CN104809305B - 一种再生剂在老化沥青中扩散效果的评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分子动力学模拟的评价再生剂在老化沥青中扩散效果的方法。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(Materials Studio Software)建立再生剂在老化沥青中的扩散模型。模拟计算分析扩散过程，记录分子的运动轨迹，并且通过获得的均方根位移(MSD)和时间的曲线来计算扩散系数。扩散系数利用爱因斯坦方程：D(扩散系数)＝T/6来计算。从而解决了再生剂在老化沥青中扩散效果和渗透性能不好评估的现状，可为再生剂在实际应用中的选择提供依据和基础，因而具有重大的意义和广阔的应用前景。

Description

一种再生剂在老化沥青中扩散效果的评价方法

技术领域

本发明属于分子动力学模拟技术领域，具体涉及一种再生剂在老化沥青中扩散效果的评价方法。

背景技术

道路老化沥青混合料的回收再生利用对资源的节约、环境保护等有重要意义，而再生沥青的性能在一定程度上取决于老化沥青与再生剂的混合程度。混合和扩散过程可以增加混合物的均一稳定性，是老化沥青再生的两个重要概念。因此，再生剂与老化沥青的混合以及扩散过程的研究可以为再生剂的选择以及研发提供重要的指导意义。

随着量子力学、分子力学等理论学科的迅速发展，分子模拟技术在当前诸多领域的科学研究中己被广为采用，并发挥着越来越重要的作用。分子模拟技术可以在自身建立的场景中呈现微观粒子的模型，主要依靠尺度大小、明暗程度和颜色等系统参数及微观粒子本身不同的结构呈现方式来实现。分子模拟技术是依托计算机而进行实验的一种技术，通过建立合理的分子模型对分子的静态特征和运动行为进行模拟，其目的是获得微观体系的物理化学性质。

随着再生剂在道路施工中越来越多的应用，有关再生剂在老化沥青中的扩散和渗透效果的研究也越来越多，期望能够找到描述再生剂在老化沥青中扩散和渗透效果的有效方法。因此，我们有必要在扩散过程的研究方面引入计算化学的方法，利用分子动力学模拟再生剂的老化沥青中的扩散过程，通过计算其扩散系数来描述其扩散效果的好坏。

发明内容

本发明目的在于克服现有测试方法对再生剂在老化沥青中扩散效果和渗透性能表征效果的不足，通过建立一种三维的扩散模型，提出一种基于分子动力学模拟的再生剂在老化沥青中的扩散效果评价方法。

为达到上述目的，采用技术方案如下：

一种再生剂在老化沥青中扩散效果的评价方法，包括如下步骤：

1)对再生剂进行傅立叶红外光谱分析，获得其所含有的官能团信息，通过ChemDraw软件画出其分子结构后插入到MS软件中获得其三维分子结构；

2)在MS软件中利用Modules模块中的AmorphousCell功能进行老化沥青三维结构的构建；

3)在COMPASS力场中，利用分子力学和量子化学计算对步骤1)和2)构建的三维结构进行分子结构优化，确定再生剂和老化沥青最小能量的构象；

4)选择再生剂和老化沥青三维结构最小能量的构象模板，利用Build模块中的Build Layers功能建立再生剂在老化沥青中的扩散模型；

5)先进行20ps的NVT及20ps的NPT动力学模拟，随后进行40ps的NVT动力学模拟，保存分子的运动轨迹以供分析；

6)通过运动轨迹获取粒子的均方根位移曲线(MSD)，利用均方根位移曲线计算得出粒子的扩散系数；然后采用Einstein法进行扩散系数的计算，Einstein方程表示如下：

——式1；

式1中，N为体系中所有扩散粒子的数目。

按上述方案，步骤2)所述老化沥青中饱和分采用直链模型C₂₂H₄₆、芳香分采用模型1,7-二甲基萘、沥青质采用GroenzinandMullin的模型C₇₂H₉₈S。

按上述方案，步骤4)所述扩散模型中模型采用周期性边界条件以保证其体系的密度恒定；采用SmartMinimizer法和Fine水平的收敛精度对其进行能量最小化。

按上述方案，步骤5)所述动力学模拟采用Andersen法和Berendsen法分别控制温度和压力；构造过程采用COMPASS力场；非键作用力的计算采用atombased算法；范德华势能用Lenard-Jones函数表示：

——式2。

按上述方案，步骤6)所述MSD曲线线性关系简化为

D＝a/6——式3；

式3中a为均方根位移曲线的斜率。

本发明的有益效果在于：

本发明克服了现有测试方法对再生剂在老化沥青中扩散效果和渗透性能表征效果不足的缺点，使得再生剂在老化沥青中的扩散效果测试变得简单方便，为我们在实际施工中再生剂的选择提供了很大的帮助。

附图说明

图1：再生剂1和老化沥青扩散体系中各组分的MSD曲线；

图2：再生剂2和老化沥青扩散体系中各组分的MSD曲线；

图3：老化沥青掺加再生剂1、2在60℃的粘度值；

图4：老化沥青掺加再生剂1、2在120℃的粘度值。

具体实施方式

以下实施例进一步阐释本发明的技术方案，但不作为对本发明保护范围的限制。

本发明基于分子动力学模拟的再生剂在老化沥青中扩散效果的评价方法，过程如下：

对再生剂进行傅立叶红外光谱分析，获得其所含有的官能团信息，把再生剂1和再生剂2分别简化后进行模拟计算。通过ChemDraw软件画出其分子结构后插入到MS软件中获得其三维分子结构；

试验中使用的再生剂是科来福公司提供的再生剂1和再生剂2。

所述再生剂1简化后分子结构：

所述再生剂2简化后分子结构：

2)在MS软件中利用Modules模块中的AmorphousCell功能进行老化沥青三维结构的构建；老化沥青中饱和分采用直链模型C₂₂H₄₆、芳香分采用模型1,7-二甲基萘、沥青质采用GroenzinandMullin的模型C₇₂H₉₈S。

3)在COMPASS力场中，利用分子力学和量子化学计算对步骤1)和2)构建的三维结构进行分子结构优化，确定再生剂和老化沥青最小能量的构象；

4)选择再生剂和老化沥青三维结构最小能量的构象模板，利用Build模块中的Build Layers功能建立再生剂在老化沥青中的扩散模型；扩散模型中模型采用周期性边界条件以保证其体系的密度恒定；对模型进行优化，采用SmartMinimizer法和Fine水平的收敛精度对其进行能量最小化。

5)先进行20ps的NVT及20ps的NPT动力学模拟，随后进行40ps的NVT动力学模拟，保存分子的运动轨迹以供分析；动力学模拟采用Andersen法和Berendsen法分别控制温度和压力；构造过程采用COMPASS力场；非键作用力的计算采用atombased算法；范德华势能用Lenard-Jones函数表示：

6)通过运动轨迹获取粒子的均方根位移曲线(MSD)，利用均方根位移曲线计算得出粒子的扩散系数；然后采用Einstein法进行扩散系数的计算，Einstein方程表示如下：

其中，N为体系中所有扩散粒子的数目。

优化地，步骤6)中若MSD曲线线性关系较好，则可简化为

D＝a/6；

其中，a为均方根位移曲线的斜率。

实施例1

对再生剂1和老化沥青的扩散过程进行模拟组建扩散体系，获得的再生剂1和老化沥青扩散体系中的各组分的MSD曲线如图1所示。

再生剂1在老化沥青中的扩散系数D＝3.98×10^-9。

实施例2

再生剂2和老化沥青的扩散过程进行模拟组建扩散体系，获得的再生剂2和老化沥青扩散体系中的各组分的MSD曲线如图2所示。

再生剂2在老化沥青中的扩散系数D＝2.19×10^-9。

实施例3

用来进行老化试验的沥青是盘锦90号道路石油沥青。对沥青进行RTFOT老化以及紫外UV老化，然后在老化的沥青中掺入6％的再生剂1、再生剂2。养护一段时间然后对掺有再生剂的老化沥青进行粘度测试。由图3、图4可知，掺有再生剂的老化沥青的粘度是明显低于空白老化沥青。并且再生剂1对老化沥青粘度的降低效果都比再生剂2要好。与我们用MS软件对再生剂在老化沥青中的扩散的模拟计算出来的再生剂1的扩散系数大于再生剂2的扩散系数结果一致。

Claims (1)

1.一种再生剂在老化沥青中扩散效果的评价方法，其特征在于包括如下步骤：

1)对再生剂进行傅立叶红外光谱分析，获得其所含有的官能团信息，通过ChemDraw软件画出其分子结构后插入到MS软件中获得其三维分子结构；

2)在MS软件中利用Modules模块中的Amorphous Cell功能进行老化沥青三维结构的构建；所述老化沥青中饱和分采用直链模型C₂₂H₄₆、芳香分采用模型1,7-二甲基萘、沥青质采用Groenzin and Mullin的模型C₇₂H₉₈S；

3)在COMPASS力场中，利用分子力学和量子化学计算对步骤1)和2)构建的三维结构进行分子结构优化，确定再生剂和老化沥青最小能量的构象；

4)选择再生剂和老化沥青三维结构最小能量的构象模板，利用Build模块中的BuildLayers功能建立再生剂在老化沥青中的扩散模型；模型采用周期性边界条件以保证其体系的密度恒定；采用Smart Minimizer法和Fine水平的收敛精度对其进行能量最小化；

5)先进行20ps的NVT及20ps的NPT动力学模拟，随后进行40ps的NVT动力学模拟，保存分子的运动轨迹以供分析；所述动力学模拟采用Andersen法和Berendsen法分别控制温度和压力；构造过程采用COMPASS力场；非键作用力的计算采用atombased算法；范德华势能用Lenard-Jones函数表示：

6)通过运动轨迹获取粒子的均方根位移曲线(MSD)，利用均方根位移曲线计算得出粒子的扩散系数；然后采用Einstein法进行扩散系数的计算，Einstein方程表示如下：

式中，N为体系中所有扩散粒子的数目；

所述MSD曲线线性关系简化为

D＝a/6；

式中a为均方根位移曲线的斜率。