本發(fā)明屬于道路瀝青路面材料性能評價技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種瀝青-礦粉相互作用的評價方法。

背景技術(shù)：

研究表明，瀝青路面的破壞與瀝青和礦粉相互作用界面區(qū)域的性質(zhì)有很大的關(guān)系。瀝青與礦粉的相互作用能力直接影響著瀝青混合料的性質(zhì)，瀝青與礦粉的相互作用能力越強，瀝青和礦粉的界面結(jié)構(gòu)形態(tài)越緊密，瀝青混合料的整體性能越好。研究瀝青-礦粉相互作用機理，從而有效解決瀝青路面早期破壞等問題，對延長路面的使用壽命具有重要的意義。目前，瀝青-礦粉的相互作用能力并未有相應(yīng)的相關(guān)試驗以及表征參數(shù)，現(xiàn)有的試驗技術(shù)并不能直接表征瀝青-礦粉的相互作用。

分子動力學模擬是一種利用計算機從微觀角度探索物質(zhì)間相互作用的有效手段，被廣泛應(yīng)用于吸附過程動力學及熱力學性能的研究，能從微觀角度認識物質(zhì)間吸附特征及相互作用機理，彌補了現(xiàn)有實驗技術(shù)不能從原子分子角度定量揭示物質(zhì)間相互作用機理的不足。因此，利用分子動力學模擬建立瀝青-礦粉相互作用的評價方法具有重要意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種基于計算機模擬的瀝青-礦粉相互作用評價方法。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的，基于計算機模擬的瀝青-礦粉相互作用評價方法，包括以下步驟：S1構(gòu)建瀝青分子結(jié)構(gòu)模型，構(gòu)建不同溫度下瀝青分子平面構(gòu)型的變化圖；S2構(gòu)建碳酸鈣超晶胞模型；S3構(gòu)建瀝青-礦粉結(jié)構(gòu)模型；S4計算相互作用能，以相互作用能E和瀝青分子平面構(gòu)型變化的角度φ評價瀝青-礦粉相互作用。

進一步，所述步驟S1具體為：采用平均分子模型建立瀝青聚合物模型，進一步得到瀝青的平均分子結(jié)構(gòu)；根據(jù)所得到的瀝青平均分子結(jié)構(gòu)建立瀝青分子結(jié)構(gòu)模型，并進行能量最小化。

進一步，所述步驟S2具體為：獲取CaCO₃分子的晶格常數(shù)和空間群，得出相應(yīng)的CaCO₃分子晶胞結(jié)構(gòu)，將CaCO₃分子晶胞結(jié)構(gòu)能量最小化，并構(gòu)造出CaCO₃超晶胞模型。

進一步，所述步驟S3具體為：利用瀝青分子結(jié)構(gòu)模型和碳酸鈣超晶胞模型建立瀝青-礦粉結(jié)構(gòu)模型。

進一步所述瀝青-礦粉結(jié)構(gòu)模型為2層結(jié)構(gòu)，第1層為CaCO₃表面層，第2層為瀝青分子層。

進一步，所述步驟S4具體為：將步驟S3中建立的瀝青-礦粉結(jié)構(gòu)模型在設(shè)定的溫度T和正則系統(tǒng)體系下進行動力學計算，直至系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)，此時瀝青-礦粉結(jié)構(gòu)模型的能量為E_total，瀝青分子結(jié)構(gòu)的表面能量為E_M，碳酸鈣超晶胞的表面能量為E_N，則有相互作用能E＝E_M+E_N-E_total。

進一步，所述步驟S5具體為：按步驟S4在不同溫度下對瀝青-礦粉結(jié)構(gòu)模型進行分子動力學模擬，構(gòu)建不同溫度下瀝青分子平面構(gòu)型的變化圖。

由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有如下的優(yōu)點：

(1)彌補了試驗的不足，可通過計算機構(gòu)建模型，進行動力學模擬，精度高、人為影響小、結(jié)果可靠、操作簡單方便；

(2)提出了瀝青-礦粉相互作用參數(shù)E以及瀝青分子平面構(gòu)型變化角φ，建立瀝青-礦粉相互作用的評價方法。

附圖說明

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細描述，其中：

圖1為CaCO3晶胞模型；

圖2為瀝青-礦粉結(jié)構(gòu)模型；

圖3為不同模擬溫度下瀝青分子平面構(gòu)型的變化；

圖4為瀝青分子苯環(huán)結(jié)構(gòu)的示意圖；

圖5為瀝青分子苯環(huán)結(jié)構(gòu)的扭曲變化示意圖。

具體實施方式

以下將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細的描述；應(yīng)當理解，優(yōu)選實施例僅為了說明本發(fā)明，而不是為了限制本發(fā)明的保護范圍。

一種基于計算機模擬的瀝青-礦粉相互作用的評價方法，具體步驟如下：

(1)構(gòu)建瀝青分子結(jié)構(gòu)模型

瀝青的組成、結(jié)構(gòu)及存在形態(tài)非常復雜，本發(fā)明中采用平均分子模型來建立瀝青聚合物模型，其平均分子式為C₆₄H₅₂S₂，通過查閱相關(guān)參數(shù)可編輯得到瀝青的平均分子結(jié)構(gòu)。

為了獲得一個合理構(gòu)象的聚合物分子結(jié)構(gòu)，可采用Amorphous Cell模塊，通過此模塊，可生成多個不同鏈長的聚合物，采用聚合物在真實熔體或者理想溶液中的結(jié)構(gòu)來修正聚合物的骨架二面角。根據(jù)所得到的瀝青平均分子結(jié)構(gòu)，利用聚合物建模工具Amorphous Cell中的Construction工具建立瀝青分子結(jié)構(gòu)模型，并利用Smart Minimizer進行能量最小化。

構(gòu)建不同溫度下瀝青分子平面構(gòu)型的變化圖

通過分子動力學模擬，建立瀝青分子與碳酸鈣分子的平面構(gòu)型變化圖，如圖4、5所示。圖4為瀝青分子苯環(huán)結(jié)構(gòu)的示意圖，圖5為瀝青分子苯環(huán)結(jié)構(gòu)的扭曲變化示意圖。通過瀝青分子苯環(huán)結(jié)構(gòu)的扭曲變化角度φ來表征不同溫度下瀝青分子與碳酸鈣分子的粘附特性。定義φ＝θ₁+θ₂,其中θ₁和θ₂分別為瀝青分子苯環(huán)結(jié)構(gòu)與水平面的平面夾角。

(2)構(gòu)建碳酸鈣超晶胞模型

瀝青混合料的性質(zhì)主要取決于瀝青與礦粉的相互作用，礦粉中組成成分主要為CaCO₃。據(jù)相關(guān)文獻資料，查詢并輸入CaCO₃分子的晶格常數(shù)和空間群，在軟件中導出相應(yīng)的CaCO₃分子晶胞結(jié)構(gòu)。為了優(yōu)化表面，利用Discover模塊中的Cleave工具截取001面，并利用分子力學Smart Minimizer將其能量最小化，最后利用Vacuum thickness Slab構(gòu)造出CaCO₃超晶胞模型。

(3)構(gòu)建瀝青-礦粉結(jié)構(gòu)模型

得到了能量最小的CaCO₃超晶胞模型和瀝青分子結(jié)構(gòu)模型，使用分層建模工具建立瀝青-礦粉結(jié)構(gòu)模型。結(jié)構(gòu)模型由2層結(jié)構(gòu)組成，第1層為CaCO₃表面層，第2層為瀝青分子層，最后通過Visualizer模塊下的“Build Layer”命令將2層結(jié)構(gòu)組合在一起獲得模擬所需的結(jié)構(gòu)模型，即包含瀝青分子層和CaCO₃層的結(jié)構(gòu)模型。

分子動力學模擬：通過Discover模塊完成瀝青-礦粉結(jié)構(gòu)模型的正則系統(tǒng)(NVT)的分子動力學模擬。按照設(shè)定的模擬溫度，選擇Andersen恒溫器控制溫度，各分子起始速率由Maxwell-Boltzmann分布隨機產(chǎn)生，在周期性邊界條件和時間平均等效于系統(tǒng)平均等假設(shè)基礎(chǔ)上，運用Velocity Verlet算法求解牛頓運動方程。采用Charge Group方法計算范德華相互作用和庫侖相互作用。分子間的相互作用按平均密度近似方法進行校正。為了滿足動力學模擬達到平衡，動力學模擬的時間需根據(jù)實際情況設(shè)定，定時記錄一次體系的軌跡信息。

(4)計算相互作用能，評價瀝青-礦粉相互作用

相互作用能E是反應(yīng)兩種材料之間的結(jié)合強度，可以是同種材料或不同材料之間，同種材料之間的相互作用能理論上等于該材料的表面能。因此，為了表征瀝青-礦粉相互作用的強弱，將(3)中建立的瀝青-礦粉結(jié)構(gòu)模型在設(shè)定的溫度T和正則系統(tǒng)(NVT)進行動力學計算，直至系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)，此時系統(tǒng)的能量為E_total，再將兩種材料(瀝青分子、碳酸鈣超晶胞)從模型中取出，分別計算后得到瀝青分子結(jié)構(gòu)的表面能量為E_M，碳酸鈣超晶胞的表面能量為E_N，則相互作用能E計算公式如下：

E＝E_M+E_N-E_total

通過本發(fā)明的方法得到的瀝青分子與CaCO₃相互作用能可以一定程度反映出兩者粘結(jié)強度的大小，進一步評價瀝青與礦粉間的粘附性。

最后以相互作用能E和瀝青分子平面構(gòu)型變化的角度φ評價瀝青-礦粉相互作用。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，并不用于限制本發(fā)明，顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。