《Applied Sciences》：A Hybrid Framework for Real-Time Saudi Riyal Banknote Recognition in Assistive Applications
编辑推荐：
传统橡胶粉改性沥青（CRMA）常表现出高黏度、储存离析及低温松弛性受限等问题，而现有工程橡胶或单一活化方法未能充分阐明生物质油溶胀与微波处理对CRMA性能的协同贡献机制。本研究开发了一种基于油菜籽重油（RHO）-微波复合活化的新型CRMA制备路径。研究通过改变
传统橡胶粉改性沥青（CRMA）常表现出高黏度、储存离析及低温松弛性受限等问题，而现有工程橡胶或单一活化方法未能充分阐明生物质油溶胀与微波处理对CRMA性能的协同贡献机制。本研究开发了一种基于油菜籽重油（RHO）-微波复合活化的新型CRMA制备路径。研究通过改变橡胶粒径、微波强度及油胶比，对比评估了微波活化、RHO预溶胀及其复合处理的效果，系统评价了胶结料施工和易性、储存稳定性、动态剪切流变（DSR）/多应力蠕变恢复（MSCR）/弯曲梁流变（BBR）特性，并采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）、荧光显微镜、热重分析（TGA）及AC-13C混合料性能试验进行综合验证。微波活化主要降低了胶结料黏度并改善了橡胶分散性，而RHO预溶胀则显著提升了延度和储存稳定性。优化组F84（80目橡胶、油胶比1:2、微波强度1.2 kJ/g）使180 °C黏度降低42.95%，软化点差降低55.68%，10 °C延度由10.5 cm提升至19.5 cm。尽管F84的蠕变恢复性能较未活化CRMA有所减弱，但其低温松弛性能和混合料破坏应变（3527.8 με）得到显著改善。该复合路径适用于优先保障工作和性、储存稳定性、低温抗裂性及橡胶资源化利用的CRMA应用场景，而对于车辙敏感型工程则需通过混合料层级验证。
## 研究背景与问题提出
橡胶粉改性沥青（CRMA）作为废旧轮胎资源化的重要途径，其通过橡胶颗粒吸收沥青中轻质组分发生溶胀，可显著提升胶结料弹性并改善高温抗车辙性能。橡胶粒径对该过程具有显著影响：较小颗粒具有更大比表面积和更快溶胀速率，而较粗颗粒虽能形成更强弹性骨架，却可能加剧储存过程中的离析现象。然而，传统湿法工艺CRMA在实际应用中仍面临高黏度、相分离及施工温度敏感性强等瓶颈制约。现有预处理技术包括工程橡胶（ECR）、微波活化、化学表面处理、温拌辅助及油类预处理等，但均存在一定局限：工程橡胶依赖商业化学加工，难以直接解释生物质油、橡胶与沥青在湿法工艺中的交互作用；微波活化虽能削弱含硫交联键、增强橡胶表面活性，但单独使用时对储存稳定性和低温柔韧性的改善有限；油类预处理可促进橡胶溶胀、改善相容性，但过量掺入可能导致胶结料软化、高温性能衰减。生物油富含轻质组分及极性官能团，可改善沥青-橡胶润湿性与相容性，然而其高温软化效应需严格控制掺量。因此，单一微波活化或生物油活化均无法同时满足低黏度、储存稳定性、低温松弛性及可接受抗车辙性能的综合需求，亟需开发生物质油预溶胀-微波活化的复合路径并阐明其性能权衡机制。
## 研究内容、结论与意义
研究人员针对上述知识缺口，在统一实验框架下系统比较了微波活化、RHO预溶胀及RHO-微波复合活化三种路径，量化了复合路径在胶结料和混合料层级上的优势与局限，并通过FTIR、SEM、荧光显微镜和TGA观测揭示了其活化机理。研究选定中国常用70
#道路沥青为基质沥青，采用20%橡胶掺量（占基质沥青质量比），设计了未活化、微波活化、RHO预溶胀及复合活化四类试样。微波活化在2450 MHz、700 W条件下对橡胶进行不同时间辐照；RHO预溶胀在55-60 °C密封条件下处理5小时；复合活化则先进行RHO预溶胀再进行微波辐照。通过常规性能测试、Brookfield黏度、储存稳定性（T0661）、DSR温度扫描、MSCR、BBR及AC-13C混合料性能试验进行系统评价，微观表征涵盖FTIR、SEM、荧光显微镜和TGA。
研究主要得出以下结论：微波活化与RHO预溶胀对CRMA具有差异化调控效应，微波活化主要降低黏度、增加橡胶活性，80目橡胶在1.2 kJ/g下响应最强；RHO预溶胀主要改善延度和储存稳定性，油胶比1:2时效果最均衡；复合活化方案F84（80目橡胶、油胶比1:2、微波强度1.2 kJ/g）综合性能最优。F84较未活化80目CRMA，针入度由58.9增至73.5（0.1 mm），10 °C延度由10.5 cm提升至19.5 cm，180 °C黏度由3.05 Pa·s降至1.74 Pa·s，上下部软化点差由8.8 °C降至3.9 °C，黏度降低率和储存稳定性改善率分别达42.95%和55.68%。流变学结果揭示了明确的性能权衡：F84低温应力松弛显著改善，低温控制温度达-26.6 °C，但高温弹性恢复下降、J
nr增大。混合料试验证实了这一趋势，F84的动态稳定性虽低于未活化CRMA但仍高于基质沥青，低温破坏应变达3527.8 με，并改善了水稳定性。FTIR、SEM、荧光显微镜和TGA结果表明，复合活化机制以物理交互、橡胶溶胀、界面润湿及分散改善为主导，而非形成新的沥青化学骨架。RHO预溶胀改善了橡胶-沥青界面相容性，微波活化促进了网络局部松弛和颗粒细化，二者协同使CRMA由高黏度、易离析体系转变为分散均匀、性能均衡的胶结料。
该研究发表于《Applied Sciences》，为CRMA工艺优化和性能调控提供了重要的理论依据和技术参考，特别适用于工作性和储存稳定性要求高、低温抗裂性优先的工程场景，同时明确了复合活化路径在高温抗车辙方面的局限性及混合料层级验证的必要性。
## 关键技术方法概述
研究采用中国常用70
#道路沥青（针入度65.6，0.1 mm），RHO由湘潭市昭山油脂化工有限公司供应（菜籽油精炼残渣热解产物），橡胶粉由河北科旭建材有限公司提供（分40目、60目、80目三档）。胶结料制备采用高速剪切分散机（3000 r/min，180 °C），微波设备为2450 MHz、700 W家用微波炉。性能测试涵盖：常规性能（针入度、软化点、延度）、Brookfield黏度（180 °C）、储存稳定性（T0661，软化点差法）、DSR温度扫描（58-82 °C）、MSCR（3.2 kPa，3200 Pa）、BBR（-18 °C、-24 °C）、FTIR、SEM、荧光显微镜、TGA及AC-13C混合料马歇尔设计、车辙试验、低温弯曲梁试验、浸水马歇尔及冻融劈裂试验。
## 研究结果
**微波活化参数优化**：随微波强度由0.3增至1.2 kJ/g，软化点降低，针入度和10 °C延度增加。80目橡胶响应最强，软化点由60.4 °C降至55.3 °C，针入度由60.4增至70.7（0.1 mm），延度由11.3 cm增至12.9 cm，表明细颗粒因更大比表面积和更均匀能量吸收，更易发生微波诱导网络松弛。
**RHO预溶胀参数优化**：油胶比由1:3提至1:2显著改善针入度和延度，同时维持可接受软化点；进一步增至1:1时延度增幅有限而软化点持续下降，表明过量RHO导致过软化。80目橡胶C82组（油胶比1:2）表现最优，软化点56.4 °C，针入度71.5（0.1 mm），延度17.8 cm。
**复合活化方案**：F84（80目，油胶比1:2，1.2 kJ/g）表现最佳综合平衡，较Y8软化点由62.5 °C降至53.6 °C，针入度由58.9增至73.5（0.1 mm），延度由10.5 cm大幅增至19.5 cm。
**黏度、储存稳定性及工作性**：Y8的180 °C黏度为3.05 Pa·s，微波活化降至2.25 Pa·s（降幅26.23%），RHO预溶胀降低幅度小但显著改善延度和储存稳定性；F84黏度最低（1.74 Pa·s，降幅42.95%），上下部软化点差由8.8 °C降至3.9 °C（改善率55.68%），证实微波活化与RHO预溶胀的协同效应。
**高低温流变性能—温度扫描与抗车辙性**：复数剪切模量G*随温度升高而降低，相位角增大。Y8保持最高刚度和最低相位角，橡胶网络贡献最强；W84略低于Y8，证实微波活化在不严重削弱高温骨架前提下降低黏度；C82和F84因RHO软化效应G*值更低，F84在58 °C时G*为10.486 kPa，较Y8低42.8%，但82 °C时仍保持1.975 kPa，基于G*/sin δ准则的高温等级未丧失。
**多应力蠕变恢复**：Y8恢复率最高、不可恢复蠕变柔量J
nr最低，弹性恢复和抗车辙性最强；F84的R(3.2)=28.04%、J
nr(3.2)=1.03 kPa
-1，表明复合活化增加了非恢复变形倾向，不宜视为高温强化方法，而是在保持技术可用范围内改善工作性和低温柔韧性。
**低温流变与连续分级温度**：-24 °C时Y8的S值265 MPa、m值仅0.263，F84降至S=96 MPa、m=0.334，应力松弛显著改善。低温控制温度由Y8的-20.2 °C提高至F84的-26.6 °C，主要归因于RHO预溶胀，微波活化进一步改善分散均匀性、降低局部应力集中。连续高温分级T
h排序为C82≈F84>W84>Y8，表明虽名义高温刚度下降，但按车辙因子准则仍可维持相对较高等级。
**混合料性能验证**：优化沥青含量基质沥青5.0%、未活化CRMA 5.2%、RHO预溶胀5.4%、复合活化5.6%。未活化CRMA混合料动态稳定性最高（2752次/mm），复合活化混合料为2290次/mm，较未活化低16.8%但较基质沥青高24.6%。低温破坏应变复合活化达3527.8 με，较未活化CRMA高27.0%、较基质沥青高38.0%；残留马歇尔稳定度89.95%、TSR 87.8%，水稳定性改善。
**微观结构分析—FTIR**：各组均保留沥青特征吸收带，活化未形成新沥青骨架。微波活化组含硫交联结构相关谱带相对强度减弱，RHO预溶胀和复合活化组1735 cm
-1附近吸收更显著（RHO酯基或羰基），证实RHO进入橡胶-沥青体系参与界面润湿。机制以物理共混、橡胶溶胀和界面交互为主导。
**SEM和荧光显微镜**：未活化组可见大颗粒橡胶清晰边界和局部团聚；微波活化后颗粒边缘更破碎、表观粒径减小，但荧光图像仍不均匀；RHO预溶胀组橡胶颗粒被更明显包覆溶胀，界面模糊；复合活化组分散最均匀，大团聚体少，沥青-橡胶相更连续。
**TGA分析**：未活化CRMA最大失重速率温度457.28 °C；RHO预溶胀组略低（453.04 °C）但5%、10%、20%失重温度均提高，改善早中期热稳定性；微波活化组最高（462.07 °C），保留下垂阶段橡胶富集相热阻；复合活化组峰值460.18 °C，各特征温度均高于未活化组，证实复合活化在改善加工性和低温柔韧性的同时未丧失热稳定性基础。
## 讨论总结与研究结论
研究人员在讨论中指出，RHO-微波复合活化是降低CRMA黏度和相分离、改善低温性能的有效途径，推荐80目橡胶、油胶比1:2、微波能量强度1.2 kJ/g用于优先保障工作和性、储存稳定性、低温抗裂性及废橡胶利用的工程目标。但恢复率降低和J
nr增加表明复合活化削弱了相对于未活化CRMA的高温蠕变恢复，故对于重载或车辙敏感路面，应通过混合料层级车辙试验验证活化强度和剂量，而非仅依据软化点或低温指标。未来研究应涵盖长期老化、现场压实、制备过程排放及生命周期评估以明确耐久性和环境效益。
**研究结论**：
（1）微波活化和RHO预溶胀对CRMA具有差异化调控效应。微波活化主要降低黏度、增加橡胶活性，80目橡胶在1.2 kJ/g下响应最强；RHO预溶胀主要改善延度和储存稳定性，油胶比1:2时最均衡。复合活化方案F84（80目橡胶、油胶比1:2、微波强度1.2 kJ/g）在测试组中综合性能最优。
（2）复合活化显著改善工作性和储存稳定性。较未活化80目CRMA，F84针入度由58.9增至73.5（0.1 mm），10 °C延度由10.5 cm增至19.5 cm，180 °C黏度由3.05 Pa·s降至1.74 Pa·s，上下部软化点差由8.8 °C降至3.9 °C，黏度降低率和储存稳定性改善率分别为42.95%和55.68%。
（3）流变结果揭示明确性能权衡。F84改善低温应力松弛（低温控制温度-26.6 °C），但高温弹性恢复下降、J
nr增大。混合料试验证实：F84动态稳定性低于未活化CRMA但仍高于基质沥青，低温破坏应变达3527.8 με并改善水稳定性。复合活化更适用于工作性、储存稳定性和低温性能，而非最大化抗车辙性。
（4）FTIR、SEM、荧光显微镜和TGA表明，复合活化机制以物理交互、橡胶溶胀、界面润湿和分散改善为主导，未形成新沥青化学骨架。RHO预溶胀改善橡胶-沥青 presence interface相容性，微波活化促进网络局部松弛和颗粒细化，二者协同使CRMA由高黏度、易离析体系转变为分散均匀、性能均衡的胶结料。
