彭 超,马红超,解传凯,鲁 笠,李致博
(1.中国地质大学 工程学院,湖北 武汉 430074;2.山东省高速路桥养护有限公司,山东 济南 250032)
温拌沥青的生产温度通常比热拌沥青的生产温度低20 ℃到40 ℃,能够降低二氧化碳的排放和改善环境。沸石、蜡和表面活性剂3种主要的温拌剂被广泛应用在沥青路面。目前,研究人员大多采用宏观物理实验对温拌沥青进行测试。与沸石和表面活性剂相比,蜡能够进一步改善沥青混合料的水稳定性和抗车辙性能。但是,蜡对于沥青的微观作用机理的研究还较少。因此,采用微观方法研究蜡质温拌沥青是十分有必要的。
近年来,随着计算机水平的不断提高,分子动力学模拟方法得到了迅猛的发展。很多研究人员通过分子动力学方法来研究沥青材料,如有学者首先应用分子动力学方法建立了2种不同沥青质分子的沥青模型。一些研究人员在此基础上,建立了沥青的3组分模型、4组分模型和12组分模型。目前分子动力学多用于研究老化沥青、再生沥青和传统的热拌改性沥青。然而,关于温拌沥青的分子动力学模拟的研究也较少。
本文选用12种不同的分子作为沥青分子模型,然后添加蜡分子构成蜡质温拌沥青模型。通过分子动力学方法研究了蜡对沥青溶解度参数、力学性能、黏度和自愈合的影响。并通过宏观实验对模拟的数据进行验证。
本文采用Material Studio(MS)软件进行建模与模拟。CAMPASS (Condensed-phase Optimized Molecular Potentials for Atomistic Simulation Studies) 被用来描述分子之间相互作用和分子间势能。有机分子、聚合物、气体分子和一些金属无机物都可以用CAMPASS来处理;CAMPASS力场能够准确地模拟沥青的物理性能。
美国材料与试验协会(ASTM) D4124-09提出了 SARA (饱和分、芳香分、胶质和沥青质)分类方案。为了更好地了解沥青的物理、流变和力学性能,有学者开发了12组分模型沥青体系。AAA-1型沥青体系与AAK-1、AAM-1模型体系相比,其密度和热膨胀系数更接近琼斯的实验数据。本文选用Greenfield等建立的AAA-1沥青模型作为基质沥青模型。基质沥青具体参数如表1所示;每种分子模型如图1所示。利用MS软件中Amorphous Cell Calculation模块构建沥青分子模型,设定相对密度为0.1 g/cm。建立好的基质沥青模型如图2所示。
表1 基质沥青模型的相关参数Tab.1 Related parameters of the base asphalt model
图1 沥青4组分分子模型Fig.1 Four component molecular model of asphalt
图2 基质沥青模型示意图Fig.2 Matrix asphalt model diagram
烷烃是一种饱和烃(CH2+2),也被称为蜡。正构烷烃是一种多亚基序列(—CH)——有规律地分层堆叠。本文选用文献[21]模式建立正构蜡模型。蜡的分子式为—CH,蜡分子结构模型如图3所示。
图3 蜡分子模型Fig.3 Wax molecular model
在基质沥青模型中添加1%到4%的蜡分子以获得蜡质温拌沥青模型。经过计算基质沥青的摩尔质量为32 710.4 g/mol,蜡的摩尔质量为156.4 g/mol。在沥青中分别加入2、4、6和8 mol的蜡分子建立蜡质温拌沥青模型(以下简称MA),1%、2%、3%和4%蜡质温拌沥青分别简称为WWMA-1、WWMA-2、WWMA-3和WWMA-4。
用Amorphous cell模块建立的蜡质温拌沥青模型,如图4所示。
(a)-WWMA-1模型;(b)-WWMA-2模型;(c)-WWMA-3模型;(d)-WWMA-4模型图4 Amorphous cell模块建立的蜡质温拌沥青模型Fig.4 Wax warm mix asphalt model establishedby Amorphous cell module
在Forcite模块中对MA和各蜡质温拌沥青模型进行几何优化。为了使能量最小化,模型在COMMPAS力场下进行5 000次迭代。然后在NPT系综(粒子数、压力和温度不变)下,对该体系进行分子动力学平衡,得到稳定的沥青体系。最后在NVT系综(粒子数、体系体积和温度不变),压力为1.0大气压下对沥青模型进一步平衡得到体积和能量波动稳定的沥青体系。经过几何优化、动力学平衡后的MA和各蜡质温拌沥青模型如图5。其与图4相比,几何优化和动力学平衡后全部沥青组分变得更加紧密。
优化后的MA和各蜡质温拌沥青模型的密度如表2所示。实际沥青密度为1.00~1.04 g/cm。沥青模型经过几何优化与多次动力学压实与放松后,其密度为0.977~0.992 g/cm,与参考值比较其差异控制5%以内。表明建立的沥青分子模型接近真实的沥青。
(a)-优化后的MA模型;(b)-优化后的WWMA-1模型;(c)-优化后的WWMA-2模型;(d)-优化后的WWMA-3模型;(d)-优化后的WWMA-4模型图5 优化后的MA和各蜡质温拌沥青模型Fig.5 Optimized MA and wax warm mix asphalt models
表2 蜡质温拌沥青密度Tab.2 Density of wax based warm asphalt g/cm3
溶解度参数是衡量液体材料相容性的一项物理常数。两种材料的溶解度参数相差越小,越容易相互混溶,所以溶解度参数可以作为指标来评价蜡和沥青相容性效果。在MS软件中,用分子动力学方法计算了蜡和沥青的内聚能密度。在分子动力学模拟中,内聚能密度为消除1 mol物质全部分子间作用力所需的能量,是表征物质分子间相互作用力强弱的物理量。在分子动力学中用式(1)计算内聚能密度();用式(2)计算溶解度参数(∂)。
(1)
式中:为内聚能密度,J/cm;为沥青体系的内聚能;为沥青体系的体积。
(2)
在分子模拟计算中,任一个受到外力作用的体系都处在应力状态下,会引起体系内粒子相对位置的改变。对于各向同性的材料,其应力应变行为仅有拉梅常数便可完全描述。此时体系的刚度矩阵可通过拉梅常数建立其与应力应变之间的关系,进而可计算各体系的体积模量、剪切模量。在Forcite模块中计算了MA和各蜡质温拌沥青力学性能。
黏度是表征沥青材料粘滞性的一项性能参数。它反映沥青在发生流动时其内部分子间摩擦阻力的大小,其大小与沥青路面的力学行为关系密切。如要防止路面产生车辙病害,合理选择沥青黏度是十分必要的。
沥青路面在车辆反复荷载作用下,沥青内部会出现微裂缝和疲劳损坏。沥青在一定条件下可以自发的修复其内部的微裂缝。本文在2个沥青分子之间添加一个1 nm的真空层来表示裂缝。用密度研究常温下(297 K)蜡对沥青自愈合性能的影响。
本文选用90#号基质沥青,将基质沥青加热至150 ℃。然后,将2%、3%和4%的蜡分别掺入到热沥青中。采用高剪切混合乳化机在150 ℃温度下以5 000 r/min的转速搅拌15 min,即得到不同质量分数的蜡质温拌沥青。根据《沥青剂沥青混合料实验规程》对蜡质温拌沥青进行针入度、软化点和延度实验。
由于蜡的熔点在100 ℃左右,所以本文计算了沥青和蜡在100、120、140、160和180 ℃ 时的溶解度参数,具体如表3所示。
表3 沥青与蜡的溶解度参数Tab.3 Solubility parameters of asphalt and wax (J·cm-3)0.5
由表3可以看到,沥青和蜡的溶解度参数随温度的升高而降低,在100 ℃时,沥青和蜡的溶解度参数分别为17.253、14.611 (J/cm),相差最小。这表明在100 ℃时蜡和沥青的溶解度参数最为接近,蜡和沥青形成的共混体系更稳定。后续的力学性能和黏度都在100 ℃下模拟。
通过Forcite模块中的Mechanical Properties功能计算了MA和各蜡质温拌沥青的体积模量()、剪切模量()和弹性模量()。由图6可知,蜡对沥青的3个模量都有增强作用,MA的、和值分别为4.418 2、3.477 2和0.788 9 GPa。与MA相比,掺量为1%到4%的蜡质温拌沥青的值分别提高了18.5%、28.1%、33.0%和36.3%;值分别提高了5.1%、9.2%、12.9%和21.2%;值分别提高了5.6%、9.6%、25.1%和23.7%。其中,蜡质温拌沥青的值增加的幅度最大,其次为、值。
图6 MA和各蜡质温拌沥青的模量Fig.6 MA and the modulus of each wax based warm mix asphalt
MA和各蜡质温拌沥青的黏度如图7所示。
图7 MA和各蜡质温拌沥青的黏度Fig.7 Viscosity of MA and each wax based warm mix asphalt
由图7可知,MA的黏度为0.512 Pa·s,还可以发现,随着蜡掺量的增加,蜡质温拌沥青的黏度呈现出减小的趋势。当掺量增加到4%时,蜡质温拌沥青的黏度降到了最小值,为0.325 Pa·s;掺量为1%至4%的蜡质温拌沥青的黏度与MA相比分别降低了6.1%、16.4%、23.0%和36.5%。试验表明,添加蜡能够降低沥青的黏度,从而能够降低沥青的拌合和压实温度;这与文献[24]的实验结果吻合,即添加蜡能够降低沥青的黏度。
图8为沥青自愈合模型图。
由图8可知,1 nm表示2个沥青分子间的裂缝。
图8 MA和各蜡质温拌沥青自愈合模型图Fig.8 Self-healing models of MA and each wax based warm mix asphalt
图9为沥青自愈合过程中密度随时间的变化图。
由图9可知,基质沥青在68 ps时就已经完成了裂缝的自愈合。此外,随着蜡掺量的增加,沥青的自愈合的时间依次增加。可以发现蜡增加了沥青自愈合的时间。
图9 MA和各蜡质温拌沥青自愈合密度图Fig.9 Self-healing density of MA and each wax based warm mix asphalt
MA和各蜡质温拌沥青针入度、软化点和延度实验结果,具体如图10所示。
图10 MA和各蜡质温拌沥青针入度、软化点和延度图Fig.10 The penetration,softening point and ductility diagrams of MA and various wax based warm mix asphalt
从图10可以看出,蜡质温拌沥青的针入度和延度随着蜡掺量的增加而降低,软化点随着蜡掺量增加而升高。与基质沥青相比,添加蜡降低了沥青的针入度,提升了沥青软化点。这表明添加蜡能够改善沥青的抗车辙性能,有助于沥青的力学性能的提升,这与“3.2中”模拟的结果相吻合。添加蜡降低了沥青的延度,这表明蜡降低了沥青的流动性。流动性的降低能够增加沥青自愈合的时间,这和“3.4中”模拟的结果一致。
本文在MS软件中建立了蜡分子模型、MA模型和各蜡质温拌沥青模型,用密度对MA和各蜡质温拌沥青模型进行了合理性验证;然后通过分子动力学方法对MA和各蜡质温拌沥青的溶解度参数、力学性能、黏度和自愈合进行了模拟。
(1)相比于其他温度,蜡和沥青在100 ℃时形成的共混体系更稳定;
(2)蜡能够增加沥青的值、值和值。与MA相比,掺量为4%的蜡质温拌沥青的K值增加了36.3%。掺量为4%的蜡质温拌沥青的黏度比MA的降低了36.5%。蜡增加了沥青的自愈合时间;
(3)蜡质温拌沥青的针入度和延度随着蜡掺量的增加而降低,软化点随着蜡掺量增加而升高。蜡质温拌沥青的软化点、延度和针入度的结果与分子动力学模拟的结果吻合。