CN113160897A - 一种石墨烯改性沥青抗裂性能评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石墨烯改性沥青抗裂性能评价方法，属于改性沥青力学性能评价技术领域。方法包括如下步骤：一、将基质沥青分为四种组分，并计算各组分所占重量比；二、计算得出沥青分子模型中各组分分子模型数量；三、构建石墨烯改性沥青共混体系分子模型；四、使各石墨烯改性沥青共混体系分子模型达到平衡稳定的状态；五、得到模型的剪切模量G；六、得到模型的黏附功W_cohesion；七、得到模型的自扩散系数δ；八、确定判断矩阵，构建关于石墨烯改性沥青抗裂性能评价的模型，结合剪切模量、黏附功及自扩散系数计算得出对应掺量的石墨烯改性沥青的抗裂性能。本发明通过分子动力学模拟，更加科学直观的表征了石墨烯掺量对石墨烯改性沥青抗裂性能的影响。

Description

一种石墨烯改性沥青抗裂性能评价方法

技术领域

本发明属于改性沥青力学性能评价技术领域，更具体地说，涉及一种石墨烯改性沥青抗裂性能评价方法。

背景技术

随着交通事业的繁荣发展，交通量的增加，沥青路面面临着越来越多的挑战，包括全球变暖引起的持续高温、重载交通等，使沥青路面大量出现车辙、拥包、裂缝、松散等病害，其中高速公路病害中车辙尤为严重，为解决上述问题，对沥青材料改性从而改善其性能是目前较为常用的方法。改性剂的研究也成为了一个研究的热点，目前研究成果主要包括有橡胶及热塑性弹性体改性沥青、塑料与合成树脂类改性沥青和共混型高分子聚合物改性沥青及非聚合沥青改性剂，其中最为广泛应用的包括橡胶改性沥青和SBS改性沥青，可以提高沥青的强度、高温稳定性、低温抗裂性等，成本也较低，但面对迅猛增长的车辆荷载、交通压力及自然环境影响，SBS及橡胶等由于与沥青的混溶性不够，也逐渐无法满足人们的需求，因此国内外开始寻找其他提高改性沥青性能的材料与方法。

微观结构是宏观性能的决定因素，而纳米粒子因其具有不同于宏观大尺寸颗粒，也不同于单个原子和分子等微观粒子的一些新的特性，能从根本上大幅度改善性能，因此纳米材料改性剂逐渐应用到道路领域，纳米材料比表面积较大、表面能高，具有优异的界面效应，石墨烯自2004年被成功制备以来，因其独特的结构和优异的性能而被广泛应用于物理、化学、材料等各种领域，包括工程领域。

目前，国内外对石墨烯在道路领域的研究主要包括三大指标、动态剪切流变试验等宏观试验和红外光谱法、原子力显微镜等微观试验，但由于石墨烯成本较高，抗裂性能系统研究的较少，且石墨烯的品质和参数也不尽相同，得到的研究结论并不完全一致。微观试验更多地是对沥青静态研究，缺少动态变化观察，因此，目前评价的石墨烯改性沥青抗裂性能的方法均存在一定的局限性。

发明内容

为了解决上述技术问题至少之一，根据本发明的一方面，提供了一种石墨烯改性沥青抗裂性能评价方法，包括如下步骤：

一、选取基质沥青，进行沥青组分分离试验将基质沥青分离成沥青质、胶质、芳香分及饱和分四种组分，并对四种组分进行称重，计算各组分所占重量比；

二、对沥青四组分进行凝胶色谱试验、傅里叶红外光谱试验(FT-IR)和元素分析试验，确定沥青四种组分各自的元素组成、官能团分布和相对分子质量，建立各组分的代表性分子的化学结构，并计算得出沥青分子模型中各组分分子模型数量；

三、根据步骤一计算结果，通过Materials Studio软件的Sketch功能绘制出基质沥青四组分代表分子结构模型，以及绘制出石墨烯分子模型，绘制好的分子模型在Materials Studio软件的Forcite模块进行结构优化；然后根据步骤二计算出的沥青四种组分分子模型数量配合不同的石墨烯分子的模型数量，采用Amorphous Cell模块构建石墨烯改性沥青共混体系分子模型，并进行几何优化，构造过程采用COMPASS II力场；

四、通过动力学弛豫分别使各石墨烯改性沥青共混体系分子模型达到平衡稳定的状态；

五、分别对不同掺量的石墨烯改性沥青共混体系分子模型进行不同温度下的分子动力学模拟，得到各个模型的剪切模量G；

六、利用Materials Studio软件的Forcite模块，得到各个模型的黏附功W_cohesion；

七、利用Materials Studio软件的Analysis模块中的mean square displaced算出均方位移，从而得到各个模型的自扩散系数δ；

八、通过层次分析法，确定判断矩阵，当矩阵的一致性符合条件小于0.1时，构建关于石墨烯改性沥青抗裂性能评价的模型，以步骤五得到的剪切模量G、步骤六得到的黏附功Wcohesion及步骤七得到的自扩散系数δ为参数，计算出各个参数的权重向量，从而结合判断矩阵算出对应掺量的石墨烯改性沥青的抗裂性能评价值。

根据本发明实施例的石墨烯改性沥青抗裂性能评价方法，可选地，步骤四的具体操作为：利用Materials Studio软件的Dynamics模块，采用NVT正则系综进行预平衡，然后，在压力为一个大气压，温度为298.15K的条件下进行NPT动力学模拟。

根据本发明实施例的石墨烯改性沥青抗裂性能评价方法，可选地，步骤五中，利用Materials Studio软件Forcite模块中的Mechanical properties任务，对不同掺量的石墨烯改性沥青共混体系分子模型进行不同温度下的分子动力学模拟，得到各个模型的剪切模量G。

根据本发明实施例的石墨烯改性沥青抗裂性能评价方法，可选地，步骤六中，先构建沥青-石墨烯界面模型，通过Materials Studio软件的Bulid模块，将Layer1和Layer2分别指定为沥青和石墨烯分子建模，然后利用Materials Studio软件的Forcite模块，分别对Layer1和Layer2进行energy计算，然后通过下式计算得到各个模型的黏附功W_cohesion：

W_cohesion＝(E_layer1+E_layer2)-E_total；

式中，E_layer1为去掉石墨烯后沥青的表面能量；E_layer2为去掉沥青后石墨烯的表面能量；E_total为系统的总能量。

根据本发明实施例的石墨烯改性沥青抗裂性能评价方法，可选地，步骤七中各个模型的自扩散系数δ的计算式为：

δ＝K/6；

式中，K为均方位移msd曲线的斜率。

根据本发明实施例的石墨烯改性沥青抗裂性能评价方法，可选地，步骤八中的判断矩阵为：

该判断矩阵一致性符合条件小于0.1，计算得出最大特征值为3.0385，通过特征值法求出权重向量为w＝(0.1047，0.6370，0.2583)^T；

因此，石墨烯改性沥青抗裂性能评价值P＝w^T·W。

有益效果

相比于现有技术，本发明的方案至少具备如下有益效果：

抗裂性能是对改性沥青性能评价不可缺少的一部分，但是现有的评价结果主要以低温抗裂试验为主，实验的变异性较大，缺少能普遍适用的评价结果或指标，本发明的石墨烯改性沥青抗裂性能评价方法，通过分子动力学模拟，科学表征掺量和石墨烯直径、温度等参数，最终能直观且准确高效的得出石墨烯改性沥青抗裂性能的评价值，为石墨烯改性沥青抗裂性能研究提供理论指导，具有十分重要的意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。

图1示出了沥青四组分中沥青质的代表性分子；

图2示出了沥青四组分中胶质的代表性分子；

图3示出了沥青四组分中芳香分的代表性分子；

图4示出了沥青四组分中饱和分的代表性分子；

图5示出了石墨烯的代表分子；

图6示出了石墨烯改性沥青的模型图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

本实施例对石墨烯掺量为1.9％和3.8％的石墨烯改性沥青抗裂性能进行评价，评价方法如下步骤：

一、本实施例选取SK公司生产的70#基质沥青，采用四组分分析法将基质沥青分离成沥青质、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：11.6％、24％、41.9％、22.5％；

二、采用凝胶色谱试验、傅里叶红外光谱试验和元素分析试验，确定沥青各组分的相对分子质量、官能团分布和元素组成，以此为依据构建沥青四组分的代表性分子，每种组分各有一种代表性分子，如附图1、图2、图3和图4所示；

根据沥青四组分各自所占重量比以及沥青四组分各自建立的代表性分子信息，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5、20、29、15；

三、根据步骤一的信息，通过Materials Studio软件的Sketch功能绘制出基质沥青四组分代表分子结构模型，以及绘制出石墨烯分子模型，石墨烯分子模型如图5所示，绘制的模型在Forcite模块进行结构优化；

按照步骤二确定的各分子的数量，配合不同数量的石墨烯分子，采用AmorphousCell模块构建石墨烯改性沥青共混体系模型，石墨烯分子数量分别选0、1和2，得到三组体系模型，设为沥青A、沥青B和沥青C，沥青A的石墨烯掺量为0％，沥青B的石墨烯掺量为1.9％，沥青C的石墨烯掺量为3.8％，石墨烯改性沥青模型图如附图6所示，模型的构造过程采用COMPASS II力场；

四、通过动力学弛豫使各石墨烯改性沥青共混体系模型达到平衡稳定的状态，具体为，在Dynamics模块采用NVT正则系综进行预平衡，使体系在目标温度下达到一个较稳定的状态，然后，在压力为一个大气压，温度为298.15K的条件下进行NPT(即分子总数恒定，压力恒定，温度恒定)动力学模拟；通过此步骤的动力学弛豫，使各体系模型的能量、密度、温度都处于一个平稳的状态，模型的密度为0.98g/cm³，与沥青真实密度接近，使得本实施例的方法合理性更强；

五、对各体系模型采用Forcite模块中的Mechanical properties任务，得到不同帧数下的石墨烯改性沥青的剪切模量，并求取平均值，得到沥青A、沥青B和沥青C的剪切模量G分别为326MPa、450MPa和665Mpa；

六、打开Materials Studio软件的Bulid模块，将Layer1和Layer2分别指定为沥青和石墨烯分子建模，然后利用Materials Studio软件的Forcite模块，分别对Layer1和Layer2进行energy计算，利用计算式W_cohesion＝(E_layer1+E_layer2)-E_total，得到沥青A、沥青B和沥青C的黏附功W_cohesion分别为1001.5kcal/mol、978.3kcal/mol和915.7kcal/mol；

七、通过Materials Studio软件的Analysis模块中的mean square displaced算出均方位移，从而计算得出沥青A、沥青B和沥青C的自扩散系数δ分别为

和

八、申请人发现石墨烯改性沥青的抗裂性能主要与其黏附功有关，黏附功越大其抗裂性能越好，也有其抗剪切能力和相融后扩散性能的影响，因此通过此次分析法，确定判断矩阵为：

其中矩阵中量化值的意义为：

因素i比因素j	量化值
		同等重要	1
稍微重要	3
		较强重要	5
强烈重要	7
		极端重要	9
两相邻判断的中间值	2，4，6，8

计算得出最大特征值为3.0385，通过特征值法求出权重向量为(0.1047，0.6370，0.2583)^T；

一致性比率CR＝CI/RI；

N＝3，RI＝0.58，

CR＝0.03＜0.1，因此，该判断矩阵具有满意的一致性；

由此得出石墨烯改性沥青抗裂性能评价值P＝w^T·W；

结合沥青A、沥青B和沥青C各自的黏附功W_cohesion、剪切模量G、自扩散系数δ，得到沥青A、沥青B和沥青C各自的对比矩阵分别为A1、A2和A3；其中，

计算得出相应的权向量为W1＝(0.134，0.434，0.432)^T，W2＝(0.606，0.265，0.129)^T，W3＝(0.636，0.185，0.179)^T；

经检验，三个对比矩阵的CR均小于0.1，一致性检验合格；

对比矩阵的权向量结合上述判断矩阵的权向量得出的抗裂性能计算公式P＝w^T·W，得到，

沥青A的抗裂性能参数P1＝0.105*0.134+0.637*0.434+0.258*0.432＝0.4019；

沥青B的抗裂性能参数P2＝0.105*0.606+0.637*0.265+0.258*0.129＝0.2657；

沥青C的抗裂性能参数P3＝0.105*0.636+0.637*0.185+0.258*0.179＝0.2308；

由此抗裂性能计算结果得出，未掺入石墨烯的沥青具有较好的抗裂性能，而石墨烯的掺入降低了沥青的抗裂性能，且对抗裂性能降低的影响程度可通过上计算结果大小对比来判断，通过本实施例的方法，使石墨烯改性沥青抗裂性能的结果评价更为直观准确。

本发明所述实例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种石墨烯改性沥青抗裂性能评价方法，其特征在于，包括如下步骤：

一、选取基质沥青，进行沥青组分分离试验将基质沥青分离成沥青质、胶质、芳香分及饱和分四种组分，并对四种组分进行称重，计算各组分所占重量比；

二、确定沥青四种组分各自的元素组成、官能团分布和相对分子质量，并计算得出沥青分子模型中各组分分子模型数量；

三、根据步骤一计算结果，通过Materials Studio软件的Sketch功能绘制出基质沥青四组分代表分子结构模型，以及绘制出石墨烯分子模型；然后根据步骤二计算出的沥青四种组分分子模型数量配合不同的石墨烯分子的模型数量，采用Amorphous Cell模块构建石墨烯改性沥青共混体系分子模型；

四、通过动力学弛豫分别使各石墨烯改性沥青共混体系分子模型达到平衡稳定的状态；

五、分别对不同掺量的石墨烯改性沥青共混体系分子模型进行不同温度下的分子动力学模拟，得到各个模型的剪切模量G；

六、利用Materials Studio软件的Forcite模块，得到各个模型的黏附功W_cohesion；

七、利用Materials Studio软件的Analysis模块中的mean square displaced算出均方位移，从而得到各个模型的自扩散系数δ；

八、通过层次分析法，确定判断矩阵，当矩阵的一致性符合条件小于0.1时，构建关于石墨烯改性沥青抗裂性能评价的模型，以步骤五得到的剪切模量G、步骤六得到的黏附功W_cohesion及步骤七得到的自扩散系数δ为参数，计算出各个参数的权重向量，从而结合判断矩阵算出对应掺量的石墨烯改性沥青的抗裂性能评价值。

2.根据权利要求1所述的一种石墨烯改性沥青抗裂性能评价方法，其特征在于，步骤四的具体操作为：利用Materials Studio软件的Dynamics模块，采用NVT正则系综进行预平衡，然后，在压力为一个大气压，温度为298.15K的条件下进行NPT动力学模拟。

3.根据权利要求1所述的一种石墨烯改性沥青抗裂性能评价方法，其特征在于：步骤五中，利用Materials Studio软件Forcite模块中的Mechanical properties任务，对不同掺量的石墨烯改性沥青共混体系分子模型进行不同温度下的分子动力学模拟，得到各个模型的剪切模量G。

4.根据权利要求1所述的一种石墨烯改性沥青抗裂性能评价方法，其特征在于：步骤六中，先构建沥青-石墨烯界面模型，通过Materials Studio软件的Bulid模块，将Layer1和Layer2分别指定为沥青和石墨烯分子建模，然后利用Materials Studio软件的Forcite模块，分别对Layer1和Layer2进行energy计算，然后通过下式计算得到各个模型的黏附功W_cohesion：

W_cohesion＝(E_layer1+E_layer2)-E_total；

式中，E_layer1为去掉石墨烯后沥青的表面能量；E_layer2为去掉沥青后石墨烯的表面能量；E_total为系统的总能量。

5.根据权利要求1所述的一种石墨烯改性沥青抗裂性能评价方法，其特征在于，步骤七中各个模型的自扩散系数δ的计算式为：

δ＝K/6；

式中，K为均方位移msd曲线的斜率。

6.根据权利要求1所述的一种石墨烯改性沥青抗裂性能评价方法，其特征在于，步骤八中的判断矩阵为：

该判断矩阵一致性符合条件小于0.1，计算得出最大特征值为3.0385，通过特征值法求出权重向量为w＝(0.1047，0.6370，0.2583)^T；

因此，石墨烯改性沥青抗裂性评价值P＝w^T·W；

此处W为相应石墨烯改性沥青材料的剪切模量、黏附功、自扩散系数的权重向量。

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