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原文传递基于分子动力学模拟的沥青再生剂扩散机理分析

论文题名：	基于分子动力学模拟的沥青再生剂扩散机理分析
关键词：	扩散机理;沥青再生剂;原子位移分布;分子动力学模拟;沥青路面
摘要：	随着我国公路网逐步完善，有相当数量的沥青路面即将达到使用寿命，面临着大修乃至重建，本着可持续发展的理念，沥青路面再生技术得到了蓬勃发展。再生剂材料能否很好的起到“再生”效果主要取决于再生剂的扩散影响深度，因此再生剂扩散问题的研究是非常有必要的，且具有重要的意义。　　限于传统试验方法的局限性，结合再生雾封层技术的使用条件，用分子动力学模拟的方法对不同温度下再生剂的扩散问题进行研究，　　首先构建分子动力学模型。参考目前分子模型的最新研究成果，选取了12种分子表征沥青材料；并根据未老化沥青、短期老化沥青、长期老化沥青及再生剂的四组分试验，计算不同材料各种分子的数量，构建分子模型。在此基础上选取力场参数、势能函数、边界条件、温度压力控制条件、时间步长等计算参数。根据热力学参数和输出图像信息对模型进行验证，结果显示系统稳定过程与现有的沥青胶体理论十分吻合，表明该模型能够较好的表征沥青材料和再生剂材料。　　其次对扩散机理进行分析。在进行扩散模拟之前对沥青和再生剂进行系统弛豫，而后对常温25℃下长期老化沥青和再生剂之间的扩散进行模拟，一方面从热力学能量交换角度考虑，分析扩散过程的驱动作用力和抑制作用力，结果表明范德华力和电场力是推动扩散进行的驱动作用力，且该过程为自发进行的，并没有明显抑制作用项，扩散过程会随着范德华势能和电势能的稳定而结束；另一方面，利用基于系统均方位移计算所得的扩散系数指标，以及原子扩散方向位移概率分布指标，分析分子迁移规律。结果表明扩散过程是相互的，在再生剂分子向沥青中迁移的同时，沥青分子也在向再生剂中运动，且再生剂分子和沥青分子能够短时间内填充对方结构内部微观空隙，并继续沿着空隙不断运动。　　模拟分析温度对扩散的影响，能量分析结果显示温度的升高能够降低扩散过程对分子势能的依赖，体系范德华势能和电势能下降减缓。但是扩散系数计算结果表明温度升高，分子运动更加活跃，再生剂和沥青的扩散系数总体上呈增大趋势。这也证明再生剂和沥青间的相互扩散除了分子力的影响，分子热运动也是一项非常重要的影响因素。　　模拟分析沥青老化程度对扩散的影响，沥青的结构差异对系统内能量交换有较大的影响，对于范德华势能，短期老化沥青组下降速率较其他两组大，其次是长期老化沥青组；对于电势能，未老化沥青组下降最明显，其余两组基本相同。扩散系数和位移分布计算结果表明再生剂在长期老化沥青中扩散速率最大，短期老化沥青组次之，这主要是由于老化沥青的多孔结构；而沥青的扩散受自身结构影响，短期老化沥青扩散最快，其次是长期老化沥青。　　最后对不同成分的扩散规律进行归纳分析，结果显示，再生剂四种分子中，饱和酚A最利于扩散的发生，其次是饱和酚B和芳香酚B，芳香酚A最不利于扩散的发生。对比四种分子的结构，可以发现链状小分子更容易扩散。多环体型分子不利于扩散的发生。通过对沥青成分扩散结果的分析，总结出重质组分中半径较小的分子或链状低芳香环含量分子更利于扩散。
作者：	许勐
专业：	交通运输工程
导师：	冯德成
授予学位：	硕士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文