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原文传递沥青-矿粉相互作用行为多尺度表征及界面粘附机理的分子动力学模拟

论文题名：	沥青-矿粉相互作用行为多尺度表征及界面粘附机理的分子动力学模拟
关键词：	沥青胶浆;多尺度表征;沥青-矿粉相互作用;分子动力学;界面粘附行为;路用性能
摘要：	沥青混合料是由粗集料、细集料和沥青胶浆组成的较为复杂且相对稳定、呈现空间网状结构的分散体系结构。其中，沥青胶浆扮演着传递荷载、粘结骨料和填充空隙的作用，对沥青混合料的路用性能起关键性作用。本文基于多尺度评价手段，分别从沥青-矿粉相互作用行为的微宏观尺度表征和沥青胶浆-集料界面粘附行为的分子动力学模拟探讨了沥青胶浆的粘聚和粘附特性，对揭示沥青材料性能劣化机制和提升其路用性能具有重要意义。首先，基于傅里叶变换红外光谱、扫描电子显微镜和原子力显微镜表征了沥青胶浆的微结构分子组成及表面形貌特征，探讨了沥青与矿粉的相互作用物理化学机制；其次，基于宏观流变学指标和相分离行为评价了沥青-矿粉的相互作用能力，并通过灰色关联方法挖掘了影响沥青胶浆微宏观性能的敏感性因素，为沥青胶浆性能提升的矿粉甄选优化提供依据；最后，通过分子动力学模拟技术建立了湿热耦合条件下的沥青胶浆-集料界面模型系统，并基于分子定向理论揭示了沥青混合料界面薄弱区的粘附和脱粘失效机制。研究表明：　　（1）沥青与矿粉的相互作用主要为物理吸附作用。碱性石灰石矿粉表面纹理构造粗糙且微孔隙结构丰富，可以与沥青形成充分的润湿包裹作用，进而提升沥青-矿粉界面的相互作用能力。矿粉的加入对沥青组分主要起到吸附和分散作用，这主要取决于矿粉的掺入量。在较低掺入量的条件下，矿粉对极性组分主要起到吸附作用并削弱极性组分对蜡结晶的裹覆能力；在较高掺量的条件下，均匀分散的矿粉周围吸附着大量极性组分，同时伴随着极性组分生长的蜡结晶也因此而均匀分散，因而“蜂状结构”呈现小而密的状态。　　（2）由于沥青胶浆的多相非均质材料特性，高温条件下相比基质沥青而言更容易产生宏观相分离行为，且沥青胶浆的相分离行为是反映沥青-矿粉界面相的稳定性及沥青-矿粉相互作用行为的重要依据。此外，通过K-B-δ和K-B-G?评价指标发现碱性矿粉与沥青的相互作用能力显著高于中性和酸性矿粉，这与沥青-矿粉界面微观形态一致。同时，在颗粒结构化临界体积分数前，沥青-矿粉的相互作用能力与矿粉的掺量成正相关。基于灰色关联度的分析方法可以有效建立矿粉特性与沥青胶浆微宏观性能的量化关系，为跨尺度微宏观关联分析沥青材料的性能提供了理论支撑。　　（3）基于真实粉胶比状态条件下的沥青胶浆-集料界面模型可以准确有效地表征沥青混合料界面薄弱区的粘附和失效机制。沥青胶浆极性组分在矿物集料表面的分子聚集和排列特征表明二氧化硅颗粒的加入显著改变了极性组分的分布特征并降低了范德华能(vandeerWaalsenergy)，但二氧化硅颗粒表面带有的大量残余电荷会显著增强界面的库伦静电能(Electrostaticenergy)。此外，分子定向理论表明具有高偶极矩的极性分子与集料表面的定向吸附是沥青胶浆-集料界面产生粘附行为的本质原因。水分的存在会显著降低沥青胶浆-集料界面的粘结强度而导致粘附失效，这与沥青路面早期的严重水损害现象相吻合。　　研究结果构建了基于跨尺度域微宏观表征和数值模拟技术的沥青胶浆性能耦合评价分析体系，深化了对沥青-矿粉相互作用行为及沥青胶浆-集料界面粘附机制的理解，研究成果以期为沥青路面材料精细化设计与延长路面使用寿命提供有利理论依据与技术支撑。
作者：	徐文毅
专业：	智能交通技术
导师：	邱欣
授予学位：	硕士
授予学位单位：	浙江师范大学
学位年度：	2021