一种基于分子动力学的沥青混合料抗水损害评价方法技术

本发明专利技术公开了一种基于分子动力学的沥青混合料抗水损害评价方法，该方法主要特点在于：借助分子动力学理论和仿真计算软件构建沥青‑集料二相界面模型和沥青‑水‑集料三相界面模型。通过计算沥青混合料中沥青与集料的粘附功来判定两者的粘附强度。通过计算沥青混合料在无水和有水的状态下粘附功的比值来定量评价沥青混合料抗水损害能力。该比值越大说明沥青抗水损害能力越强。该方法克服了水浸法只能定性经验性评价，无法量化，受人为主观因素影响较大；以及表面能法和原子力显微镜法操作复杂、技术要求高、耗时长，造价高，实验条件难以掌控等缺点。可为沥青混合料的选材提供依据和基础，因此具有较好的应用前景。

An evaluation method of water damage resistance of asphalt mixture based on molecular dynamics

【技术实现步骤摘要】
一种基于分子动力学的沥青混合料抗水损害评价方法
本专利技术涉及一种预测沥青混合料水稳定技术，特别是一种采用分子动力学方法定量评价沥青-集料界面粘附强度的测试技术，属于公路交通领域与表面

技术介绍
沥青路面行车舒适，易于维修，因而成为高级路面的主要形式之一。然而目前沥青路面的使用寿命远低于设计年限，也大大增加了维修的费用。主要原因之一在于水损害严重影响到沥青路面的寿命。所以，在修建沥青路面前首先要对沥青混合料的抗水损害能力(也称水稳定性)进行评价。目前对沥青混合料水稳定性的评价方法主要分两大类，定性方法和定量分析方法。定性分析方法主要有水煮法和水浸法，此类方法虽然简单易操作，门槛低，但无法对试验结果进行量化评价，人为主观因素对结果影响较大。定量分析法主要有光电比色法、SHRP净吸附法、拉拔测试法。其中光电比色法在试验过程中影响染料浓度的因素较多，无法保证溶液浓度变化只是由裸露集料吸附染料引起的，试验结果偏大。SHRP净吸附法试验条件严格、操作复杂、时间长。拉拔测试法将平板基材表面涂抹沥青试件，以垂直拉拔力作为黏附指标较为客观，但与沥青混合料中集料各表面所处实际空间状态并不相符。更细观的原子力显微镜技术(Atomicforcemicroscope，AFM)与表面能理论相结合开展沥青集料界面的黏附性能研究，仪器精密昂贵，试验条件严格，门槛高。分子动力学方法能够从微观上建立沥青-集料界面模型，被认为是本世纪以来除理论分析和实验观察之外的第三种科学手段，称之为“计算机实验”手段，以经典分子动力学理论为指导，以分子动力学仿真软件为平台，从微观上探究沥青与集料之间粘附作用的前因后果，预测沥青混合料的水稳定性，可为沥青路面的选材和开发提供科学依据。
技术实现思路
为克服现有沥青混合料抗水损害能力测试方法不能精确定量且操作复杂，数据受外界条件影响较多而产生数据离散性等诸多不足，本专利技术提供一种基于分子动力学预测和评价沥青混合料水稳定性技术。该方法不仅能精确测定沥青结合料与集料之间的粘附强度，而且能预测沥青混合料抗水损害能力，同时不受基体形状限制，可应用于复杂形状集料与沥青结合料界面粘附强度的测量。为达到上述目的，本专利技术所述一种基于分子动力学的沥青混合料抗水损害评价方法，包括以下步骤：步骤1、基于分子动力学仿真软件采用恒温恒压系综建立沥青结合料晶胞模型；步骤2、在仿真软件中根据集料在自然界的稳定存在形式进行界面切割后，建立集料超晶胞三维模型；步骤3、将步骤1建立的沥青结合料晶胞模型叠加在步骤2建立的集料超晶胞三维模型之上，并在沥青结合料模型上方叠加真空层以消除周期性影响，建立沥青-集料二相界面模型；将水分子插入在沥青结合料晶胞模型和步骤2建立的集料超晶胞三维模型之间，建立沥青-水-集料界面三相模型；步骤4、经过采用微正则系综和COMPASS力场进行分子动力平衡仿真计算，获得稳定状态下的沥青-集料二相界面模型，计算稳定状态下的沥青-集料二相界面模型中沥青和集料之间的粘附功Wadhension；计算步骤3建立的沥青-水-集料界面三相模型中，有水状态下沥青与集料的界面粘附功Wadhension_water；步骤5、根据步骤4计算得到的沥青和集料之间的粘附功，以及有水状态下沥青与集料的界面粘附功Wadhension_water，计算沥青-集料界面在无水状态和有水状态下的粘附功比值ER，根据比值ER来对比不同沥青、不同集料之间粘附特性以及抗水损害能力的好坏，进而来判定不同沥青混合料抗水损害的能力。进一步的，步骤1中，沥青结合料晶胞模型后，比较沥青结合料模型与实际沥青的密度，以判定沥青晶胞的合理性，当沥青结合料模型的模拟密度和沥青实验密度相差在沥青实验密度的5％以内时，认为所建立的模型合理；若所建立的模型不合理，重复步骤1，直至沥青结合料模型的模拟密度和沥青实验密度相差在沥青实验密度的5％以内。进一步的，步骤1的具体过程为：根据沥青四组分沥青质、胶质、饱和酚和芳香酚的质量比在AmorphousCell模块中组装建立沥青结合料分子模型，采用最速下降法进行局部优化，再采用共轭梯度法进行全局优化，达到优化体系能量的目的；采用NPT系综对沥青晶胞模型进行从300K到500k的五次退火；最后，采用NPT系综对模型进行动力学平衡仿真计算，设置温度为常温298K与一个标准大气压下，采用能同时模拟有机高分子和无机小分子的COMPASS力场，根据晶胞尺寸和高精度计算要求设置截断半径，对体系驰豫，得到沥青结合料晶胞模型。进一步的，步骤2具体过程为：根据集料中主要矿物SiO2_β的晶胞参数在仿真软件MaterialStudio中的Crystals模块建立集料单晶胞模型，采用Build模块中的Cleavesurface工具采用(0,0,1)对矿物进行晶面裁切，在表面添加真空层，使集料单晶胞模型从二维转化成三维，得到集料超晶胞三维模型。进一步的，步骤3中，建立沥青-集料二相界面模型的具体过程为：在仿真软件MaterialStudio中的AmorphousCell模块构建沥青-集料界面二相模型，在将沥青结合料晶胞模型叠加于集料晶胞模型之上时，以集料尺寸为基准，以使得沥青-集料界面模型分子动力过程中初始能量不至于超限；在沥青晶胞模型上方建立真空层消除模型周期性的影响，固定SiO2_β矿物晶体底层30％-50％的原子，充分弛豫集料矿物晶体表面几层原子与沥青发生吸附作用，使模拟更接近真实情况；将界面模型采用NVT系综和COMPASS力场在298K温度和1个标准大气压下进行300ps分子动力平衡计算，获取沥青-集料二相界面模型。进一步的，步骤3中，建立沥青-水-集料界面三相模型的过程为：在仿真软件MaterialStudio中的BuildLayers工具构建沥青-水-集料三相模型，将多个水分子插入沥青晶胞和集料晶胞模型之间，以集料尺寸为基准，在沥青上方建立真空层消除模型周期性的影响；固定集料矿物晶体底层30％-50％的原子，充分弛豫集料矿物晶体表面几层原子与沥青发生吸附作用，模拟沥青-集料界面在有水状态下的粘附行为；采用NVT系综和COMPASS力场在298K温度和1个标准大气压下进行300ps分子动力平衡计算，获取沥青-水-集料界面三相模型。进一步的，步骤4中稳定状态下的沥青-集料二相界面模型中沥青和集料之间的粘附功Wadhension的过程为：在步骤3中获取的沥青-集料二相界面模型基础上，计算沥青结合料的能量Easphalt和集料的能量Eaggreget，以及沥青和集料分子动力平衡粘附后的界面势能Easphalt_aggregete，根据式(1)计算沥青和集料的界面粘附功Wadhension，公式(1)中，A为界面面积△Einterface为沥青和集料粘附前后势能的变化；ΔEinterface＝Easphalt_aggregete-(Easphalt+Eaggreget)；K＝695，为单位转换系数。进一步的，步骤4的具体过程为：在步骤3建立的沥青-水-本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于分子动力学的沥青混合料抗水损害评价方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1、基于分子动力学仿真软件采用恒温恒压系综建立沥青结合料晶胞模型；/n步骤2、在仿真软件中根据集料在自然界的稳定存在形式进行界面切割后，建立集料超晶胞三维模型；/n步骤3、将步骤1建立的沥青结合料晶胞模型叠加在步骤2建立的集料超晶胞三维模型之上，并在沥青结合料模型上方叠加真空层以消除周期性影响，建立沥青-集料二相界面模型；将水分子插入在沥青结合料晶胞模型和步骤2建立的集料超晶胞三维模型之间，建立沥青-水-集料界面三相模型；/n步骤4、经过采用微正则系综和COMPASS力场进行分子动力平衡仿真计算，获得稳定状态下的沥青-集料二相界面模型，计算稳定状态下的沥青-集料二相界面模型中沥青和集料之间的粘附功W

【技术特征摘要】
1.一种基于分子动力学的沥青混合料抗水损害评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、基于分子动力学仿真软件采用恒温恒压系综建立沥青结合料晶胞模型；
步骤2、在仿真软件中根据集料在自然界的稳定存在形式进行界面切割后，建立集料超晶胞三维模型；
步骤3、将步骤1建立的沥青结合料晶胞模型叠加在步骤2建立的集料超晶胞三维模型之上，并在沥青结合料模型上方叠加真空层以消除周期性影响，建立沥青-集料二相界面模型；将水分子插入在沥青结合料晶胞模型和步骤2建立的集料超晶胞三维模型之间，建立沥青-水-集料界面三相模型；
步骤4、经过采用微正则系综和COMPASS力场进行分子动力平衡仿真计算，获得稳定状态下的沥青-集料二相界面模型，计算稳定状态下的沥青-集料二相界面模型中沥青和集料之间的粘附功Wadhension；计算步骤3建立的沥青-水-集料界面三相模型中，有水状态下沥青与集料的界面粘附功Wadhension_water；
步骤5、根据步骤4计算得到的沥青和集料之间的粘附功，以及有水状态下沥青与集料的界面粘附功Wadhension_water，计算沥青-集料界面在无水状态和有水状态下的粘附功比值ER，根据比值ER来对比不同沥青、不同集料之间粘附特性以及抗水损害能力的好坏，进而来判定不同沥青混合料抗水损害的能力。


2.根据权利要求1所述的一种基于分子动力学的沥青混合料抗水损害评价方法，其特征在于，所述步骤1中，沥青结合料晶胞模型后，比较沥青结合料模型与实际沥青的密度，以判定沥青晶胞的合理性，当沥青结合料模型的模拟密度和沥青实验密度相差在沥青实验密度的5％以内时，认为所建立的模型合理；若所建立的模型不合理，重复步骤1，直至沥青结合料模型的模拟密度和沥青实验密度相差在沥青实验密度的5％以内。


3.根据权利要求1所述的一种基于分子动力学的沥青混合料抗水损害评价方法，其特征在于，所述步骤1的具体过程为：根据沥青四组分沥青质、胶质、饱和酚和芳香酚的质量比在AmorphousCell模块中组装建立沥青结合料分子模型，采用最速下降法进行局部优化，再采用共轭梯度法进行全局优化，达到优化体系能量的目的；采用NPT系综对沥青晶胞模型进行从300K到500k的五次退火；最后，采用NPT系综对模型进行动力学平衡仿真计算，设置温度为常温298K与一个标准大气压下，采用能同时模拟有机高分子和无机小分子的COMPASS力场，根据晶胞尺寸和高精度计算要求设置截断半径，对体系驰豫，得到沥青结合料晶胞模型。


4.根据权利要求1所述的一种基于分子动力学的沥青混合料抗水损害评价方法，其特征在于，所述步骤2具体过程为：根据集料中主要矿物的晶胞参数在仿真软件MaterialStudio中的Crystals模块建立集料单晶胞模型，采用Build模块中的Cleavesurface工具采用(0,0,1)对矿物进行晶面裁切，在表面添加真空层，使集料单晶胞模型从二维转化成三维，得到集料超晶胞三维模型。


5.根据权利要求1所述的一种基于分子动力学的沥青混合料抗水损害评价方法，其特征在于，所述步骤3中，建立沥青-集料二相界面模型的具体过程为：在仿真软件MaterialStudio中的AmorphousCell模块构建沥青-集料界面二相模型，在将沥青结合料晶胞模型叠加于集料晶胞模型之上时，以集料尺寸为基准，以使得沥青-集料界面模型分子动力过程中初始能量不至于超限；在沥青晶胞模型上方建立真空层消除模型周期性的影响，固定矿物晶体底层30％-50％的原子，充分弛豫集料矿物晶体表面几层原子与沥青发生吸附作用，使模拟更接近真实情况；将界面模型采用NVT系综和COMPASS力场在298K温度和1个标准大气压下进行300ps分子动力平衡计算，获取沥青-集料二相界面模型。


6.根据权利要求1所述的一种基于分子动力学的沥青混...

【专利技术属性】
技术研发人员：张洪亮，黄嫚，吕文江，赖峰，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61