废旧轮胎橡胶沥青因其良好的耐温性、抗疲劳性和抗滑性,道路降噪和低施工成本以及废物回收的环境优势而受到道路建设行业的高度关注。近年来,随着固体物理、量子化学、计算方法等相关学科的发展,以及计算机对于数据处理能力的空前提高,使得使用计算机对材料进行设计已然成为可能。这为我们认识研究物质内部结构以及其性质提供了更强有力的手段。一个科学、合理、可靠的数值模拟模型的确定,不仅可以对橡胶改性沥青的微观行为进行分析,也能大量缩减研究负担。因此,开展基于分子模拟技术的橡胶改性沥青研究,对于探索橡胶改性机理、评价橡胶改性性能等都具有很重要的研究意义。本文以沥青四组分为基础,根据相关试验数据,使用Materials Studio 2017软件对橡胶改性沥青分子模型进行构建,并通过试验数据对模型以及边界条件进行准确性验证,使用分子动力学的方法对模型的物理性能进行了研究:(1)首先对构建的塔河AH-90#沥青分子模型进行几何优化和能量最小化后,选择不同力场(COMPASS力场,COMPASSⅡ力场,Dreiding力场)和求和法(Group based,Atom based)下进行分子动力学模拟,得到模型密度随温度的变化曲线,与实际沥青的试验数据对比,得到COMPASSⅡ力场能获得较准确的结果,采用Atom based求和法获得的结果离散性更小。从系统能量、密度、内聚能密度和溶解度参数等几个方面对构建的塔河AH-90#沥青分子模型及选择的模拟条件准确性进行了验证,结果表明,所构建的沥青分子模型能够代表真实的沥青材料,且所选择的模拟条件也是可靠的。比较三种沥青分子模型的密度、体积模量和杨氏模量,得到西安90#沥青>塔河AH-90#沥青>克拉玛依90#沥青,随温度的升高,模型三个物理指标均呈现降低的规律,三种沥青分子模型的玻璃化转变温度所属的温度区间为0℃~20℃。(2)本文以丁苯橡胶作为合成橡胶的代表分子,通过构建不同天然橡胶与合成橡胶质量比(1:0、80%:20%、60%:40%、40%:60%、20%:80%、0:1)的组合橡胶NBR1、NBR2、NBR3、NBR4、NBR5、NBR6,对构建的橡胶模型进行分子动力学模拟,得到组合橡胶密度在0.91g/cm3和0.93g/cm3之间;NBR6的分子势能高于其他橡胶,且由非键能和密度随时间变化规律可知,NBR6内的分子间作用力也较强,使得NBR6体系更加稳定,更难发生降解。(3)将NBR1~NBR6分别与塔河AH-90#沥青、西安90#沥青和克拉玛依90#沥青构建橡胶改性沥青分子模型,由溶解度分析可知,与塔河AH-90#沥青相容性最好的橡胶为NBR1;与西安90#沥青相容性最好的橡胶为NBR3;与克拉玛依90#沥青相容性最好的橡胶为NBR6。在160℃时NBR1与塔河AH-90#沥青的相容性最好,在180℃时NBR3与西安90#沥青以及NBR6与克拉玛依90#沥青的相容性最好。从分子势能角度分析,依然得到相同的结论。(4)选择三种相容性最好的橡胶改性沥青,控制其胶粉掺量(5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%),从力学参数角度对不同橡胶掺量的改性沥青模型进行动力学分析,得到橡胶的加入使得基质沥青弹性模量等均得到一定提升,当橡胶掺量为20%时,改性沥青的剪切性能最优。(5)通过对塔河AH-90#沥青和六种橡胶改性沥青的MSD数据进行拟合,计算得到不同温度下沥青的扩散系数。在60~100℃内,热能转化的动能克服分子间作用力,从而扩散系数增长加剧。NBR1在改性沥青内更为活跃,对沥青中轻质组分的吸收更为剧烈,表明其能够更快的与沥青发生溶胀反应。(6)通过构建氧气质量分数为1%的氧气沥青混合体系,分析不同温度下氧气的扩散系数,得到随着温度的升高,氧气在沥青体系内的扩散系数逐渐升高。胶粉的加入能够明显降低氧气的扩散,从而提升沥青的抗热氧老化性能,且NBR1的改性效果更优。随着含水率的增加,沥青内水分子的扩散系数和水分与沥青分子间相互作用能也随之增加,当含水率达到2.5%以后,其扩散系数趋于平衡。而橡胶的加入可以明显降低水分子在沥青内的扩散,以及水分子与沥青分子之间的相互作用,从而提高沥青的耐水性,减少水分对沥青的损害。