Thermo-mechanical performance of steel slag asphalt mixtures and their potential for urban heat mitigation

Abstract

(English) This doctoral thesis focuses on the study of steel slag from electric arc furnaces as a technically and environmentally viable substitute for natural aggregates in asphalt mixtures. While the primary objective was to evaluate its thermo-mechanical behaviour and potential for urban heat island (UHI) mitigation, other fundamental aspects were also addressed to validate its real-world application in sustainable urban pavements, such as moisture resistance, fatigue performance and cracking behaviour. Through a series of experimental investigations, structured as independent yet complementary chapters, the influence of steel slag on the physico-chemical, mechanical, and thermal properties of asphalt mixtures was analysed, along with its integration into embedded solar collector systems (ASC). Initially, the physical, morphological, and chemical properties of steel slag were characterised to understand its effect on aggregate–bitumen adhesion and moisture resistance (ITSR). Through bitumen affinity tests, digital image analysis, and ITSR testing, it was demonstrated that steel slag improves resistance to moisture damage—even under total replacement—due to its high surface roughness and its composition rich in metallic oxides. In a second stage, partial replacement of natural aggregates by steel slag in the fine fractions was evaluated. Similar benefits were observed in terms of moisture resistance, with density remaining within conventional ranges. This result suggests that the use of steel slag in fine fractions may overcome previous limitations related to increased total mix weight. Subsequently, the mechanical behaviour was addressed through indirect tensile strength, stiffness, and fatigue tests. Mixtures with different levels of slag replacement and bitumen film thicknesses (TF) were designed and evaluated using four-point bending and strain sweep (EBADE) tests. The results showed that increasing the slag content raises mixture stiffness but reduces fatigue resistance, an effect attributed to the material's hardness and its tendency to decrease the effective bitumen film thickness. However, a well-optimised mixture—such as HMA_SL* with a corrected TF—achieved performance similar to the control mixture, even under critical temperature conditions. Furthermore, crack resistance was assessed using the Fénix test, which showed that although slag-containing mixtures require more energy to initiate cracking, their post-failure behaviour tends to be more brittle. Nevertheless, the mixture optimised in terms of bitumen film thickness showed significant improvements in toughness (IT) and fracture energy (GF), highlighting that adjusting the binder content is essential to mitigate this limitation. In parallel, the thermal properties of the mixtures were investigated through both experimental tests and numerical simulations (FEM). It was observed that steel slag reduces the thermal conductivity of the mixture, slowing down its cooling rate and thus extending the compaction window. While this also lengthens the required cooling time prior to traffic opening, the simulations accurately predicted thermal evolution, facilitating better design and process control. Finally, the application of steel slag in asphalt pavements with embedded solar collectors (ASC) was explored, aimed at UHI mitigation and thermal energy recovery. Dense mixtures containing steel slag (AC16D + AC22D) exhibited favourable thermal balance, reducing surface temperature by up to 16.3 °C and improving heat collection efficiency compared to gap-graded mixtures with the same material (BBTM11-B + AC22D). This performance confirms its potential as a functional material for sustainable urban applications. Altogether, the findings of this thesis validate steel slag as a technically sound, functional, and environmentally competitive material for the development of both structural and functional asphalt mixtures, contributing to more sustainable urban paving practices.

(Català) Aquesta tesi doctoral estudia l’àrid siderúrgic procedent del forn d’arc elèctric com a substitut tècnic i ambientalment viable de l’àrid natural en mescles asfàltiques. Tot i que l’objectiu principal fou avaluar-ne el comportament termo-mecànic i la capacitat per mitigar l’efecte d’illa de calor urbana (UHI), també s’abordaren aspectes clau com la resistència a la humitat, la fatiga, la fissuració i el temps de compactació, per tal de validar-ne l’aplicació real en paviments urbans sostenibles. Mitjançant investigacions experimentals organitzades en capítols complementaris, s’analitzà la influència de l’àrid siderúrgic sobre les propietats fisicoquímiques, mecàniques i tèrmiques de les mescles, així com la seva integració en sistemes de captació solar embeguts (ASC). En primer lloc, es caracteritzaren les propietats físiques, morfològiques i químiques de l’àrid siderúrgic, observant-se que la seva elevada rugositat i composició rica en òxids metàl·lics milloraven la resistència a la humitat (ITSR), fins i tot amb substitucions totals. En una segona fase, s’estudià l’ús parcial en les fraccions fines, mantenint la densitat dins dels rangs acceptables i superant limitacions relacionades amb el pes total de la mescla. També s’analitzaren les propietats mecàniques mitjançant assaigs de tracció indirecta, rigidesa i fatiga, considerant variacions en el contingut de l’escòria i en el gruix de la pel·lícula de betum (TF). S’evidencià un increment de la rigidesa i una reducció en la resistència a la fatiga, atribuïble a la major duresa de l’àrid i a un TF més prim. No obstant això, una mescla optimitzada (HMA_SL*) assolí un rendiment similar al de la mescla control, fins i tot en condicions tèrmiques crítiques. L’assaig Fénix revelà que les mescles amb escòria requerien més energia per fracturar-se, però mostraven un comportament postfractura més fràgil. Tanmateix, la mescla optimitzada presentà millores en tenacitat (IT) i energia de fractura (GF), confirmant la importància de l’ajust del contingut de lligant. Paral·lelament, s’estudiaren les propietats tèrmiques mitjançant assaigs experimentals i simulacions FEM. L’escòria reduí la conductivitat tèrmica, alentint el refredament i ampliant la finestra de compactació. Malgrat que això pot retardar l’obertura al trànsit, les simulacions permeteren predir amb precisió l’evolució tèrmica, millorant el control constructiu. Finalment, s’aplicà l’àrid siderúrgic en paviments solars amb col·lectors embeguts, orientats a mitigar l’UHI i recuperar energia tèrmica. Les mescles denses amb escòria (AC16D + AC22D) reduïren la temperatura superficial fins a 16,3 °C i mostraren una eficiència tèrmica superior a les mescles discontínues amb el mateix material, fet que confirma la seva idoneïtat en entorns urbans sostenibles. En conjunt, els resultats validen l’ús de l’àrid siderúrgic com un material tècnic, funcional i ambientalment competitiu per al desenvolupament de mescles asfàltiques estructurals i funcionals, contribuint a una pavimentació urbana més eficient i sostenible.

(Español) Esta tesis doctoral estudia el árido siderúrgico de horno de arco eléctrico como sustituto técnica y ambientalmente viable del árido natural en mezclas asfálticas. Aunque el objetivo principal fue evaluar su comportamiento termo-mecánico y su capacidad para mitigar el efecto de isla de calor urbana (UHI), también se abordaron aspectos clave como la resistencia a la humedad, la fatiga, la fisuración y el tiempo de compactación, a fin de validar su aplicación real en pavimentos urbanos sostenibles. Mediante investigaciones experimentales organizadas en capítulos complementarios, se analizó la influencia del árido siderúrgico en las propiedades físico-químicas, mecánicas y térmicas de las mezclas, así como su integración en sistemas de captación solar embebidos (ASC). Primero se caracterizaron las propiedades físicas, morfológicas y químicas del árido siderúrgico, observándose que su elevada rugosidad y su composición rica en óxidos metálicos mejoran la resistencia a la humedad (ITSR), incluso con reemplazos totales. En una segunda fase, se estudió su uso parcial en fracciones finas, manteniéndose la densidad dentro de rangos aceptables y superando limitaciones relacionadas con el peso total de la mezcla. Se analizaron también las propiedades mecánicas a través de ensayos de tracción indirecta, rigidez y fatiga, considerando variaciones en el contenido de escoria y en el espesor de la película de betún (TF). Se evidenció un aumento en rigidez y una reducción en resistencia a la fatiga, atribuida a la mayor dureza del árido y a un TF más delgado. Sin embargo, una mezcla optimizada (HMA_SL*) alcanzó un rendimiento similar al de la mezcla control, incluso en condiciones térmicas críticas. El ensayo Fénix reveló que las mezclas con escoria requieren más energía para fracturarse, pero presentan un comportamiento post-falla más frágil. No obstante, la mezcla optimizada mostró mejoras en tenacidad (IT) y energía de fractura (GF), confirmando la importancia del ajuste en el contenido de betún. En paralelo, se estudiaron las propiedades térmicas mediante ensayos experimentales y simulaciones FEM. La escoria redujo la conductividad térmica, ralentizando el enfriamiento y ampliando la ventana de compactación. Aunque esto puede retrasar la apertura al tráfico, las simulaciones permitieron predecir con precisión la evolución térmica, mejorando el control constructivo. Finalmente, se aplicó el árido siderúrgico en pavimentos solares con colectores embebidos, orientados a mitigar el UHI y recuperar energía térmica. Las mezclas densas con escoria (AC16D + AC22D) redujeron la temperatura superficial hasta 16,3 °C y presentaron mayor eficiencia térmica que las mezclas discontinuas con el mismo material, lo que confirma su idoneidad en entornos urbanos sostenibles. En conjunto, los resultados validan el uso del árido siderúrgico como un material técnico, funcional y ambientalmente competitivo para mezclas asfálticas estructurales y funcionales, contribuyendo a una pavimentación urbana más eficiente y sostenible.