发泡水对泡沫沥青粘聚_粘附性的多尺度影响研究.pdf
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1、第53卷第2 期2024年2 月应用化工Applied Chemical IndustryVol.53 No.2Feb.2024科研与开发发泡水对泡沫沥青粘聚/粘附性的多尺度影响研究周培研,刘圣洁,李晓超,曾俐豪?(1.河海大学土木与交通学院,江苏南京2 10 0 98;2.广西交科集团有限公司,广西南宁530 0 0 7)摘要:综合采用分子动力学模拟、水煮法实验、表面自由能实验和拉拔实验等宏微观方法,研究发泡水对沥青粘聚和粘附性的影响机制。结果表明,分子尺度上水分子排斥沥青分子,从而削弱沥青间界面能量;宏观尺度发现泡沫沥青与集料的抗水煮剥落性有所降低,发泡水对沥青的粘聚及粘附性不利,且发泡水
2、越多对沥青的粘聚和粘附性损害越明显。泡沫沥青界面能与其粘聚和粘附性能具有高度相关性,可从宏观尺度和微观分子尺度解释发泡水对泡沫沥青粘聚/粘附性的多尺度影响。关键词:泡沫沥青;分子模拟;水煮法实验;表面自由能实验;拉拔实验中图分类号:TQ 522;TQ 050.4;U414(1.College of Civil and Transportation Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China;2.Guangxi Transportation Science and Technology Group Co.,Ltd.,Nanning 5300
3、07,China)Abstract:This paper investigates the mechanism of foaming water on asphalt adhesion and cohesion usinga combination of macro and microscopic methods such as molecular dynamics simulations,water boilingtests,surface free energy tests and pull-out tests.The results show that water molecules r
4、epel asphalt mole-cules on the molecular scale,thus weakening the interfacial energy between asphalt;on the macroscopicscale,it is found that the anti-boiling spalling of foam asphalt and aggregate is reduced,the foaming wateris detrimental to the adhesion and cohesion of asphalt,and the more foamin
5、g water there is,the more obvi-ous the damage to the adhesion and cohesion of asphalt.The interfacial energy of foam asphalt is highlycorrelated with its cohesive and adhesive properties,and the multi-scale effects of foaming water on the co-hesive/adhesive properties of foam asphalt can be explaine
6、d at macroscopic and microscopic molecularscales.Key words:foam asphalt;molecular simulation;water boiling test;surface free energy test;drawing test相比传统热拌沥青技术,泡沫沥青温拌技术降温效果优越、成本优势明显 ,具有广阔的应用前景。但发泡后泡沫沥青内部的残余水会影响沥青的粘聚性和粘附性 2 4,残余水量取决于初始含水量 5。因此开展发泡水对泡沫沥青粘聚和粘附性的影响研究至关重要。沥青成分复杂,若仅从宏观实验角度很难从本质上揭示沥青粘聚和粘附性
7、的变化机理,结合分子角度分析各组分的相互作用机制可以更好地构建材料内部组成与性能间的关联性。基于此,本文将分子动力学模拟与宏观实验结合,明确其界面粘聚和粘附性的变化原理,建立发泡水对泡沫沥青粘聚/粘附性影响的多尺度机制。收稿日期:2 0 2 3-0 6-165修改稿日期:2 0 2 3-0 8-15基金项目:国家自然科学基金(5190 8 194);广西重点研发计划项目(桂科AB20297033)作者简介:周培研(2 0 0 0),女,安徽宿州人,在读硕士研究生,师从刘圣洁副教授。电话:17 3440 358 52,E-mail:12 10 0 518 97 q q.c o m通信作者:刘圣洁
8、(198 5-),男,河南商丘人。电话:136 1158 4498,E-mail:l s j w o r k 12 6.c o m文献标识码:A文章编号:16 7 1-32 0 6(2 0 2 4)0 2-0 2 57-0 5Study of the effect of foaming water on thecohesion/adhesion of foam asphaltZHOU Pei-yan,LIU Sheng-jie,LI Xiao-chao,ZENG Li-hao?4%,6%发泡水量进行研究。DSA100滴形分析仪;Posi Test AT-M拉拔测试仪。1.1.2?水煮法实验按照
9、规范JTG E202011,将被沥青裹附的石灰岩粗集料在2 5下静置15min后,悬挂放人微沸水中3min取出,放在白色A4纸1实验部分1.1宏观实验1.1.1原材料与仪器本研究用7 0#沥青,其2 5针人度为6 9.5(0.1mm),软化点为48,15延度超过150 cm采用纯净水发泡。课题组前期研究 7 发现发泡水量一般不超过6%,本文选用2%,258上对其粘附性评级,进行5次平行实验。1.1.3表面自由能实验用大小为2 5mm75mm的干燥玻璃片制备表面光滑的沥青样品,使用滴形分析仪确定接触角,并根据式(1)、式(2)计算粘聚功来表征沥青与沥青间的粘聚强度。(1+cos0)Yreageo
10、n=2/aphlyreagenlLWW+2/aphalABW.=2asphal其中,0 是接触角;asphali,a p h a l t ,a s p h a l是沥青的表面自由能、色散分量和极性分量;reagent,”分别是液体试剂的表面自由能、色LW散分量和极性分量,W。是粘聚功。1.1.4拉拔实验使用PosiTestAT-M仪器进行拉拔实验(BBS)8 ,实验温度2 5,加载速率0.7MPa/s,通过极限抗拉强度(POST)来表征沥青与集料间的粘附强度,进行3次平行实验取平均值。1.2分子动力学模拟1.2.1分子模型构建通过MS2019模拟软件构建AAA-1沥青分子模型,该模型的合理性也
11、被诸多学者证明 9-11;同时通过添加水分子构建泡沫沥青分子模型。1.2.2扩散系数水分子的扩散系数表征水分子在沥青分子中的扩散能力;扩散系数越大,扩散的速度越快;原子的扩散系数可近似为均方位移图对时间斜率的1/6。1.2.3相互作用能沥青分子与水分子间的相互作用能反映两者间结合能力的强弱,相互作用能值为正两者相互排斥,反之相互吸引;沥青分子与沥青分子间的相互作用能,也称沥青分子间的界面能,表示将沥青分子分为两个界面所需要的能量;计算公式如式(3)、式(4)。(3)(4)其中,Emeio是水分子与沥青分子的相互作用能;Erotal是体系总能量;Easphal是体系中沥青分子的能量;EHzo是体
12、系中水分子能量。Einterface表示沥青分子间的界面能,E。、E.分别表示去除一层表面以后其体系的能量。2结果与讨论2.1分子模拟结果与讨论在COMPASSI力场、周期性边界条件下,将优化后的模型进行10 0 ps的NVT模拟后进行50 0 ps的NPT动力学模拟;得到的模型用于研究沥青内部水分的运动情况。建立界面分层,第1层为泡沫沥青分子,第2 层也为该泡沫沥青分子,第3层为3nm厚的真空层。应用化工在COMPASSI力场、周期性边界条件下,将优化后的模型进行50 0 ps 的 NVT动力学模拟,用于研究沥青界面能。2.1.1模型的验证2 9 8 K(25)下,基质沥青分子的密度为1.0
13、 0 3g/cm,在1.0 0 1.0 4g/cm的实验范围内;溶解度参数为18.142(J/cm)5,在LW13.3022.50(J/c m)0.5的实验范围内1;因此构AB(1)(2)分别LW方位移图。1601008060402000图1不同发泡用水量下水分子均方位移Fig.1MSD diagram of water molecules underdifferent foaming water consumption由图1可知,无论发泡水量多少,其均方位移都随着时间的增加而增加,40 0 ps 后均方位移增加幅度变大,这是因为水分子在沥青分子中形成了扩散通道。其中6%发泡用水量时均方位移近
14、似直线,其原因是水分子与沥青分子间的接触面充分,扩散通道形成迅速。扩散系数的计算结果见表1。表1水分子扩散系数Table1VWater molecule diffusion coefficient发泡水量/%扩散系数/(m s-1)23.2646.0268.73由表1可知,4%发泡水时水分子的扩散系数是2%发泡水的2 倍左右,6%发泡水时水分子扩散系数是2%发泡水的3倍左右;说明随着发泡水的增加,沥青中水分子扩散系数增大,水分子的扩散运动更剧烈;原因是水分子有很大的极性,会在沥青上发生聚集,发泡水的增加使水分子与沥青分子的接触面积增大,并在沥青内部形成通道使水分子的扩散系数有明显的增加。2.1
15、.3相互作用能不同发泡用水量下水分子与沥青分子的相互作用能见图2。由图2 可知,相互作用能总能量的值为正,且发泡水量越大总能量越大;说明沥青分子与水分子相互排斥,发泡水的增加导致沥青分子与水分子结合时所吸收的能量也增加,结合变得困难,这与文第53卷建的沥青分子模型是合理的。2.1.2扩散系数图1是泡沫沥青中水分子的均-2%+4%.-6%100200时间/ps300400500基质沥青第2 期献 12 相符合。300(1oe0)/互250200150100500总能量非键能范德华能静电能图2 水分子与沥青分子相互作用能Fig.2 The interaction energy of water a
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