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原文传递沥青与矿料界面相互作用的分子动力学模拟研究

论文题名：	沥青与矿料界面相互作用的分子动力学模拟研究
关键词：	沥青路面;沥青-矿料界面;粘结强度;分子动力学模拟
摘要：	沥青混合料是一种由集料、填料和沥青为主要成分组成的多相复合材料。由于多相复合材料在其界面粘结处具有天然的薄弱性，因而沥青混合料中沥青与矿料界面的粘结强度将直接影响沥青混合料的整体性能，从而影响沥青路面的行车舒适性以及使用寿命。然而目前关于沥青与矿料界面相互作用的研究大多集中在宏观试验层面，少有研究从分子层面探究其相互作用机理。　　首先，本文以分子动力学模拟为基础，选取两种代表矿物（方解石和α-石英）进行切面得到其表面模型，其中包括α-石英的{001}、{100}、{101}三个常见暴露面和方解石的{104}、{214}、{018}三个天然解理面。将所切表面模型分别与12组分沥青模型组建沥青-矿料界面模型，并采用模拟退火方法对其分子结构进行优化，最后进行动力学计算得到不同界面的粘附强度和粘附机理。计算结果表明，各向异性矿物表面与沥青的粘附性能有着显著差异。对于石英-沥青界面模型，粘附能主要由范德华力组成；而方解石与沥青之间的粘附能则由范德华力和静电力共同主导。并且用于代表碱性矿料的方解石与沥青的粘附强度明显优于代表酸性矿料的α-石英，与宏观试验结果一致。此外，通过官能团分析，沥青与矿料之间的界面粘结强度与矿料表面的原子密度和断键数量密切相关。　　其次，为了探究水分对沥青与矿料界面相互作用的影响，建立了沥青-矿料、水-矿料和沥青-水-矿料多界面分子模型，以研究其界面之间的相互作用机理，并针对分子动力学模拟改进了以往用于评价沥青混合料水损害敏感性的能量系数。此外，本文还通过模拟纳米水滴在各向异性矿物表面的扩散行为研究了矿料各向异性表面的润湿性能，并用纳米尺度下的接触角来评价其润湿性。模拟结果表明：1）各向异性矿物表面对沥青混合料的界面粘附性能和水损害敏感性均有显著影响；2）α-石英表面上的羟基官能团能显著提高表面亲水性，从而增加矿料水损害的倾向性；3）新鲜切割的方解石表面是增加沥青混合料水损害敏感性的关键因素。　　最后，采用分子动力学模拟研究了沥青老化对沥青混合料热力学性质和界面粘附性能的影响。基于以往老化模拟试验的研究结果建立了沥青的氧化老化模型，通过模拟淬火过程，研究了沥青老化前后的玻璃化转变行为。利用自由体积分数、均方位移、粘附能、能量系数等参数表征沥青老化对分子扩散行为、界面粘附、水损害敏感性的影响。结果表明，沥青老化使沥青分子间自由体积减小，抑制了沥青分子的扩散，从而导致较高的玻璃化转变温度。此外，沥青老化官能团从分子层面有助于沥青与矿料之间的粘附性能，但由于沥青老化硬化、亲水性的改变，反而导致老化沥青具有较差的抗水损害性能。
作者：	罗磊
专业：	交通运输工程
导师：	Fwa Tien Fang
授予学位：	硕士
授予学位单位：	长安大学
学位年度：	2021