基于分子动力学的沥青质与二氧化硅界面能评价方法技术

本发明专利技术的基于分子动力学的沥青质与二氧化硅界面能的评价方法是利用Materials Studio软件建立二氧化硅超晶胞模型，将其与沥青质聚合物模型结合，构建成沥青质/二氧化硅界面模型，再利用分子动力学计算系统达平衡后的界面能，通过比较界面能的大小可以评价不同集料与不同沥青界面之间的粘附性，通过本发明专利技术的方法得到的沥青质与二氧化硅界面能可以一定程度反映出两者粘附性的大小，可进一步对集料与沥青间的粘附性进行评价，从而对沥青路面材料的选取提供了帮助，良好的粘附性会一定程度上减少路面车辙、裂缝、水损坏等病害的发生。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于道路沥青路面材料性能评价
，具体涉及一种采用分子动力学的方法模拟沥青质与二氧化硅的界面，从而计算其界面能的方法。
技术介绍
调查表明，我国使用一年以上的高速公路沥青路面，基本上都出现了不同程度的水损害，而其他早期病害也直接或者间接与水有关。从微观方面考虑，水损害归因于沥青‐集料的粘结力损失，而沥青‐集料的粘结力与沥青和集料间的粘附性密切相关，粘附性的好坏可以由界面能来进行评价。尽管国内外学者利用多种方法分析研究了沥青与集料的粘附性，但多为宏观尺度分析，例如我国采用水煮法和水浸法对沥青粘附性进行评价，但是该法受人为影响较大，精度不够高。因此，需要从微观角度切入，运用更精细的理论和方法计算出界面能从而对沥青与集料粘附性评价做出进一步的贡献。自从1957年Alder和Wainwright将分子动力学应用于对气体和液体状态方程的研究，开创了用MD模拟方法来研究宏观物质性能的新纪元。从前主要应用分子动力学方法做平衡态的模拟，现在经过一定的改进后，有些学者尝试将其应用于非平衡态的模拟。分子动力学应用的领域很广泛，主要包括材料学、摩擦学、MEMS(微机电系统)等，但在道路工程方面运用较少，所以本专利技术采用MD法对沥青与集料的界面进行模拟。
技术实现思路
本专利技术针对用宏观方法评价沥青与集料粘附性时不够精确、人为因素影响较大的问题，提供一种精度高、人为影响小、结果可靠的基于分子动力学<br>的沥青质与二氧化硅界面能评价方法。为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案是由以下步骤组成：(1)建立二氧化硅超晶胞通过MaterialStudio软件的观察模块导入三维二氧化硅晶胞的结构，从001晶面将其劈开，获取局部面积内的硅原子和氧原子并为其指定原子模拟研究的分子优化电势凝聚相力场，移除硅原子和氧原子之间的化学键，利用发现模块进行能量最小化，构建二氧化硅超胞模型并记录超胞尺寸；(2)以C64H52S2为重复单元建立沥青质聚合物利用MaterialStudio软件绘制C64H52S2分子结构并通过查阅标准键长和键角对结构的几何形状进行整理，设定温度为271.15～275.15K，目标密度为0.772～0.912g/cm3，并且将分子尺寸改为步骤(1)中记录的超胞尺寸，利用非晶质细胞模块建立沥青质聚合物模型并利用发现模块进行能量最小化；(3)构建沥青质聚合物/二氧化硅界面模型利用MaterialStudio软件的建立层功能将步骤(2)得到的沥青质聚合物模型与步骤(1)得到的二氧化硅超胞模型建立层结构从而形成沥青质聚合物/二氧化硅界面模型，在该界面模型的沥青质聚合物上部添加真空层；(4)界面能计算设定系综温度与步骤(2)相同，使步骤(3)所构建的沥青质聚合物/二氧化硅界面模型处于正则系综，设定运行分子动力学的时间为90～100ps及对应步长为0.3～0.5fs，待沥青质聚合物/二氧化硅界面模型能量达到平衡，利用分子动力学方法计算该沥青质聚合物/二氧化硅界面模型的总能量Etotal、沥青质聚合物表面能量Epolymer、二氧化硅表面的能量Esurface和沥青质聚合物/二氧化硅的界面接触面积A，按照下式计算界面能γint：γint＝(Esurface+Epolymer-Etotal)/2A。上述步骤(3)中建立层结构具体是：复制步骤(2)得到的沥青质聚合物模型与步骤(1)得到的二氧化硅超胞模型的表面，之后将其转化为层结构。上述于步骤(4)的具体实现方法是：在MaterialStudio软件中的发现模块来运行分子动力学计算，选用正则系综，设定系综温度与步骤(2)相同，设定运行分子动力学的时间为90～100ps及对应步长为0.3～0.5fs，待沥青质聚合物/二氧化硅界面模型能量达到平衡，利用发现模块计算该沥青质聚合物/二氧化硅界面模型的总能量Etotal、沥青质聚合物表面能量Epolymer、二氧化硅表面的能量Esurface和沥青质聚合物/二氧化硅的界面接触面积A，按照下式计算界面能γint：γint＝(Esurface+Epolymer-Etotal)/2A。本专利技术的基于分子动力学的沥青质与二氧化硅界面能评价方法是利用分子动力学仿真软件(MaterialsStudio)建立二氧化硅超晶胞模型，再将其与沥青质聚合物模型结合，构建成沥青质/二氧化硅界面模型，再利用分子动力学计算系统达平衡后的界面能，通过比较界面能的大小可以评价不同集料与不同沥青界面之间的粘附性，本专利技术的与传统方法相比具有以下有益效果：(1)施行简便，效率更高，精确度高，结果可靠；(2)本专利技术不受到人为因素的影响，具有可重复性和更高的准确性；(3)通过本专利技术的方法得到的沥青质与二氧化硅界面能可以一定程度反映出两者粘附性的大小，可进一步对集料与沥青间的粘附性进行评价，从而对沥青路面材料的选取提供了帮助，良好的粘附性会一定程度上减少路面车辙、裂缝、水损坏等病害的发生。附图说明图1是本专利技术中沥青质分子结构示意图；图2是本专利技术中三维二氧化硅晶胞结构示意图；图3是本专利技术中二氧化硅晶胞结构能量最小化后的结果示意图；图4是本专利技术中二氧化硅超晶胞结构示意图；图5是本专利技术中沥青质均聚物模型形貌；图6是本专利技术中AC建立的沥青质聚合物模型形貌；图7是本专利技术中进行能量最小化后的沥青质聚合物结构模型形貌；图8是本专利技术中沥青质聚合物/二氧化硅界面模型形貌；图9是本专利技术中动力学计算后的沥青质聚合物/二氧化硅界面模型形貌；图10是本专利技术中动力学计算过程中能量变化曲线；图11是本专利技术中动力学计算过程中温度变化曲线。具体实施方式现结合附图和实施例对本专利技术的技术方案进行进一步说明：现以0℃时晶格参数为的界面模型为例来详细说明沥青质与二氧化硅界面能评价方法，由以下步骤实现：(1)基于分子动力学仿真软件(MaterialsStudio)建立二氧化硅超晶胞通过MaterialStudio软件的观察(Visualizer)模块导入三维二氧化硅晶胞的结构，从001晶面将其劈开，获取局部面积内的硅原子和氧原子并为其指定原子模拟研究的分子优化电势凝聚相(COMAPASS)力场，移除硅原子和氧原子之间的化学键，利用发现(Discover)模块进行能量最小化，构建二氧化硅超胞模型并记录超胞尺寸。具体操作是：在观察(Visualizer)模块中工具栏的输入菜单进入示例列表，选择本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于分子动力学的沥青质与二氧化硅界面能的评价方法，其特征在于由以下步骤组成：(1)建立二氧化硅超晶胞通过Material Studio软件的观察模块导入三维二氧化硅晶胞的结构，从001晶面将其劈开，获取局部面积内的硅原子和氧原子并为其指定原子模拟研究的分子优化电势凝聚相力场，移除硅原子和氧原子之间的化学键，利用发现模块进行能量最小化，构建二氧化硅超胞模型并记录超胞尺寸；(2)以C64H52S2为重复单元建立沥青质聚合物利用Material Studio软件绘制C64H52S2分子结构并通过查阅标准键长和键角对结构的几何形状进行整理，设定温度为271.15～275.15K，目标密度为0.772～0.912g/cm3，并且将分子尺寸改为步骤(1)中记录的超胞尺寸，利用非晶质细胞模块建立沥青质聚合物模型并利用发现模块进行能量最小化；(3)构建沥青质聚合物/二氧化硅界面模型利用Material Studio软件的建立层功能将步骤(2)得到的沥青质聚合物模型与步骤(1)得到的二氧化硅超胞模型建立层结构从而形成沥青质聚合物/二氧化硅界面模型，在该界面模型的沥青质聚合物上部添加真空层；(4)界面能计算设定系综温度与步骤(2)相同，使步骤(3)所构建的沥青质聚合物/二氧化硅界面模型处于正则系综，设定运行分子动力学的时间为90～100ps及对应步长为0.3～0.5fs，待沥青质聚合物/二氧化硅界面模型能量达到平衡，利用分子动力学方法计算该沥青质聚合物/二氧化硅界面模型的总能量Etotal、沥青质聚合物表面能量Epolymer、二氧化硅表面的能量Esurface和沥青质聚合物/二氧化硅的界面接触面积A，按照下式计算界面能γint：γint＝(Esurface+Epolymer‑Etotal)/2A。...

【技术特征摘要】
1.一种基于分子动力学的沥青质与二氧化硅界面能的评价方法，其特征
在于由以下步骤组成：
(1)建立二氧化硅超晶胞
通过MaterialStudio软件的观察模块导入三维二氧化硅晶胞的结构，从
001晶面将其劈开，获取局部面积内的硅原子和氧原子并为其指定原子模拟研
究的分子优化电势凝聚相力场，移除硅原子和氧原子之间的化学键，利用发
现模块进行能量最小化，构建二氧化硅超胞模型并记录超胞尺寸；
(2)以C64H52S2为重复单元建立沥青质聚合物
利用MaterialStudio软件绘制C64H52S2分子结构并通过查阅标准键长和键
角对结构的几何形状进行整理，设定温度为271.15～275.15K，目标密度为
0.772～0.912g/cm3，并且将分子尺寸改为步骤(1)中记录的超胞尺寸，利用
非晶质细胞模块建立沥青质聚合物模型并利用发现模块进行能量最小化；
(3)构建沥青质聚合物/二氧化硅界面模型
利用MaterialStudio软件的建立层功能将步骤(2)得到的沥青质聚合物
模型与步骤(1)得到的二氧化硅超胞模型建立层结构从而形成沥青质聚合物
/二氧化硅界面模型，在该界面模型的沥青质聚合物上部添加真空层；
(4)界面能计算
设定系综温度与步骤(2)相同，使步骤(3)所构建的沥青质聚合物/二
氧化硅界面模型处于正则系综，设定运行分子动力学的时间为90～100ps及
对应步长为0.3～0.5fs，待沥青...

【专利技术属性】
技术研发人员：裴建中，陈子璇，樊泽鹏，李蕊，张久鹏，薛斌，杜慧，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61