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原文传递基于粗粒化分子动力学方法的沥青材料自愈合行为研究

论文题名：	基于粗粒化分子动力学方法的沥青材料自愈合行为研究
关键词：	道路工程;沥青材料;自愈合行为;粗粒化分子动力学
摘要：	沥青材料自愈合技术使沥青路面能自动修复微裂纹，是沥青道路设计养护的需要。由于目前缺乏足够的微观尺度研究，沥青材料自愈合行为机理尚不明确。分子动力学方法是研究沥青材料自愈合微观机理的理想工具，能够量化沥青自愈效果，为指导长寿命沥青路面材料选择、改性剂使用及优化设计等提供理论基础。粗粒化是提升全原子分子动力学仿真尺度的一种分子动力学方法，能够实现更大体系的仿真，有利于模拟更接近真实尺度的沥青微裂纹愈合行为。采用粗粒化分子动力学方法研究沥青材料自愈合行为，主要研究内容与结论如下：　　（1）以Li、Greenfield提出的沥青四组分十二分子模型为依据，构建沥青全原子分子模型，并通过分子动力学测试，验证了沥青全原子分子模型的准确性。　　（2）以沥青全原子分子模型为基础建立沥青粗粒化分子模型，制定了尽量保留苯环官能团完整性的粗粒化映射方案，对稠合苯环结构采用两种珠子相连接的映射方式。针对该映射方案建立力场：采用玻尔兹曼反转法计算非键势能函数，采用谐振子势计算成键势能函数，建立适用于沥青粗粒化分子模型的粗粒化力场，其中包括6组力场参数。通过粗粒化分子动力学测试和分子轨迹、相对浓度、均方位移分析发现：沥青粗粒化分子模型在NVT系综模拟中发生了聚集，形成了胶团并进一步形成纳米聚集体，符合胶体理论中的沥青分子聚集行为，验证了沥青粗粒化分子模型的准确性。　　（3）采用原子力显微镜测试基质沥青，验证了沥青表面蜂状结构的存在及尺寸，结合沥青粗粒化分子模型建立了沥青表面微裂纹模型。通过沥青表面微裂纹模型在不同温度下模拟沥青材料自愈合行为，分析模拟过程中的分子运动轨迹、势能、密度、扩散系数、分子相对浓度、裂纹率、温度。研究表明，沥青材料的自愈合行为刚开始时会经历短暂的内部分子重组，此时裂纹几乎不进行愈合。完成内部分子重组后，沥青裂纹以分子扩散运动为主导开始愈合，愈合速度不断上升，在短时间内达到最高。当裂纹两端的沥青分子接触后，裂纹愈合速率开始下降，最终裂纹愈合。沥青材料结构符合胶体理论，沥青质为聚集体核心，胶质为聚集体外壳，饱和分与芳香分为游离介质。沥青材料自愈合过程中可能发生进一步的分子聚集行为，减慢胶质分子扩散运动。对沥青材料自愈合行为起主要贡献的组分是饱和分、芳香分。裂纹的愈合时间与温度成反比，温度越高愈合时间越短。当温度低于30℃时，温度升高对减短愈合时间的效果较大；当温度高于30℃时，温度升高对减短愈合时间的效果相对较低。沥青材料自愈合过程与简谐振动势能无关，与平面弯曲势能相关，与范德华势能相关且相关性较强。沥青材料自愈合过程中的分子运动以范德华势能主导的非键作用为主，同时包括平面弯曲势能的部分贡献。沥青材料在愈合时刻会暂时小幅加强成键势能，以帮助裂缝两端的沥青材料接触与重组，愈合结束后加强作用消失。
作者：	凌非
专业：	交通运输工程;道路与铁道工程
导师：	何亮
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2022