CN113109553B - 沥青粘合剂抗疲劳性能评估方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种沥青粘合剂抗疲劳性能评估方法及系统，属于沥青粘合剂性能测试技术领域，利用分子动力学模拟方法，对待检测的样品建立分子结构模型；结合分子结构模型中的结构属性，计算沥青粘合剂中的分子柔度指数；其中，每个所述结构属性均使用了形状指数以合并到形状分析中，形状指数包括第一形状指数和第二形状指数；使用柔度指数表征沥青粘合剂的抗疲劳性能，柔度指数越高，则抗疲劳性能越高，反之，则越低。本发明脱离了实验室试验操作的抗疲劳性能测试，通过定量表征沥青中微观分子的柔韧特性，来表征沥青粘合剂的宏观抗疲劳性能，可准确评估沥青材料抗疲劳性能，缩短了评估周期，提高了工作效率，降低了成本。

Description

沥青粘合剂抗疲劳性能评估方法及系统

技术领域

本发明涉及沥青粘合剂性能测试技术领域，具体涉及一种沥青粘合剂抗疲劳性能评估方法及系统。

背景技术

路面使用期间，在环境因素和车轮负载的重复作用下，损伤逐渐累积，路面结构强度会逐渐下降，当荷载作用次数超过一定次数之后，荷载作用下路面内产生的应力就会超过性能下降后的结构抗力，使路面出现裂纹，产生疲劳断裂破坏。

上述问题产生的原因是由于材料内部存在缺陷或非均匀性，引起应力集中而出现微裂隙，应力的反复作用使微裂隙逐渐扩展汇合，从而不断减小有效的承受应力的面积，造成材料的刚度和强度逐步下降，最终在反复作用一定次数后导致破坏。

路面使用的沥青粘合剂抗疲劳破坏的能力，可用达到疲劳破坏时所能经受的重复应力大小(或称疲劳强度)和作用次数(或称疲劳寿命)来表示。疲劳破坏是当前沥青路面破坏的主要形式之一。沥青混合料的抗疲劳性能是评价沥青路面耐久性的一个重要指标。

进行沥青混合料疲劳性能的研究评估，有利于改善沥青混合料的耐疲劳性能，延长沥青路面的使用寿命。目前，沥青粘合剂抗疲劳性能的研究方法主要集中在基于实验室测试的疲劳性能评估和预测上，如现象学法、力学分析法和能量分析法。现象学法和力学分析法的试验费用高、周期长。能量分析法的评价指标为耗散能密度。而采用G*·sinδ为代表的沥青路面疲劳性能评价方法，高度依赖动态剪切流变仪，对SBS改性沥青的适用性较差，动态流变疲劳测试对试验操作人员要求较高，测试精度受人员技术经验影响较大。

本质上，沥青粘合剂的抗疲劳性主要取决于各种化学性质，例如化学组成，分子量，官能团和分子结构。因此，研究微观尺度的材料性能可以使我们对沥青抗疲劳性能有更深刻的认识。当对沥青粘合剂施加一些变形时，最硬的分子链将首先断裂，这是疲劳裂纹的来源。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过定量表征沥青中微观分子的柔韧特性来表征沥青粘合剂的宏观抗疲劳性能的沥青粘合剂抗疲劳性能评估方法及系统，以解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种沥青粘合剂抗疲劳性能评估方法，包括：

利用分子动力学模拟方法，对待检测的样品建立分子结构模型；

结合分子结构模型中的结构属性，计算沥青粘合剂中的分子柔度指数；其中，每个所述结构属性均使用了形状指数以合并到形状分析中，形状指数包括第一形状指数和第二形状指数；

使用柔度指数表征沥青粘合剂的抗疲劳性能，柔度指数越高，则抗疲劳性能越高，反之，则越低。

优选的，计算沥青粘合剂中的分子柔度指数包括：

根据分子结构模型中的总原子数以及分子结构边数，计算第一形状指数和第二形状指数；

根据第一形状指数和第二形状指数，结合分子等价半径和杂原子对分子的影响，计算第一参数和第二参数；

结合第一参数和第二参数，计算分子柔度指数。

优选的，所述结构属性包括：分子大小尺寸、支链含量和杂原子含量。

优选的，所述第一形状指数表征分子的原子总数及其周期性；所述第二形状指数表征分子的支链特性。

优选的，计算第一形状指数K₁包括：K₁＝N(N-1)²/P²；

计算第二形状指数K₂包括：K₂＝(N-1)(N-2)²/P²；

其中，N表示原子总数；P表述分子结构中的边数，即，分子的轮廓总长。

优选的，计算第一参数

包括：

计算第二参数

包括：

其中，计算α时：α_x＝r_x/r(Csp³)-1，r_x表示第x个原子的半径，r(Csp³)表示sp³碳的半径。

优选的，分子柔度指数φ为：

第二方面，本发明提供一种沥青粘合剂抗疲劳性能评估系统，包括：

构建模块，用于利用分子动力学模拟方法，对待检测的样品建立分子结构模型；

计算模块，用于结合分子结构模型中的结构属性，计算沥青粘合剂中的分子柔度指数；其中，每个所述结构属性均使用了形状指数以合并到形状分析中，形状指数包括第一形状指数和第二形状指数；

评价模块，用于使用柔度指数表征沥青粘合剂的抗疲劳性能，柔度指数越高，则抗疲劳性能越高，反之，则越低。

第三方面，本发明提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质包括用于执行如上所述的沥青粘合剂抗疲劳性能评估方法的指令。

第四方面，本发明提供一种电子设备，包括如上所述的非暂态计算机可读存储介质；以及能够执行所述非暂态计算机可读存储介质的所述指令的一个或多个处理器。

本发明有益效果：脱离了实验室试验操作的抗疲劳性能测试，通过定量表征沥青中微观分子的柔韧特性，来表征沥青粘合剂的宏观抗疲劳性能，可准确评估沥青材料抗疲劳性能，缩短了评估周期，提高了工作效率，降低了成本。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所述的沥青粘合剂抗疲劳性能评估系统的功能原理框图。

图2为本发明实施例所述的沥青粘合剂抗疲劳性能评估方法流程图。

具体实施方式

下面详细叙述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。

还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件和/或它们的组。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

为便于理解本发明，下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步解释说明，且具体实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本领域技术人员应该理解，附图只是实施例的示意图，附图中的部件并不一定是实施本发明所必须的。

实施例1

沥青粘合剂的抗疲劳性对于沥青混合料和路面的疲劳性能很重要。目前，主要的研究工作集中在基于实验室测试的疲劳性能评估和预测上。但是，从微观角度来看，关于疲劳损伤和破坏机理的研究很少。

本质上，沥青粘合剂的抗疲劳性主要取决于各种化学性质，例如化学组成，分子量，官能团和分子结构。因此，研究微观尺度的材料性能可以使我们对沥青抗疲劳性能有更深刻的认识。当对沥青粘合剂施加一些变形时，最硬的分子链将首先断裂，这是疲劳裂纹的来源。因此如果可以定量表征沥青中微观分子的柔韧特性，既可以表征沥青材料的宏观抗疲劳性能。为了研究沥青粘合剂疲劳寿命的微观机理，首先借助分子动力学模拟手段对给定的沥青粘合剂建立分子结构，并计算其柔度指数。

如图1所示，在本实施例1中，提供一种沥青粘合剂抗疲劳性能评估系统，包括：构建模块，用于利用分子动力学模拟方法，对待检测的样品建立分子结构模型；计算模块，用于结合分子结构模型中的结构属性，计算沥青粘合剂中的分子柔度指数；其中，每个所述结构属性均使用了形状指数以合并到形状分析中，形状指数包括第一形状指数和第二形状指数；评价模块，用于使用柔度指数表征沥青粘合剂的抗疲劳性能，柔度指数越高，则抗疲劳性能越高，反之，则越低。

如图2所示，利用上述的系统，实现了一种沥青粘合剂抗疲劳性能评估方法，该方包括：

利用分子动力学模拟方法，对待检测的样品建立分子结构模型；

结合分子结构模型中的结构属性，计算沥青粘合剂中的分子柔度指数；其中，每个所述结构属性均使用了形状指数以合并到形状分析中，形状指数包括第一形状指数和第二形状指数；

使用柔度指数表征沥青粘合剂的抗疲劳性能，柔度指数越高，则抗疲劳性能越高，反之，则越低。

其中，计算沥青粘合剂中的分子柔度指数包括：

根据分子结构模型中的总原子数以及分子结构边数，计算第一形状指数和第二形状指数；

根据第一形状指数和第二形状指数，结合分子等价半径和杂原子对分子的影响，计算第一参数和第二参数；

结合第一参数和第二参数，计算分子柔度指数。

其中，所述结构属性包括：分子大小尺寸、支链含量和杂原子含量。

所述第一形状指数表征分子的原子总数及其周期性；所述第二形状指数表征分子的支链特性。

计算第一形状指数K₁包括：K₁＝N(N-1)²/P²；

计算第二形状指数K₂包括：K₂＝(N-1)(N-2)²/P²；

其中，N表示原子总数；P表述分子结构中的边数，即，分子的轮廓总长。

计算第一参数

包括：

计算第二参数

包括：

其中，计算α时：α_x＝r_x/r(Csp³)-1，r_x表示第x个原子的半径，r(Csp³)表示sp³碳的半径。

最终，分子柔度指数φ为：

实施例2

本实施例2中，提供的基于分子动力学模拟的沥青粘合剂抗疲劳性能评价方法，根据分子大小，尺寸，支链和杂原子含量的多种结构属性，提出了柔度指数FI的定义。定义中的每个结构属性都使用了K₁、K₂等形状指数合并到形状分析中。其中，K₁指数可表征分子的原子总数及其周期性，K₂指数可表征分子的支链特性。K₁和K₂指数计算过程分别如下得出：

K₁＝N(N-1)²/P²

K₂＝(N-1)(N-2)²/P²

其中，N是原子数；P是分子结构中的边数(结构边缘总长即分子的轮廓总长)。

然后，进一步考虑分子等价(针对球类分子，如甲烷、球蛋白，可测算分子半径。而沥青中的分子大多以平面结构居多，因此有等价半径的概念。)半径和杂原子对分子形状的影响，由公式3和4进一步计算出

与

式中，α可参考以下公式计算：

α_x＝r_x/r(Csp³)-1

式中，r_x是第x个重原子的半径and r(Csp³)是sp3碳的半径，约为

最后，柔度指数可借助以下公式计算出：

式中，N是分子中的非氢原子数。

通过以上步骤即可计算出沥青材料中各个部分的柔度指数。

当对沥青粘合剂施加一些变形时，最硬的分子链将首先断裂，这是疲劳裂纹的来源。借助本项目中分子柔度指数概念，可以定量表征分子的柔性，即抵抗变形的能力，因此可以有效表征沥青的抗疲劳性能。

实施例3

本发明实施例3提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质包括用于执行沥青粘合剂抗疲劳性能评估方法的指令，该方法包括：

利用分子动力学模拟方法，对待检测的样品建立分子结构模型；

结合分子结构模型中的结构属性，计算沥青粘合剂中的分子柔度指数；其中，每个所述结构属性均使用了形状指数以合并到形状分析中，形状指数包括第一形状指数和第二形状指数；

使用柔度指数表征沥青粘合剂的抗疲劳性能，柔度指数越高，则抗疲劳性能越高，反之，则越低。

实施例4

本发明实施例4提供一种电子设备，该电子设备包括一种非暂态计算机可读存储介质；以及能够执行所述非暂态计算机可读存储介质的所述指令的一个或多个处理器。所述非暂态计算机可读存储介质包括用于执行沥青粘合剂抗疲劳性能评估方法的指令，该方法包括：

利用分子动力学模拟方法，对待检测的样品建立分子结构模型；

结合分子结构模型中的结构属性，计算沥青粘合剂中的分子柔度指数；其中，每个所述结构属性均使用了形状指数以合并到形状分析中，形状指数包括第一形状指数和第二形状指数；

使用柔度指数表征沥青粘合剂的抗疲劳性能，柔度指数越高，则抗疲劳性能越高，反之，则越低。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域技术人员在不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种沥青粘合剂抗疲劳性能评估方法，其特征在于，包括：

利用分子动力学模拟方法，对待检测的样品建立分子结构模型；

结合分子结构模型中的结构属性，计算沥青粘合剂中的分子柔度指数；其中，每个所述结构属性均使用了形状指数以合并到形状分析中，形状指数包括第一形状指数和第二形状指数；

使用柔度指数表征沥青粘合剂的抗疲劳性能，柔度指数越高，则抗疲劳性能越高，反之，则越低；

计算沥青粘合剂中的分子柔度指数包括：

根据分子结构模型中的总原子数以及分子结构边数，计算第一形状指数和第二形状指数；

根据第一形状指数和第二形状指数，结合分子等价半径和杂原子对分子的影响，计算第一参数和第二参数；

结合第一参数和第二参数，计算分子柔度指数；

计算第一形状指数K₁包括：K₁＝N(N-1)²/P²；

计算第二形状指数K₂包括：K₂＝(N-1)(N-2)²/P²；

其中，N表示原子总数；P表述分子结构中的边数，即，分子的轮廓总长；

计算第一参数

包括：

计算第二参数

包括：

其中，计算α时：α_x＝r_x/r(Csp³)-1，r_x表示第x个原子的半径，r(Csp³)表示sp³碳的半径；

分子柔度指数φ为：

2.根据权利要求1所述的沥青粘合剂抗疲劳性能评估方法，其特征在于，所述结构属性包括：分子大小尺寸、支链含量和杂原子含量。

3.根据权利要求1所述的沥青粘合剂抗疲劳性能评估方法，其特征在于，所述第一形状指数表征分子的原子总数及其周期性；所述第二形状指数表征分子的支链特性。

4.一种沥青粘合剂抗疲劳性能评估系统，其特征在于，包括：

构建模块，用于利用分子动力学模拟方法，对待检测的样品建立分子结构模型；

计算模块，用于结合分子结构模型中的结构属性，计算沥青粘合剂中的分子柔度指数；其中，每个所述结构属性均使用了形状指数以合并到形状分析中，形状指数包括第一形状指数和第二形状指数；

计算沥青粘合剂中的分子柔度指数包括：

根据分子结构模型中的总原子数以及分子结构边数，计算第一形状指数和第二形状指数；

根据第一形状指数和第二形状指数，结合分子等价半径和杂原子对分子的影响，计算第一参数和第二参数；

结合第一参数和第二参数，计算分子柔度指数；

计算第一形状指数K₁包括：K₁＝N(N-1)²/P²；

计算第二形状指数K₂包括：K₂＝(N-1)(N-2)²/P²；

其中，N表示原子总数；P表述分子结构中的边数，即，分子的轮廓总长；

计算第一参数

包括：

计算第二参数

包括：

其中，计算α时：α_x＝r_x/r(Csp³)-1，r_x表示第x个原子的半径，r(Csp³)表示sp³碳的半径；

分子柔度指数φ为：

评价模块，用于使用柔度指数表征沥青粘合剂的抗疲劳性能，柔度指数越高，则抗疲劳性能越高，反之，则越低。

5.一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质包括用于执行如权利要求1-3任一项所述的沥青粘合剂抗疲劳性能评估方法的指令。

6.一种电子设备，其特征在于：包括如权利要求5所述的非暂态计算机可读存储介质；以及能够执行所述非暂态计算机可读存储介质的所述指令的一个或多个处理器。

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