分子尺度下的水损沥青静态裂缝自愈合

肖敏敏 董金勇 李春岩 杨礼明 朱兴一

摘 要：為探寻水分对沥青自愈合的影响机理，采用分子动力学方法从分子角度对比分析常规沥青、水损沥青的自愈合过程，并通过宏观试验进行验证。首先，结合沥青体系能量变化，将愈合状态分为3个阶段：分子迁移低密度阶段、裂纹愈合及修复阶段、分子自由运动阶段；然后，运用径向分布函数和均方位移函数分析2种沥青在裂纹宽度、含水率、沥青组分的扩散机理和聚集状态，解释沥青的自愈合及水对沥青自愈合的影响机理；最后，进行宏观试验验证。结果表明：在裂缝自愈合过程中，水分将阻碍沥青分子间的作用力，削弱沥青体系能量，导致沥青扩散力降低，且含水量越多，扩散力下降越明显；裂缝减弱了沥青各组分的关联性，破坏了沥青质胶团和胶质过渡相的稳定性，且裂缝处的分子数目随着裂缝尺寸的增加而减少，促使沥青自愈合能力降低。采用分子动力学从分子角度解释沥青愈合机理的可靠性，有助于了解沥青分子在水损过程中结构形态和扩散行为的变化特征，为未来水损沥青自愈合的研究提供参考。

关键词：化学动力学；沥青水侵蚀；分子动力学；均方位移；径向分布；自愈合

中图分类号：TQ522.65；U414

Static fracture self-healing of water-damaged asphalt at molecular scale

XIAO Minmin1，DONG Jinyong1，LI Chunyan1，YANG Liming2，ZHU Xingyi3

（1.School of Urban Construction and Safety Engineering，Shanghai Institue of Technology，Shanghai 201418，China；2.Guangxi Communications Design Group Company Limited， Nanning， Guangxi 530000，China；3.Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of Ministry of Education， Tongji University，Shanghai 200092， China）

Abstract：In order to explore the mechanism of water on self-healing of asphalt， the self-healing process of ordinary asphalt and water-damage asphalt was compared and analyzed from the molecular point of view by molecular dynamics， and was verified by macroscopic experiments. Firstly， the healing state was divided into three stages in combination with the energy change of the asphalt system： the low density stage of molecular migration， the stage of crack healing and repair， and the stage of free movement of molecules; Secondly， the radial distribution function and the mean square displacement function were used to analyze the diffusion mechanism and aggregation state of the two kinds of asphalt in crack width， moisture content and asphalt component， to explain the self-healing mechanism of asphalt and the influence mechanism of water on asphalt self-healing; Finally， macroscopic experiment verification was conducted. The results show that in the process of crack self-healing， water will hinder the intermolecular force of asphalt， weaken the energy of the asphalt system， resulting in a decrease in the diffusion force of the asphalt， and the more water content， the more obvious the decrease of diffusion force; Cracks weaken the correlation of asphalt components， destabilize asphaltene clusters and colloidal transition phases， and the number of molecules at the crack decreases as the crack size increases， which contributes to a reduction in self-healing ability. Using molecular dynamics to explain the fracture self-healing mechanism of water-damaged asphalt from the molecular scale is useful to understand the change characteristics of structural morphology and diffusion behavior of asphalt molecules during water loss， and provides a reference for the future research on self-healing of water-damaged asphalt.

Keywords：Chemical kinetics；asphalt water damage；molecular dynamics；mean square displacement；radial distribution function；self healing

路面开裂是沥青路面主要的病害之一，路表水会沿着裂缝和孔隙渗入沥青结构内部，引起路面变形、面层水损坏等水稳定性破坏，受到水损害的沥青，会缩短路面的使用寿命^［1-3］。目前，研究人员发现沥青材料在荷载作用间歇期间可以逆转疲劳裂纹的增长，实现裂缝的愈合，增加沥青的使用寿命^［4-5］。鉴于沥青的自愈合特性和水对沥青的作用，需要对水作用下的沥青裂缝自愈合机理进行研究，为预测水损沥青混合料的疲劳开裂寿命提供参考。

国内外学者对沥青裂缝自愈合的行为机理与影响因素展开了系列研究与探讨：SCHAPERY^［6］借助接触力学理论，得出沥青内部裂纹生长受裂纹应力松弛及表面能的影响，促使沥青裂缝界面自发愈合；SHEN等^［7］采用场发射扫描电镜直接观察沥青微裂缝（微米级），证明了裂缝宽度是影响沥青裂缝自愈合速率的主要因素之一；王昊鹏等^［8］采用“加载-间歇-加载”试验方法进行愈合性能对比研究，发现试件间歇时间与愈合性能正相关；向阳开等^［9］通过三点弯曲破坏试验，研究沥青自愈合过程中的热传递属性，得出沥青混合料在愈合过程中呈现不同的温度场；成志强等^［10］基于表面能理论对浸水状态下的沥青界面破坏进行研究，阐明水分会降低沥青黏结力，加快沥青膜剥离。综上可以看出，目前多是基于接触力学理论、沥青温度场分布、表面能理论等对沥青自愈合机理进行的大量宏观试验研究，并未从分子尺度上解释沥青自愈合性能的影响机理。从本质上而言，宏观沥青裂缝愈合机理是微观沥青分子自愈合的反映，由于沥青混合料组成与结构的复杂性，采用传统宏观试验难以建立和预测沥青材料自愈能力的关联；同时，水分对沥青裂缝的萌生、扩展与自愈产生的损伤行为实际上是在分子尺度上进行的，使用力学性质描述分子尺度特性明显不合适^［11-12］。而使用分子动力学却能够从分子尺度研究沥青裂缝自愈合过程，进而从分子尺度解释水损沥青自愈合的机理。

本文利用分子动力学软件Materials Studio对沥青体系内部无水分子的常规沥青和沥青体系内部有残余水分的水损沥青的裂缝自愈合进行对比研究，分析裂缝自愈合产生的界面分子能动态变化趋势和分子扩散性能，运用径向分布函数（radial distribution function，RDF）和均方位移（mean square displacement，MSD）将裂缝宽度、自愈合时长和分子扩散与沥青自愈合能力相关联，探究其在分子尺度下的聚集狀态和自愈合机理，从分子尺度去解释水损沥青的裂缝自愈合机理，并将沥青拉拔试验结果和模拟结果进行对比研究，验证此次动力学模拟结果的可靠性。

1 沥青非晶胞体模型构建及验证

1.1 模型构建

基于埃克森美孚公司生产的埃索70#基质沥青，采用ZHANG等^［13］的3组分（沥青质、胶质和油分）分析法建立沥青分子模型，作为沥青自愈合机理研究典型。其中，GROENZIN等^［14］采用科研人员最初提出的沥青质分子结构（见图1 c）），胶质分子用n-C22分子表示（见图1 b）），油分分子用1，7-二甲基萘表示（见图1 a））。

基于Material Studio平台构建沥青模型，均采用COMPASSⅡ力场，构建沥青模型步骤如下：

1）利用Amorphous Cell模块中的Construction指令对沥青各组分分子进行初始模型构建；

2）运用Forcite模块中的Calculation-Geometry Optimization指令对初始模型进行10 000步几何优化，消除体系中不合理分子结构；

3）通过Forcite模块中的Calculation-Anneal指令进行5个周期（200～500 K）退火优化，消除模型中局部高能量位点，得到沥青稳定构型；

4）通过Forcite模块中的Calculation-Dynamics指令在恒温298 K及1个标准大气压（1.013×105 Pa）下，对沥青稳定构型先后进行微正则系综（NVE）和等温等压系综（NVT）的分子动力学计算。

此外，水对沥青的侵蚀只发生物理变化，即水分子的加入并不影响沥青的分子结构及成分组成，因此可以利用“分子组装法”向沥青模型中添加不同数目的水分子，其中，水分子用H-O-H结构表示（见图1 d））^［15］，形成不同含水率的水损沥青（Water-damaged asphalt）模型，含水率为0.0%的为常规沥青（Ordinary asphalt）模型。沥青各组分质量比和水分子数分别见表1和表2，最终稳定沥青分子构型如图2所示。

1.2 模型结构合理性验证

通过Material Studio平台提取常规沥青和水损沥青在优化过程中的结构变化以及能量状态，对结构进行合理性优化，使得沥青分子链条充分混合，体系内能量达到稳定。本文优化路径以常规沥青为例，如图3所示。在0～0.6 ps区间内，沥青内部势能和键能逐渐升高，在0.6 ps之后出现周期性变化，此时势能和键能保持稳定，得到稳定沥青分子模型。由于最后一帧4 ps能够产生最稳定、小能量结构，因此选取4 ps帧作为计算开始点，此时常规沥青分子结构符合实际沥青结构体系^［16］，水损沥青亦是如此。

1.3 材料属性合理性验证

得到稳定沥青构型之后，用不同温度下常规沥青与水损沥青的内聚能密度（CED）来验证沥青材料属性的合理性，水损沥青的验证以含水率5%的水损沥青作为典型验证，见图4。内聚能密度是单位体积内1 mol聚集态克服分子作用所需的能量，内聚能密度越大，克服分子作用的能量也就越多。水损沥青分子内部增加了水分子，使沥青分子克服分子作用的能量增加，进而水损沥青的CED高于常规沥青的CED，这与实际情况是相符的^［17］。

沥青分子间的主要作用力是非键合的分子间的作用力，在玻璃化温度（Tg）附近非键合的分子作用力性质会发生改变，而这种作用力的大小可以用CED表示，因此用CED验证Tg的合理性^［18-19］。从图4 a）可知，常规沥青的CED在220 K时升高，即常规沥青的Tg为210 K左右，同理水损沥青的Tg为220 K左右，得出水损沥青的Tg大于常规沥青，说明水损沥青的低温稳定性弱于常规沥青，故沥青模型与实验结果相符合^［20］。沥青是高黏度有机液体，自身拥有高强黏性，而沥青分子间的作用力主要为范德华力，因此用范德华能来验证沥青的黏聚性能。由图4 b）可知，水损沥青的范德华能远小于常规沥青，表明水分子的加入削弱了沥青的黏聚性，这与文献试验结果相符合^［15］。因此，通过分析沥青的玻璃化温度和黏聚性可得常规沥青和水损沥青模型符合实际工程要求。

另外，密度参数是表征沥青体系分子合理性的一项重要指标，通过MS可直接得出常规沥青和水损沥青模型的密度参数，如表3所示。在298 K 和 1个标准大气压下，常规沥青模型和水损沥青模型的稳定密度都为1.00 g/cm3，接近实测值（1.01～1.04 g/cm3），故沥青模型密度属性满足要求。

通过上述分析可知，本文构建的常规沥青模型和水损沥青模型具备合理性。

2 沥青自愈合动力学评估

2.1 沥青裂缝直观性界面

建立的沥青分子属于非晶体系，密度、玻璃化温度等材料属性与宏观试验相符合，代表了实际情况下的沥青材料。基于上述建立的沥青体系，建立无定形沥青裂缝晶胞，探究沥青开裂状态下体系内分子出现扩散和聚集态的情况。将得到的沥青稳定构型通过“Build-Layer”对称复制形成沥青-沥青复合体系，其中在沥青-沥青界面之间添加一个深度d=25 （2.5 nm）的真空层，该真空层代表2个裂缝界面的间隙，调整间隙尺寸可以控制沥青裂缝宽度大小，依此研究不同裂缝尺寸下沥青分子的自愈合行为。沥青裂缝愈合体系模型如图5所示。

2.2 裂缝自愈合评价方法

沥青愈合体系中的分子始终保持无规则运动，在微观状态下沥青分子受到分子间作用力的作用，内部的分子由于布朗运动引起扩散运动，高密度分子会迁移到低密度处^［21］。因此，研究愈合过程中分子的扩散行为，可以很好地反映沥青裂缝的自愈合能力。为了描述分子的自扩散过程，运用COMPASSⅡ力场，结合均方位移（MSD）评估分子的扩散行为，以便更好地评估微观状态下分子的真实运动情况，如式（1）所示：

式中：MSD即为均方位移值，指的是体系内所有粒子经t时间后，移动距离r（t）与所有粒子移动的距离r（0）绝对值之差的平方和。MSD可以用来评判体系是否平衡，MSD值随模拟时间的增加而增加，当体系内所有粒子达到平衡状态后不再增加而趋于稳定^［22］。

分子在扩散、迁移过程中出现聚集态，而径向分布函数（RDF）可以表征粒子半径内出现其他粒子的概率，从而判断裂缝愈合过程中分子的聚集力。沥青作为非晶聚合物，在分子分布上呈现有序性，即g（r）存在区域极大值。其中，g（r）的峰值越大，聚集程度越深，表现为分子的聚集力越大

^［23］，因此，可用g（r）评价沥青裂缝的自愈性能。基于径向分布函数对常规沥青、水损沥青在不同裂缝宽度、不同水损程度下的分子聚集态的愈合机理进行研究，如式（2）所示：

式中：ρ代表体系密度，g/cm3；r为分子间距离，；dN表示给定分子与其中心距离由r到dr之间的分子数目。

2.3 裂缝自愈合階段性行为

沥青自愈合分子体系在裂缝愈合时期呈现不同的特性，故使用Material Studio中Forcite-Dynamics模块，让沥青自愈合分子在1个标准大气压下进行等温等压系综的分子动力学计算，其阶段性的3D分子裂缝愈合构型见图6，更为直观地从分子尺度研究沥青裂缝的自愈合机理，同时在沥青裂缝自愈合全过程时期保证沥青体系的体积不变，密度维持在1.00 g/cm³。

由图6可知，在沥青裂缝体系原始状态阶段有明显的裂缝，这符合有人工裂纹沥青的非晶胞层状结构^［4］。此时在原始状态下，由于沥青分子分布有明显的聚集和分层，产生密度梯度，分子则往往有从高密度到低密度的运动趋势，因此，随着时间的推移，密度梯度逐渐消除，裂纹处分子出现聚集，达到沥青裂纹自愈合的效果。

3 结果与讨论

3.1 沥青分子能动态变化

分子在扩散过程中，破坏原体系内的分子间作用力，需要从外界吸收能量转化为动能，实现迁移、聚集等一系列扩散特征^［24］。选取298 K时等温等压下的分子体系扩散能量与内部温度变化进行沥青自愈合机理分析，建立常规沥青和水损沥青在裂缝处愈合过程中热运动温度和能量的变化曲线，如图7、图8所示。

由图7可知，随着扩散时间的增加，常规沥青和水损沥青体系内部温度变化由剧烈趋于稳定，且常规沥青较水损沥青变化幅度更大，这是由于分子的扩散运动需要从外界吸收热量，来克服分子间的引力，从而造成沥青体系内部的温度出现变化^［25］。結合图8发现，常规沥青自愈合从外界吸收的能量多于水损沥青，因为在水侵蚀状态下，沥青扩散动能降低，克服分子间引力的能力减弱，从而降低了沥青分子扩散的活跃性，使得扩散能力小于常规沥青分子，不利于沥青自愈合。此外，沥青在愈合过程中，分子由高密度向低密度迁移，此时沥青体系产生聚集态。结合图7和图8发现，沥青体系温度和能量变化曲线可分为3个阶段（Phase 1，Phase 2，Phase 3）。第1阶段，沥青内部温度和能量不稳定，分子处于迁移状态，此时沥青体系有明显裂缝真空层，为分子迁移低密度阶段；第2阶段，沥青内部温度向原体系温度靠拢且变化趋势一致，体系能量逐渐增加，此时沥青裂缝处出现聚集态，裂缝逐渐愈合，为裂缝愈合及修复阶段；第3阶段，沥青内部温度趋于原体系温度，体系能量趋于平缓，此时沥青裂缝实现愈合，温度和密度与原体系沥青基本一致，沥青分子作自由运动，为分子自由运动阶段。由图8可知，水损沥青愈合时间多于常规沥青，这表明水侵蚀会削弱沥青的扩散能力，降低愈合能力，导致沥青愈合时间增加，在宏观上表现为受雨水侵入的路面愈合需要提供更长的间歇时间。

3.2 沥青开裂尺寸的自愈合

沥青的流变特性会使其填充到沥青裂缝中，填充的沥青和出现裂缝损害的沥青逐渐融合，从而实现沥青裂缝的自愈合^［26-27］，这种愈合行为在一定程度上需要考虑裂缝宽度对沥青愈合的影响。

对沥青裂缝进行分子动力学模拟后可知，常规沥青分子和水损沥青分子经过一段时间后，沥青裂缝慢慢愈合，达到裂缝修复的效果。对常规沥青和水损沥青在裂缝宽度d，2d，3d（d=25 ）的MSD和RDF进行分析，评价不同裂缝下沥青的愈合能力。

常规沥青和水损沥青的MSD和RDF见图9。由图9可以看出，沥青MSD和RDF随着裂缝宽度的增加而降低，即沥青内部分子的扩散强度和聚集程度随着裂缝宽度的增加而降低。这是因为在保持沥青体积和密度不变的前提下，沥青分子裂缝宽度的增大，促使沥青分子内部的极性分子、非极性分子的分子偶极矩增加，分子极化能力降低，弱化了由偶极作用产生的分子间静电力，而分子的扩散需要分子间静电力——范德华力产生作用力^［28］。故增加裂缝宽度将造成分子间距离增加，在宏观层面上表现为沥青裂缝宽度增加，削弱了范德华力，导致沥青分子难以扩散到裂缝处，自愈合能力降低。另外，沥青分子在扩散过程中，由于范德华引力的作用，会产生分子迁移、堆积现象，尤其在沥青裂缝处分子发生聚集（见图6，分子在裂缝聚集），消除密度梯度，从而达到裂缝愈合效果。图10中，在1.0～1.2 之间出现径向分布峰值，表示聚集程度，裂缝宽度越小，沥青愈合效果越明显。因此，在沥青路面出现裂缝时，需要紧急修复，只有在早期裂缝出现时裂缝宽度才会足够得小，才能提高沥青路面自愈合的可能性。

另外，对比常规沥青和水损沥青的MSD和RDF数据，可得出水损沥青的愈合效果远不及常规沥青。这是因为水分由裂缝浸入沥青内部之后，水分子通过自身的极性牵引沥青非极性分子，促使沥青非极性分子的电子云和原子核发生相对位移，出现诱导偶极^［29］，产生水分子主导的分子诱导力将影响沥青范德华力，导致分子迁移到裂缝区域的速度下降，降低了分子的扩散强度和堆积程度，以至于削弱沥青的自愈合能力。因此，沥青路面裂缝被水侵入时，沥青的裂缝愈合难度更大，愈合时间更长。

3.3 沥青水损的自愈合

基于沥青裂缝分子动力学模型，分析水分子在沥青体系中的扩散。选取常规沥青和水损沥青，其中水损沥青的含水率分别为0.0%，0.2%，0.5%，0.8%，1.0%和1.36%，通过这6种沥青类型研究微观状态下沥青含水率对沥青裂缝自愈合的影响，观察沥青分子的均方位移和径向分布函数值，可以得到不同含水率沥青的扩散规律和自愈合能力。

由图10可知，不同含水率的沥青裂缝自愈合的扩散强度大小排序为：0.2%的扩散强度>0.5%的扩散强度>0.8%的扩散强度>1.0%的扩散强度>1.36%的扩散强度，特别是含水率0.2%的MSD明显大于含水率1.36%的MSD。这是因为，由于水分子与沥青分子的排斥作用，水分子做扩散运动也会使沥青分子间的距离增大，分子间作用力降低，从而失去沥青分子的动力，导致沥青自愈合能力降低，沥青含水量越大，对沥青愈合影响越大；此外，水分子在沥青中的扩散不仅会降低沥青各分子间的联系，同时在沥青中形成细微通道，使沥青内部产生缺陷，从宏观观察到的结果就是沥青浸泡在水中，沥青裂缝往往无法愈合，甚至在外力荷载作用下裂缝越来越大，沥青内部含水量越多，对沥青自愈合性能影响越大。因此，进行沥青路面设计时需要考虑路面排水性，减少路面积水量，降低水对沥青自愈合性能的影响，延长沥青道路的使用寿命。

从图10中还可以看出，常规沥青的MSD远大于水损沥青，含水率越低，水损沥青的MSD越高。沥青分子在迁移、聚集过程中，裂缝真空层处的沥青分子与沥青分子产生界面作用——黏结能，在宏观表现为黏结力。当水侵入体系内，黏结能随含水率的增加而减少（详见表4），沥青之间的黏结力也随之衰减，故黏度相较于常规沥青有所降低。因此，当含水率较低时，低黏度的沥青之间更好裹覆，分子聚集程度明显，可使沥青-沥青界面的黏结增强；当含水率较高时，沥青中的水分子会扩散至沥青-沥青界面，会对沥青-沥青界面的黏结性产生不良影响，降低沥青的愈合能力。因此，在降水量少的季节进行路面裂缝的修补和养护效果最好。

在建立好模型后，分别对模型用0.0%（常规沥青），0.2%，0.5%，0.8%，1.0%和1.36%含水率的动力学模拟来计算界面黏结能。运用式（3）计算各含水率下沥青愈合黏结能的结果，能量值越大，黏结能越强，见表4。

Wbongding=Wtotal-Wbitumen 。（3）

式中：Wbongding是愈合黏结能，kcal/mol；Wtotal是沥青体系总能量，kcal/mol；Wbitumen是沥青原始界面能量，kcal/mol。

3.4 沥青愈合机理

沥青是由不同分子组成的复杂混合物，各组分分子在分子尺度下的裂纹愈合机理存在一定的规律性，故需要对沥青各组分在沥青内部的状态、分子的迁移与聚集变化过程做进一步研究。结果见图11。

由图11可知：沥青质扩散强度与油分扩散强度受裂缝宽度和时间因素的影响较为明显，而胶质变化趋势较平缓。这是因为胶质的极性很大，吸附性强，在外界因素影响下很稳定，也说明在裂缝愈合过程中沥青质与油分发挥愈合作用为主，这与典型沥青胶体结构有关。在相同裂缝宽度下，三组分的扩散强度大小顺序为油分>沥青质＞胶质，三组分分子的聚集力大小顺序为油分>胶质>瀝青质，但沥青体系中沥青质分子数量少于胶质分子，而RDF峰值差距较小，说明同等条件下沥青质聚集力强于胶质，且在裂纹愈合过程中沥青质与油分发挥愈合作用为主，这与沥青的组成和结构有关。

微观状态下沥青组成结构见图12。

沥青属于复合聚合物，由沥青质分子、胶质分子和油分分子按比例组合而成。微观状态下，沥青质分子对极性较大的胶质有很强的吸附性，形成以沥青质为胶核的胶溶结构团，其中胶质吸附在胶核表面逐渐向外形成过渡相，胶溶结构团处于极性较弱、流动性较强的油分介质中，形成稳定胶体结构，如图12 a）所示。油分属于液体物质，微观表现为扩散性强、聚合力高，在结构功能上油分是沥青裂缝愈合的主要组成部分。水分侵入胶体，水分的极性比胶质更强，促使沥青质吸附于水分子上，破坏沥青质-胶质的胶溶结构稳定性和胶质过渡相的连续性，导致油分扩散运动出现紊乱，无法形成聚集态，继而造成裂缝愈合性能衰减，见图12 b）。利用分子动力学计算也可以明显发现油分分子聚集在水分子周围，水分影响油分分子，而沥青质分子在裂缝处扩散，对愈合起主要作用，见图13。

在微观状态下，沥青质分子之间的距离较大，而胶质分子和油分分子的存在使沥青质分子间距缩短，增强沥青质-胶质胶溶结构的稳定性，胶溶结构周围密布油分分子，促使每个沥青分子体系紧密连接。沥青裂缝的产生增加了沥青分子和各组分间的距离，降低分子间的联系，削弱了极性分子-极性分子和极性分子-非极性分子间的偶极作用。裂缝尺寸愈大，分子作用力削弱愈加明显，而分子作用力作为沥青迁移、愈合的驱动力，使得沥青分子扩散、聚集能力削弱，裂缝自愈合能力减弱。在宏观上表现为沥青裂缝愈合时间拉长，甚至无法愈合，因此在沥青出现裂缝时应及时进行修补，这样不仅降低裂缝的进一步扩展，对提高沥青使用寿命也有促进作用。

4 试验验证

为了更直观地反映沥青的愈合性能，通过BBS（binder bond strength）拉拔试验对常规沥青和水损沥青的愈合行为进行验证。

4.1 试验材料和方法

选用埃克森美孚公司生产的埃索70#基质沥青，其主要技术指标见表5。用拉拔试验评价沥青黏结性能，直观、准确反映沥青的愈合性能^［30］。为削弱温度和材料制作中残余水对沥青试件与沥青板间黏结性能的影响，将沥青试件和沥青板置于40 ℃保温箱中养护，以消除原有的残余水分，之后在25 ℃常温下使用同样荷载竖直方向的力挤压灌有沥青试件薄层的拔头，保证所有沥青试件与沥青板接触面形成的沥青膜厚度一致，再利用拉拔仪对拔头进行垂直拉拔，得到沥青-沥青的初始黏结强度。将拉拔试验后的拔头放至沥青板上，施加恒定垂直压力，使沥青试件愈合，愈合后再进行第2次拉拔，得到愈合黏结强度。愈合试验中将试件分为干燥与潮湿2组，其中将干燥试件置于25 ℃恒温箱中干燥养护，模拟常规沥青愈合环境；潮湿试件则在表面用A，B，C，D 4种不同含水率的沥青浸湿，其中含水量大小顺序为A

将拉拔强度作为评价沥青黏结性能的指标。为了评价常规沥青与水损沥青的愈合能力，以愈合率（healing ratio，HR）作为评价沥青愈合性能的指标，计算公式见式（4）：

式中：HR为沥青愈合后的愈合率；POTShealing（healing pull-off tensile strength）为沥青愈合后的拉拔强度，MPa；POTSinital（initial pull-off tensile strength）为沥青初始拉拔强度，MPa。

4.2 沥青自愈合性能分析

对常规沥青和水损沥青的黏结强度和愈合率进行分析，并与上述分子动力学计算相对比，结果见图14。

由图14可知，干燥沥青的拉拔强度和愈合率远大于水损沥青，并且沥青内部含水量越低，愈合拉拔强度愈高，愈合率也增强。这是因为在水环境状态下，水分会逐渐侵入到沥青-沥青的界面裂缝中，阻挡沥青与沥青的重新黏结，长时间水侵蚀还会置换部分沥青膜，造成沥青膜脱落，削弱沥青的黏结性能。这与分子动力学研究结果一致：当水分子侵入沥青体系内部，其自身极性会扰乱沥青分子间的作用力，导致沥青体系能量降低，各组分分子的扩散运动减弱，削弱了体系内的黏结能，在宏观上表现为沥青-沥青间的黏结能降低，沥青内部含水量越多，黏结能降低越多，与试验结果吻合，从分子尺度解释了水分对沥青愈合性能的影响机理。

5 结 论

基于分子动力学研究了常规沥青、水损沥青及其各组分在静态裂缝下的愈合机理，得出以下结论。

1）沥青裂缝在愈合过程中体系内的能量出现动态分布，基于体系动能量和内部温度变化，将沥青愈合分为3个阶段：第1阶段为分子迁移低密度阶段；第2阶段为裂缝愈合及修复阶段；第3阶段为分子自由运动阶段。沥青自愈合性能可在第1阶段和第2阶段用均方位移和径向分布函数进行评价。

2）裂缝尺寸较小时，沥青分子表现出较快的扩散力和聚集力。裂缝的产生减弱了沥青各组分的关联性，破坏了沥青质胶团和胶质过渡相的稳定性，使分子迁移到裂缝区域的速率下降，一定程度上增加了沥青的自愈合时间。因此，对于裂缝尺寸过大的沥青路面，需要控制交通量或分散车流来增加路面自愈合期限。

3）水分侵入到沥青胶体体系中，削弱了沥青体系能量，导致沥青分子间的作用力降低，造成沥青分子扩散强度降低，裂缝处出现分子聚集态的周期变长，继而影响沥青-沥青界面的黏结力，导致自愈合性能降低；此外，自愈合性能随着沥青内部含水率的增加而减弱。

本文通过对比沥青分子尺度愈合机理和宏观拉拔试验结果，发现分子尺度与宏观试验结果相似，验证了从分子尺度解释沥青愈合机理的可靠性，有助于了解沥青分子在水损过程中结构形态和扩散行为的变化特征。但是，水与沥青分子链长、极性等其他影响因素是否还有关联仍需要作进一步研究。

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