基于分子動(dòng)力學(xué)的瀝青質(zhì)與二氧化硅界面能評(píng)價(jià)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于道路瀝青路面材料性能評(píng)價(jià)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種采用分子動(dòng)力學(xué) 的方法模擬瀝青質(zhì)與二氧化硅的界面，從而計(jì)算其界面能的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 調(diào)查表明，我國(guó)使用一年以上的高速公路瀝青路面，基本上都出現(xiàn)了不同程度的 水損害，而其他早期病害也直接或者間接與水有關(guān)。從微觀方面考慮，水損害歸因于瀝青_ 集料的粘結(jié)力損失，而瀝青-集料的粘結(jié)力與瀝青和集料間的粘附性密切相關(guān)，粘附性的好 壞可以由界面能來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)。盡管?chē)?guó)內(nèi)外學(xué)者利用多種方法分析研究了瀝青與集料的粘附 性，但多為宏觀尺度分析，例如我國(guó)采用水煮法和水浸法對(duì)瀝青粘附性進(jìn)行評(píng)價(jià)，但是該法 受人為影響較大，精度不夠高。因此，需要從微觀角度切入，運(yùn)用更精細(xì)的理論和方法計(jì)算 出界面能從而對(duì)瀝青與集料粘附性評(píng)價(jià)做出進(jìn)一步的貢獻(xiàn)。自從1 9 5 7年A1 d e r和 Wainwright將分子動(dòng)力學(xué)應(yīng)用于對(duì)氣體和液體狀態(tài)方程的研究，開(kāi)創(chuàng)了用MD模擬方法來(lái)研 究宏觀物質(zhì)性能的新紀(jì)元。從前主要應(yīng)用分子動(dòng)力學(xué)方法做平衡態(tài)的模擬，現(xiàn)在經(jīng)過(guò)一定 的改進(jìn)后，有些學(xué)者嘗試將其應(yīng)用于非平衡態(tài)的模擬。分子動(dòng)力學(xué)應(yīng)用的領(lǐng)域很廣泛，主要 包括材料學(xué)、摩擦學(xué)、MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))等，但在道路工程方面運(yùn)用較少，所以本發(fā)明采用 MD法對(duì)瀝青與集料的界面進(jìn)行模擬。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明針對(duì)用宏觀方法評(píng)價(jià)瀝青與集料粘附性時(shí)不夠精確、人為因素影響較大的 問(wèn)題，提供一種精度高、人為影響小、結(jié)果可靠的基于分子動(dòng)力學(xué)的瀝青質(zhì)與二氧化硅界面 能評(píng)價(jià)方法。
[0004] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是由以下步驟組成：
[0005] (1)建立二氧化硅超晶胞
[0006] 通過(guò)Material Studio軟件的觀察模塊導(dǎo)入三維二氧化娃晶胞的結(jié)構(gòu)，從001晶面 將其劈開(kāi)，獲取局部面積內(nèi)的硅原子和氧原子并為其指定原子模擬研究的分子優(yōu)化電勢(shì)凝 聚相力場(chǎng)，移除硅原子和氧原子之間的化學(xué)鍵，利用發(fā)現(xiàn)模塊進(jìn)行能量最小化，構(gòu)建二氧化 硅超胞模型并記錄超胞尺寸；
[0007] (2)以C64H52S2S重復(fù)單元建立瀝青質(zhì)聚合物
[0008] 利用Material Studio軟件繪制C64H52S2分子結(jié)構(gòu)并通過(guò)查閱標(biāo)準(zhǔn)鍵長(zhǎng)和鍵角對(duì)結(jié) 構(gòu)的幾何形狀進(jìn)行整理，設(shè)定溫度為271.15~275.15K，目標(biāo)密度為0.772~0.912g/cm3,并 且將分子尺寸改為步驟（1)中記錄的超胞尺寸，利用非晶質(zhì)細(xì)胞模塊建立瀝青質(zhì)聚合物模 型并利用發(fā)現(xiàn)模塊進(jìn)行能量最小化；
[0009] (3)構(gòu)建瀝青質(zhì)聚合物/二氧化硅界面模型
[0010] 利用Material Studio軟件的建立層功能將步驟(2)得到的瀝青質(zhì)聚合物模型與 步驟（1)得到的二氧化硅超胞模型建立層結(jié)構(gòu)從而形成瀝青質(zhì)聚合物/二氧化硅界面模型， 在該界面模型的瀝青質(zhì)聚合物上部添加真空層；
[0011] (4)界面能計(jì)算
[0012] 設(shè)定系綜溫度與步驟(2)相同，使步驟(3)所構(gòu)建的瀝青質(zhì)聚合物/二氧化硅界面 模型處于正則系綜，設(shè)定運(yùn)行分子動(dòng)力學(xué)的時(shí)間為90~100ps及對(duì)應(yīng)步長(zhǎng)為0.3~0.5fs，待 瀝青質(zhì)聚合物/二氧化硅界面模型能量達(dá)到平衡，利用分子動(dòng)力學(xué)方法計(jì)算該瀝青質(zhì)聚合 物/二氧化娃界面模型的總能量Etotal、瀝青質(zhì)聚合物表面能量Epolymer、二氧化娃表面的能量 Esurfa"^P瀝青質(zhì)聚合物/二氧化娃的界面接觸面積A，按照下式計(jì)算界面能丫 int:
[001 3] y int -(Esurface+Epolymer_Etotal )/2A〇
[0014]上述步驟(3)中建立層結(jié)構(gòu)具體是:復(fù)制步驟(2)得到的瀝青質(zhì)聚合物模型與步驟 (1)得到的二氧化硅超胞模型的表面，之后將其轉(zhuǎn)化為層結(jié)構(gòu)。
[0015]上述于步驟(4)的具體實(shí)現(xiàn)方法是:在Material Studio軟件中的發(fā)現(xiàn)模塊來(lái)運(yùn)行 分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算，選用正則系綜，設(shè)定系綜溫度與步驟(2)相同，設(shè)定運(yùn)行分子動(dòng)力學(xué)的時(shí) 間為90~100ps及對(duì)應(yīng)步長(zhǎng)為0.3~0.5fs，待瀝青質(zhì)聚合物/二氧化娃界面模型能量達(dá)到平 衡，利用發(fā)現(xiàn)模塊計(jì)算該瀝青質(zhì)聚合物/二氧化硅界面模型的總能量E tcltal、瀝青質(zhì)聚合物表 面能量Epolymer、二氧化娃表面的能量Esurfa?^P瀝青質(zhì)聚合物/二氧化娃的界面接觸面積A，按 照下式計(jì)算界面能y int:
[001 6] y int -( Esurface+Epolymer_Etotal )/2A 〇
[0017] 本發(fā)明的基于分子動(dòng)力學(xué)的瀝青質(zhì)與二氧化硅界面能評(píng)價(jià)方法是利用分子動(dòng)力 學(xué)仿真軟件(Materials Studio)建立二氧化硅超晶胞模型，再將其與瀝青質(zhì)聚合物模型結(jié) 合，構(gòu)建成瀝青質(zhì)/二氧化硅界面模型，再利用分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算系統(tǒng)達(dá)平衡后的界面能，通 過(guò)比較界面能的大小可以評(píng)價(jià)不同集料與不同瀝青界面之間的粘附性，本發(fā)明的與傳統(tǒng)方 法相比具有以下有益效果：
[0018] (1)施行簡(jiǎn)便，效率更高，精確度高，結(jié)果可靠；
[0019] (2)本發(fā)明不受到人為因素的影響，具有可重復(fù)性和更高的準(zhǔn)確性；
[0020] (3)通過(guò)本發(fā)明的方法得到的瀝青質(zhì)與二氧化硅界面能可以一定程度反映出兩者 粘附性的大小，可進(jìn)一步對(duì)集料與瀝青間的粘附性進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而對(duì)瀝青路面材料的選取 提供了幫助，良好的粘附性會(huì)一定程度上減少路面車(chē)轍、裂縫、水損壞等病害的發(fā)生。
【附圖說(shuō)明】
[0021] 圖1是本發(fā)明中瀝青質(zhì)分子結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖2是本發(fā)明中三維二氧化硅晶胞結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023] 圖3是本發(fā)明中二氧化硅晶胞結(jié)構(gòu)能量最小化后的結(jié)果示意圖；
[0024] 圖4是本發(fā)明中二氧化硅超晶胞結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025] 圖5是本發(fā)明中瀝青質(zhì)均聚物模型形貌；
[0026] 圖6是本發(fā)明中AC建立的瀝青質(zhì)聚合物模型形貌；
[0027] 圖7是本發(fā)明中進(jìn)行能量最小化后的瀝青質(zhì)聚合物結(jié)構(gòu)模型形貌；
[0028] 圖8是本發(fā)明中瀝青質(zhì)聚合物/二氧化硅界面模型形貌；
[0029] 圖9是本發(fā)明中動(dòng)力學(xué)計(jì)算后的瀝青質(zhì)聚合物/二氧化硅界面模型形貌；
[0030] 圖10是本發(fā)明中動(dòng)力學(xué)計(jì)算過(guò)程中能量變化曲線；
[0031]圖11是本發(fā)明中動(dòng)力學(xué)計(jì)算過(guò)程中溫度變化曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0032]現(xiàn)結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明：
[0033]現(xiàn)以0°C時(shí)晶格參數(shù)為a=b=14.73人的界面模型為例來(lái)詳細(xì)說(shuō)明瀝青質(zhì)與二氧化 硅界面能評(píng)價(jià)方法，由以下步驟實(shí)現(xiàn)：
[0034] (1)基于分子動(dòng)力學(xué)仿真軟件(Materials Studio)建立二氧化硅超晶胞
[0035] 通過(guò)Material Studio軟件的觀察(Visualizer)模塊導(dǎo)入三維二氧化娃晶胞的結(jié) 構(gòu)，從001晶面將其劈開(kāi)，獲取局部面積內(nèi)的硅原子和氧原子并為其指定原子模擬研究的分 子優(yōu)化電勢(shì)凝聚相（C0MAPASS)力場(chǎng)，移除硅原子和氧原子之間的化學(xué)鍵，利用發(fā)現(xiàn) (Discover)模塊進(jìn)行能量最小化，構(gòu)建二氧化娃超胞模型并記錄超胞尺寸。
[0036] 具體操作是:在觀察(Visualizer)模塊中工具欄的輸入菜單進(jìn)入示例列表，選擇 并導(dǎo)入三維二氧化硅晶胞結(jié)構(gòu)如圖2所示，在菜單欄點(diǎn)擊建立/層/劈開(kāi)層，劈開(kāi)晶面輸入 (001)，之后再設(shè)置厚度為2.806,再弛豫表面，即從菜單欄選擇發(fā)現(xiàn)(Discover)模塊下的設(shè) 置菜單，選擇鍵入選項(xiàng)卡并點(diǎn)擊計(jì)算為每個(gè)原子指定的原子模擬研究的分子優(yōu)化電勢(shì)凝聚 相(COMPASS)力場(chǎng)類(lèi)型，點(diǎn)擊自動(dòng)化選項(xiàng)卡，將計(jì)算力場(chǎng)模型改為否，點(diǎn)擊菜單欄修改/約束 條件，出現(xiàn)編輯約束條件對(duì)話框，選中固定笛卡爾坐標(biāo)，將二氧化硅分子中的硅原子和氧原 子之間的化學(xué)鍵移除，選擇發(fā)現(xiàn)(Discover)模塊下的最小化命令，執(zhí)行能量最小化過(guò)程，最 小化后的結(jié)構(gòu)如圖3所示，構(gòu)建二氧化硅超胞模型，選擇菜單欄中建立/對(duì)稱/超晶胞，將對(duì) 話框中的U和V值都增加到3,點(diǎn)擊建立超晶胞，得到擴(kuò)大的表面，再通過(guò)建立/晶體/建立真 空板對(duì)話框，改變真空厚度為〇.〇〇,得到的3X3的二氧化硅超胞3D結(jié)構(gòu)如圖4所示，并記錄 超胞尺寸：a=b=i4729988A。
[0037] (2)以C64H52&為重復(fù)單元來(lái)建立完整的瀝青質(zhì)聚合物
[0038] 通過(guò)Material Studio軟件繪制C64H52S2分子結(jié)構(gòu)并以此為重復(fù)單元，選取5個(gè)重復(fù) 單元通過(guò)查閱標(biāo)準(zhǔn)鍵長(zhǎng)和鍵角對(duì)結(jié)構(gòu)的幾何形狀進(jìn)行整理，設(shè)定溫度為273.15K，目標(biāo)密度 為0.912g/cm3,并且將分子尺寸改為與步驟（1)中記錄的二氧化硅超胞尺寸相同，利用非晶 質(zhì)細(xì)胞(Amorphous Cell)模塊建立瀝青質(zhì)聚合物模型并利用發(fā)現(xiàn)(Discover)模塊進(jìn)行能 量最小化。
[0039]具體的操作是：在Material Studio軟件的工具欄點(diǎn)擊新建選擇新建一個(gè)3D自動(dòng) 文檔，在此文檔打開(kāi)的窗口繪制C64H52S2分子結(jié)構(gòu)如圖1所示，并通過(guò)查閱標(biāo)準(zhǔn)鍵長(zhǎng)和鍵角對(duì) 結(jié)構(gòu)的幾何形狀進(jìn)行整理，給出一個(gè)初步接近正確的幾何形狀，點(diǎn)擊建立/建立聚合物/均 聚物，得到的均聚物模型如圖5所示，得到更加合理的聚合物模型，選擇非晶質(zhì)細(xì)胞 (Amorphous Cell)模塊，選擇構(gòu)建，將數(shù)目和立體基陣數(shù)目改成1，細(xì)胞模型選擇限制層且 輸入溫度273.15K，最終