瀝青砂漿界面行為的分子動力學研究

瀝青砂漿界面行為的分子動力學研究

付建紅

(內蒙古自治區東部高等級公路管理處，通遼 028000)

摘要：瀝青砂漿是瀝青混合料的重要組成部分之一，其界面行為嚴重影響著瀝青混合料的使用性能。基于分子動力學理論研究，建立瀝青砂漿界面模型，分析瀝青砂漿界面上瀝青的擴散、遷移及結構變化情況，并計算其界面能，分析其界面結合情況。結果表明：高溫將導致砂漿界面瀝青分子擴散加劇，二面角變小，蜷曲程度變大，瀝青分子支鏈的變化最大，并嚴重影響瀝青砂漿界面粘附性。

關鍵詞：瀝青砂漿；界面行為；分子動力學；擴散

doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.03.000

Abstract:Asphalt mortar is one of the important components of asphalt mixtures. The interface behavior of asphalt mortar seriously affects the performance of asphalt mixture. Asphalt mortar interface model was constructed and based on molecular dynamics theory. The diffusion, migration and structural changes were studied and the interface bonding strength was analyzed. Results showed that the high temperature would lead to increase the diffusion coefficient of asphalt, the degree of curled up of asphalt and decrease the dihedral angle. Meanwhile, with the increase of the temperature, the molecular branched chains of asphalt and the interface adhesion of asphalt mortar changed greatly.

收稿日期：2015-04-21.

作者簡介：付建紅(1967-),高級工程師.E-mail:463035678@qq.com

Molecular Dynamic Simulations of Interface

Behaviors of Asphalt Mortar

FUJian-hong

(Highway Management Office in Eastern Area of Inner-Mongolia, Tongliao 028000, China)

Key words:asphalt mortar;interface behavior;molecular dynamics theory;diffusion

公路交通是為國民經濟、社會發展和人民生活服務的公共基礎設施，是衡量一個國家經濟實力和現代化水平的重要標志[1]。瀝青路面作為公路的一種，由于其優異的行車平穩性、舒適性等特點，廣泛應用于路面鋪筑[2]。目前瀝青路面的主要結構形式有:兩層式和三層式。兩層式和三層式的主要區別是瀝青混合料種類和瀝青混合料的層數。瀝青混合料的使用性能嚴重影響著瀝青路面的使用壽命，因此清晰分析瀝青混合料的使用性能對瀝青路面的使用和養護至關重要。瀝青砂漿作為瀝青混合料的一部分，不但是混合料中瀝青和集料之間粘結的橋梁，而且是集料充分發揮其承載作用的紐帶。由于砂漿的組成及形貌與基體部分不同，其結構相對疏松，且強度較低，在外界因素的作用下，瀝青混合料的破壞區域往往出現在砂漿界面。瀝青砂漿的研究一度成為研究熱點。

2007年Mo等[3]采用動態熱機械分析儀對瀝青砂漿-集料界面的動態力學性能進行了分析；2011年Mo等[4]提出了利用動態剪切流變儀測定瀝青砂漿疲勞特性的方法。張延雙等[5]采用動態剪切流變儀對不同老化條件和程度的瀝青砂漿進行性能測試，并分析了其路用性能；認為紫外和熱氧老化會改善瀝青砂漿的高溫穩定性，水損害則會弱化瀝青砂漿的穩定性。徐霈等[1]利用計算機模擬研究了瀝青與集料界面的微觀特性，認為除瀝青質/K2O 界面外，瀝青質/MgO、瀝青質/CaO、瀝青質/Al2O3、瀝青質/Na2O和瀝青質/SiO2五種界面的界面能均在25℃和80℃時兩次達到極大值，即粘結強度最大。對于瀝青在瀝青砂漿界面上的遷移、擴散和結構等的變化研究甚少。

以分子動力學為基礎，建立瀝青砂漿近似模型，在不同溫度下分析瀝青砂漿的擴散、遷移和結構變化，探討瀝青砂漿的界面行為，為瀝青路面病害的預防與養護提供指導。

1實驗

1.1　瀝青砂漿界面模型構建

試驗中瀝青采用Jennings[6]提出的瀝青平均分子結構模型AAA-1(見圖1)，玄武巖集料用二氧化硅代替。文中利用二氧化硅集料(001)晶面建立超胞結構，作為瀝青粘附面，通過層狀模型構筑瀝青砂漿界面近似模型，其模型如圖2所示。

1.2　方法

利用計算機軟件為模擬平臺，借助Amorphous Cell模塊構建瀝青砂漿模型，通過分子動力學模塊進行計算并分析瀝青砂漿的分子動力學性能。利用通用力場和Nose熱浴控溫在正則系綜環境下進行計算，選取對瀝青砂漿有明顯影響的溫度點：25 ℃、60 ℃和130 ℃，模擬時間100 ps，步長1 fs。

2結果與討論

瀝青砂漿界面瀝青的擴散嚴重影響著瀝青砂漿的力學性能和粘附性能。擴散通常可以用擴散系數來衡量，同時擴散系數可以用來評價瀝青分子運動，并可以通過均方根位移進行計算。均方根位移是分子距離其質心擺動的位移。如圖3所示，瀝青砂漿界面瀝青在不同溫度下的均方根位移(MSD)表明，隨著溫度的升高，瀝青砂漿界面瀝青分子在質心附近擺動劇烈，分子運動明顯加快；隨著模擬時間的延長，瀝青的均方根位移增長由快變慢，最后趨向平衡。

擴散系數是一定條件下分子沿其質心運動的平均速度。可由下式求解

(1)

式中，D是擴散系數；T是分子運動的總時間；MSD是均方根位移。由表1可知，瀝青在超高溫條件下(130 ℃)的擴散系數最大，為3.2×10-8m2/s；高溫條件下(60 ℃)的擴散系數其次，為1.2×10-8m2/s；室溫(25 ℃)條件下的擴散系數最小，為1.0×10-8m2/s。結果表明：溫度在一定程度上可以加速瀝青砂漿界面瀝青向集料的擴散，增加瀝青砂漿的界面粘附性；在一定溫度范圍內，溫度越高，擴散系數越大，瀝青的擴散效果越明顯。

如圖4所示，瀝青砂漿界面瀝青結構變化通過不同溫度條件下瀝青的二面角來評價。瀝青的二面角測量依據是瀝青平均分子結構的兩個長支鏈的空間角度，如圖4所示。隨著溫度的升高，瀝青二面角逐漸減小，分子發生蜷曲，特別是瀝青分子支鏈的蜷曲。結果表明：瀝青砂漿界面瀝青在溫度的影響下會向集料移動；且隨著溫度的增加，瀝青分子的蜷曲程度越大，瀝青分子結構變化過程中，瀝青分子支鏈的變化最大，質心的變化很小。

界面能能夠較好地表征瀝青砂漿界面粘結強度，通過瀝青/集料界面能的計算分析瀝青砂漿界面行為。界面能計算公式如下

(2)

式中，Einterface是瀝青砂漿界面能；Ebitumen是瀝青自由能；Esurface集料表面能；Etotal瀝青砂漿自由能。由表1可知，瀝青在高溫下界面能較小，界面結合較弱，因此高溫環境下瀝青砂漿易出現粘結失效和粘附失效等形式的界面失效。隨著溫度的升高，瀝青界面能不斷變小，呈線性變化。

表1　瀝青砂漿界面瀝青擴散系數及二面角

材料類型實驗溫度/℃擴散系數/(m2·s-1)二面角/(°)界面能/(kcal·mol-1)界面瀝青25601301.0×10-81.2×10-83.2×10-8148.054100.09576.104-332.917-385.169-651.950

3結論

通過分子動力學模擬瀝青砂漿界面行為，分析了界面瀝青的擴散、遷移、結構變化和界面能的變化，得出以下結論：

a.溫度會影響瀝青砂漿界面瀝青分子的運動，導致其擴散速度加快。瀝青砂漿界面瀝青在溫度的影響下會向集料移動；且隨著溫度的增加，瀝青分子的蜷曲程度越大，瀝青分子結構變化過程中，瀝青分子支鏈的變化最大，質心的變化很小。

b.瀝青在高溫下界面能較小，界面結合較弱，隨著溫度的升高，瀝青界面能不斷變小，呈線性變化。

參考文獻

[1]徐霈. 基于分子動力學的瀝青與集料界面行為虛擬實驗研究[D]. 長安：長安大學, 2013.

[2]Ahmed Awed, Emad Kassem, Eyad Masad, et al. Method for Predicting the Laboratory Compaction Behavior of Asphalt Mixtures[J]. Journal of Materials in Civil Engineering，2015.

[3]Mo Liantong, Huurman M, Wu Shaopeng , et al. Ravelling Investigation of Porous Asphalt Concrete Based on Fatigue Characteristics of Bitumen-Stone Adhesion and Mortar[J]. Materials and Design，2009, 1(30):170-179.

[4]Mo Liantong, Huurman M, Wu Shaopeng, et al. Research Bituminous Mortar Fatigue Test Method Based on Dynamic Shear Rheometer[J]. Journal of Testing and Evaluation，2012, 1(40):84-90.

[5]張延雙，周新星. 基于動態剪切流變儀的瀝青砂漿力學性能研究[J]. 建材世界，2015(1):17-19.

[6]Jennings P, Pribanic J, Desando M. Binder Characterization and Evaluation by Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy[M].Washington DC:Strategic Highway Research Program, National Research Council,1993.