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基于分子动力学模拟的沥青材料愈合多因素探究
| 论文题名： | 基于分子动力学模拟的沥青材料愈合多因素探究 |
| 关键词： | 泡沫沥青;分子动力学模拟;内聚愈合;车辆荷载;微观机理 |
| 摘要： | 受车辆荷载和外界环境作用，沥青路面在使用过程中容易产生微损伤，若任其自由发展，会最终蔓延贯通形成宏观裂缝，严重影响沥青路面的使用质量。沥青材料具有愈合特性，针对这一特性，道路工程人员开展了大量研究，来探究沥青材料自身特性和外界环境因素对其愈合性能的影响。这些研究大多基于宏观力学响应来评价沥青材料的愈合性能，很少从分子层面探究其背后的机理。因此，本文以分子动力学模拟为基础，研究水、老化程度、温度、裂纹宽度对沥青内聚愈合，以及温度和裂纹宽度对沥青-集料粘附愈合的影响，弥补沥青材料愈合在微观机理研究方面的不足。 首先，建立泡沫沥青(沥青含水)愈合模型和裂纹含水的沥青愈合模型，通过比较动力学运算过程中裂纹内沥青相对浓度的变化规律或水分子的分布特性，来分别探究水分在沥青内部和裂纹内部时，对沥青愈合的影响。计算结果表明，沥青内部的水分加快了沥青的愈合速率，但降低了愈合强度和效果。分析泡沫沥青的自由体积占比和扩散系数发现，水分的存在增大了沥青内部的自由体积占比，增强了沥青分子的扩散。此外，裂纹内的水对沥青的愈合速率和效果都起到了抑制作用，水量越大，抑制效果越强。 其次，基于以往老化模拟试验的结果建立不同老化程度的沥青氧化老化模型，探究温度、裂纹宽度和再生剂对老化沥青愈合的影响，并从能量变化或分子分布特性的角度揭示了愈合驱动力和机理。模拟结果显示：(1)老化程度和裂纹宽度都阻碍了沥青的愈合，老化的阻碍效果随裂纹宽度的增大而增强。高温促进了愈合的进行，但老化的抑制效果比高温的促进效果强;(2)未老化沥青的愈合驱动力主要是分子间范德华作用力，老化沥青的愈合驱动力主要是分子间范德华作用力和静电作用力;(3)再生剂分子通过增大沥青质芳香环之间的距离，抑制Π-Π堆叠，进而促进愈合。 最后，利用分子动力学模拟探究了以往研究中关注较少的沥青-集料粘附愈合。建立沥青-碱性集料的界面粘附愈合模型，提出粘附愈合速率表征指标及粘附愈合恢复强度指标，并结合能量交换，解释粘附愈合背后的分子相互作用机理。结果表明：(1)粘附愈合包括润湿阶段和固有愈合阶段；(2)润湿阶段由沥青的分子间作用力驱动，而固有愈合阶段由沥青的分子间作用力、沥青-集料的粘附作用力共同驱动。 |
| 作者： | 万慧萍 |
| 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： | 2022 |
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