摘要
采用Materials Studio （MS）分子动力学模拟软件对再生剂-老化沥青扩散体系进行研究.以沥青四组分试验为基础，选取12种分子模型构建再生剂分子组、复合水老化沥青分子组和复合紫外老化沥青分子组.针对在不同模拟时间、模拟温度和沥青成分条件下的老化沥青扩散体系进行模拟，得到扩散体系的扩散系数.结果表明：随着模拟时间的延长，再生剂在老化沥青扩散体系中的扩散系数变小，同时在复合紫外老化沥青扩散体系中的扩散系数小于复合水老化沥青扩散体系；随着扩散温度的增加，扩散系数增速逐渐变缓；再生剂中油性成分（芳香分和饱和分）的扩散系数大于极性成分（胶质和沥青质），芳香分由于多为链状且相对分子质量较小，其扩散速率在4种组分中最快.
近年来， 中国公路网逐步完善，由于重载超载的问题，大量沥青路面的使用寿命大大缩短.所产生的大量废料不仅占用耕地，还对环境造成严重污染，因此很多学者开始研究如何回收利用废弃的沥青混合料.而在回收利用废旧沥青混合料时，再生剂在沥青中的扩散作用是不可忽视的.目前， 针对再生剂在老化沥青中的扩散行为研究方法主要分为以下2大类：一类是基于扩散模型和传质模型，通过老化沥青在掺入再生剂后的针入度、黏度及质量变化等来评价再生剂的扩散效果，如詹从明
目前，国内外关于再生剂-老化沥青扩散体系的研究大多是以沥青三组分或沥青四组分中的4种代表分子进行的建模研究.本文以沥青的四组分试验为基础，结合内蒙古地区复杂气候因素，同时考虑光照和降雨的影响，选取12种分子模型，构建了再生剂分子组、复合水老化沥青分子组和复合紫外老化沥青分子组，通过使用更加符合再生剂-老化沥青扩散体系的COMPASS Ⅱ力场，对盘锦9
试验用沥青材料为盘锦9
以内蒙古地区的降雨量为依据，将经过短期老化后的沥青样本表面均匀喷淋8.5 mL的水分，作用于压力老化（PAV）前1/4阶段，用来模拟长期水老化.设定温度为100 ℃，老化时长为20 h，其余参数按照JTG E20—2011中的T 0630—2011 进行设定.
由于沥青是一种极为复杂的混合物，其中包含上千种分子，若运用单一的沥青分子平均模型，难以描述沥青的特性，因此本文选用沥青的四组分模型，并细化为12种分子来描述其分子结构.四组分中的饱和分和芳香分主要根据Lu
综上所述，在MS软件中建立沥青四组分分子模型.由于建模后的分子结构扁平，且含有较大的能量，采用MS建模后分子处于不稳定状态，因此需要对12种分子进行几何优化，以降低各分子结构的能量.采用Group based算法不仅可以保证精确度，还可以节省大量时间，最大迭代步数为500，每种分子在进行200 次左右模拟时能量即可达到最小状态.
根据JTJG E20—2011中T0618—1993规定，对复合水老化沥青和复合紫外老化沥青进行四组分分析，结果见
对比表
根据
图1 再生剂与老化沥青模型
Fig.1 Regenerant and aged asphalt model
在经过几何优化之后，沥青分子的密度稳定在0.97~1.05 g/c
由于再生剂与老化沥青的建模温度为300 K，而试验设计温度分别为373、393、413 K，因此在建立扩散体系时需要对体系升温.本文采用分子动力学模块Dynamic进行模拟扩散，在正则系综（NVT）下分别对再生剂、老化沥青模型进行20 ps模拟，使其温度上升到试验所需温度.之后，先构建再生剂和老化沥青的扩散体系，再通过Build功能中的Build layers 命令建立扩散模型.
对413 K时等温等压系综（NPT）下的再生剂扩散系数随模拟时间的变化进行分析，结果如
图2 扩散系数随模拟时间变化曲线
Fig.2 Diffusion coefficient curve with simulation time
由
温度是影响再生剂在老化沥青中扩散的主要因素之一.选择 373 K（100 ℃）、393 K（120 ℃）、413 K（140 ℃）3个温度的扩散过程进行NPT系综下200 ps的分子动力学模拟研究，结果如
图3 不同温度下的扩散系数
Fig.3 Diffusion coefficient at different temperatures
由
扩散时间、扩散温度主要是从微观机理角度分析扩散机理的.从再生剂设计的角度分析再生剂的分子组成对扩散的影响更加具有应用价值.因此，从实用角度出发，分别研究再生剂四组分中饱和分、芳香分、胶质、沥青质在老化沥青中的扩散系数，结果如
图4 四组分的扩散系数
Fig.4 Diffusion coefficient of four component
由
先在离心管的下半部分加入复合老化沥青样品，自然冷却 1 h后，再在上半部分加入再生剂样品，将试管口用铝箔纸密封，室温下静置1 h；然后将离心管分别在100、120、140 ℃下扩散4 h.当达到扩散时间后，从烘箱中取出样品，自然冷却30 min后放入冰箱内再冷冻30 min.根据T 0625—2000《沥青布氏旋转粘度试验》测得扩散后沥青段的135 ℃黏度，结果如
图5 不同温度下老化沥青的黏度变化
Fig.5 Viscosity change of aged asphalt at different temperatures
（1）随着模拟时间的延长，再生剂在老化沥青中的扩散速率由快变慢，扩散系数逐渐变小.随着扩散温度的增加，再生剂和老化沥青的黏度随之减小，使得扩散系数增大，但扩散系数的增速逐渐变缓.这表明扩散虽然是一个持续过程，但扩散速率减缓.
（2）分子的热运动是导致扩散的主要因素.饱和分中的链状分子和芳香分中的相对分子质量较小的分子更加容易扩散，而胶质中的苯环数量较少，分子直径小的分子虽然扩散能力较弱，但可以对再生剂的物理性能进行改善.因此，在实际工况中，可以在制备再生剂时多添加一些含饱和分和芳香分的油分材料，并选择一些相对分子质量小的胶质成分来改善再生剂的性能.
（3）本文模拟结果与再生剂-老化沥青扩散黏度试验结果相近，表明采用分子动力学来模拟研究再生剂-老化沥青扩散机理具有一定的可靠性与准确性，是一种研究高聚物沥青的有效方法.
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