力，阻止了材料通过其固有机制修复微裂缝级别的损伤（Song等人，2025年）。因此，阐明并有效利用沥青混合物的潜在自修复行为对于减少对传统维护的依赖、延长路面使用寿命和推进可持续路面系统的发展至关重要（Tang和Zhang，2025年）。
沥青混合物的自修复机制主要依赖于在高温下的沥青扩散、润湿和重新粘合，这使得在微裂缝尺度上部分恢复结构连续性和力学完整性成为可能（Jiang等人，2025年）。为了提高修复过程的效率，近年来开发了一系列自修复技术，如修复胶囊、修复纤维、感应加热、红外辐射和微波加热（Liu等人，2022a；Lu等人，2021年；Wan等人，2022年；Xu等人，2024年）。在这些技术中，微波加热被认为是一种特别有前景的方法，因为它具有体积加热能力、快速升温和高能量利用效率（Jahanbakhsh等人，2024年）。先前的研究表明，适当控制的微波辐照可以显著加速修复过程，延缓疲劳损伤，并减少维护操作的频率，从而为开发可持续的路面维护策略提供了新的机会（Ameri和Sadeghiavaz，2025年）。
然而，微波修复的有效性在很大程度上取决于沥青混合物的微波吸收能力和内部热传递效率。传统骨料通常具有较低的微波敏感性，导致加热速率慢和能耗高，这限制了微波修复在路面维护中的实际应用（Trigos等人，2021年）。相比之下，铁尾矿富含磁性和氧化铁矿物，具有优异的微波吸收特性（Kou等人，2025年）。一些学者报告称，用磁铁矿部分替代石灰石制备的沥青混合物的平均微波加热速率为0.89°C?s?1，显著高于传统沥青混合物的0.35°C?s?1（Guan等人，2023年）。此外，当使用铁尾矿粉末部分替代矿物填料时，沥青混合物的微波加热速率增加到0.58°C?s?1，而传统沥青混合物的加热速率低于0.40°C?s?1（Lou等人，2021a）。Wang等人（Wang等人，2016年；Liu等人，2023c）进一步证明，含有20%体积比例磁铁矿骨料的沥青混合物在2.45 GHz频率下的反射损耗约为-5.1 dB，而基于石灰石的沥青混合物的反射损耗仅为约-0.5 dB，对应的微波吸收率低于15%（有效的吸收需要反射损耗低于-0.7 dB）。上述结果表明，用铁尾矿替代传统骨料不仅有利于大规模资源利用和降低环境风险，还显著增强了沥青混合物的微波吸收和热传导能力，从而提高了基于微波的修复效率和应用潜力（Dos Santos Lara等人，2025年）。
沥青混合物的宏观自修复性能通常通过间歇性疲劳测试进行评估（Zhao等人，2023年）。在这些测试中，首先对试样施加受控疲劳荷载以诱导损伤，然后暂停荷载以允许微波辅助修复（Zhang等人，2024年）。修复后的试样再次加载，并通过比较修复前后的机械参数来量化自修复指数。Aguirre等人（Aguirre等人，2019年）通过三点弯曲测试使用强度恢复比率评估了受损沥青混合物的修复效率。Zhou等人（Zhou等人，2020年）通过四点弯曲疲劳测试评估了修复性能，使用了疲劳寿命比率和刚度模量指数。Zhu等人（Zhu等人，2020年）和Khavandi等人（Sattar等人，2024年）对各种沥青混合物进行了半圆弯曲和间接拉伸测试，使用峰值荷载比率、断裂能量比率、J积分韧性比率和弹性模量恢复比率等参数来表征修复行为。每种疲劳测试方法都有其固有的优势和局限性，并促进了基于断裂力学原理的多种修复评估指数的发展（Wu等人，2025年）。
尽管已经证明微波加热可以增强沥青混合物的宏观修复性能，但损伤和修复循环过程中介观结构演变的机制仍需进一步研究。然而，大多数现有研究主要关注宏观恢复指标或单阶段修复性能，很少捕捉到介观结构损伤、孔隙连通性和渗流行为在重复损伤和微波修复循环中的耦合演变。在这种情况下，需要更详细地研究重复损伤-修复循环中裂缝形态、气孔结构和气孔连通性的渐进变化。此外，多孔沥青混合物中的渗流行为变化及其与微观结构特征的相关性也需要进一步阐明。
章节摘录
目标和范围
本文的目的是：（1）通过研究铁尾矿沥青混合物（ITAM）的宏观自修复性能和道路性能，确定适合ITAM微波加热的最佳铁尾矿用量；（2）阐明冻融循环损伤（液态水和固态冰交替状态，导致膨胀应力）和微波加热自修复对ITAM介观结构的影响，并进行定量分析
材料
图2显示了原始沥青和TPS改性沥青的性质。根据以往的研究，12%的SINO-TPS和原始沥青在180℃下以4000 rpm的速度进行60分钟的高速剪切，以制备适合ITAM的改性沥青（Lou等人，2021b）。使用石灰石和铁尾矿骨料制备ITAM，它们的性质见表1。这两种骨料的性能存在显著差异。铁尾矿的强度ITAM的微波加热性能
如图7(a)和(b)所示，研究了不同铁尾矿替代率下沥青混合物在初始温度为-5°C和-20°C时的微波加热过程中的平均温度。结果表明，所有样品在0到180秒的时间内温度都有明显的升高，前60秒升温迅速，随后120到180秒之间的升温速度较慢。铁尾矿含量对加热过程有显著影响
结论
本研究分析了ITAM的宏观性能、介观尺度演变和渗流排水性能。主要结论如下：
（1）中等替代率（50–75%）的ITAM具有更高的微波温度（高达109.4°C）和更强的自修复能力，第一个循环的峰值荷载恢复率高达75.68%，而M?0和M?100的温度和恢复率较低，表明中等替代率优化了多循环修复效率。
（2）添加铁
局限性和未来研究
应当注意的是，本研究中的渗流模型没有考虑移动轮胎荷载引起的瞬态局部应力场，也没有考虑交通荷载与路面结构内流体流动之间的耦合水力相互作用。这些效应可能在某些使用条件下导致非达西流动行为；然而，这些超出了本研究的范围。本研究的目的是比较评估与孔隙相关的渗流行为CRediT作者贡献声明
刘建安：方法论、调查、资金获取、数据管理。丁子钊：软件、方法论、调查。李俊蒙：写作——审稿与编辑、资源管理、方法论。尹伟：写作——审稿与编辑、调查。李晨阳：写作——初稿撰写、调查。王振军：写作——审稿与编辑、调查。郭伟：写作——初稿撰写、方法论、调查。张雷：方法论、调查。景浩森：写作——初稿撰写
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了江苏省基础研究计划（BK20251642）、中央高校基本研究经费（编号2025QN1008）、建筑用硅酸盐材料国家重点实验室（SYSJJ2025-19）、江苏省“青兰计划”优秀青年教师（编号Z302E25503）以及佛兰德斯研究基金会（FWO）的博士后奖学金（编号1202125N）的支持。
