热再生沥青混合料界面损伤机制的多尺度研究：基于新旧沥青掺混程度的分子动力学解析

针对高RAP含量热再生沥青混合料因新旧沥青掺混不完全导致的界面失效难题，长安大学研究团队通过分子动力学(MD)模拟结合实验验证，揭示了不同掺混程度下碱性/酸性集料体系的失效机制差异，发现碱性集料体系失效主要发生于新旧沥青界面，而酸性集料体系随掺混程度增加失效位置向再生沥青-集料界面转移，为优化再生混合料性能提供了理论依据。

　　

随着全球道路建设规模不断扩大，每年产生的废旧沥青路面材料(RAP)堆积如山。传统热再生技术虽然能实现资源循环利用，但当RAP掺量超过30%时，再生混合料常出现界面粘结强度不足、抗水损害能力下降等问题，严重制约着高比例RAP的应用。这背后的核心矛盾在于：新旧沥青在热再生过程中难以实现完全融合，形成复杂的多相界面体系，而现有研究对其中微观失效机制的认识仍存在大量空白。

长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室的研究团队独辟蹊径，将分子动力学(MD)这一前沿计算手段引入道路材料研究领域。他们构建了不同老化程度沥青分子模型，模拟了从轻度氧化到严重老化的三种状态，并创新性地建立了考虑新旧沥青不同掺混程度的再生沥青体系。通过与石英(酸性)和方解石(碱性)两种典型集料的界面模型相结合，首次系统揭示了集料岩性、沥青老化程度与掺混水平三者间的耦合作用机制。相关研究成果发表在能源材料领域权威期刊《Fuel》上。

研究主要采用三大关键技术：1)基于SAR-A（饱和分、芳香分、胶质、沥青质）四组分的分子模型构建方法，精确复现不同老化程度沥青的化学特征；2)分子动力学模拟计算粘附功和凝聚功，定量评价界面结合强度；3)通过实验室性能测试验证模拟结果，形成多尺度研究闭环。特别值得注意的是，团队建立了包含中国典型石灰岩和花岗岩集料的对比体系，使研究结论更具工程指导价值。

【分子模型构建】研究首先通过FT-IR和GPC等表征手段，确认了沥青老化过程中含氧官能团的增加和分子量分布变化。基于此建立的分子模型显示，严重老化沥青中羧基和亚砜基含量比新鲜沥青高出2-3倍，这为后续界面相互作用分析奠定了基础。

【界面能量分析】模拟结果揭示了一个有趣现象：在碱性集料（如方解石）体系中，沥青-集料界面粘附功随老化程度增加而显著提升，这归因于老化沥青中增多的极性基团与钙离子之间增强的静电相互作用。而在酸性集料（如石英）体系中，这种提升效应明显减弱，显示出集料化学性质的调控作用。

【失效位置演变】通过分析不同掺混程度下的界面失效路径，研究发现：对于碱性集料，破坏主要发生在新旧沥青界面；而对于酸性集料，当掺混程度较低时失效发生在再生沥青-老化沥青界面，随着掺混程度提高，失效位置逐渐转移至再生沥青-集料界面。这一发现完美解释了工程中观察到的"花岗岩混合料更易出现层间剥离"现象。

【水分稳定性验证】实验室的冻融劈裂试验数据与模拟预测高度吻合。当RAP掺量达40%时，石灰岩混合料的残留强度比比花岗岩体系高出15%，这与MD模拟显示的方解石体系更高界面粘附功一致，从宏微观两个尺度验证了研究结论的可靠性。

该研究的重要价值在于建立了从分子尺度理解再生沥青混合料失效机制的新范式。研究不仅明确了集料碱度对界面性能的调控作用，更创新性地提出"掺混程度-失效位置"的关联规律，为针对性提升混合料性能提供了理论指导：对于石灰岩等碱性集料，应重点优化新旧沥青的掺混工艺；而对于花岗岩等酸性集料，则需通过添加抗剥落剂或选用更兼容的集料类型来保证耐久性。这些发现对推动热再生技术的规模化应用具有重要实践意义，也为发展下一代可持续路面材料提供了科学依据。