论文总字数：24856字

摘 要

截止到目前，我国已经有相当数量的沥青路面达到了使用寿命，面临着大规模养护维修乃至重建。对沥青混合料进行再生利用可减少新沥青的使用，可以大大节约资源、降低建设成本。因此，沥青的再生技术也成为了一个近年来十分热门的研究方向，而关于沥青再生剂的选择是其中的一个重要部分，目前对于再生剂的研究还主要集中在宏观层面，具有很强的经验性。

本文选用分子动力学模拟的方法，研究了沥青再生剂对老化沥青产生作用的过程，从再生剂在老化沥青中的扩散作用和对老化沥青性能的恢复两个方面对再生剂进行评价。

首先，选择平均分子模型构建基质沥青分子模型，构建了原始沥青、老化沥青和再生剂的晶胞模型。并对所构建的沥青和再生剂分子模型进行热力学性质的验证，计算其密度、表面自由能等参数，将计算结果与已有实验数据相对比，发现模拟数据结果均在合理范围内，表明所构建的模型能够较好地表征沥青和再生剂材料的特性，适用于接下来的模拟计算。

然后，参考实际工程中对沥青进行再生的过程，构造了老化沥青-再生剂双层模型，对老化沥青与再生剂相互扩散的行为进行模拟研究。从热力学性质角度出发，计算分析了双层模型的密度与相对浓度；从能量角度出发，计算分析了双层模型的相互作用能，分析了不同再生剂分子对这一过程的影响。

最后，构建了再生沥青混合模型，对再生沥青的性能展开研究，不同的再生剂在扩散过程中有不同的表现，最终形成的再生沥青性质也有所不同。在工程应用中，可以根据实际要求，参考不同再生剂的特性，为再生剂组分复配提出优化方案。

关键词：废旧沥青再生；分子动力学模拟技术；相互作用能；扩散机理；组分复配

Abstract

Up to now, a considerable number of asphalt pavements in China have reached their service life and are facing large-scale maintenance and reconstruction. The recycling of asphalt mixture can reduce the use of new asphalt, greatly save resources and reduce construction costs. Therefore, the recycling technology of asphalt has become a very popular research direction in recent years, and the selection of asphalt recycling agent is an important part of it. At present, the research of recycling agent is mainly concentrated on the macro level, which has strong experience.

In this paper, molecular dynamics simulation was used to study the process of the effect of asphalt regenerant on aging asphalt. The regenerant was evaluated from two aspects: the diffusion of regenerant in aging asphalt and the recovery of aging asphalt performance.

Firstly, the average molecular model was chosen to construct the molecular model of base asphalt, and the cell model of original asphalt, aging asphalt and regenerant was constructed. The molecular model of asphalt and regenerant was validated for thermodynamic properties, and its density, surface free energy and other parameters were calculated. Comparing the calculated results with the existing experimental data, it was found that the simulation data were within a reasonable range, which indicated that the model could better characterize the characteristics of asphalt and regenerant materials, and was suitable for the next simulation calculation.

Then, referring to the process of asphalt regeneration in practical engineering, a double-layer model of aging asphalt and regenerant is constructed to simulate the diffusion behavior between aging asphalt and regenerant. From the point of view of thermodynamic properties, the density and relative concentration of the two-layer model are calculated and analyzed. From the point of view of energy, the interaction energy of the two-layer model is calculated and analyzed, and the influence of different regenerant molecules on this process is analyzed.

Finally, the mixing model of recycled asphalt is constructed, and the performance of recycled asphalt is studied. Different recycling agents have different performances in the diffusion process, and the final properties of recycled asphalt are also different. In engineering application, according to the actual requirements and referring to the characteristics of different regenerants, an optimization scheme for the composition of regenerants is proposed.

目 录

摘 要 1

Abstract 2

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 研究现状分析 2

1.2.1 分子动力学模拟技术概述 2

1.2.2 沥青再生技术概述 2

1.3 主要研究内容 4

1.4 研究方案及研究路线 5

1.4.1 本次分子动力学模拟使用软件 5

1.4.2 研究方案 5

第2章 分子动力学模型的构建 7

2.1 沥青分子模型的建立 7

2.1.1 沥青的化学组成成分 7

2.1.2 沥青分子结构的简化 7

2.1.3 沥青分子模型的建立 9

2.1.4 沥青模型验证 10

2.2 再生剂分子的选择 12

2.3 力场参数 12

2.3.1 力场分析 13

2.4 模拟参数及输入条件确定 13

2.4.1 分子动力学模拟的系综 13

2.4.2 边界条件 14

2.4.3 时间步长 14

2.4.4 本章小结 15

第3章 再生剂扩散过程微观分析 16

3.1 构建老化沥青-再生剂扩散模型 16

3.1.1 构建再生剂分子模型 16

3.1.2 构建老化沥青-再生剂扩散体系模型 17

3.2 老化沥青-再生剂混溶模拟输入条件 18

3.3 老化沥青-再生剂混溶模型数据分析 19

3.3.1 混溶过程密度分析 19

3.3.2 混溶过程相对浓度分析 20

3.3.3 混溶过程能量分析 23

3.4 本章小结 24

第4章 再生沥青性能分析研究 25

4.1 再生沥青混合模型的建立 25

4.2 再生沥青混合模拟输入条件 26

4.3 再生沥青微观性能数据分析 28

4.3.1 扩散系数 28

4.3.2 径向分布函数 29

4.3.3 相互作用能 31

4.4 本章小结 31

第5章 结论与展望 33

5.1 主要结论 33

5.2 展望 33

参考文献 36

绪论

研究背景及意义

在上个世80年代中期的大规模建设之后，我国的公路建设又走过了数十年，截止到 2018 年末，我国公路总里程已经达到了 484.65万公里，而高速公路里程也已达到14.26万公里，其中的 80%是沥青混凝土路面。到目前为止，已经有相当数量的沥青路面达到了使用寿命，面临着大规模养护维修乃至重建。在维修或者重建过程中会有大量路面废料产生，如果直接将这些废料弃置而不加以重复利用，不仅会对生态环境产生破坏、形成污染，也会对石油沥青造成极大的浪费，这种对于不可再生资源的浪费需要尽量避免。而如果对沥青混合料进行再生利用，不仅可以使新沥青、新集料的使用量减少，还能起到降低建设成本的作用、同时还节约了不可再生资源。美国联邦公路局的调查结果显示，沥青再生技术的应用可使材料费节约 50% 以上，路面造价降低约 25% ，沥青节约达 50%^[1]。沥青再生剂是沥青再生技术中十分重要的一个环节。对高效、低成本的沥青再生剂的开发已经成为了了广大科研工作者都十分关注的课题。

一般可通过实验测定沥青的各项性能参数变化，对再生剂的性能做出评价。这也是目前大多数研究集中的方向：再生沥青及沥青混合料的物理、化学性质及路用性能方面。但是目前涉及再生剂与老化沥青之间的微观作用机理的研究较少，这也导致了对于再生机理的了解不足，所以目前对于再生剂的选择还带有很多的经验性。

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