在不同pH湿润条件下污泥灰沥青混合料的低温特性

把废物变成更坚固的道路

每当城市街道下雨，水会渗入路面，逐渐削弱路面直到出现裂缝和坑洞。与此同时，城市还要处理清理污水后留下的大量污泥。本研究将这两个问题联系起来，提出一个简单的问题：燃烧污泥得到的灰烬能否用于建造更耐久的道路，尤其是在寒冷、潮湿和被污染的环境中？

为何寒冷潮湿的道路易裂

现代沥青路面的脆弱性往往被低估，尤其在寒冷气候下更明显。气温下降时，路面收缩并产生内部拉应力。如果把石粒粘合在一起的胶状沥青薄膜较弱，微小裂缝就容易在反复冻融循环后产生并扩展。降雨会使情况更糟。当携带烟尘、粉土和其他城市污染物的水流经过路面，其pH可能偏酸或偏碱而非中性。这类化学活性水渗入路面，会破坏沥青与骨料之间的结合并软化沥青本体。结果是路面在低温下所需破损能量显著降低，导致更早失效。

给污泥赋予第二生命

研究者将注意力集中在污泥灰上——城市污泥干燥并高温焚烧后留下的粉状物。焚烧去除了病原体和有机物，剩下的多为富含钙化合物的细颗粒矿物质。由于颗粒非常细，污泥灰天然匹配道路骨料中细料的粒径。本研究按四个替代比例将细花岗岩部分部分或全部替换为污泥灰：四分之一、二分之一、四分之三和全部替代。随后为每种情况设计了符合道路施工规范的标准沥青混合料，保证总体配方满足常用的道路建造要求。

在恶劣水环境中测试道路

为了模拟现实情况，科研人员将沥青—骨料“浆体”（mastic）和整套沥青混合料分别浸泡在不同酸碱度的水中：从中等酸性到中等碱性，类似于尘土飞扬的乡村道路径流或被烟尘覆盖的城市街道径流。随后他们将样品冷却到低温，测量两项关键指标。首先，测试浆体对骨料的粘附强度以及浆体自身的内聚力。其次，对半圆盘试件进行弯曲试验，测定沥青在裂纹出现前能吸收多少能量，以及裂纹一旦启动后扩展的抗性。

灰分如何改变内部结构

以普通花岗岩为基的沥青在这种严苛处理下损伤严重。酸性和碱性水既降低了沥青与骨料之间的粘附力，也削弱了沥青薄膜的强度。在最具侵蚀性的酸性条件下，对照混合料在断裂前吸收能量的能力大约减少了40%，其抗裂纹扩展能力也下降了类似幅度。相比之下，含污泥灰的混合料表现截然不同。污泥灰颗粒表面粗糙多孔，比花岗岩具有更大的比表面积，沥青可以更紧密地包裹这些颗粒，形成更致密的内部骨架，水更难侵入。从化学角度看，污泥灰富含类似石灰的化合物，倾向于中和酸性并与沥青形成更稳定的键合。这些特性共同提高了浆体的内聚力和浆体与骨料之间的黏附力。

从实验数据到实际收益

随着细料中污泥灰比例的增加，所有关键指标逐步改善。即使在有害的湿润条件下，用污泥灰完全替代细花岗岩的沥青，其断裂能和断裂韧性平均约比传统混合料高出60%。在许多情况下，在酸性水中低温测试的高灰配比样品，其性能与干燥“安全”条件下的未改性混合料相当甚至更好。统计分析显示，一旦污泥灰替代至少四分之三的细花岗岩，这些改进不仅显著可见，而且具有可靠的统计学意义。

这对未来道路意味着什么

简而言之，研究发现经过适当处理的污泥灰可以把废弃问题转为性能优势。当用于替代大部分或全部细花岗岩时，它有助于道路在寒冷、潮湿和化学侵蚀性环境中更好地保持整体性，使道路更不易开裂、失效速度更慢。尽管这些结果基于一种特定类型的花岗岩，还需要更多工作来支持大规模应用，但结论很清楚：经过恰当处理，今天流入城市下水道的物质，未来有可能帮助城市道路保持更平整、更耐久。

引用: Asadi, A.H., Hamedi, G.H. & Azarhoosh, A. Low-temperature characteristics of asphalt mixtures with sewage sludge ash under varying pH moisture conditions. Sci Rep 16, 8634 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41975-5

关键词: 污泥灰, 沥青耐久性, 路面裂缝, 再生材料, 道路可持续性