沥青砂浆界面行为的分子动力学研究

沥青砂浆界面行为的分子动力学研究

付建红

(内蒙古自治区东部高等级公路管理处，通辽 028000)

摘要：沥青砂浆是沥青混合料的重要组成部分之一，其界面行为严重影响着沥青混合料的使用性能。基于分子动力学理论研究，建立沥青砂浆界面模型，分析沥青砂浆界面上沥青的扩散、迁移及结构变化情况，并计算其界面能，分析其界面结合情况。结果表明：高温将导致砂浆界面沥青分子扩散加剧，二面角变小，蜷曲程度变大，沥青分子支链的变化最大，并严重影响沥青砂浆界面粘附性。

关键词：沥青砂浆；界面行为；分子动力学；扩散

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.

作者简介：付建红(1967-),高级工程师.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

公路交通是为国民经济、社会发展和人民生活服务的公共基础设施，是衡量一个国家经济实力和现代化水平的重要标志[1]。沥青路面作为公路的一种，由于其优异的行车平稳性、舒适性等特点，广泛应用于路面铺筑[2]。目前沥青路面的主要结构形式有:两层式和三层式。两层式和三层式的主要区别是沥青混合料种类和沥青混合料的层数。沥青混合料的使用性能严重影响着沥青路面的使用寿命，因此清晰分析沥青混合料的使用性能对沥青路面的使用和养护至关重要。沥青砂浆作为沥青混合料的一部分，不但是混合料中沥青和集料之间粘结的桥梁，而且是集料充分发挥其承载作用的纽带。由于砂浆的组成及形貌与基体部分不同，其结构相对疏松，且强度较低，在外界因素的作用下，沥青混合料的破坏区域往往出现在砂浆界面。沥青砂浆的研究一度成为研究热点。

2007年Mo等[3]采用动态热机械分析仪对沥青砂浆-集料界面的动态力学性能进行了分析；2011年Mo等[4]提出了利用动态剪切流变仪测定沥青砂浆疲劳特性的方法。张延双等[5]采用动态剪切流变仪对不同老化条件和程度的沥青砂浆进行性能测试，并分析了其路用性能；认为紫外和热氧老化会改善沥青砂浆的高温稳定性，水损害则会弱化沥青砂浆的稳定性。徐霈等[1]利用计算机模拟研究了沥青与集料界面的微观特性，认为除沥青质/K2O 界面外，沥青质/MgO、沥青质/CaO、沥青质/Al2O3、沥青质/Na2O和沥青质/SiO2五种界面的界面能均在25℃和80℃时两次达到极大值，即粘结强度最大。对于沥青在沥青砂浆界面上的迁移、扩散和结构等的变化研究甚少。

以分子动力学为基础，建立沥青砂浆近似模型，在不同温度下分析沥青砂浆的扩散、迁移和结构变化，探讨沥青砂浆的界面行为，为沥青路面病害的预防与养护提供指导。

1实验

1.1　沥青砂浆界面模型构建

试验中沥青采用Jennings[6]提出的沥青平均分子结构模型AAA-1(见图1)，玄武岩集料用二氧化硅代替。文中利用二氧化硅集料(001)晶面建立超胞结构，作为沥青粘附面，通过层状模型构筑沥青砂浆界面近似模型，其模型如图2所示。

1.2　方法

利用计算机软件为模拟平台，借助Amorphous Cell模块构建沥青砂浆模型，通过分子动力学模块进行计算并分析沥青砂浆的分子动力学性能。利用通用力场和Nose热浴控温在正则系综环境下进行计算，选取对沥青砂浆有明显影响的温度点：25 ℃、60 ℃和130 ℃，模拟时间100 ps，步长1 fs。

2结果与讨论

沥青砂浆界面沥青的扩散严重影响着沥青砂浆的力学性能和粘附性能。扩散通常可以用扩散系数来衡量，同时扩散系数可以用来评价沥青分子运动，并可以通过均方根位移进行计算。均方根位移是分子距离其质心摆动的位移。如图3所示，沥青砂浆界面沥青在不同温度下的均方根位移(MSD)表明，随着温度的升高，沥青砂浆界面沥青分子在质心附近摆动剧烈，分子运动明显加快；随着模拟时间的延长，沥青的均方根位移增长由快变慢，最后趋向平衡。

扩散系数是一定条件下分子沿其质心运动的平均速度。可由下式求解

(1)

式中，D是扩散系数；T是分子运动的总时间；MSD是均方根位移。由表1可知，沥青在超高温条件下(130 ℃)的扩散系数最大，为3.2×10-8m2/s；高温条件下(60 ℃)的扩散系数其次，为1.2×10-8m2/s；室温(25 ℃)条件下的扩散系数最小，为1.0×10-8m2/s。结果表明：温度在一定程度上可以加速沥青砂浆界面沥青向集料的扩散，增加沥青砂浆的界面粘附性；在一定温度范围内，温度越高，扩散系数越大，沥青的扩散效果越明显。

如图4所示，沥青砂浆界面沥青结构变化通过不同温度条件下沥青的二面角来评价。沥青的二面角测量依据是沥青平均分子结构的两个长支链的空间角度，如图4所示。随着温度的升高，沥青二面角逐渐减小，分子发生蜷曲，特别是沥青分子支链的蜷曲。结果表明：沥青砂浆界面沥青在温度的影响下会向集料移动；且随着温度的增加，沥青分子的蜷曲程度越大，沥青分子结构变化过程中，沥青分子支链的变化最大，质心的变化很小。

界面能能够较好地表征沥青砂浆界面粘结强度，通过沥青/集料界面能的计算分析沥青砂浆界面行为。界面能计算公式如下

(2)

式中，Einterface是沥青砂浆界面能；Ebitumen是沥青自由能；Esurface集料表面能；Etotal沥青砂浆自由能。由表1可知，沥青在高温下界面能较小，界面结合较弱，因此高温环境下沥青砂浆易出现粘结失效和粘附失效等形式的界面失效。随着温度的升高，沥青界面能不断变小，呈线性变化。

表1　沥青砂浆界面沥青扩散系数及二面角

材料类型实验温度/℃扩散系数/(m2·s-1)二面角/(°)界面能/(kcal·mol-1)界面沥青25601301.0×10-81.2×10-83.2×10-8148.054100.09576.104-332.917-385.169-651.950

3结论

通过分子动力学模拟沥青砂浆界面行为，分析了界面沥青的扩散、迁移、结构变化和界面能的变化，得出以下结论：

a.温度会影响沥青砂浆界面沥青分子的运动，导致其扩散速度加快。沥青砂浆界面沥青在温度的影响下会向集料移动；且随着温度的增加，沥青分子的蜷曲程度越大，沥青分子结构变化过程中，沥青分子支链的变化最大，质心的变化很小。

b.沥青在高温下界面能较小，界面结合较弱，随着温度的升高，沥青界面能不断变小，呈线性变化。

参考文献

[1]徐霈. 基于分子动力学的沥青与集料界面行为虚拟实验研究[D]. 长安：长安大学, 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]张延双，周新星. 基于动态剪切流变仪的沥青砂浆力学性能研究[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.