一种基于计算机模拟的沥青‑矿粉相互作用评价方法技术

本发明专利技术公开了一种基于计算机模拟的沥青‑矿粉相互作用评价方法，包括以下步骤：S1构建沥青分子结构模型；S2构建碳酸钙超晶胞模型；S3构建沥青‑矿粉结构模型；S4计算相互作用能，以相互作用能参数E以及分子平面构型的变化角φ评价沥青‑矿粉相互作用。本发明专利技术弥补了试验的不足，可通过计算机构建模型，进行动力学模拟，精度高、人为影响小、结果可靠、操作简单方便；通过本发明专利技术的方法得到的沥青分子与CaCO3相互作用能E以及变化角φ可以一定程度反映出两者粘结强度的大小，可进一步评价不同温度下沥青与矿粉的粘附性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于道路沥青路面材料性能评价
，具体涉及一种沥青-矿粉相互作用的评价方法。
技术介绍
研究表明，沥青路面的破坏与沥青和矿粉相互作用界面区域的性质有很大的关系。沥青与矿粉的相互作用能力直接影响着沥青混合料的性质，沥青与矿粉的相互作用能力越强，沥青和矿粉的界面结构形态越紧密，沥青混合料的整体性能越好。研究沥青-矿粉相互作用机理，从而有效解决沥青路面早期破坏等问题，对延长路面的使用寿命具有重要的意义。目前，沥青-矿粉的相互作用能力并未有相应的相关试验以及表征参数，现有的试验技术并不能直接表征沥青-矿粉的相互作用。分子动力学模拟是一种利用计算机从微观角度探索物质间相互作用的有效手段，被广泛应用于吸附过程动力学及热力学性能的研究，能从微观角度认识物质间吸附特征及相互作用机理，弥补了现有实验技术不能从原子分子角度定量揭示物质间相互作用机理的不足。因此，利用分子动力学模拟建立沥青-矿粉相互作用的评价方法具有重要意义。
技术实现思路
鉴于此，本专利技术的目的是提供一种基于计算机模拟的沥青-矿粉相互作用评价方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的，基于计算机模拟的沥青-矿粉相互作用评价方法，包括以下步骤：S1构建沥青分子结构模型，构建不同温度下沥青分子平面构型的变化图；S2构建碳酸钙超晶胞模型；S3构建沥青-矿粉结构模型；S4计算相互作用能，以相互作用能E和沥青分子平面构型变化的角度φ评价沥青-矿粉相互作用。进一步，所述步骤S1具体为：采用平均分子模型建立沥青聚合物模型，进一步得到沥青的平均分子结构；根据所得到的沥青平均分子结构建立沥青分子结构模型，并进行能量最小化。进一步，所述步骤S2具体为：获取CaCO3分子的晶格常数和空间群，得出相应的CaCO3分子晶胞结构，将CaCO3分子晶胞结构能量最小化，并构造出CaCO3超晶胞模型。进一步，所述步骤S3具体为：利用沥青分子结构模型和碳酸钙超晶胞模型建立沥青-矿粉结构模型。进一步所述沥青-矿粉结构模型为2层结构，第1层为CaCO3表面层，第2层为沥青分子层。进一步，所述步骤S4具体为：将步骤S3中建立的沥青-矿粉结构模型在设定的温度T和正则系统体系下进行动力学计算，直至系统达到稳定状态，此时沥青-矿粉结构模型的能量为Etotal，沥青分子结构的表面能量为EM，碳酸钙超晶胞的表面能量为EN，则有相互作用能E＝EM+EN-Etotal。进一步，所述步骤S5具体为：按步骤S4在不同温度下对沥青-矿粉结构模型进行分子动力学模拟，构建不同温度下沥青分子平面构型的变化图。由于采用了上述技术方案，本专利技术具有如下的优点：(1)弥补了试验的不足，可通过计算机构建模型，进行动力学模拟，精度高、人为影响小、结果可靠、操作简单方便；(2)提出了沥青-矿粉相互作用参数E以及沥青分子平面构型变化角φ，建立沥青-矿粉相互作用的评价方法。附图说明为了使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术作进一步的详细描述，其中：图1为CaCO3晶胞模型；图2为沥青-矿粉结构模型；图3为不同模拟温度下沥青分子平面构型的变化；图4为沥青分子苯环结构的示意图；图5为沥青分子苯环结构的扭曲变化示意图。具体实施方式以下将结合附图，对本专利技术的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本专利技术，而不是为了限制本专利技术的保护范围。一种基于计算机模拟的沥青-矿粉相互作用的评价方法，具体步骤如下：(1)构建沥青分子结构模型沥青的组成、结构及存在形态非常复杂，本专利技术中采用平均分子模型来建立沥青聚合物模型，其平均分子式为C64H52S2，通过查阅相关参数可编辑得到沥青的平均分子结构。为了获得一个合理构象的聚合物分子结构，可采用AmorphousCell模块，通过此模块，可生成多个不同链长的聚合物，采用聚合物在真实熔体或者理想溶液中的结构来修正聚合物的骨架二面角。根据所得到的沥青平均分子结构，利用聚合物建模工具AmorphousCell中的Construction工具建立沥青分子结构模型，并利用SmartMinimizer进行能量最小化。构建不同温度下沥青分子平面构型的变化图通过分子动力学模拟，建立沥青分子与碳酸钙分子的平面构型变化图，如图4、5所示。图4为沥青分子苯环结构的示意图，图5为沥青分子苯环结构的扭曲变化示意图。通过沥青分子苯环结构的扭曲变化角度φ来表征不同温度下沥青分子与碳酸钙分子的粘附特性。定义φ＝θ1+θ2,其中θ1和θ2分别为沥青分子苯环结构与水平面的平面夹角。(2)构建碳酸钙超晶胞模型沥青混合料的性质主要取决于沥青与矿粉的相互作用，矿粉中组成成分主要为CaCO3。据相关文献资料，查询并输入CaCO3分子的晶格常数和空间群，在软件中导出相应的CaCO3分子晶胞结构。为了优化表面，利用Discover模块中的Cleave工具截取001面，并利用分子力学SmartMinimizer将其能量最小化，最后利用VacuumthicknessSlab构造出CaCO3超晶胞模型。(3)构建沥青-矿粉结构模型得到了能量最小的CaCO3超晶胞模型和沥青分子结构模型，使用分层建模工具建立沥青-矿粉结构模型。结构模型由2层结构组成，第1层为CaCO3表面层，第2层为沥青分子层，最后通过Visualizer模块下的“BuildLayer”命令将2层结构组合在一起获得模拟所需的结构模型，即包含沥青分子层和CaCO3层的结构模型。分子动力学模拟：通过Discover模块完成沥青-矿粉结构模型的正则系统(NVT)的分子动力学模拟。按照设定的模拟温度，选择Andersen恒温器控制温度，各分子起始速率由Maxwell-Boltzmann分布随机产生，在周期性边界条件和时间平均等效于系统平均等假设基础上，运用VelocityVerlet算法求解牛顿运动方程。采用ChargeGroup方法计算范德华相互作用和库仑相互作用。分子间的相互作用按平均密度近似方法进行校正。为了满足动力学模拟达到平衡，动力学模拟的时间需根据实际情况设定，定时记录一次体系的轨迹信息。(4)计算相互作用能，评价沥青-矿粉相互作用相互作用能E是反应两种材料之间的结合强度，可以是同种材料或不同材料之间，同种材料之间的相互作用能理论上等于该材料的表面能。因此，为了表征沥青-矿粉相互作用的强弱，将(3)中建立的沥青-矿粉结构模型在设定的温度T和正则系统(NVT)进行动力学计算，直至系统达到稳定状态，此时系统的能量为Etotal，再将两种材料(沥青分子、碳酸钙超晶胞)从模型中取出，分别计算后得到沥青分子结构的表面能量为EM，碳酸钙超晶胞的表面能量为EN，则相互作用能E计算公式如下：E＝EM+EN-Etotal通过本专利技术的方法得到的沥青分子与CaCO3相互作用能可以一定程度反映出两者粘结强度的大小，进一步评价沥青与矿粉间的粘附性。最后以相互作用能E和沥青分子平面构型变化的角度φ评价沥青-矿粉相互作用。以上所述仅为本专利技术的优选实施例，并不用于限制本专利技术，显然，本领域的技术人员可以对本专利技术进行各种改动和变型而不脱离本专利技术的精神和范围。这样，倘若本专利技术的这些修改和变型属于本专利技术权利要求及其等同技术的范围之内，则本专利技术也意图包含这些改动和变型在内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于计算机模拟的沥青‑矿粉相互作用评价方法，其特征在于：包括以下步骤：S1构建沥青分子结构模型，构建不同温度下沥青分子平面构型的变化图；S2构建碳酸钙超晶胞模型；S3构建沥青‑矿粉结构模型；S4计算相互作用能，以相互作用能E和沥青分子平面构型变化的角度评价沥青‑矿粉相互作用。

【技术特征摘要】
1.一种基于计算机模拟的沥青-矿粉相互作用评价方法，其特征在于：包括以下步骤：S1构建沥青分子结构模型，构建不同温度下沥青分子平面构型的变化图；S2构建碳酸钙超晶胞模型；S3构建沥青-矿粉结构模型；S4计算相互作用能，以相互作用能E和沥青分子平面构型变化的角度评价沥青-矿粉相互作用。2.根据权利要求1所述的基于计算机模拟的沥青-矿粉相互作用评价方法，其特征在于：所述步骤S1具体为：采用平均分子模型建立沥青聚合物模型，进一步得到沥青的平均分子结构；根据所得到的沥青平均分子结构建立沥青分子结构模型，并进行能量最小化。3.根据权利要求2所述的基于计算机模拟的沥青-矿粉相互作用评价方法，其特征在于：所述步骤S2具体为：获取CaCO3分子的晶格常数和空间群，得出相应的CaCO3分子晶胞结构，将CaCO3分子晶胞结构...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐霈，谭巍，王伟，李菁若，王全磊，章一颖，辛顺超，金军伟，
申请(专利权)人：招商局重庆交通科研设计院有限公司，
类型：发明
国别省市：重庆;50