基于乳化剂的沥青-集料粘附性的分子动力学评价方法技术

本发明专利技术公开了一种基于乳化剂的沥青‑集料粘附性的分子动力学评价方法，该方法基于materials studio软件构建沥青体系无定形晶胞模型、集料超晶胞模型和乳化剂体系无定形晶胞模型，通过build layer工具构建沥青层‑集料层模型以及沥青层‑乳化剂层‑集料层模型，利用Forcite模块的Energy任务计算，得到在没有乳化剂层和有乳化剂层状态下，沥青—集料之间的粘附功。该方法定量得出乳化剂对沥青—集料之间界面粘附性的影响，准确性高，避免了传统实验方法的主观性，操作步骤简单，可以准确预估不同乳化剂对沥青—集料之间界面粘附性的影响差异，以此来指导乳化沥青的运用。

【技术实现步骤摘要】
基于乳化剂的沥青-集料粘附性的分子动力学评价方法
本专利技术涉及一种预测乳化沥青与集料粘附性能的方法，特别涉及一种基于乳化剂的沥青-集料粘附性的分子动力学评价方法，属于智慧路面工程与计算机实验领域。
技术介绍
沥青路面是道路建设中应用最广泛的高级路面，具有耐久性好、寿命周期长、维护费用低、降噪效果好等优点。传统的道路材料以热拌沥青混合料为主，但是热拌沥青混合料存在着一系列缺点，如能源消耗大，环境污染大，施工作业条件苛刻，特别在冬天，施工温度很难达到要求。相对于热拌和温拌沥青混合料，冷拌沥青混合料具有节约能源，减少污染，施工环境受温度影响小，可用于快速修补等优点，是未来道路材料的发展方向。常见的冷拌技术所用到的乳化沥青可分为乳化型、溶剂型以及泡沫型，其中研究和应用最为广泛的为乳化型。然而，目前乳化沥青的应用仍存在局限，其中一个重要的原因是乳化沥青破乳后形成一层乳化剂薄膜覆盖在沥青与集料中间，降低沥青与集料之间的粘附性，因而通常需要添加抗剥落剂以提高沥青与集料之间的粘附性。目前，基于乳化剂对沥青-集料的影响主要是通过一些粘附实验进行定性分析，鲜有研究定量分析乳化剂膜的影响。通过分子动力学的方法，可以从分子角度对沥青-乳化剂膜-集料进行微观建模，利用经典牛顿运动力学，赋予模型适当的力场，定量探究基于乳化剂的沥青—集料之间的粘附性，为乳化沥青的进一步发展提供指导。
技术实现思路
为了从微观上定量研究基于乳化剂的沥青—集料之间粘附性的影响，同时克服传统宏观实验主观性大、实验数据离散性大、操作麻烦等不足，本专利技术提供了一种基于乳化剂的沥青—集料粘附性的分子动力学评价方法。该方法不仅能从微观上定量分析乳化剂对沥青—集料粘附性的影响，同时避免了人为操作的误差，可从本质上解释乳化剂的影响机理。为达到以上效益，本专利技术提供了一种基于乳化剂的沥青—集料粘附性的分子动力学评价方法，包括以下步骤：(1)基于materialsstudio软件的sketch工具，通过优化构建稳定的沥青体系无定形晶胞模型；(2)基于materialsstudio软件的build工具构建不同表面的集料超晶胞模型；(3)基于materialsstudio软件的sketch工具，构建乳化剂体系无定形晶胞模型；(4)基于buildlayer工具构建沥青层—集料层模型以及沥青层—乳化剂层—集料层模型；(5)使用Forcite模块的Dynamic方法，采用NVT系统对沥青层—集料层模型以及沥青层—乳化剂层—集料层模型进行动力学计算得到稳定的吸附模型；再分别利用Forcite模块的Energy任务计算，得到在没有乳化剂层和有乳化剂层状态下，沥青—集料之间的粘附功。优选地，步骤(1)中的沥青体系无定形晶胞模型，其中，沥青组分可按照三组分或四组分进行构建，组分的确定可参考文献或者通过核磁共振氢谱、XRD、FTIR等化学方法以及B-L法确定沥青组分的官能团和结构参数，确定沥青各组分的结构；优选地，对上述构建好的沥青组分模型进行几何结构优化，采用CFF力场家族中的COMPASSⅡ力场，能量下降采用smart算法，设置精度为fine，截断半径为或电荷由力场进行分配；其中，smart算法在能量收敛初期，采用梯度下降法快速收敛，后期采用共轭梯度法提高收敛，最后用牛顿—拉夫逊法实现最终收敛。优选地，采用Amorphouscell模块，按照不同的比例将上述沥青各组分的模型构建起来。构建后，再一次对模型进行几何结构优化，优化参数与上述步骤一致；接着，采用等温等压系综NPT对沥青结构进行弛豫，温度设置为298K，压力设置为1atm，时间步长设置1fs，总的弛豫时间设置为200-500ps；弛豫后，采用Forcite模块的Annel方法进行模拟退火，温度设置从100-500K，温度间隔40K，循环为2-5个循环，时间步长为1fs，选择berendsen热耦，模拟退火后选择能量较小的结构。优选地，对于优化后的沥青体系模型进行分子动力学计算，采用等温等压系综NPT，为了使得沥青结构达到平衡，模拟时间至少需要200ps。优选地，将步骤(1)中得到的沥青体系无定形晶胞模型，与实际沥青进行密度比较，当密度接近时即可认为构造模型合理，否则应该重新建模；可通过MaterialsStudio的scripting工具，通过perl脚本计算沥青的玻璃化温度Tg，并与实际沥青的玻璃化温度进行对比以进一步验证沥青模型的合理性；进一步优选的，沥青体系无定形晶胞模型的密度为0.8-1.1g/cm3、玻璃化温度为-37℃--15℃为合理。优选地，步骤(2)中的集料超晶胞模型，根据实际集料类型的不同分别进行晶体建模，晶体模型可来源于crystallographyopendatabase(COD)或Materialsproject数据库，也可通过XRD对集料的组分结构进行分析检索。优选地，对于步骤(2)集料超晶胞模型的构建，首先使用cleavesurface工具对晶体表面进行切割，切割晶面可根据需要，或通过查阅资料得出晶体最稳定的晶面，更合理地代表自然存在下集料表面。为了防止物理上的周期性影响，构造表面的深度必须大于非键截断半径。优选地，对于上述切出表面的集料模型赋予力场和电荷后，使用Modify模块中的constrains工具对晶体下层原子固定后进行整个晶体模型的表面优化，对于离子型晶体在进行表面优化之前还需进行共价键的删除以更合理模拟离子晶体真实状态。优选地，对于表面优化后的集料模型，通过构建超晶胞改变周期性，增大表面积。优选地，为了探究上述集料模型电荷密度的分布差异，可通过密度泛函理论，即第一性原理，通过CASTEP模块对晶体结构的电荷密度进行计算，相关参数设置为：方法任务选用Energy，交换关联函数选用广义梯度修正GGA，赝势选用USP，能量截断值也由赝势文件进行赋予，计算性质选用态密度，有限基底集修正、k点采样以及SCF均采用系统默认值即可。计算后通过CASTEP模块的analyze功能，对电子密度进行显示以及分析。优选地，步骤(3)的乳化剂体系无定形晶胞模型，构建时应该分别对离子进行构造，同时由于离子状态不显电中性，因而无需进行优化处理。优选地，构建步骤(3)的乳化剂体系无定形晶胞模型时，应以集料模型尺寸为基准，构建多个结构，最后选择分布最为均匀的一个。通过添加乳化剂层中乳化剂个数的不同可模拟不同浓度的乳化剂。优选地，步骤(4)中的沥青层和乳化剂层均以集料层尺寸为基准，以防止进行动力学计算时初始能量超限，在沥青层—集料层模型以及沥青层—乳化剂层—集料层模型上面添加以消除周期性的影响。优选地，步骤(4)中的集料层由于已经进行表面优化，可通过constrain工具将所有集料层进行固定，再充分弛豫集料层表面的沥青层和乳化剂层。优选地，步骤(5)中的沥青层—集料层模型以及沥青层—乳化剂层—集料层模型后，通过Forcite模块，采用宏观正则系综NVT、COMPASSⅡ力场进行3本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于乳化剂的沥青-集料粘附性的分子动力学评价方法，其特征在于，包括以下步骤，/n(1)基于materials studio软件的sketch工具，通过优化构建稳定的沥青体系无定形晶胞模型；/n(2)基于materials studio软件的build工具构建不同表面的集料超晶胞模型；/n(3)基于materials studio软件的sketch工具，构建乳化剂体系无定形晶胞模型；/n(4)基于build layer工具构建沥青层-集料层模型以及沥青层-乳化剂层-集料层模型；/n(5)使用Forcite模块的Dynamic方法，采用NVT系统对沥青层—集料层模型以及沥青层—乳化剂层—集料层模型进行动力学计算得到稳定的吸附模型；再分别利用Forcite模块的Energy任务计算，得到在没有乳化剂层和有乳化剂层状态下，沥青—集料之间的粘附功。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于乳化剂的沥青-集料粘附性的分子动力学评价方法，其特征在于，包括以下步骤，
(1)基于materialsstudio软件的sketch工具，通过优化构建稳定的沥青体系无定形晶胞模型；
(2)基于materialsstudio软件的build工具构建不同表面的集料超晶胞模型；
(3)基于materialsstudio软件的sketch工具，构建乳化剂体系无定形晶胞模型；
(4)基于buildlayer工具构建沥青层-集料层模型以及沥青层-乳化剂层-集料层模型；
(5)使用Forcite模块的Dynamic方法，采用NVT系统对沥青层—集料层模型以及沥青层—乳化剂层—集料层模型进行动力学计算得到稳定的吸附模型；再分别利用Forcite模块的Energy任务计算，得到在没有乳化剂层和有乳化剂层状态下，沥青—集料之间的粘附功。


2.根据权利要求1所述的分子动力学评价方法，其特征在于，步骤(1)中所述的沥青体系无定形晶胞模型的沥青组分按照三组分或四组分进行构建模型，所述沥青组分模型的结构通过沥青组分的官能团和结构参数确定，所述沥青组分的官能团和结构参数通过参考文献或者通过核磁共振氢谱、XRD、FTIR以及B-L法确定；对所述构建好的沥青组分模型进行几何结构优化，所述几何优化包括采用CFF力场家族中的COMPASSⅡ力场，能量下降采用smart算法，设置精度为fine，截断半径为或电荷由力场进行分配；所述smart算法在能量收敛初期，采用梯度下降法快速收敛，后期采用共轭梯度法提高收敛，最后用牛顿—拉夫逊法实现最终收敛。


3.根据权利要求2所述的分子动力学评价方法，其特征在于，步骤(1)所述的沥青体系无定形晶胞模型的优化构建过程如下，
采用Amorphouscell模块，按照不同的比例将沥青各组分的模型构建起来；
对所述构建后模型进行所述几何结构优化；
对所述优化后的模型采用等温等压系综NPT进行弛豫，温度设置为298K，压力设置为1atm，时间步长设置1fs，总的所述弛豫时间设置为200-500ps；
对所述弛豫后的模型采用Forcite模块的Annel方法进行模拟退火，温度设置从100-500K，温度间隔40K，循环为2-5个循环，时间步长为1fs，选择berendsen热耦，模拟退火后选择能量较小的结构；
对所述模拟退火的沥青体系模型进行分子动力学计算，所述分子动力学计算采用等温等压系综NPT，为了使得沥青结构达到平衡，模拟时间至少200ps。


4.根据权利要求1所述的分子动力学评价方法，其特征在于，所述沥青体系无定形晶胞模型的密度为0.8-1.1g/cm3，所述沥青体系无定形晶胞模型的玻璃化温度为-37℃--15℃，所述沥青体系无定形晶胞模型的玻璃化温度通过MaterialsStudio的scripting工具，使用perl脚本计算得到。


5.根据权利要求1所述的分子动力学评价方法，其特征在于，步骤(2)中的所述的集料超晶胞模型根据实际集料类型的不同分别进行集料模型建模，所述集料模型可来源于crystallographyopendatabase、Materialsproject数据库或通过XRD对集料的组分结构进行分析检索；对所述集料模型使用cleavesurface工具表面进行切割，所述集料模型的切割晶面为通过查阅资料得出晶体最稳定的晶面，更合理地代表自然存在下集料表面；为了防止物理上的周期性影响，所述集料模型的深度必须大于非键截断半径；所述切出表面的集料模型赋予力场和电荷，使用Modify模块中的constrains工具对集料模型下层原子固定后进行整个集料模型的表面优化，对于所述表面优化后的集料模型，通过构建超晶胞改变周期性，增大表面积。


6.根据权利要求5所述的分子动力学评价方法，其特征在于，所述集料模型为离子型晶体集料模型时，在进行表面优化之前进行共价键的删除以更合...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏国城，虞将苗，V·米佳世，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44