基于分子动力学模拟的SBS...沥青-集料界面黏附性能研究_王涛利.pdf

沥青混合料是由沥青、集料和矿粉等组成的多相复合材料。沥青与集料界面的黏附性直接影响沥青混合料的强度、水稳定性、疲劳耐久性、低温抗裂性等主要性能1。因此，探究沥青与集料界面的黏附性能及影响因素对改善沥青混合料强度和路用性能，延长沥青路面使用寿命具有重要意义。收稿日期：2023-02-13作者简介：王涛利，男，高级工程师，硕士，主要研究方向为路面养护技术、沥青路面结构与材料。引文格式：王涛利，王丰亦，罗正宇.基于分子动力学模拟的 SBS 改性沥青-集料界面黏附性能研究 J.市政技术，2023，41（5）：251-255.（WANG T L，WANG F Y，LUO Z Y.Study on interface adhesion performance between SBS modified asphalt and aggregate by moleculardynamics simulation J.Journal of municipal technology，2023，41（5）：251-255.）文章编号：1009-7767（2023）05-0251-05第41卷第5期2023年5月Vol.41，No.5May 2023DOI:10.19922/j.1009-7767.2023.05.251Journal of Municipal Technology基于分子动力学模拟的 SBS 改性沥青-集料界面黏附性能研究王涛利1*，王丰亦1，罗正宇2（1.浙江交投丽新矿业有限公司，浙江 丽水 323000；2.东南大学 交通学院，江苏 南京 211189）摘要：基于分子动力学模拟，研究了不同温度下集料（玄武岩、石灰岩）与 SBS 改性沥青界面的黏附性能，计算了界面能、黏附功、剥落能和能量比。研究结果表明，范德华力对 SBS 改性沥青-集料的黏附性能起主要作用；不同温度下 SBS 改性沥青-CaO的界面能、黏附功、剥落能和能量比均高于 SBS 改性沥青-SiO2界面，其水稳性能更优；随温度升高，SBS 改性沥青-集料的能量比先减小后增大，在 40 时达到最小值；SBS 改性沥青-石灰岩集料的黏附性优于 SBS 改性沥青-玄武岩集料。关键词：分子动力学；SBS 改性沥青；集料；黏附性能；研究中图分类号：TU 535文献标志码：AStudy on Interface Adhesion Performance between SBS Modified Asphalt andAggregate by Molecular Dynamics SimulationWang Taoli1*，Wang Fengyi1，Luo Zhengyu2（1.Zhejiang Jiaotou Lixin Mining Co.，Ltd.，Lishui 323000，China；2.School of Transportation，Southeast University，Nanjing 211189，China）Abstract：Based on molecular dynamics simulation，the adhesion performance between aggregate（i.e.，basalt andlimestone）and SBS modified asphalt under different temperatures are studied in this paper.Interfacial energy，ad鄄hesion energy，stripping energy and energy ratio are calculated.The simulation results show that adhesion betweenSBS modified asphalt and aggregate is mainly attributed byVan der Waals interaction；The interfacial energy，adhe鄄sion energy，stripping energy，and energy ratio of the interface of SBS modified asphalt-CaO are larger than the in鄄terface of SBS modified asphalt-SiO2，which indicates better moisture stability；With temperature rises，energy ra鄄tio of the interface of SBS modified asphalt-aggregate decreases firstly and then increases，which reaches the mini鄄mum at 40；The adhesion between SBS modified asphalt-limestone aggregate is superior than that of SBS modifiedasphalt-basalt aggregate.Keywords：molecular dynamics；SBS modified asphalt；aggregate；adhesion performance；researchJournal of Municipal Technology第41卷以往研究沥青-集料界面的黏附性主要采用水煮法、水浸法、剪切黏附性试验、拉拔试验等宏观方式2，然而沥青-集料的黏附失效相对复杂，传统上仅从宏观流变特质和力学行为的角度分析存在较大的局限性。分子动力学（以下简称“MD”）模拟是从分子角度探寻沥青与集料的黏附机理3-5。郭猛6构建了沥青-集料模型，通过MD模拟发现集料化学成分中CaO和MgO与沥青的黏附功大于SiO2和Al2O3，Fe2O3与沥青的黏附功最小。徐霈7通过MD模拟分析集料不同成分与沥青的界面能，发现集料成分与沥青质的黏附性从大到小依次为：MgOCaOAl2O3SiO2。Liu等8构建了沥青-钢渣界面模型，MD模拟揭示了强碱性钢渣与沥青的黏附性较好，且库仑力对其黏附性起主导地位。Wang等9在沥青-集料界面模型中添加了水分子，MD模拟结果表明：沥青-集料界面强度随含水量的增加而降低，这与宏观试验结果相似。因此，采用MD方法可以有效对沥青-集料界面的黏附性能进行评价。目前，苯乙烯丁二烯苯乙烯嵌段共聚物（以下简称“SBS”）改性沥青是最为常用的改性沥青之一，被广泛应用于高等级公路沥青路面上、中面层。基于MD方法，针对SBS改性沥青与不同集料界面相互作用的研究还较少。玄武岩具有很好的抗压、抗折性，耐磨性好，耐久性高，吸水率低，是沥青路面的理想集料之一。此外，我国石灰岩储备量大，与玄武岩相比，其力学性能相对较弱。笔者通过建立SBS改性沥青-集料界面模型进行MD模拟，计算无水条件下的界面能、有水条件下的剥落能和能量比，以探究温度对SBS改性沥青-集料界面黏附性能的影响，并对比分析SBS改性沥青与玄武岩、石灰岩集料的界面黏附性能。1模型建立和模拟方法1.1SBS改性沥青分子模型沥青是一种复杂的混合物，其组成包含了不同分子量的碳氢化合物和非金属衍生物。通常将沥青组分划分为沥青质、饱和分、芳香分和胶质，见图1。笔者应用Materials Studio（MS）软件，通过无定型晶胞，按照沥青质饱和分芳香分胶质SBS=2832301分子数，添加各组分分子，构建了三维周期性改性沥青分子模型（基质沥青分子模型参见文献10），见图2。d）胶质图1沥青组分模型Fig.1 The compositional model of asphaltb）SBS改性沥青分子模型图2SBS及其改性沥青分子模型Fig.2 Molecules model of SBS and SBS modified asphaltc）芳香分a）沥青质b）饱和分a）SBS分子模型252第5期矿物组分温度/界面能/（mJ/m2）范德华力/（mJ/m2）库仑力/（mJ/m2）黏附功/（mJ/m2）SiO2CaO-100204060-100204060-234.0-226.1-233.4-224.3-223.8-1 046.1-1 130.3-805.7-1 218.8-1 140.8-233.9-226.2-233.3-223.3-233.9-1 032.4-1 116.8-796.0-1 197.5-1 124.9-0.1080.093-0.064-0.0170.115-13.718-13.402-9.732-21.380-15.903-468.0-452.2-466.8-448.6-447.6-2 092.2-2 260.6-1 611.4-2 437.6-2 281.6表1不同温度下SBS改性沥青-集料界面能和黏附功Tab.1 Interfacial energy and adhesion energy between SBSmodified asphalt and aggregate under differenttemperatures1.2集料分子模型集料由多种矿物混合组成，主要矿物成分有SiO2、CaO等。笔者分别选择2种氧化物晶体构建MD模型。矿料的切割面是（1 0 0）方向，经过几何变换转化为正交结构，然后在其上方插入20 魡的真空层，变为周期性边界条件的晶胞，在x、y、z方向定量重复晶胞，建立与SBS改性沥青尺寸相符合的集料层模型。1.3SBS改性沥青-集料界面模型采用MS中的build layers工具，插入沥青模型和集料模型，建立SBS改性沥青-集料界面模型（见图3a）、3b）。在界面模型中添加水层，建立沥青-水-集料3层模型（见图3c），研究有水情况下沥青与集料的界面行为。1.4模拟方法MD模拟采用COMPASS力场。该力场适用于有机分子、金属、金属氧化物的研究。首先，对SBS改性沥青模型进行几何优化，即在等温、等压系综（NPT）和正则系综（NVT）条件下进行，时间步长为1 fs，弛豫时间均为100 ps，使SBS改性沥青模型达到稳定状态；其次，采用同样的模拟方法，对集料分子模型进行10 ps的几何优化；最后，对SBS改性沥青-集料界面模型进行100 ps的几何优化，使其达到稳定状态。模拟温度分别设置为-10、0、20、40、60，表征改性沥青在低温、常温和高温下的性能。通过MD模拟，计算不同温度下SBS改性沥青-集料界面模型在无水与有水条件下的界面黏附性能，分析其黏附机理。2黏附性能分析2.1无水条件界面能Eint表征了2个材料之间界面的结合强度。SBS改性沥青-集料的界面能计算见式（1）。黏附功表示将接触的2个不同材料分离，产生2个新的界面时外力所作的功，其计算见式（2）。Eint=Etotal-（Elayer1+Elayer2）。（1）Wadh=2Eint。（2）式中：Eint为界面能；Etotal为整个体系的总能量；Elayer 1为集料模型的势能；Elayer2为SBS改性沥青模型的势能；Wadh为黏附功。MD模拟计算不同温度下SBS改性沥青-集料界面能和黏附功的结果见表1。其中，负值表示2个成分之间的吸引力，正值表示2个成分之间的排斥力。为了方便分析，使用界面能和黏附功的绝对值表示SBS改性沥青-集料的界面黏附性能。由表1可知，范德华力对SBS改性沥青-集料界面的界面能和黏附功起主要作用，库仑力起次要作用。不同温度下，SBS改性沥青-CaO的界面能和黏附功是SBS改性沥青-SiO2的界面能和黏附功的3.55.4倍，这是由于SiO2与SBS改性沥青的界面作用主要依靠分子间的范德华力，而其他氧化物与沥青的界面能则由范德华力和库仑力（静电吸附力）共同提供。此外，SBS改性沥青-集料的界面能和黏附功随温度变化总体呈现波动趋势，但相比较而言，SBS改性沥青-SiO2的界面能随温度变化较小。以SiO2为代表的SBS改性沥青-集料的界面能和黏附功在-10、20 时较大；而以CaO为代表的SBS改性沥青-集料的界面能和黏附功在40 时最大，在20 时最小。a）SBS改性沥青-SiO2b）SBS改性沥青-CaOc）水在界面处作用图3SBS改性沥青-集料界面模型Fig.3InterfacemodelbetweenSBSmodifiedasphaltandaggregate王涛利等：基于分子动力学模拟的SBS改性沥青-集料界面黏附性能研究253Journal of Municipal Technology第41卷集料名称SiO2CaO Al2O3Fe2O3MgO TiO2Na2O K2OTFe灼热减量玄武岩石灰岩49.340.27.924.917.64.02.20.35.50.70.32.40.91.68.412.521.3表2集料的主要化学成分Tab.2 Chemical compositions of different aggregates%温度/ER百分比差/%-100204060-198.0-200.8-178.7-206.9-200.5-739.8-741.0-724.3-1 310.3-723.3-354.5-372.3-294.4-393.6-374.0-889.9-840.0-833.7-1 597.6-836.00.3980.4430.3530.2460.4473339303638界面能/（mJ/m2）玄武岩剥落能/（mJ/m2）界面能/（mJ/m2）石灰岩剥落能/（mJ/m2）ER0.2680.2710.2470.1580.277ER表3SBS改性沥青-集料的黏附性能Tab.3 Adhesion between SBS modified asphalt binder andaggregate图5不同温度下SBS改性沥青-集料界面能量比Fig.5 Interface energy comparison of SBS modified asphalt andaggregate under different temperature2.2有水条件为了探讨SBS改性沥青-集料的黏附性能，不同温度下水在SBS改性沥青-集料界面产生的剥落能可用式（3）计算：Edebonding=Einteraction-bw+Einteraction-aw-Einteraction-ba。（3）式中：Einteraction-bw为SBS改性沥青-水界面模型的能量；Einteraction-aw为集料-水界面模型的能量；Einteraction-ba为SBS改性沥青-集料界面模型的能量。剥落能表征了水将沥青从集料上“移走”的剥落功，其绝对值越大，沥青越容易从集料表面剥落。不同温度下SBS改性沥青-集料界面剥落能见图4。由图4可知，温度变化对剥落能没有明显影响。其中，在-10、20、60 下，水在SBS改性沥青-CaO界面处产生的剥落能均高于其在SBS改性沥青-SiO2界面处产生的剥落能。沥青与集料间的水稳定性并不能根据剥落能的大小来直接判定，因此需要计算能量比（简称“ER”），即界面能与剥落能的比值。ER值越高，体系的水敏性越低，沥青与集料的水稳性能越优，不同温度下SBS改性沥青-集料界面能量比见图5。由图5可知，SBS改性沥青-CaO的ER值明显高于SBS改性沥青-SiO2，说明其水稳性能更优；SBS改性沥青-SiO2在不同温度下的能量比比较稳定，而SBS改性沥青-CaO的能量比则受温度影响比较大。2.3不同集料与SBS改性沥青的黏附性能笔者通过XRD试验，分析了玄武岩和石灰岩细集料的主要化学成分组成，见表2。由表2可知，构成玄武岩和石灰岩集料的主要成分有SiO2、CaO等。其中，玄武岩集料中SiO2的含量是石灰岩集料中的1.2倍，CaO含量是石灰岩集料中的0.3倍。结合表2，计算了SBS改性沥青与玄武岩、石灰岩集料在不同温度下的界面能、剥落能和能量比，结果见表3。由表3可知，随着温度的升高，SBS改性沥青-集料的能量比先减小后增大，在40 时达到最小值，此时SBS改性沥青-集料的水稳定性最低。此外，SBS改性沥青与不同集料的黏附性能相差也较大。相比SBS图4不同温度下SBS改性沥青-集料界面剥落能Fig.4 Interface peeling energy of SBS modified asphalt andaggregate under different temperature254第5期（上接第 250 页）7陈烨，简文彬，林生凉，等.水泥土的超声波特性研究J.福州大 学学报（自然科学版），2006，34（1）：124-127.（CHEN Y，JIAN W B，LIN S L，et al.Ultrasonic characteristics of soil-cementJ.Journal of Fuzhou University（natural science edition），2006，34（1）：124-127.）8周永祥，王继忠.预拌固化土的原理及工程应用前景J.新型建筑材料，2019，46（10）：117-120.（ZHOU Y X，WANG J Z.Principle and application prospect of ready-mixed solidified soilJ.New building materials，2019，46（10）：117-120.）9刘霖，郝伟，傲海霞，等.影响水泥土强度的固化剂配比试验J.低温建筑技术，2015，37（1）：138-140.（LIU L，HAO W，AO HX，et al.Experiment of curing agent ratio affecting strength ofsoil-cementJ.Low temperature architecture technology，2015，37（1）：138-140.）其他作者：徐云飞，男，助理工程师，主要从事现场施工技术管理工作。王国宇，男，助理工程师，主要从事路面材料的研究工作。姚保华，男，助理工程师，主要从事现场施工技术管理工作。刘振刚，男，助理工程师，主要从事建筑材料检测的研究工作。李印光，男，工程师，学士，主要从事现场施工技术管理工作。改性沥青-石灰岩集料，SBS改性沥青-玄武岩集料的界面能小了39%47%，剥落能小了12%18%，能量比降低了30%39%。因此，从化学成分角度看，SBS改性沥青-石灰岩集料的黏附性优于SBS改性沥青-玄武岩集料。3结论1）范德华力对SBS改性沥青-集料的黏附性能起主要作用；不同温度下，SBS改性沥青-CaO的界面能和黏附功是SBS改性沥青-SiO2的界面能和黏附功的3.55.4倍；SBS改性沥青-SiO2的界面能和黏附功在-10、20 下较大，而SBS改性沥青-CaO的界面能和黏附功在0、40 下较大。2）水在SBS改性沥青-CaO界面处产生的剥落能高于在SBS改性沥青-SiO2界面处产生的剥落能；SBS改性沥青-CaO体系的能量比明显高于SBS改性沥青-SiO2，其水稳性能更优；SBS改性沥青-CaO体系水稳定性受温度影响较大。3）随温度升高，SBS改性沥青-集料的能量比先减小后增大，在40C时达到最小值。4）与SBS改性沥青-石灰岩集料相比，SBS改性沥青-玄武岩集料的界面能小了39%47%，剥落能小了12%18%，能量比降低了30%39%，表明SBS改性沥青-石灰岩集料的黏附性优于SBS改性沥青-玄武岩集料。参考文献1XU G.Characterization of asphalt properties and asphalt-aggre-gate interaction using molecular dynamics simulationD.NewJersey：Rutgers University，2017.2豆莹莹，魏定邦，李晓民，等.沥青-集料界面黏附性衰减机理研究J.建筑材料学报，2019，22（5）：771-779.（DOUYY，WEID B，LI X M，et al.Adhesion attenuation mechanism of asphalt-aggregate interfaceJ.Journal ofbuilding materials，2019，22（5）：771-779.）3XU J Y，MA B，MAO W J，et al.Review of interfacial adhesionbetween asphalt and aggregate based on molecular dynamicsJ.Construction and building materials，2023（362）：129642.4陈正隆，徐为人，汤立达.分子动力学模拟的理论与实践M.北京：化学工业出版社，2007：166-186.（CHEN Z L，XU W R，TANG L D.Theory and practice of molecular dynamics simula-tionM.Beijing：Chemical Industry Press，2007：166-186.）5汪海年，丁鹤洋，冯珀楠，等.沥青混合料分子模拟技术综述J.交通运输工程学报，2020，20（2）：1-14.（WANG H N，DINGH Y，FENG B N，et al.Advances on molecular simulation tech-nique in asphalt mixtureJ.Journal of traffic and transportationengineering，2020，20（2）：1-14.）6郭猛.沥青与矿料界面作用机理及多尺度评价方法研究D.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2015.（GUO M.Study on mechanismand multiscale evaluation method of interfacial interaction be-tween asphalt binder and mineral aggregateD.Harbin：HarbinInstitute of Technology，2015.）7徐霈.基于分子动力学的沥青与集料界面行为虚拟实验研究D.西安：长安大学，2013.（XU P.Modeling and analysis ofmolecular dynamics for characterizing asphalt-aggregate interac-tionD.Xian：Changan University，2013.）8LIU J Z，YU B，HONG Q Z.Molecular dynamics simulation ofdistribution and adhesion of asphalt components on steel slagJ.Construction and building materials，2020（255）：119332.9WANG H，LIN E Q，XU G J.Molecular dynamics simulation ofasphalt-aggregate interface adhesion strength with moisture effectJ.International journal of pavement engineering，2017，18（5）：414-423.10吕志田，潘伶，张晋铭，等.沥青-集料界面黏附机理的分子动力学模拟J.材料科学与工程学报，2022，40（5）：809-815，834.（LYU Z T，PAN L，ZHANG J M，et al.Molecular dynamics sim-ulation of adhesion mechanism of asphalt-aggregate interfaceJ.Journal of materials science&engineering，2022，40（5）：809-815，834.）其他作者：王丰亦，男，工程师，学士，主要研究方向为沥青路面材料。罗正宇，男，在读硕士研究生，主要研究方向为沥青路面材料。王涛利等：基于分子动力学模拟的SBS改性沥青-集料界面黏附性能研究255