分子尺度下的水损沥青静态裂缝自愈合_肖敏敏.pdf

第4 4卷第1期河 北 科 技 大 学 学 报V o l.4 4,N o.12 0 2 3年2月J o u r n a l o fH e b e iU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yF e b.2 0 2 3 文章编号:1 0 0 8-1 5 4 2(2 0 2 3)0 1-0 0 4 6-1 2分子尺度下的水损沥青静态裂缝自愈合肖敏敏1,董金勇1,李春岩1,杨礼明2,朱兴一3(1.上海应用技术大学城市建设与安全工程学院,上海 2 0 1 4 1 8;2.广西交通设计集团有限公司,广西南宁 5 3 0 0 0 0;3.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室,上海 2 0 0 0 9 2)摘 要:为探寻水分对沥青自愈合的影响机理,采用分子动力学方法从分子角度对比分析常规沥青、水损沥青的自愈合过程,并通过宏观试验进行验证。首先,结合沥青体系能量变化,将愈合状态分为3个阶段:分子迁移低密度阶段、裂纹愈合及修复阶段、分子自由运动阶段;然后,运用径向分布函数和均方位移函数分析2种沥青在裂纹宽度、含水率、沥青组分的扩散机理和聚集状态,解释沥青的自愈合及水对沥青自愈合的影响机理;最后,进行宏观试验验证。结果表明:在裂缝自愈合过程中,水分将阻碍沥青分子间的作用力,削弱沥青体系能量,导致沥青扩散力降低,且含水量越多,扩散力下降越明显;裂缝减弱了沥青各组分的关联性,破坏了沥青质胶团和胶质过渡相的稳定性,且裂缝处的分子数目随着裂缝尺寸的增加而减少,促使沥青自愈合能力降低。采用分子动力学从分子角度解释沥青愈合机理的可靠性,有助于了解沥青分子在水损过程中结构形态和扩散行为的变化特征,为未来水损沥青自愈合的研究提供参考。关键词:化学动力学;沥青水侵蚀;分子动力学;均方位移;径向分布;自愈合中图分类号:T Q 5 2 2.6 5;U 4 1 4 文献标识码:A D O I:1 0.7 5 3 5/h b k d.2 0 2 3 y x 0 1 0 0 6 收稿日期:2 0 2 2-1 2-0 4;修回日期:2 0 2 3-0 1-0 8;责任编辑:张士莹基金项目:国家自然科学基金(5 1 9 2 2 0 7 9);广西省重点研发计划项目(桂科A B 2 0 1 5 9 0 3 6)第一作者简介:肖敏敏(1 9 8 3),女,江苏靖江人,副教授,博士,主要从事道路结构与材料方面的研究。通信作者:董金勇。E-m a i l:1 2 4 6 0 5 5 8 9 7q q.c o m肖敏敏,董金勇,李春岩,等.分子尺度下的水损沥青静态裂缝自愈合J.河北科技大学学报,2 0 2 3,4 4(1):4 6-5 7.X I AO M i n m i n,D ON GJ i n y o n g,L IC h u n y a n,e ta l.S t a t i cf r a c t u r es e l f-h e a l i n go fw a t e r-d a m a g e da s p h a l ta tm o l e c u l a rs c a l eJ.J o u r n a lo fH e b e iU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,2 0 2 3,4 4(1):4 6-5 7.S t a t i c f r a c t u r es e l f-h e a l i n go fw a t e r-d a m a g e da s p h a l t a tm o l e c u l a r s c a l eX I AO M i n m i n1,D ONGJ i n y o n g1,L IC h u n y a n1,YANGL i m i n g2,Z HUX i n g y i3(1.S c h o o lo f U r b a n C o n s t r u c t i o na n dS a f e t y E n g i n e e r i n g,S h a n g h a iI n s t i t u eo fT e c h n o l o g y,S h a n g h a i2 0 1 4 1 8,C h i n a;2.G u a n g x iC o mm u n i c a t i o n sD e s i g nG r o u pC o m p a n yL i m i t e d,N a n n i n g,G u a n g x i5 3 0 0 0 0,C h i n a;3.K e yL a b o r a t o r yo fR o a da n dT r a f f i cE n g i n e e r i n go fM i n i s t r yo fE d u c a t i o n,T o n g j iU n i v e r s i t y,S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r t oe x p l o r e t h em e c h a n i s mo fw a t e ro ns e l f-h e a l i n go fa s p h a l t,t h es e l f-h e a l i n gp r o c e s so fo r d i n a r ya s p h a l ta n dw a t e r-d a m a g ea s p h a l tw a sc o m p a r e da n da n a l y z e df r o mt h e m o l e c u l a rp o i n to fv i e w b y m o l e c u l a rd y n a m i c s,a n d w a sv e r i f i e db ym a c r o s c o p i ce x p e r i m e n t s.F i r s t l y,t h eh e a l i n gs t a t ew a sd i v i d e di n t ot h r e es t a g e si nc o m b i n a t i o nw i t ht h ee n e r g y第1期肖敏敏,等:分子尺度下的水损沥青静态裂缝自愈合c h a n g eo f t h e a s p h a l t s y s t e m:t h e l o wd e n s i t ys t a g eo fm o l e c u l a rm i g r a t i o n,t h e s t a g eo f c r a c kh e a l i n ga n dr e p a i r,a n d t h e s t a g eo f f r e em o v e m e n to fm o l e c u l e s;S e c o n d l y,t h e r a d i a l d i s t r i b u t i o n f u n c t i o na n d t h em e a ns q u a r ed i s p l a c e m e n t f u n c t i o nw e r eu s e dt oa n a l y z e t h ed i f f u s i o nm e c h a n i s ma n da g g r e g a t i o ns t a t eo ft h et w ok i n d so fa s p h a l ti nc r a c kw i d t h,m o i s t u r ec o n t e n ta n da s p h a l t c o m p o n e n t,t oe x p l a i nt h es e l f-h e a l i n g m e c h a n i s mo fa s p h a l ta n dt h ei n f l u e n c em e c h a n i s mo fw a t e ro na s p h a l ts e l f-h e a l i n g;F i n a l l y,m a c r o s c o p i ce x p e r i m e n tv e r i f i c a t i o n w a sc o n d u c t e d.T h er e s u l t ss h o wt h a ti nt h ep r o c e s so fc r a c ks e l f-h e a l i n g,w a t e rw i l lh i n d e r t h e i n t e r m o l e c u l a r f o r c eo f a s p h a l t,w e a k e n t h ee n e r g yo f t h ea s p h a l t s y s t e m,r e s u l t i n g i nad e c r e a s ei nt h ed i f f u s i o nf o r c eo ft h ea s p h a l t,a n dt h em o r ew a t e rc o n t e n t,t h em o r eo b v i o u st h ed e c r e a s eo fd i f f u s i o nf o r c e;C r a c k sw e a k e nt h e c o r r e l a t i o no f a s p h a l t c o m p o n e n t s,d e s t a b i l i z e a s p h a l t e n e c l u s t e r s a n dc o l l o i d a l t r a n s i t i o np h a s e s,a n d t h en u m b e r o fm o l e c u l e sa t t h ec r a c kd e c r e a s e sa st h ec r a c ks i z ei n c r e a s e s,w h i c hc o n t r i b u t e st oar e d u c t i o ni ns e l f-h e a l i n ga b i l i t y.U s i n gm o l e c u l a rd y n a m i c s t oe x p l a i nt h e f r a c t u r es e l f-h e a l i n gm e c h a n i s mo fw a t e r-d a m a g e da s p h a l t f r o mt h em o l e c u l a r s c a l e i su s e f u lt ou n d e r s t a n d t h e c h a n g e c h a r a c t e r i s t i c s o f s t r u c t u r a lm o r p h o l o g ya n dd i f f u s i o nb e h a v i o r o f a s p h a l tm o l e c u l e sd u r i n gw a t e r l o s s,a n dp r o v i d e sar e f e r e n c e f o r t h e f u t u r er e s e a r c ho ns e l f-h e a l i n g