瀝青砂漿界面行為的分子動(dòng)力學(xué)研究

瀝青砂漿界面行為的分子動(dòng)力學(xué)研究

付建紅

(內(nèi)蒙古自治區(qū)東部高等級公路管理處，通遼 028000)

摘要：瀝青砂漿是瀝青混合料的重要組成部分之一，其界面行為嚴(yán)重影響著瀝青混合料的使用性能。基于分子動(dòng)力學(xué)理論研究，建立瀝青砂漿界面模型，分析瀝青砂漿界面上瀝青的擴(kuò)散、遷移及結(jié)構(gòu)變化情況，并計(jì)算其界面能，分析其界面結(jié)合情況。結(jié)果表明：高溫將導(dǎo)致砂漿界面瀝青分子擴(kuò)散加劇，二面角變小，蜷曲程度變大，瀝青分子支鏈的變化最大，并嚴(yán)重影響瀝青砂漿界面粘附性。

關(guān)鍵詞：瀝青砂漿；界面行為；分子動(dòng)力學(xué)；擴(kuò)散

doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.03.000

Abstract:Asphalt mortar is one of the important components of asphalt mixtures. The interface behavior of asphalt mortar seriously affects the performance of asphalt mixture. Asphalt mortar interface model was constructed and based on molecular dynamics theory. The diffusion, migration and structural changes were studied and the interface bonding strength was analyzed. Results showed that the high temperature would lead to increase the diffusion coefficient of asphalt, the degree of curled up of asphalt and decrease the dihedral angle. Meanwhile, with the increase of the temperature, the molecular branched chains of asphalt and the interface adhesion of asphalt mortar changed greatly.

收稿日期：2015-04-21.

作者簡介：付建紅(1967-),高級工程師.E-mail:463035678@qq.com

Molecular Dynamic Simulations of Interface

Behaviors of Asphalt Mortar

FUJian-hong

(Highway Management Office in Eastern Area of Inner-Mongolia, Tongliao 028000, China)

Key words:asphalt mortar;interface behavior;molecular dynamics theory;diffusion

公路交通是為國民經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展和人民生活服務(wù)的公共基礎(chǔ)設(shè)施，是衡量一個(gè)國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力和現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志[1]。瀝青路面作為公路的一種，由于其優(yōu)異的行車平穩(wěn)性、舒適性等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于路面鋪筑[2]。目前瀝青路面的主要結(jié)構(gòu)形式有:兩層式和三層式。兩層式和三層式的主要區(qū)別是瀝青混合料種類和瀝青混合料的層數(shù)。瀝青混合料的使用性能嚴(yán)重影響著瀝青路面的使用壽命，因此清晰分析瀝青混合料的使用性能對瀝青路面的使用和養(yǎng)護(hù)至關(guān)重要。瀝青砂漿作為瀝青混合料的一部分，不但是混合料中瀝青和集料之間粘結(jié)的橋梁，而且是集料充分發(fā)揮其承載作用的紐帶。由于砂漿的組成及形貌與基體部分不同，其結(jié)構(gòu)相對疏松，且強(qiáng)度較低，在外界因素的作用下，瀝青混合料的破壞區(qū)域往往出現(xiàn)在砂漿界面。瀝青砂漿的研究一度成為研究熱點(diǎn)。

2007年Mo等[3]采用動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀對瀝青砂漿-集料界面的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行了分析；2011年Mo等[4]提出了利用動(dòng)態(tài)剪切流變儀測定瀝青砂漿疲勞特性的方法。張延雙等[5]采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀對不同老化條件和程度的瀝青砂漿進(jìn)行性能測試，并分析了其路用性能；認(rèn)為紫外和熱氧老化會(huì)改善瀝青砂漿的高溫穩(wěn)定性，水損害則會(huì)弱化瀝青砂漿的穩(wěn)定性。徐霈等[1]利用計(jì)算機(jī)模擬研究了瀝青與集料界面的微觀特性，認(rèn)為除瀝青質(zhì)/K2O 界面外，瀝青質(zhì)/MgO、瀝青質(zhì)/CaO、瀝青質(zhì)/Al2O3、瀝青質(zhì)/Na2O和瀝青質(zhì)/SiO2五種界面的界面能均在25℃和80℃時(shí)兩次達(dá)到極大值，即粘結(jié)強(qiáng)度最大。對于瀝青在瀝青砂漿界面上的遷移、擴(kuò)散和結(jié)構(gòu)等的變化研究甚少。

以分子動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，建立瀝青砂漿近似模型，在不同溫度下分析瀝青砂漿的擴(kuò)散、遷移和結(jié)構(gòu)變化，探討瀝青砂漿的界面行為，為瀝青路面病害的預(yù)防與養(yǎng)護(hù)提供指導(dǎo)。

1實(shí)驗(yàn)

1.1　瀝青砂漿界面模型構(gòu)建

試驗(yàn)中瀝青采用Jennings[6]提出的瀝青平均分子結(jié)構(gòu)模型AAA-1(見圖1)，玄武巖集料用二氧化硅代替。文中利用二氧化硅集料(001)晶面建立超胞結(jié)構(gòu)，作為瀝青粘附面，通過層狀模型構(gòu)筑瀝青砂漿界面近似模型，其模型如圖2所示。

1.2　方法

利用計(jì)算機(jī)軟件為模擬平臺，借助Amorphous Cell模塊構(gòu)建瀝青砂漿模型，通過分子動(dòng)力學(xué)模塊進(jìn)行計(jì)算并分析瀝青砂漿的分子動(dòng)力學(xué)性能。利用通用力場和Nose熱浴控溫在正則系綜環(huán)境下進(jìn)行計(jì)算，選取對瀝青砂漿有明顯影響的溫度點(diǎn)：25 ℃、60 ℃和130 ℃，模擬時(shí)間100 ps，步長1 fs。

2結(jié)果與討論

瀝青砂漿界面瀝青的擴(kuò)散嚴(yán)重影響著瀝青砂漿的力學(xué)性能和粘附性能。擴(kuò)散通常可以用擴(kuò)散系數(shù)來衡量，同時(shí)擴(kuò)散系數(shù)可以用來評價(jià)瀝青分子運(yùn)動(dòng)，并可以通過均方根位移進(jìn)行計(jì)算。均方根位移是分子距離其質(zhì)心擺動(dòng)的位移。如圖3所示，瀝青砂漿界面瀝青在不同溫度下的均方根位移(MSD)表明，隨著溫度的升高，瀝青砂漿界面瀝青分子在質(zhì)心附近擺動(dòng)劇烈，分子運(yùn)動(dòng)明顯加快；隨著模擬時(shí)間的延長，瀝青的均方根位移增長由快變慢，最后趨向平衡。

擴(kuò)散系數(shù)是一定條件下分子沿其質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的平均速度。可由下式求解

(1)

式中，D是擴(kuò)散系數(shù)；T是分子運(yùn)動(dòng)的總時(shí)間；MSD是均方根位移。由表1可知，瀝青在超高溫條件下(130 ℃)的擴(kuò)散系數(shù)最大，為3.2×10-8m2/s；高溫條件下(60 ℃)的擴(kuò)散系數(shù)其次，為1.2×10-8m2/s；室溫(25 ℃)條件下的擴(kuò)散系數(shù)最小，為1.0×10-8m2/s。結(jié)果表明：溫度在一定程度上可以加速瀝青砂漿界面瀝青向集料的擴(kuò)散，增加瀝青砂漿的界面粘附性；在一定溫度范圍內(nèi)，溫度越高，擴(kuò)散系數(shù)越大，瀝青的擴(kuò)散效果越明顯。

如圖4所示，瀝青砂漿界面瀝青結(jié)構(gòu)變化通過不同溫度條件下瀝青的二面角來評價(jià)。瀝青的二面角測量依據(jù)是瀝青平均分子結(jié)構(gòu)的兩個(gè)長支鏈的空間角度，如圖4所示。隨著溫度的升高，瀝青二面角逐漸減小，分子發(fā)生蜷曲，特別是瀝青分子支鏈的蜷曲。結(jié)果表明：瀝青砂漿界面瀝青在溫度的影響下會(huì)向集料移動(dòng)；且隨著溫度的增加，瀝青分子的蜷曲程度越大，瀝青分子結(jié)構(gòu)變化過程中，瀝青分子支鏈的變化最大，質(zhì)心的變化很小。

界面能能夠較好地表征瀝青砂漿界面粘結(jié)強(qiáng)度，通過瀝青/集料界面能的計(jì)算分析瀝青砂漿界面行為。界面能計(jì)算公式如下

(2)

式中，Einterface是瀝青砂漿界面能；Ebitumen是瀝青自由能；Esurface集料表面能；Etotal瀝青砂漿自由能。由表1可知，瀝青在高溫下界面能較小，界面結(jié)合較弱，因此高溫環(huán)境下瀝青砂漿易出現(xiàn)粘結(jié)失效和粘附失效等形式的界面失效。隨著溫度的升高，瀝青界面能不斷變小，呈線性變化。

表1　瀝青砂漿界面瀝青擴(kuò)散系數(shù)及二面角

材料類型實(shí)驗(yàn)溫度/℃擴(kuò)散系數(shù)/(m2·s-1)二面角/(°)界面能/(kcal·mol-1)界面瀝青25601301.0×10-81.2×10-83.2×10-8148.054100.09576.104-332.917-385.169-651.950

3結(jié)論

通過分子動(dòng)力學(xué)模擬瀝青砂漿界面行為，分析了界面瀝青的擴(kuò)散、遷移、結(jié)構(gòu)變化和界面能的變化，得出以下結(jié)論：

a.溫度會(huì)影響瀝青砂漿界面瀝青分子的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致其擴(kuò)散速度加快。瀝青砂漿界面瀝青在溫度的影響下會(huì)向集料移動(dòng)；且隨著溫度的增加，瀝青分子的蜷曲程度越大，瀝青分子結(jié)構(gòu)變化過程中，瀝青分子支鏈的變化最大，質(zhì)心的變化很小。

b.瀝青在高溫下界面能較小，界面結(jié)合較弱，隨著溫度的升高，瀝青界面能不斷變小，呈線性變化。

參考文獻(xiàn)

[1]徐霈. 基于分子動(dòng)力學(xué)的瀝青與集料界面行為虛擬實(shí)驗(yàn)研究[D]. 長安：長安大學(xué), 2013.

[2]Ahmed Awed, Emad Kassem, Eyad Masad, et al. Method for Predicting the Laboratory Compaction Behavior of Asphalt Mixtures[J]. Journal of Materials in Civil Engineering，2015.

[3]Mo Liantong, Huurman M, Wu Shaopeng , et al. Ravelling Investigation of Porous Asphalt Concrete Based on Fatigue Characteristics of Bitumen-Stone Adhesion and Mortar[J]. Materials and Design，2009, 1(30):170-179.

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[5]張延雙，周新星. 基于動(dòng)態(tài)剪切流變儀的瀝青砂漿力學(xué)性能研究[J]. 建材世界，2015(1):17-19.

[6]Jennings P, Pribanic J, Desando M. Binder Characterization and Evaluation by Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy[M].Washington DC:Strategic Highway Research Program, National Research Council,1993.