基于分子动力学的沥青与集料界面行为虚拟实验研究

本课题基于分子动力学数值模拟，辅以试验对比验证，从微观层面上揭示了沥青-集料的界面行为机理，包括如下研究内容： 首先，本文基于分子动力学模拟研究了沥青与集料界面的微观特性，以MaterialStudio软件为基础，建立了沥青质/氧化物界面模型，并以界面能为参数研究集料化学成分对沥青/集料界面粘结强度的影响。结果表明：除沥青质/K2O界面外，其余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。在40℃左右时，六种界面的界面能均达到最小值，说明此时粘结强度最小。在10℃100℃范围内，在同种温度下，并不能很好地区分出六种界面能的大小排序。但是，如果排除Na2O和K2O两种微量氧化物，四种氧化物与沥青质的相互作用大小依次为：MgO>CaO>Al2O3>SiO2。在10℃100℃范围内，沥青质/沥青质的界面能范围为：-10.464178～3.792104KJ/mol，并且分别在25℃和80℃附近达到极大值，在60℃达到极小值。 其次，从微观层面上去分析研究沥青/集料界面组成，将宏观上的沥青/集料界面分为许多微观界面，同时提出了基于分子动力学的沥青/集料界面破坏形态及预估方法。结果表明：在集料表面含有CaO和MgO的区域，沥青/集料界面破坏形态主要为粘聚破坏；含有Al2O3的界面区域中，界面破坏形态主要为粘聚破坏，但是在40℃左右将可能出现粘附破坏；而在含有SiO2、Na2O和K2O的界面区域中，界面破坏形态将为粘附和粘聚的混合破坏。 再次，通过热力学分析研究了水和温度对沥青/集料界面行为的影响，并从微观层面上叙述了沥青膜剥落的水破坏机理。由于降雨具有酸性或弱酸性，随着路面水分的蒸发，水分酸性的降低，环境温度的升高，水分进入沥青与集料界面后，侵蚀掉MgO和CaO两种与沥青粘结力强的氧化物，从而削弱了沥青与集料界面的粘结力，造成沥青膜脱落，出现水破坏。 最后，针对目前沥青路面水损害，以二氧化硅SiO2含量作为集料的分类指标已不能充分地指导工程实践。本文提出了一种新的集料分类指标：（CaO+MgO）含量。