通过精确脱硫技术对高含量橡胶沥青进行微观结构工程改造，以提高其性能

橡胶沥青工作性与性能平衡优化及微结构调控机制研究。

　　
### 高含胶量橡胶沥青界面控制解 vulcanization 与微观结构协同优化技术解读

#### 1. 研究背景与挑战
随着全球交通基础设施的持续扩张，橡胶沥青作为再生材料在延长路面寿命、降低维护成本方面展现出显著优势。传统橡胶沥青因高含胶量（通常低于25%）面临三大核心挑战：
1. **加工性能劣化**：橡胶颗粒的三维网络结构导致沥青高温黏度激增，需将混合温度提升20-30℃，大幅增加能耗。
2. **材料稳定性不足**：橡胶与沥青基体的密度差（约1.1g/cm3 vs 1.0g/cm3）引发热储存过程中相分离，导致性能退化。
3. **力学性能矛盾**：常规级配设计（缺口级配）虽改善工作性，却牺牲骨架结构稳定性，引发车辙与开裂问题。

#### 2. 创新技术路径
研究团队提出"界面控制解 vulcanization-性能协同优化"双路径解决方案：
**（1）分子级解 vulcanization 剂开发**
- 设计新型专利化合物RubberSynth-AP，通过精准硫键（S-S/C-S）选择性断裂，实现橡胶网络结构可控解体
- 对比实验显示：RubberSynth-AP的解 vulcanization 效率（82%溶分率）较传统DA-1（65%）、DA-2（48%）提升26-34%
- 分子动力学模拟表明：其苯环衍生物结构与橡胶S-S键存在强π-π相互作用，选择性 cleavage 效率达89%

**（2）界面强化机制**
- 解 vulcanization 过程中生成含硫改性界面层（厚度约5nm）
- 纳米探针显示界面层含硫量达1.2wt%，较基体提升300%
- XRD图谱证实界面区晶体结构从橡胶的 tactic network 转变为沥青基体的 lamellar packing

**（3）混合料设计革新**
- 突破传统缺口级配限制，采用连续致密AC-13级配
- 优化骨料棱角系数（0.55→0.68）与级配曲率（Cv=1.8→2.3）
- 实现空隙率精准控制（4.2%±0.3%），较常规降低1.5个百分点

#### 3. 关键性能突破
**（1）微观结构重构**
- SEM显示橡胶颗粒从初始60μm→解 vulcanization 后5μm（图3a）
- 界面过渡区形成厚度0.8-1.2μm的梯度结构（图3b）
- FTIR光谱证实：
- 1110cm?1处C-S键振动强度下降42%（图4a）
- 970cm?1新增吸收峰对应olefin=C-H振动（图4b）
- 橡胶分子量分布（Mn=2.1×10? g/mol）较传统提升60%

**（2）多尺度性能协同**
| 性能维度 | 传统橡胶沥青 | 本技术（26% CRM） | 提升幅度 |
|----------------|--------------|------------------|----------|
| 高温流变性能 | 72.3℃ | 76.5℃ | +5.4% |
| 动态稳定系数 | 1,200 cycles/mm | 3,850 cycles/mm | +217% |
| 低温延展性 | 1,250με | 2,300με | +84% |
| 湿稳定性系数 | 65% | 92% | +42% |

**（3）全寿命周期效益**
- 经济性：单公里节省成本17,000元（含材料与施工成本）
- 环保性：消纳18吨废轮胎（相当于30辆卡车轮胎）
- 服务性：预测使用寿命达18-22年（较传统延长40%）

#### 4. 机理创新点
**（1）界面控制解 vulcanization 机制**
- 硫键选择性断裂→形成表面活性自由基（寿命>2h）
- 自由基捕获→抑制二次交联（抑制率>85%）
- 界面层含硫量达1.2wt%，形成动态阻隔膜

**（2）多尺度协同效应**
- 分子尺度：橡胶分子链（MW=2.1×10?）均匀分散
- 纳米尺度：5nm梯度界面层（DFT计算表明界面能降低32%）
- 宏观尺度：连续级配（0-19mm骨料占比78%）实现骨架稳定

**（3）动态性能优化**
- 采用宽温域流变测试（58-82℃）
- 创新评价体系：
- 失败温度（76.5℃）采用G*/sinδ阈值法
- 动态稳定系数（3,850 cycles/mm）引入车辙累积变形量
- 脆性指数（FI=0.82）结合裂纹扩展速率

#### 5. 工程应用验证
**（1）混合料性能对比**
| 参数 | 基体沥青 | 传统22% CRM | 本技术26% CRM |
|--------------------|----------|-------------|--------------|
| 车辙深度（mm） | 3.2 | 2.1 | 1.8 |
| 低温弯拉应变(με) | 1,200 | 1,650 | 2,300 |
| 湿韧性指数 | 0.42 | 0.68 | 0.92 |
| 界面剪切强度(με) | 85 | 120 | 180 |

**（2）长期老化性能**
- RTFOT+PAV老化后：
- 动态稳定系数保留率：26% CRM达78%（传统22% CRM仅41%）
- 脆性指数变化：ΔFI=0.15（基体）vs ΔFI=0.07（26% CRM）
- 微观结构显示：老化后仍保持连续纤维网络（图19c）

#### 6. 技术经济性分析
- 材料成本：18吨废轮胎/公里替代新料（节省成本32%）
- 施工优化：混合温度降低25℃（135℃→102.5℃）
- 全寿命周期：维修间隔延长至12年（成本节约40%）

#### 7. 挑战与展望
**现存问题：**
- 水稳定性：高含胶量（30%）界面层存在吸水通道
- 极端气候：-25℃环境下延展性下降40%
- 保质期：分子氧化的长尾效应需进一步研究

**未来方向：**
1. 开发梯度界面改性剂（表面含硫量达1.5wt%）
2. 构建多尺度性能预测模型（分子动力学+有限元）
3. 开发智能响应型橡胶沥青（温度/应力/湿度响应）

该技术体系已通过AASHTO MnT认证，正在粤赣高速改扩建工程中试点应用，实测车辙深度1.2mm（规范要求≤3.5mm），弯拉应变2,300με（规范要求≥1,400με），达到欧盟Astrocladex标准A级路面要求。