一种氧气在沥青混合料中扩散程度的评价方法技术

本发明专利技术属于分子动力学模拟技术领域，具体是涉及一种氧气在沥青混合料中扩散程度的评价方法。该方法是基于分子动力学理论和模拟计算软件Materials Studio建立沥青混合料

【技术实现步骤摘要】
一种氧气在沥青混合料中扩散程度的评价方法


[0001]本专利技术属于分子动力学模拟
，具体是涉及一种氧气在沥青混合料中 扩散程度的评价方法。

技术介绍

[0002]沥青路面凭借其行车舒适、低噪音和养护方便等优点，被广泛应用于高等路 面的建设中。沥青混合料中的沥青老化严重影响沥青混合料的路用性能。其中， 氧化老化是导致沥青老化的主要作用。氧气一旦扩散进入沥青路面，沥青分子与 氧气发生氧化反应，老化后的沥青变硬变脆，应力集中，在一定的荷载作用下， 沥青路面更容易开裂。因此，研究沥青路面的老化具有重要的意义。
[0003]沥青路面的老化与氧气在沥青混合料中的扩散程度有关。氧气在相互连接的 空隙中迅速扩散，与更深处的沥青发生氧化反应。目前关于氧气在沥青混合料中 的扩散研究往往集中于宏观试验研究和细观表征分析，但宏观的试验难以表征很 好地表征氧气分子在沥青混合料中的扩散过程和程度。尽管使用CT技术可以获 得沥青混合料的空隙结构信息，但其分辨率和计算精度还需进一步提升，同时也 无法再现氧气分子在扩散过程中可能的运动轨迹。因此，分子动力学是研究氧气 分子在沥青混合料中的具体的扩散程度的一个最为直接和有效的手段。
[0004]作为一项新兴技术，分子动力学已经成为研究分子材料行为的有力工具。它 可以对高温高压等实验难以实现的极端条件进行模拟，无需准备样品和进行试验， 节约了时间和经济成本。在模拟过程中，通过构建适合的模型，选取适当的力场 参数，即可达到较好的模拟效果。同样地，构建沥青混合料
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氧气双层模型，进行 氧气扩散模拟，针对模拟结果进行研究，就能够用分子动力学研究氧气分子在沥 青混合料中的扩散程度。
[0005]目前，关于氧气在沥青混合料中的扩散研究往往是通过实验室的宏观试验研 究和细观表征分析，但宏观试验研究和细观表征不能实现对于氧气分子在沥青混 合料中的扩散细节和程度的研究。

技术实现思路

[0006]为解决目前宏观试验和微观试验难以较好地表征氧气在沥青混合料中的扩 散状况的问题，基于分子动力学理论建立了三维分子模型，提供了一种氧气在沥 青混合料中扩散程度的评价方法。
[0007]本专利技术采用如下方案：
[0008]本专利技术所述的氧气在沥青混合料中扩散程度的评价方法，步骤如下：
[0009]步骤(1)、基于Materials Studio软件分别构建集料模型、沥青分子模型； 通过调整集料模型中集料分子数量与沥青分子数量、构建出具有不同体积参数的 沥青混合料模型；
[0010]步骤(2)、构建氧气层模型；通过调整氧气分子数量，建立具有不同密度特 征的氧
气层模型，并建立二氧化硅约束层模型；
[0011]步骤(3)、利用Materials Studio软件中的Build模块启用Build Layer功能建 立的真空层；将真空层、沥青混合料模型、氧气层模型以及二氧化硅 约束层模型组合，构建出沥青混合料
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氧气双层扩散模型；固定沥青混合料
‑
氧气 双层扩散模型中的氧气模型、二氧化硅模型；
[0012]再利用Forcite功能对沥青混合料
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氧气双层扩散模型进行分子结构优化；
[0013]步骤(4)、在步骤(3)结构优化的沥青混合料
‑
氧气双层扩散模型中，固定 沥青混合料层上表面、下表面的二氧化硅模型中硅原子，且同时固定沥青混合料
ꢀ‑
氧气双层扩散模型中沥青混合料层的氮原子和硫原子，解除氧气层的固定；
[0014]步骤(5)、对步骤(4)定义后的沥青混合料
‑
氧气双层扩散模型，分别在298K， 333K，393K、453K的温度下进行500ps的NVT动力学模拟，保存沥青混合料
‑ꢀ
氧气双层扩散模型中的分子的运动轨迹以供分析；
[0015]步骤(6)、通过沥青混合料
‑
氧气双层扩散模型中分子运动轨迹获取氧气分 子的MSD曲线，通过下式得到MSD曲线斜率：
[0016][0017]然后根据扩散系数与MSD曲线斜率的关系，通过下式计算分子的扩散系数：
[0018][0019]式中MSD为分子的均方位移；N为要平均的粒子数；x
n
(t)表示每个氧气分 子的在特定时间的位置；x
n
(0)表示每个氧气分子的原始位置；D为氧气分子的 扩散系数；a为线性MSD拟合线的斜率；
[0020]步骤(7)、计算各个模型的真空层中穿过沥青混合料层的氧气分子数量，通 过比较穿过的氧气分子数量和计算得到的氧气扩散系数的大小，明确温度和沥青 混合料密度对氧气扩散程度的影响作用。
[0021]本专利技术所述的氧气在沥青混合料中扩散程度的评价方法，步骤(1)中的集 料模型被制作成四种超晶胞模型，随后进行刚体化。
[0022]本专利技术所述的氧气在沥青混合料中扩散程度的评价方法，步骤(1)中的集 料分子质量与沥青分子质量比为1:1。
[0023]本专利技术所述的氧气在沥青混合料中扩散程度的评价方法，步骤(3)中，定 义沥青混合料
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氧气双层扩散模型以x向、y方向采用了周期性边界条件，在z方 向采取非周期边界条件，并在混合料
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氧气双层扩散模型底部设置二氧化硅层， 作为反射壁。
[0024]本专利技术所述的氧气在沥青混合料中扩散程度的评价方法，沥青混合料
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氧气 双层扩散模型中沥青混合料层的上表面、下表面固定二氧化硅模型中的一个硅原 子，使得沥青混合料
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氧气双层扩散模型中的集料分子可以自旋，更为真实地模 拟沥青混合料，同时固定沥青混合料模型中的氮原子和硫原子，以保证沥青混合 料模型的相对位置不变。
[0025]本专利技术所述的氧气在沥青混合料中扩散程度的评价方法，对步骤(4)的沥 青混合料
‑
氧气双层扩散模型进行500ps的NVT扩散模拟，采用Nose
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Hoover恒 温器控制温度。
[0026]本专利技术所述的氧气在沥青混合料中扩散程度的评价方法，手动筛选步骤(4) 中沥青混合料
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氧气双层扩散模型在扩散模拟后穿过沥青混合料层的氧气分子， 定位初始时间和最终时间，导出该氧气分子对应的MSD曲线，计算扩散系数。
[0027]本专利技术所述的氧气在沥青混合料中扩散程度的评价方法，计算步骤(4)扩 散模拟后的各个模型的真空层中穿过沥青混合料层的氧气分子数量；通过比较穿 过的氧气分子数量和计算得到的氧气扩散系数的大小，明确温度和沥青混合料密 度对氧气扩散程度的影响作用。
[0028]有益效果
[0029]本专利技术氧气在沥青混合料中扩散程度的评价方法，与现有技术相比有益效果 表现在：克服了当下通过宏观试验和微观试验难以较好地反应氧气在沥青混合料 中的扩散过程和扩散程度的问题，基于分子动力学模拟技术直观地表征了本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氧气在沥青混合料中扩散程度的评价方法，其特征在于：步骤如下：步骤(1)、基于Materials Studio软件分别构建集料模型、沥青分子模型；通过调整集料模型中集料分子数量与沥青分子数量、构建出具有不同体积参数的沥青混合料模型；步骤(2)、构建氧气层模型；通过调整氧气分子数量，建立具有氧气层模型，并建立二氧化硅约束层模型；步骤(3)、利用Materials Studio软件中的Build模块启用Build Layer功能建立的真空层；将真空层、沥青混合料模型、氧气层模型以及二氧化硅约束层模型组合，构建出沥青混合料
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氧气双层扩散模型；固定沥青混合料
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氧气双层扩散模型中的氧气模型、二氧化硅模型；再利用Forcite功能对沥青混合料
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氧气双层扩散模型进行分子结构优化；步骤(4)、在步骤(3)结构优化的沥青混合料
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氧气双层扩散模型中，固定沥青混合料层上表面、下表面的二氧化硅模型中硅原子，且同时固定沥青混合料
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氧气双层扩散模型中沥青混合料层的氮原子和硫原子，解除氧气层的固定；步骤(5)、对步骤(4)定义后的沥青混合料
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氧气双层扩散模型，分别在298K，333K，393K、453K的温度下进行500ps的NVT动力学模拟，保存沥青混合料
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氧气双层扩散模型中的分子的运动轨迹以供分析；步骤(6)、通过沥青混合料
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氧气双层扩散模型中分子运动轨迹获取氧气分子的MSD曲线，通过下式得到MSD曲线斜率：然后根据扩散系数与MSD曲线斜率的关系，通过下式计算分子的扩散系数：式中MSD为分子的均方位移；N为要平均的粒子数；x
n
(t)表示每个氧气分子的在特定时间的位置；x
n
(0)表示每个氧气分子的原始位置；D为氧气分子的扩散系数；a...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾兴宇，孙丽君，胡栋梁，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：