李秀君, 董力銘, 孫悅, 張恒, 趙麟昊
(1.上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院,上海 200093; 2.上海力進(jìn)鋁制工程有限公司,上海 200030;3.浙江致欣檢測(cè)技術(shù)有限公司,浙江 嘉興 314000)
由于利用廢舊瀝青混合料(RAP)所產(chǎn)生的巨大經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,瀝青再生技術(shù)被廣泛運(yùn)用于路面維修、養(yǎng)護(hù)和建設(shè)工程之中[1?2].再生過程中裹覆在RAP表面的老化瀝青與新瀝青的擴(kuò)散融合程度,將直接影響再生瀝青混合料的路用性能[3?4]. 20世紀(jì)90年代,美國(guó)國(guó)家合作公路研究計(jì)劃NCHRP 09?12項(xiàng)目開始對(duì)新、舊瀝青的擴(kuò)散融合進(jìn)行相關(guān)研究[5].隨著研究的深入,針對(duì)新、舊瀝青擴(kuò)散融合的假設(shè)也不斷的發(fā)展[6?7],并提出了諸多的評(píng)價(jià)指標(biāo)[8?10]. 郝培文等[11]指出,當(dāng)RAP摻量大于30%時(shí),應(yīng)考慮新、舊瀝青擴(kuò)散融合程度的影響. 雖然拌和溫度、拌和時(shí)間和剪切速率等相關(guān)參數(shù)會(huì)影響新、舊瀝青的擴(kuò)散融合程度[12?13],但目前針對(duì)不同老化方式下新、舊瀝青擴(kuò)散融合過程的研究仍較為匱乏. 瀝青雖然在熱氧(TO)老化和紫外(UV)老化方式下均會(huì)生成亞砜、酮和氫鍵,但兩者化學(xué)鍵斷裂的機(jī)制不同,且紫外老化生成的氫鍵數(shù)量更多,并有醇類物質(zhì)的生成[14?15].因此,研究不同老化方式下新、舊瀝青的擴(kuò)散融合過程對(duì)提高再生瀝青的性能具有重要意義.
近年來,基于分子動(dòng)力學(xué)(MD)方法的模擬技術(shù)逐步應(yīng)用于瀝青分析領(lǐng)域,為瀝青的物理、化學(xué)性質(zhì)研究提供了理論依據(jù)[16?17]. 本文以中石化70#瀝青為研究對(duì)象,對(duì)其進(jìn)行熱氧老化和熱氧-紫外(TO?UV)老化處理,利用MD方法進(jìn)行新、舊瀝青的擴(kuò)散融合模擬,并結(jié)合拉拔試驗(yàn)和熒光顯微鏡試驗(yàn)結(jié)果,研究不同老化方式下新、舊瀝青的擴(kuò)散融合機(jī)理.
Xu等[18]提出并驗(yàn)證的瀝青四組分20類分子和瀝青老化產(chǎn)物四組分25類分子體系,對(duì)于瀝青老化前后的物理、化學(xué)性質(zhì)有更高的區(qū)分度,因此本文選取此體系進(jìn)行MD模擬.
根據(jù)Huang等[19]的研究成果,在185 ℃條件下通過旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗(yàn)制備熱氧老化瀝青. 通過UVA TL?D 18W雙支紫外燈管照射熱氧老化瀝青膜(表面UV強(qiáng)度為14 MW/cm2)制備熱氧-紫外老化瀝青,模擬紫外老化時(shí)間為10 d.基質(zhì)瀝青、熱氧老化瀝青和熱氧-紫外老化瀝青的技術(shù)指標(biāo)如表1所示.
表1 瀝青的技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technique indexes of asphalts
采用規(guī)劃求解法對(duì)所選取瀝青體系中的分子數(shù)量進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果如表2所示.同時(shí),將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證,如表3所示.
表2 瀝青模型的分子數(shù)量Table 2 Model molecule number of asphalt
表3 規(guī)劃求解法計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Calculation results of programming solution method and test results
本文使用Materials Studio 2019軟件進(jìn)行瀝青模型的構(gòu)建和分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算,所構(gòu)建瀝青模型與選取分子結(jié)構(gòu)如圖1所示,計(jì)算過程中采用COMPASSⅡ力場(chǎng)和1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,溫度和壓力控制方法選擇Nose?Hoover法和Andersen法,靜電庫侖力和范德華力的計(jì)算選取Ewald法和Atom based法.
圖1 3種瀝青分子模型的示意圖Fig.1 Schematic diagram of three kinds of asphalt molecule model
圖2為3種瀝青模型能量、徑向分布函數(shù)(g(r))和密度的變化曲線.由圖2可見:優(yōu)化后3種模型的體系總能量均趨于平穩(wěn);在半徑(r)為0~0.3 nm范圍內(nèi)存在尖銳的振蕩峰,在r=0.3~0.5 nm范圍內(nèi)震蕩的幅度減小,在r>0.5 nm之后逐漸平滑趨向于1,表明體系分子的分布不規(guī)則,符合瀝青類無定形物質(zhì)的變化規(guī)律;初始階段模型的密度迅速增加,40 ps后趨于穩(wěn)定地緩慢、振蕩增長(zhǎng)狀態(tài);基質(zhì)瀝青、熱氧老化瀝青、熱氧-紫外老化瀝青密度的計(jì)算值分別為0.995、1.033、0.969 g/cm3,與實(shí)測(cè)值接近. 通過上述分析,判斷本文構(gòu)建的3種瀝青模型具有一定的合理性.
圖2 3種瀝青模型能量、徑向分布函數(shù)和密度的變化曲線Fig.2 Curves of energy, radial distribution function and density of three kinds of asphalt model
利用3種瀝青模型構(gòu)建新、舊瀝青雙層擴(kuò)散融合的初始模型并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化. 首先,在283~333 K范圍內(nèi)、正則(NVT)系綜下進(jìn)行30 ps的計(jì)算,使模型達(dá)到設(shè)定溫度且保持穩(wěn)定;然后,在等溫等壓(NPT)系綜下進(jìn)行200 ps的計(jì)算,使模型內(nèi)新、舊瀝青相互擴(kuò)散融合;最后,在NVT系綜下進(jìn)行200 ps的計(jì)算,以實(shí)現(xiàn)充分混溶. 新、舊瀝青的雙層擴(kuò)散融合模型如圖3所示,模型最終尺寸在5.192 nm×5.192 nm×13.818 nm至5.206 nm×5.206 nm×13.855 nm范圍內(nèi).
圖3 新舊瀝青雙層擴(kuò)散融合模型Fig.3 Double?layer diffusion model of virgin and aging asphalt
相對(duì)濃度表征模型體系中的物質(zhì)密度分布,若物質(zhì)在體系內(nèi)已充分?jǐn)U散,則其在各個(gè)空間位置的相對(duì)濃度均趨近1. 圖4為在不同模擬溫度下,擴(kuò)散融合前后的基質(zhì)-熱氧老化瀝青雙層擴(kuò)散融合模型(VI?TO)相對(duì)濃度和擴(kuò)散融合層厚度的變化.由圖4可知:擴(kuò)散融合前6~8 nm范圍內(nèi)存在零濃度區(qū)間,隨著擴(kuò)散融合的發(fā)生,零濃度區(qū)間內(nèi)的相對(duì)濃度開始增長(zhǎng),模型長(zhǎng)度逐漸縮小,由于2種新、舊瀝青雙層擴(kuò)散融合模型的尺寸相近,將模型減小的長(zhǎng)度視為擴(kuò)散融合層的厚度,這也能反映新、舊瀝青的擴(kuò)散融合程度;在303 K擴(kuò)散融合結(jié)束時(shí),6~8 nm內(nèi)VI?TO的相對(duì)濃度由0增加到1.173 9,然后在溫度提高至333 K時(shí)緩慢降低至1.142 5;擴(kuò)散融合層的厚度隨著溫度的提高而增長(zhǎng),增長(zhǎng)速度逐漸降低.
圖4 不同溫度下VI?TO相對(duì)濃度和擴(kuò)散融合層厚度的變化Fig.4 Variation of relative concentration and diffusion layer thickness of VI?TO at different temperatures
圖5為303 K VI?TO與VI?TOUV的相對(duì)濃度和擴(kuò)散融合層厚度,其中VI?TOUV為基質(zhì)-熱氧紫外老化瀝青雙層擴(kuò)散模型.由圖5可知,6~8 nm內(nèi)VI?TOUV的相對(duì)濃度增加到0.773 9,擴(kuò)散融合層的厚度增加到1.038 19 nm,表明VI?TOUV中新、舊瀝青的擴(kuò)散融合程度較VI?TO更小,擴(kuò)散融合行為更不易發(fā)生. 分析原因在于,溫度升高會(huì)使分子的熱運(yùn)動(dòng)加劇,體系內(nèi)的動(dòng)能增加,促進(jìn)了體系分子間的相互擴(kuò)散融合. 但相對(duì)濃度和擴(kuò)散融合層厚度的變化表明,當(dāng)溫度由303 K升高至333 K時(shí),溫度的促進(jìn)作用不再明顯. 紫外老化后瀝青中老化產(chǎn)物分子的含量增多,體系內(nèi)的極性分子增加,這不利于新、舊瀝青間的擴(kuò)散融合,導(dǎo)致相對(duì)濃度和擴(kuò)散融合層的厚度變小.
圖5 303 K VI?TO與VI?TOUV的相對(duì)濃度和擴(kuò)散融合層厚度Fig.5 Relative concentration and diffusion layer thickness of VI?TO and VI?TOUV at 303 K
在MD模擬過程中,分子會(huì)在力場(chǎng)的作用下發(fā)生移動(dòng),均方位移(M)可以表征分子的運(yùn)動(dòng)特征,并由式(1)計(jì)算擴(kuò)散系數(shù)(D).
式中:N為體系內(nèi)的分子總數(shù);t為時(shí)間.
由于計(jì)算條件為時(shí)間趨于無限大,而模擬時(shí)間有限,故當(dāng)M與t線性關(guān)系良好時(shí),可將式(1)簡(jiǎn)化為式(2).
式中:a為M(t)的斜率.
為避免計(jì)算目標(biāo)分子的異常擴(kuò)散導(dǎo)致其受其他分子的約束,或體系外能量的輸入使目標(biāo)分子的運(yùn)動(dòng)被加強(qiáng),從而影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性,所以計(jì)算前先對(duì)M與t取對(duì)數(shù)以確認(rèn)一次方區(qū)間的范圍后,再進(jìn)行線性擬合來計(jì)算擴(kuò)散系數(shù)[20].
圖6為不同溫度下VI?TO和VI?TOUV中老化瀝青的擴(kuò)散系數(shù).由圖6可知:隨著溫度的升高,2種老化瀝青的擴(kuò)散系數(shù)都逐漸增大,在283~303 K內(nèi),2種老化瀝青的擴(kuò)散系數(shù)迅速增加;當(dāng)溫度由303 K升至333 K時(shí),擴(kuò)散系數(shù)的增加速率明顯變小,也說明升高溫度對(duì)新、舊瀝青擴(kuò)散融合的促進(jìn)能力逐漸變??;擴(kuò)散系數(shù)的差值隨著溫度的提高逐漸增大,表明升高溫度對(duì)VI?TOUV擴(kuò)散融合的促進(jìn)作用小于對(duì)VI?TO.
圖6 不同溫度下VI?TO和VI?TOUV中老化瀝青的擴(kuò)散系數(shù)Fig.6 Diffusion coefficients of aging asphalts in VI?TO and VI?TOUV at different temperatures
由于拉拔試件需的最高養(yǎng)護(hù)溫度為60 ℃,為阻止瀝青膠漿的軟化外溢現(xiàn)象[21?22],使用自制拉拔模具對(duì)瀝青進(jìn)行水平方向的約束.試件制備過程如圖7所示. 新、舊瀝青擴(kuò)散融合養(yǎng)護(hù)溫度為10、20、30、40、50、60 ℃,養(yǎng)護(hù)時(shí)間為24、48、72 h.
圖7 拉拔試驗(yàn)試件制備過程示意圖Fig.7 Schematic diagram of pull?off tensile test specimen preparation process
選取拉拔強(qiáng)度(F)、最大拉應(yīng)變和界面能作為新、舊瀝青黏附性能的評(píng)價(jià)指標(biāo),其中F根據(jù)式(3)計(jì)算.圖8為VI?TO和VI?TOUV的F、最大拉應(yīng)變和界面能與時(shí)間的關(guān)系曲線.
圖8 VI?TO和VI?TOUV的F、最大拉應(yīng)變和界面能與時(shí)間的關(guān)系曲線Fig.8 Curves of F, maximum tensile strain and interface energy of VI?TO and VI?TOUV with time
式中:Pmax為最大拉應(yīng)力,N;A為受拉作用面的橫截面積,mm2.
由圖8可知:
(1)在10~20 ℃內(nèi),F(xiàn)和界面能無明顯變化;在20~40 ℃內(nèi),F(xiàn)和界面能迅速增加,增幅在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)最大;由40 ℃升至60 ℃時(shí),F(xiàn)和界面能仍持續(xù)增加,但增幅變小且持續(xù)放緩. 說明當(dāng)溫度低于20 ℃時(shí),新、舊瀝青的擴(kuò)散融合行為不易發(fā)生.在20~40 ℃內(nèi),新、舊瀝青的擴(kuò)散融合快速進(jìn)行,但溫度的促進(jìn)作用在40 ℃后逐漸減小,且對(duì)VI?TOUV的促進(jìn)作用要明顯低于對(duì)VI?TO.
(2)在任何養(yǎng)護(hù)時(shí)間下,最大拉應(yīng)變與溫度無明顯關(guān)系,在4~5 mm范圍內(nèi)呈現(xiàn)不規(guī)則變化. 總體上,VI?TOUV最大拉應(yīng)變的變化較VI?TO更平緩,整體偏低. VI?TO的F和界面能在養(yǎng)護(hù)48、72 h時(shí)無明顯差異,但較養(yǎng)護(hù)24 h有一定的增幅. VI?TOUV的F和界面能在3個(gè)養(yǎng)護(hù)時(shí)間內(nèi),均無明顯差異.
在拉拔試驗(yàn)結(jié)果分析的基礎(chǔ)上,利用環(huán)氧樹脂作為示蹤劑,選取10、30、60 ℃,30%環(huán)氧樹脂摻量的基質(zhì)瀝青與老化瀝青擴(kuò)散融合48 h,對(duì)擴(kuò)散融合層進(jìn)行熒光顯微鏡試驗(yàn). 借助Image?Pro Plus軟件分析圖像的平均光密度(DM)和累積光密度(DI),量化表征新舊瀝青的擴(kuò)散融合程度,DI和DM的計(jì)算如式(4)、(5)所示. 熒光顯微鏡試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示,其圖像光學(xué)特征參數(shù)如圖10所示.
圖9 30%環(huán)氧樹脂基質(zhì)瀝青與老化瀝青擴(kuò)散融合后的熒光顯微鏡圖像Fig.9 Fluorescence images after diffusion fusion of epoxy resin(30%) virgin asphalt and aging asphalt
圖10 VI?TO和VI?TOUV的光學(xué)特征參數(shù)Fig.10 Optical characteristic parameters of VI?TO and VI?TOUV
式中:A為圖像面積;G0為空白區(qū)域平均灰度值;Gi為被測(cè)像素點(diǎn)平均灰度值;N為被測(cè)像素點(diǎn)總數(shù).
由圖10可知:在10~30 ℃內(nèi),DM和DI值迅速增加;在30~60 ℃內(nèi),DM和DI的增速明顯變緩;在任何試驗(yàn)溫度條件下,VI?TO的DM和DI值均大于VI?TOUV,表明VI?TO的擴(kuò)散融合程度較VI?TOUV更好.
對(duì)比MD計(jì)算結(jié)果、拉拔試驗(yàn)結(jié)果與熒光顯微鏡圖像光學(xué)特征參數(shù),三者在養(yǎng)護(hù)溫度與新、舊瀝青擴(kuò)散融合程度的變化規(guī)律上呈現(xiàn)出一致性.圖11為分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果及拉拔試驗(yàn)結(jié)果和熒光圖譜光學(xué)特征參數(shù)的相關(guān)性分析結(jié)果.由圖11可見,擴(kuò)散系數(shù)、相對(duì)濃度、界面能、F、DM、DI與養(yǎng)護(hù)溫度的相關(guān)性較強(qiáng). 所以MD建立的瀝青模型和計(jì)算結(jié)果通過試驗(yàn)充分證明,其具有合理性和可行性.
本文將擴(kuò)散融合過程分為擴(kuò)散過程與融合過程兩個(gè)階段討論,分別定義為:
(1)擴(kuò)散過程 此過程從新、舊瀝青接觸開始至擴(kuò)散融合層的厚度達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定最大值、相對(duì)濃度穩(wěn)定并接近1.000時(shí)結(jié)束. 此過程持續(xù)時(shí)間短,發(fā)生原因主要在于新、舊瀝青的相對(duì)濃度在擴(kuò)散融合層內(nèi)過低,彼此分子迅速靠近并將分子間隙填滿,以達(dá)到相對(duì)濃度較為穩(wěn)定的狀態(tài),特征參數(shù)為相對(duì)濃度.
(2)融合過程 此過程從新、舊瀝青接觸開始持續(xù)進(jìn)行,發(fā)生原因主要在于瀝青分子在范德華力和電場(chǎng)力的作用下,使新、舊瀝青不斷向充分混溶狀態(tài)變化,特征參數(shù)為擴(kuò)散系數(shù)[23].
通過上文MD計(jì)算結(jié)果分析,在303 K溫度下擴(kuò)散過程基本結(jié)束,故計(jì)算VI?TO與VI?TOUV的四組分在303 K溫度條件下的相對(duì)濃度與擴(kuò)散系數(shù),以排除擴(kuò)散過程中的分子運(yùn)動(dòng)對(duì)融合過程擴(kuò)散系數(shù)的影響,研究擴(kuò)散和融合過程中瀝青不同組分的變化情況,計(jì)算結(jié)果如圖12、13所示.
圖12 303 K VI?TO四組分的相對(duì)濃度Fig.12 Relative concentration of four components in VI?TO at 303 K
由圖12可知:
(1)在擴(kuò)散過程中,除瀝青質(zhì)外,飽和分、芳香分和膠質(zhì)在6~8 nm內(nèi)的相對(duì)濃度均有所提高,分別增加0.477、0.106和0.248.4種組分在熱氧老化瀝青與基質(zhì)瀝青間均發(fā)生了相互擴(kuò)散行為,且更易從基質(zhì)瀝青向熱氧老化瀝青中擴(kuò)散. 其中飽和分沒有構(gòu)建老化產(chǎn)物,老化前后的含量變化較小,但仍表現(xiàn)出很強(qiáng)的由基質(zhì)瀝青向熱氧老化瀝青中擴(kuò)散的行為(圖11(a)),分析原因在于其相對(duì)分子質(zhì)量較小,多為長(zhǎng)鏈狀分子和環(huán)烷烴類,受范德華力的影響更強(qiáng).
(2)相比于基質(zhì)瀝青,老化瀝青具有更強(qiáng)的范德華力,所以飽和分更易向老化瀝青中擴(kuò)散. 同時(shí)又被其它組分“裹挾”,使其擁有與其它組分相同的擴(kuò)散行為,導(dǎo)致表現(xiàn)出飽和分更易從基質(zhì)瀝青向熱氧老化瀝青中擴(kuò)散. 由于瀝青質(zhì)分子包含連續(xù)苯環(huán)連接形成的大面積網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),相對(duì)分子質(zhì)量大,相比于其它組分的分子結(jié)構(gòu),此類結(jié)構(gòu)最難以發(fā)生擴(kuò)散.
由圖13可見:
圖13 303K老化瀝青四組分的擴(kuò)散系數(shù)Fig.13 Diffusion coefficients of four cmponents in aging asphalt at 303K
(1)在擴(kuò)散基本結(jié)束的融合過程中,四組分融合速率的大小順序依次為:飽和分>芳香分≥膠質(zhì)>瀝青質(zhì),2種老化方式下四組分?jǐn)U散系數(shù)差值最小的為飽和分,最大的為瀝青質(zhì). 分析是由于飽和分結(jié)構(gòu)有利于融合的發(fā)生,所以擴(kuò)散系數(shù)最大,且很難發(fā)生老化反應(yīng),導(dǎo)致2種老化方式下的擴(kuò)散系數(shù)差值最小.
(2)芳香分和膠質(zhì)均存在帶有苯環(huán)的鏈狀分子,此類分子中苯環(huán)尚未形成大面積的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),同樣也較易發(fā)生融合行為. 相較于芳香分,膠質(zhì)的相對(duì)分子質(zhì)量普遍更大,極性更強(qiáng),生成的老化分子種類更多,所以擴(kuò)散系數(shù)下降的程度更大. 而瀝青質(zhì)為復(fù)雜芳香環(huán)物質(zhì),擴(kuò)散系數(shù)最小,經(jīng)紫外老化后,老化產(chǎn)物的含量大幅增加,融合速率的下降程度最大.
(1)相較于熱氧老化瀝青,熱氧-紫外老化瀝青老化產(chǎn)物分子的含量多、相對(duì)分子質(zhì)量大、體系分子極性強(qiáng),更不易與基質(zhì)瀝青擴(kuò)散融合,與基質(zhì)瀝青的黏附性能較差.
(2)升高溫度對(duì)新、舊瀝青的擴(kuò)散融合有促進(jìn)作用.在10~40 ℃內(nèi),隨著溫度的增加,新、舊瀝青可以更快地?cái)U(kuò)散融合. 由40 ℃升至60 ℃時(shí),升高溫度對(duì)新、舊瀝青擴(kuò)散融合的促進(jìn)作用逐漸減小,且對(duì)熱氧-紫外老化瀝青與基質(zhì)瀝青的擴(kuò)散融合促進(jìn)作用的減小速率更大. 因此,在實(shí)際工況中,針對(duì)熱氧-紫外老化瀝青更宜采用添加再生劑的方式提高其與基質(zhì)瀝青的擴(kuò)散融合程度.
(3)擴(kuò)散過程由于分子熱運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致新、舊瀝青分子快速靠近,新、舊瀝青擴(kuò)散融合程度的提升速度快,由10 ℃升至30 ℃時(shí)就能夠以基本穩(wěn)定的狀態(tài)結(jié)束. 融合階段由于新、舊瀝青分子在范德華力和電場(chǎng)力的作用下充分混溶,持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),在30~60 ℃內(nèi),提高溫度對(duì)新、舊瀝青擴(kuò)散融合的影響能力逐漸減小. 建議新、舊瀝青的擴(kuò)散融合溫度不低于40 ℃.
(4)瀝青四組分融合速率的大小順序依次為:飽和分>芳香分≥膠質(zhì)>瀝青質(zhì).經(jīng)紫外老化后,四組分的融合速率均有所下降,下降程度最小的為飽和分,最大的為瀝青質(zhì).
(5)本文通過構(gòu)建新、舊瀝青的雙層擴(kuò)散融合模型進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)(MD)計(jì)算并且對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證,證明了模擬的合理性和準(zhǔn)確性. 但由于MD模擬技術(shù)仍具有一定的局限性,模擬計(jì)算的最佳擴(kuò)散融合溫度較試驗(yàn)溫度略低.