CN111721693A - 基于分子动力学模拟的沥青抗老化性能评价方法 - Google Patents
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Abstract
基于分子动力学模拟的沥青抗老化性能评价方法，本发明的目的在于克服现有试验方法评价沥青抗老化性能研究效果的不足，通过开展基于反应力场的分子动力学模拟，提出一种理论依据可靠、结果简洁明确的方法评价沥青的抗老化性能。本发明采用基于反应力场的分子动力学模拟方法，通过精确量化沥青老化后含氧官能团的数量，直接反映沥青抗老化性能，过程规范，结果可靠，克服了实验研究方法无法准确量化或者不能直接反映沥青抗老化性能的不足之处；并且本发明采用的分子动力学模拟方法所用力场参数根据第一性原理计算的结果优化得到，反映了沥青在抗老化方面本身的物理化学属性，不受试验条件的干扰。
Description
技术领域
本发明属于沥青抗老化性能评价技术领域，具体涉及一种基于分子动力学模拟的沥青抗老化性能评价方法。
背景技术
沥青路面在使用阶段长期处于大气环境下，因此沥青容易发生老化，沥青老化是影响沥青路面使用性能的重要因素之一。沥青老化后的宏观表现为针入度下降，软化点上升，延度减小，这些物理指标的劣化导致沥青路面强度和耐久性降低，容易引起沥青路面开裂与剥落。由于路面所处的自然环境无法改变，因此只能通过提高沥青的抗老化性能以防止沥青路面过早地出现老化相关病害。
为了提高沥青的抗老化性能，一种方法是向沥青中掺加炭黑、橡胶粉、纳米材料等抗氧化剂以制备改性沥青，另一种方法是直接就选用具有较好的抗老化性能的沥青，其中后一种方法的成本相对较低，且能确保沥青具有较好的存储稳定性。因此，准确评价沥青的抗老化性能并选择具有较好的抗老化性能的沥青用于沥青路面的工程实践中，这将削弱沥青路面使用阶段的老化效应，预防沥青路面的早期损坏，提升沥青路面整体质量，减少沥青路面全寿命周期建设成本。
评价沥青抗老化性能的常用研究方法是对沥青进行旋转薄膜烘箱老化(RTFOT)和压力老化(PAV)后，采用傅里叶红外光谱试验直接测试沥青老化后含氧官能团的变化，或者进行沥青三大指标试验、黏度试验等物理试验间接反映沥青的抗老化性能。然而，这两种试验测试方法均有不足，前一种方法能直接表征沥青的老化程度，但无法精确量化不同沥青的含氧官能团数量的差异；后一种方法虽然能对沥青老化后性能进行量化，但由于这些试验指标并不直接等价于沥青的老化程度，不同试验指标间往往会出现相互矛盾的现象。
与试验方法不同的是，采用基于反应力场的分子动力学模拟方法评价沥青抗老化性能具有如下优点:1)能通过分析沥青老化后含氧官能团的生成以直接反映沥青抗老化性能；2)能对含氧官能团数量进行精确量化；3)这类分子动力学模拟采用的力场参数是根据第一性原理计算的结果优化得到，因此模拟结构反映沥青分子本身的物理化学属性，不受试验条件干扰；4)这种分子动力学模拟方法的计算结果准确性接近量子计算的计算结果，但计算量远小于后者。
发明内容
针对以上问题，本发明提出基于分子动力学模拟的沥青抗老化性能评价方法，本发明的目的在于克服现有试验方法评价沥青抗老化性能研究效果的不足，通过开展基于反应力场的分子动力学模拟，提出一种理论依据可靠、结果简洁明确的方法评价沥青的抗老化性能。
本发明提供基于分子动力学模拟的沥青抗老化性能评价方法，包括如下步骤：
(1)进行沥青组分分离试验将沥青分离成沥青质、胶质、芳香分及饱和分四种组分，并对四种组分进行称重，计算各自所占重量比；
(2)对沥青各组分进行凝胶色谱试验、傅里叶红外光谱试验和元素分析试验，测定所述沥青各组分的相对分子质量、官能团分布和元素组成，以此为依据构建所述沥青各组分的代表性分子，其特征在于每种组分的代表性分子可以是一个，也可以是多个；
(3)根据步骤(1)和步骤(2)的信息，计算建立一个沥青分子模型所需要的每一种代表性分子的数量，并计算出沥青分子模型的摩尔质量；
(4)采用开源软件LAMMPS，将所述沥青代表性分子按步骤(3)计算出的数量与一定数量的氧气分子混合，并按一定的密度构建成一个具有周期性边界条件的立方体盒子，作为沥青老化反应体系以进行老化反应模拟；
(5)采用LAMMPS软件对所述沥青老化反应体系进行模拟，得到老化沥青分子模型，模拟力场采用ReaxFF反应力场，具体步骤是：先进行能量最小化，然后在NVT系综和较低温度下进行较短时长的平衡性模拟，最后在NVT系综和较高的温度下进行较长时长的反应性模拟，该过程中采用LAMMPS软件的fix reax/c/bonds命令按一定频率读取老化反应体系内分子化学键生成与断裂的信息，将结果存储于bonds.reaxc文件中；
(6)采用数据处理软件从所述bonds.reaxc文件中提取羰基、羟基和亚砜基所对应的“C-O”、“H-O”和“S-O”化学键的数量，根据这三种化学键数量计算出模拟得到的老化沥青分子模型中所有氧元素的摩尔质量，以此除以步骤(3)中的沥青分子模型的摩尔质量，即得到老化沥青分子模型的含氧量；
(7)绘制老化反应模拟过程中所述三种化学键数量和老化沥青分子模型的含氧量随老化反应时间的变化图；
(8)选取不同产地、不同品牌或不同规格的沥青，重复步骤(1)-(7)，得到它们各自对应的老化特征数据，包括所述三种化学键数量和老化沥青分子模型的含氧量，以此为依据分析和评价所述不同沥青的抗老化性能。
作为本发明进一步改进，所述步骤(5)中，在NVT系综和较高的温度下进行较长时长的反应性模拟时，如果所采用的温度过高，沥青老化反应模拟结果会失真，如果所采用的温度过低，模拟所需时长会大幅增加，1000～1200K的模拟温度是比较适宜的。
本发明具有以下效果：
本发明采用基于反应力场的分子动力学模拟方法，通过精确量化沥青老化后含氧官能团的数量，直接反映沥青抗老化性能，过程规范，结果可靠，克服了实验研究方法无法准确量化或者不能直接反映沥青抗老化性能的不足之处；并且本发明采用的分子动力学模拟方法所用力场参数根据第一性原理计算的结果优化得到，反映了沥青在抗老化方面本身的物理化学属性，不受试验条件的干扰。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案和实施例，本发明进行了附图。
图1：沥青四组分的代表性分子；
图2：沥青老化反应体系；
图3：“C-O”、“H-O”和“S-O”三种化学键随老化反应时间的变化图；
图4：沥青含氧量随老化反应时间的变化图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
本发明提出基于分子动力学模拟的沥青抗老化性能评价方法，本发明的目的在于克服现有试验方法评价沥青抗老化性能研究效果的不足，通过开展基于反应力场的分子动力学模拟，提出一种理论依据可靠、结果简洁明确的方法评价沥青的抗老化性能。本发明将能帮助道路工程师方便快捷地优选出抗老化性能优异的沥青。
本发明基于分子动力学模拟对沥青抗老化性能进行评价，过程如下：
(1)选取某一批次克拉玛依70#基质沥青，记为沥青A，采用溶剂沉淀及色谱柱法将沥青A分离成沥青质、胶质、芳香分及饱和分四种组分；对四种组分进行称重，计算得沥青质、胶质、芳香分及饱和分所占重量比分别为：17.7％、41.4％、28.9％、12.0％。
(2)通过凝胶色谱试验、傅里叶红外光谱试验和元素分析试验测定所述沥青各组分的相对分子质量、官能团分布和元素组成，以此为依据构建所述沥青各组分的代表性分子，每种组分各有一个代表性分子，如附图1所示。
(3)根据步骤(1)中沥青四组分各自所占重量比及步骤(2)所构建的沥青各组分的代表性分子，计算出建立一个沥青分子模型需要沥青质、胶质、芳香分及饱和分四种组分的代表性分子的数量分别为8、25、30、10。
(4)采用LAMMPS软件建立沥青的老化反应体系，首先建立一个具有周期性边界条件的立方体盒子，将8个沥青质、25个胶质、30个芳香分、10个饱和分的代表性分子，以及4025个氧气分子导入其中，其中4025个氧气分子恰好能将体系内沥青的代表性分子完全氧化，体系处于氧气充足状态。体系密度设置为0.1g/cm3，最终得到一个边长为
的立方体老化反应体系，如附图2所示。其中深色分子为沥青质代表性分子，浅色分子为氧气分子。
(5)采用LAMMPS软件对所述沥青老化反应体系进行老化反应模拟，模拟采用ReaxFF反应力场，力场参数根据LAMMPS软件自带的ffield.reax.rdx力场参数确定。具体步骤如下：首先对所述老化反应体系进行能量最小化，然后在NVT系综和298K温度下进行200ps的模拟以使体系达到动力学平衡，最后在NVT系综和1200K温度下进行2000ps的模拟以预测沥青的老化反应。
(6)在步骤(5)中采用LAMMPS软件的fix reax/c/bonds命令，按1次/100ps的频率读取老化反应模拟过程中沥青代表性分子的化学键生成与断裂的信息，读取结果存储于命名为“asphalt.bonds.reaxc”的bonds.reaxc文件中。
(7)采用Matlab软件，对“asphalt.bonds.reaxc”文件进行分析，提取羰基、羟基和亚砜基所对应的“C-O”、“H-O”和“S-O”化学键数量，再根据三种化学键数量计算沥青的含氧量。
(8)选取某一批次SK 70#基质沥青，记为沥青B，重复步骤(1)-(7)。
(9)绘制A、B两种沥青老化反应模拟过程中所述三种化学键数量和沥青含氧量随老化反应时间的变化图，分别如附图3和附图4所示。
(10)根据附图3和附图4，对A、B两种沥青的抗老化性能进行评价：在老化反应模拟过程中，沥青A生成的“C-O”、“H-O”和“S-O”化学键数量和含氧量均高于沥青B，因此表明在相同条件下沥青A的老化程度高，沥青B的抗老化性能优于沥青A，即该批次SK 70#基质沥青抗老化性能优于该批次克拉玛依70#基质沥青。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。
Claims (2)
1.基于分子动力学模拟的沥青抗老化性能评价方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)进行沥青组分分离试验将沥青分离成沥青质、胶质、芳香分及饱和分四种组分，并对四种组分进行称重，计算各自所占重量比；
(2)对沥青各组分进行凝胶色谱试验、傅里叶红外光谱试验和元素分析试验，测定所述沥青各组分的相对分子质量、官能团分布和元素组成，以此为依据构建所述沥青各组分的代表性分子，其特征在于每种组分的代表性分子可以是一个，也可以是多个；
(3)根据步骤(1)和步骤(2)的信息，计算建立一个沥青分子模型所需要的每一种代表性分子的数量，并计算出沥青分子模型的摩尔质量；
(4)采用开源软件LAMMPS，将所述沥青代表性分子按步骤(3)计算出的数量与一定数量的氧气分子混合，并按一定的密度构建成一个具有周期性边界条件的立方体盒子，作为沥青老化反应体系以进行老化反应模拟；
(5)采用LAMMPS软件对所述沥青老化反应体系进行模拟，得到老化沥青分子模型，模拟力场采用ReaxFF反应力场，具体步骤是：先进行能量最小化，然后在NVT系综和较低温度下进行较短时长的平衡性模拟，最后在NVT系综和较高的温度下进行较长时长的反应性模拟，该过程中采用LAMMPS软件的fix reax/c/bonds命令按一定频率读取老化反应体系内分子化学键生成与断裂的信息，将结果存储于bonds.reaxc文件中；
(6)采用数据处理软件从所述bonds.reaxc文件中提取羰基、羟基和亚砜基所对应的“C-O”、“H-O”和“S-O”化学键的数量，根据这三种化学键数量计算出模拟得到的老化沥青分子模型中所有氧元素的摩尔质量，以此除以步骤(3)中的沥青分子模型的摩尔质量，即得到老化沥青分子模型的含氧量；
(7)绘制老化反应模拟过程中所述三种化学键数量和老化沥青分子模型的含氧量随老化反应时间的变化图；
(8)选取不同产地、不同品牌或不同规格的沥青，重复步骤(1)-(7)，得到它们各自对应的老化特征数据，包括所述三种化学键数量和老化沥青分子模型的含氧量，以此为依据分析和评价所述不同沥青的抗老化性能。
2.根据权利要求1中所述基于分子动力学模拟的沥青抗老化性能评价方法，其特征在于；所述步骤(5)中，在NVT系综和较高的温度下进行较长时长的反应性模拟时，如果所采用的温度过高，沥青老化反应模拟结果会失真，如果所采用的温度过低，模拟所需时长会大幅增加，1000～1200K的模拟温度是比较适宜的。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200929 |
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