摘要
基于分子动力学（MD）模拟，建立了两集料间沥青的模型，研究了拉伸速率、温度对沥青-集料界面拉伸应力-位移曲线的影响，从原子尺度分析了沥青-集料界面的拉伸破坏形式和黏附机理，同时通过拟合拉伸应力-位移曲线，提出了适用于宏观数值分析的内聚力模型.结果表明：当拉伸应力超过应力峰值后，沥青-集料的破坏由以黏附破坏为主转变为以黏聚破坏为主；拉伸速率越大，应力峰值越大；温度越高，应力峰值越小；沥青在拉伸应力达到应力峰值之前保持弹性状态，此时变形可逆，当拉伸应力超过应力峰值后，受到的损伤不可逆.
沥青混合料的破坏通常包括沥青-集料界面黏附破坏、黏聚破坏以及黏附和黏聚混合破坏.现有的研究主要集中于定性分析沥青包裹集料的程
沥青-集料界面黏附性微观力学行为的研究方法主要分为有限元法（FEM）、原子力显微镜（AFM）试验法和分子动力学（MD）模拟法.FEM可以在较大时间和空间上进行模
实际工况中沥青在两集料间承受载荷，本文建立了两集料间沥青的模型，在不同温度（T）和拉伸速率（υ）下进行MD模拟，考察应力-位移关系，从原子尺度研究沥青-集料界面的破坏形式和黏附机理.
沥青是由不同分子量的碳氢化合物及其非金属衍生物组成的一种黑褐色混合物.根据溶解度，可分为沥青质、饱和分和胶
图1 沥青各组分分子模型
Fig.1 Molecular structures of asphalt three‑components
在Material studio软件中通过加入相应数量的各组分分子，在垂直方向（Z向）建立收缩边界条件的无定型晶胞，经过几何优化，先后在正则系综NVT和等温等压系综NPT条件下驰豫200 ps，时间步长为1 fs，得到受限沥青分子模型见
图2 受限沥青分子模型
Fig.2 Molecular model of restricted asphalt
集料是一种广泛应用于建筑工程的粗颗粒材料，包括沙、花岗岩、石灰岩和石英等.模型中集料采用沙和花岗岩中的主要成分SiO2，其晶胞模型见
图3 SiO2晶胞模型和集料层模型
Fig.3 Unit cell model of SiO2 and SiO2 aggregate layer model （size： nm）
为了模拟沥青在两集料间拉压和剪切等复杂工况及宏观实物试
图4 两集料间沥青模型
Fig.4 Model of asphalt confined in two aggregates
MD模拟过程采用大规模原子/分子并行模拟器（LAMMPS）编程实现，分子力场为聚合物一致性力场（PCFF），该力场的参数是通过大量的试验数据和精确的量子计算拟合得出，适用于模拟聚合物、有机物、生物分子体系以及部分金属.PCFF力场，包含非键结作用项、键伸缩项、键角弯曲项、二面角扭曲项、离平面振动项和多种交叉作用项，其势函数和各项参数的选取见文献［
MD模拟过程分为驰豫阶段和拉伸阶段.在驰豫阶段：恒温层和沥青层使用正则系综NVT将温度控制在预设值，控温方法选择Nose‑Hoover法，设置温度阻尼系数为100 fs；将整个系统驰豫200 ps，最终体系的总能量收敛于5.40×1
用内聚能密度（CED）衡量分子间的相互吸引力，以评估沥青分子间的相互作
| （1） |
| （2） |
式中：δvdw和δele分别为范德华力和静电力产生的溶解度参数分量.
T=298 K，沥青的内聚能密度以及溶解度参数的MD计算值和试验值见
记录拉伸过程中SiO2集料变形层在Z方向来自沥青层的牵引力Ftrac，采用
| （3） |
式中：A为沥青-集料界面面积.
υ=10.00 m/s、T=298 K下，MD模拟过程中界面的拉伸应力（σ）-位移（sz）曲线见
图5 MD模拟过程中界面的拉伸应力-位移曲线
Fig.5 σ‑sz curve of interface in MD simulation
MD模拟比常规实物试验的优势是可以从原子尺度动态地观察拉伸过程中界面的破坏过程.υ=10.00 m/s、T=298 K时，σ‑sz曲线中对应点模型的正视图和截面俯视图见
图6 σ‑sz曲线中对应点模型的正视图和截面俯视图
Fig.6 Forward view and section top view of the corresponding point model in σ‑sz curve
为了研究温度T对σ‑sz曲线的影响，在υ=10.00 m/s下，取223、273、323、372 K 4个温度进行MD模拟.不同温度下界面的σ‑sz曲线见
图7 不同温度下界面的σ‑sz曲线
Fig.7 σ‑sz curves of interface at different temperatures
T=298 K时，不同拉伸速率下界面的σ‑sz曲线见
图8 不同拉伸速率下界面的σ‑sz曲线
Fig.8 σ‑sz curves of interface under different tensile rates
内聚力模型（CZM
| （4） |
T=273 K时，MD模拟界面σ‑sz曲线及其CZM模拟曲线见
图9 MD模拟界面σ‑sz曲线及其CZM模拟曲线
Fig.9 MD simulation interface σ‑sz curves and its CZM simulation curves
在υ=10.00 m/s，T=273 K下，研究了加载-卸载-加载对拉伸过程中界面σ‑sz曲线的影响，试验过程分为3个阶段：第Ⅰ阶段，对两集料间沥青进行拉伸，分别加载到应力峰值后（σ=32 MPa）、应力峰值前（σ=29 MPa）；第Ⅱ阶段，卸载；第Ⅲ阶段，用第Ⅰ阶段的拉伸速率重新进行加载.
图10 “加载-卸载-加载”过程界面的σ‑sz曲线
Fig.10 σ‑sz curves of interface under “loading‑unloading‑loading” process
（1）通过分子动力学（MD）模拟两集料间沥青的拉伸力学行为，从原子尺度动态地观察界面破坏的过程，得到不同工况下的拉伸应力-位移曲线，当拉伸应力超过应力峰值后，破坏由以黏附破坏为主转变为以黏聚破坏为主.
（2）温度T越高，应力峰值σc越小；拉伸速率υ越大，应力峰值σc越大；不同拉伸速率下，应力峰值之前的拉伸应力-位移曲线的斜率几乎一样；达到应力峰值后，υ越大，完成分离所需的位移越大.
（3）通过内聚力模型拟合MD模拟得到拉伸应力-位移曲线，提出了适用于宏观数值分析的内聚力模型.
（4）沥青在拉伸应力达到应力峰值σc之前保持弹性状态，此时变形可逆；当拉伸应力超过应力峰值σc后，受到的损伤不可逆.
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