基于分子动力学的沥青胶结料自愈合机理研究

Investigating self-healing mechanisms in asphalt binders is very important for establishing a precise fatigue performance evaluation model of asphalt binders and making full use of its anti-fatigue ability. Firstly, the self-healing process of asphalt binders under different conditions is tracked by Field Emission Scanning Electron Microscopy and the micro morphological properties is studied, which lays a foundation for establishing the molecular dynamics model. Secondly, the motion and interaction of asphalt molecules in the self-healing process is simulated in the molecular dynamics model, in which the molecular models of asphalt binders are established by the tri-components method, and the motive power of molecular motion is analyzed using physical chemistry theory. Based on the analysis, the relationship between the self-healing rate and chemical components, temperature and crack width is established. Finally, In order to establish a direct link between the microstructure and macro-properties of asphalt binders, the Dynamic Shear Rheological Test (with rest time) is adopted to study the damage development law of asphalt binders under different conditions. And the self-healing model of damage with self-healing rate is established ,which is based on the damage analysis using continuum damage theory and self-healing rate calculations by molecular dynamics simulation. This research will make significant contributions for establishing a reasonable self-healing evaluation model and making full use of the fatigue resistance of asphalt materials.

深入研究沥青胶结料的自愈合机理是建立精确的沥青混合料疲劳性能评价模型，充分利用其抗疲劳能力的基础。首先，本项目采用微观图像方法跟踪不同条件下沥青胶结料的自愈合过程，研究裂缝区域内沥青的微观形态变化特征，为建立分子动力学模型奠定基础。其次，采用三组分方法构建沥青的分子模型，利用分子动力学模型模拟自愈合过程中沥青分子的运动及相互作用，结合物理化学理论研究分子运动的原动力。建立自愈合速率与沥青的化学组分、温度及裂缝宽度之间的关系模型。最后，为了建立材料微观结构与宏观性能之间的直接联系，采用DSR动态剪切流变试验（加入休息时间）研究不同化学组分的沥青在各种条件下的损伤发展规律。基于连续介质损伤理论分析材料的疲劳损伤自愈合过程，结合对材料自愈合速率的分子动力学模拟计算，建立包含材料自愈合速率的损伤自愈合模型。项目成果可以为建立合理的自愈合评价体系、充分发挥材料的疲劳性能奠定基础。

深入地研究沥青胶结料的自愈合行为是建立精确的沥青混合料疲劳评价方法并充分发挥其抗疲劳能力的基础。本项目采用微观和宏观两种尺度研究沥青胶结料的自愈合过程，揭示其自愈合机理。首先，采用场发射扫描电镜分析沥青在未老化及长期老化条件下的自愈合过程，研究裂缝区域内沥青的微观形态变化特征。分析表明：观测过程中，沥青胶结料切缝的宽度逐渐减小；早期自愈合速率较快，随后逐渐变慢；老化后沥青的自愈合速率显著降低，自愈合速率随温度升高而变快；此外，100µm的切缝自愈合速率明显快于200µm条件下。其次，采用分子动力学方法研究沥青自愈合过程中沥青分子的运动规律及扩散行为。选取12种沥青分子及1种SBS分子建立基质沥青与改性沥青的分子模型，并构建沥青自愈合模型分析沥青的自愈合行为。采用平均位移描述沥青的分子运动特征，应用扩散理论计算沥青各组分的扩散系数。分析表明：利用平均位移-时间关系曲线可将自愈合过程分为自由运动、互相渗透及无序化运动3个阶段；沥青不同组分的扩散系数具有显著差异。再次，利用加入间歇时间的动态剪切流变试验研究沥青的自愈合行为及其评价方法，通过自愈合试验分析沥青在不同间歇时间、不同应变条件下的疲劳损伤过程，采用能量耗散理论分析试验过程得到耗散能变化率的坪值PV。根据坪值PV与间歇时间的关系，定义了不受间歇时间影响的评价指标自愈合速率HR。利用HR及自愈合率HI评价沥青的自愈合行为：HI随间歇时间的增大而提高；HI及HR随着控制应变的增大而减小；SBS改性沥青的自愈合指标优于70#基质沥青。最后，在数值模拟及实验数据分析的基础上，通过数据回归得到了2种沥青的扩散系数-温度关系模型；利用耗散能量理论分析自愈合实验过程，得到了 2种沥青在3种应变水平下耗散能变化率枰值PV与间歇时间RP的回归关系模型。本项目研究有利于准确地评价并预测材料的自愈合性能，项目研究成果的应用将促进路面材料设计的合理优化，提高路面的使用年限及服务水平。