详情

原文传递沥青材料自愈合行为的分子动力学模拟

论文题名：	沥青材料自愈合行为的分子动力学模拟
关键词：	沥青材料;自愈合特性;动态剪切流变;分子动力学
摘要：	改革开放以来，我国的高速公路建设取得了巨大成就，而沥青混合料自愈合的相关问题仍未得到根本解决。沥青混合料的自愈合行为指的是路面在受到重复荷载作用时，出现微裂缝，当荷载消失后，沥青混合料中的微裂缝出现愈合，路面各项性能也逐步恢复的过程。沥青自愈合能力强弱是路面自修复的核心影响因素。沥青及沥青混合料的自愈合技术研究，对于道路材料的可持续发展具有重要的现实意义。　　本文通过模拟-试验-理论相结合的研究思路，探究沥青和沥青混合料的自愈合特性。主要研究内容和成果如下：　　1.采用四组分法，建立沥青分子模型。通过密度比照、沥青的径向分布函数分析、溶解度参数和内聚能密度测算，以及玻璃态转化温度的比较，验证了沥青分子模型的合理性，且从模拟和试验测算玻璃态转化温度的对比中证实了SBS改性剂能改善基质沥青的低温工作性能，沥青老化会使得沥青提前进入玻璃态，使得沥青的低温工作性能变差。　　2.通过对不同温度下，基质沥青、SBS改性沥青和长期老化沥青这三种沥青的自愈合模拟，从扩散系数，活化能以及频率因子的分析得出：三种沥青自愈合发生时的能量壁垒高低、自愈合过程中的愈合速度，以及自愈合的瞬时愈合能力。三种沥青中，基质沥青在自愈合时能量壁垒最低，SBS改性沥青在自愈合时能量壁垒稍高。在瞬时愈合能力方面，SBS改性沥青的瞬时愈合能力显著高于其他两种沥青，长期老化沥青瞬时愈合能力最差。在愈合速度方面，SBS改性沥青自愈合速度最快，且随温度升高，速率增加的也最快，基质沥青和长期老化沥青的愈合速度相差不大，其中长期老化沥青的愈合速度最慢。综合三种指标分析，随着温度的升高，三种沥青的自愈合能力都有显著增强，其中SBS改性沥青的自愈合性能最好，且随温度升高的自愈合能力增幅最快，基质沥青次之，长期老化沥青的增幅最小。　　3.为探究SBS改性剂和长期老化对基质沥青自愈合能力的影响机理，分析80℃下，SBS改性沥青模型、长期老化沥青模型和基质沥青模型的自愈合过程，发现：SBS改性剂通过改变基质沥青中油分的扩散系数，使得沥青整体的自愈合能力得到增强。长期老化沥青由于油分挥发和氧化原因，沥青中的分散剂减少，而分散质增加，所以沥青整体的自愈合能力减弱。　　4.通过对不同温度下粘附自愈合和粘结自愈合的比较，分析粘附能和粘结能大小关系，发现：微观状态下，更容易发生粘结作用破坏，粘附作用相对牢固。并且在低中温情况下，粘附自愈合能力较强；在高温情况下，粘结自愈合能力较强。　　5.把使用DSR进行疲劳试验得到的数据与分子模拟结果对比发现：分子动力学模拟沥青的自愈合过程是准确的，并且无论是模拟还是试验的自愈合过程都契合Arrhenius定律。将试验的自愈合指标HI和分子模拟自愈合过程中的扩散系数，按照Arrhenius定律进行曲线拟合，得到沥青自愈合过程中的两个重要参数：活化能和频率因子,这两个参数和扩散系数可以用来预测沥青的自愈合能力。从试验和模拟结果均表明SBS改性沥青的自愈合能力比基质沥青的自愈合能力要强，且随着温度增加，两者愈合能力逐渐增强。
作者：	王吉
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	郑传峰
授予学位：	硕士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2021