硅烷偶联剂接枝活化废胶粉的微观分析及其在干法工艺中与沥青-集料界面相互作用的分子模拟研究

针对干法工艺中废胶粉与沥青相互作用弱的问题，研究人员通过硅烷偶联剂（KH550）接枝活化废胶粉，结合分子动力学模拟揭示了其与沥青-集料界面的增强机制。结果表明，活化胶粉表面羟基（O–H）与硅烷偶联剂发生脱水缩合，另一端3-氨丙基与沥青产生强物理吸附，显著提升扩散系数和界面能。该研究为干法橡胶沥青混合料的性能优化提供了分子尺度理论支撑。

　　

在公路沥青路面建设从规模扩张转向高质量发展的背景下，如何提升结构耐久性成为核心议题。废轮胎破碎产生的废胶粉（crumb rubber）作为沥青混合料改性剂，既能改善路面性能又可实现资源循环利用，已成为路面工程领域的创新应用模式。然而，传统干法工艺中废胶粉与沥青接触时间短、溶胀不足，导致两者相互作用弱，混合料性能难以满足工程需求。更棘手的是，现有研究多聚焦宏观性能或工艺参数，对分子尺度的界面作用机制缺乏深入探索，制约了干法橡胶沥青技术的进一步发展。

针对这一瓶颈，中国某高校研究团队在《Fuel》发表论文，首次将硅烷偶联剂（silane coupling agent）接枝活化技术与分子动力学模拟相结合，系统揭示了干法工艺中活化废胶粉与沥青-集料界面的增强机制。研究采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、接触角测试和扫描电镜（SEM）表征胶粉活化效果，并基于Materials Studio软件构建沥青-胶粉-集料分层模型，通过扩散系数、相对浓度分布和界面能计算解析相互作用规律。

关键实验方法
研究选用60目废胶粉经KH550硅烷偶联剂（3-氨丙基三乙氧基硅烷）接枝活化，通过水接触角、SEM和FTIR验证活化效果。分子模拟采用AAA-1沥青模型（含8:32:24:8的沥青质、树脂、芳香分和饱和分），构建SiO₂集料界面体系，计算均方位移（MSD）和浓度分布。

研究结果

1. 活化胶粉性能表征：KH550处理使胶粉接触角从98.2°增至112.5°，表面形成蓬松不均匀结构。FTIR显示C–H键（2920 cm^?1）和O–H键（3430 cm^?1）含量显著变化，证实硅烷成功接枝。
2. 分子扩散行为：活化胶粉在沥青中的扩散系数达1.89×10^?7 cm²/s，比未活化胶粉提高32%，MSD曲线斜率更大，表明界面迁移能力增强。
3. 界面作用机制：硅烷分子一端羟基与胶粉表面羟基脱水缩合，另一端3-氨丙基通过范德华力与沥青吸附，形成"分子桥"，使界面能从18.7 mJ/m²提升至25.4 mJ/m²。

结论与意义
该研究首次从分子尺度阐明了硅烷偶联剂活化胶粉在干法工艺中的增强机制：化学接枝改变胶粉表面特性，物理吸附促进沥青相容性，双重作用显著提升界面粘结强度。这不仅解决了干法工艺中胶粉-沥青相互作用弱的核心难题，更为绿色道路材料的分子设计提供了新思路。研究成果对推动废轮胎资源化利用、降低沥青路面全生命周期成本具有重要工程价值，也为后续开发高性能橡胶沥青提供了理论依据和技术路径。