不同温度下沥青自愈合行为的纳观表征与分析研究_詹易群.pdf

第 20 卷 第 2 期2023 年 2 月铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and EngineeringVolume 20 Number 2February 2023不同温度下沥青自愈合行为的纳观表征与分析研究詹易群，吴昊，宋卫民，朱琳(中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)摘要：为了从纳观层面分析沥青的自愈合行为，通过分子动力学(MD)方法构建沥青分子模型，模拟裂缝两侧材料间的扩散融合过程分析沥青的自愈合行为和扩散融合效率，并提出纳观尺度上描述沥青自愈合能力的表征方法和参数。研究结果表明，沥青材料的自愈合行为在纳观上主要分为2个阶段：运动至完全接触阶段和扩散阶段。运动至完全接触阶段是体积发生变化的主要阶段，当达到完全接触状态时，扩散融合后沥青材料自愈合模型的体积会达到一个稳定值。模拟结果表明，分子扩散在自愈合过程中起着重要作用，扩散能力和效率的增大能提高沥青的自愈合性能。自愈合过程中模型的体积和密度均会随着温度的变化而变化，随着温度的升高，材料自愈合效率提高。同时，在扩散融合过程达到稳定后，自愈合模型的密度与单个沥青模型在同温度下的密度十分近似，表明在这一温度条件下沥青材料的自愈合过程基本完成。由此表明采用模型的相对浓度、内聚能密度CED和自由体积分数FFV能够有效表征沥青材料的自愈合程度和效率。关键词：自愈合；分子动力学；扩散行为；相对浓度；内聚能密度中图分类号：U414 文献标志码：A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号：1672-7029（2023）02-0611-09Nanoscopic characterization and analysis of self-healing behaviors of asphalt under different temperatures based on molecular dynamicsZHAN Yiqun,WU Hao,SONG Weimin,ZHU Lin(School of Civil Engineering,Central South University,Changsha 410075,China)Abstract:In order to reveal the self-healing mechanism of asphalt at the nano scale,a model of the molecular structure of asphalt was constructed using the molecular dynamics(MD)method in the study.The diffusion process between different asphalt layer materials was analyzed to characterize the self-healing behavior and diffusion efficiency of asphalt,and the characterization parameters describing the self-healing ability of asphalt materials at the nanoscale were proposed.The results show that the self-healing behavior of asphalt materials at the nanoscale can be divided into two stages:the movement to complete contact stage and the diffusion and fusion stage.The movement to the complete contact stage is the main stage in which the volume changes.When the complete contact state is reached,the volume of the self-healing model would reach a stable value after diffusion and fusion.The results show that molecular diffusion plays an important role in the self-healing process,收稿日期：2022-03-02基金项目：国家自然科学基金资助项目(52008405，51778638)；湖南省自然科学基金资助项目(2020JJ5744)通信作者：宋卫民(1987-)，男，河南濮阳人，副教授，博士，从事路基路面材料性能研究；E-mail：DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20220368铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 2月and the increase of diffusion capacity and efficiency improves the self-healing performance of asphalt.During the self-healing process,the volume and density of the model change with the temperature.As the temperature increases,the self-healing efficiency of the asphalt material increases.At the same time,after the diffusion and fusion process is stabilized,the density of the self-healing model is very similar to the density of a single asphalt layer at the same temperature,indicating that the self-healing process of the asphalt material is basically completed at this temperature.This indicates that the relative concentration,cohesive energy density CED,and free volume fraction FFV of the model can effectively characterize the self-healing ability and efficiency of asphalt materials.Key words:self-healing;molecular dynamics;diffusion coefficient;relative concentration;cohesive energy density 沥青路面受到交通荷载和环境因素的反复作用，会引起沥青胶浆黏聚或黏附损伤的开展12，最终导致整个路面性能的恶化34。沥青在高温下的流变特性和扩散性能对于其自愈合特性有十分重要的影响。沥青自身的黏滞流动作用会使它填充到微小裂缝中，填充的沥青和出现损伤的沥青会逐渐融合，从而促进裂缝的愈合56。这种自愈合行为对于路面的病害具有一定的抑制和修复作用，并在一定程度上恢复路面的强度和抗渗性能。沥青的自愈合行为一般发生在纳观尺度上，宏观试验获得的信息尚不能揭示沥青自愈合的机制。因此，从纳观尺度认识沥青材料的自愈合行为及机理具有十分重要的意义5,78。目前对沥青自愈合特性的研究主要分为2个方面：一方面是着重于通过试验获得与沥青材料自愈合行为相关的物理力学特性，另一方面则侧重于研究沥青材料自愈合特性对沥青混合料的力学性能与耐久性能的影响9。随着计算机技术的发展，越来越多的学者采用分子动力学(MD)来研究沥青的相关性能，从而获取一些无法通过宏观试验获得的现象和数据。MD可以模拟给定周期内原子和分子的相互作用和力学行为，并计算分子模型的物理、化学和热力学特性，从而在纳观尺度给出材料行为的力学解释7,10。此外，该方法也被证明是研究沥青结合料的老化、水敏感性和损伤机理的有效方法。沥青的自愈合能力与其流变性能关系密切。实际使用过程中，沥青的自愈合能力受到温度、压力、组分等各种因素的影响3,8,11。BHASIN等12首次采用MD来模拟了沥青自愈合现象，认为沥青的自愈合与沥青的分子链的形态有一定的相关性。研究采用了具有不同支链长度的沥青质来进行模拟，研究结果表明，随着沥青分子的支链逐渐增多分子链逐渐缩短，沥青材料的自愈合速率也随之加快。SUN等13在毛细管扩散理论基础上，将沥青自愈合分为润湿和扩散阶段。同时通过分子模拟技术分别分析了基质沥青和SBS改性沥青的自愈合能力。该研究在阿伦尼乌斯方程的基础上，采用愈合指数对沥青的自愈合能力进行评价。结果表明SBS改性沥青的自愈合性能更为良好。HE等14采用MD对基质沥青、老化沥青和SBS改性沥青的自愈合过程进行了模拟与分析，模型的体积变化和扩散率等参数被用来表征沥青的自愈合效果。研究结果表明，沥青体积的“压缩”和沥青分子的“拉伸”是沥青微裂纹愈合的主要原因。SHEN 等15建立了具有不同裂纹宽度的小尺度MD模型来研究沥青的自愈合机制，并探讨了裂纹宽度对自愈合效果的影响。研究结果表明，自愈合是由沥青分子的扩散机制所触发的，较高的温度会导致较高的分子扩散率，从而使得沥青材料获得更高的自愈合率；另外，无论是宏观还是微观层面，老化程度和裂缝宽度都会对沥青的自愈合效率产生重要影响。朱建勇16采用四组分沥青体系在不同温度下对沥青进行了分子动力学计算，研究了不同温度下均方位移的变化。结果表明，随着温度的增高，沥青的扩散系数增大，即沥青自愈合的速度也随之越快。柏林等17利用沥青四组分分析法建立沥青分子和裂缝分析模型，模拟了不同温度、压强和老化条件下沥青四组分在愈合时的扩散过程，得到了愈合模型的密度、均方位移曲线和各组分的扩散系数。结果表明，沥青在愈合过程中612第 2 期詹易群，等：不同温度下沥青自愈合行为的纳观表征与分析研究饱和分和芳香分的扩散速度最快，升温升压能够促进沥青分子运动；相同条件下，老化沥青愈合时的扩散系数明显小于未老化沥青。YU等18为了准确了解内外部因素对于自愈合过程的影响，利用活化能研究了不同裂缝宽度及温度梯度下的愈合过程。结果得出微裂缝宽度对于自愈合的影响大于温度作用，老化后的沥青自愈合需要更长的时间与活化能。在扩散性方面，ZHANG等19对沥青模型在不同温度下进行长达12 ns的计算收集应力张量等数据，然后通过Green-Kubo公式进行计算，得到了不同温度下的黏度。结果表明，模拟的沥青模型与 SHRP 具有相同的数量级，同时与KHONG等20研究的样品沥青具有相似的黏度和温度依赖关系。丁勇杰21采用了直接计算法和扩散系数计算法来计算了沥青的黏度，以此验证沥青模型建立的准确性。通过扩散系数计算法，发现黏度与扩散系数具有较高的相关性，从而验证了沥青模型的准确性。XU等2223通过建立沥青的老化模型，对老化沥青的基础性能进行模拟分析。结果表明，由于老化后的沥青具有更高的极性，所以导致内聚能密度更低，扩散性能更差；同时老化沥青较于基质沥青具有更高的活化能屏障，这导致其自愈合能力降低。HU等24基于分子动力学对橡胶沥青进行热力学计算发现，随着橡胶含量的增加，沥青之间的自愈合性能明显减缓，橡胶改性剂在一定程度上弱化了沥青组分之间的扩散团聚作用。SUN等25基于Arrhenius方程提出自愈合参数对SBS改性沥青进行评价，结果表明该参数可以较好的反应不同温度下高黏沥青的自愈合性能，同时由于SBS改性剂的