[發明專利]一種基于分子動力學模擬的瀝青老化機理分析方法

在審

• 申請號: 202010919911.X
• 申請日: 2020-09-04
• 公開（公告）號: CN112034064A
• 公開（公告）日: 2020-12-04
• 發明（設計）人: 顧興宇;胡棟梁;崔冰彥;周洲
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01N30/02
• 分類號: G01N30/02;G01N21/35;G01N33/42;G06F30/20;G06F119/14
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 曹翠珍

本發明公開了一種基于分子動力學模擬的瀝青老化機理分析方法，步驟為：首先將瀝青分離成瀝青質、膠質、芳香分和飽和分4種組分，構建瀝青各組分的代表性分子；然后采用LAMMPS軟件將代表性分子分別與氧氣分子混合，構建瀝青各組分的老化反應體系；再采用基于ReaxFF反應力場的分子動力學模擬方法，利用LAMMPS軟件對老化反應體系進行老化反應模擬，將結果存儲于dump文件中；最后采用VMD軟件對dump文件進行可視化表達，識別并繪制瀝青各組分代表性分子的分子結構變化圖，從而分析瀝青老化過程中產生的最終產物、自由基中間產物和自由基鏈反應，從原子尺度探究瀝青的老化機理。該方法過程規范、結果可靠。

技術領域

本發明屬于分子動力學模擬技術領域，具體涉及一種基于分子動力學模擬的瀝青老化機理分析方法。

背景技術

瀝青路面在使用階段長期暴露在光、熱和氧氣環境下，因此非常容易發生老化，老化會使瀝青變硬變脆，從而降低瀝青路面的強度和耐久性，折損瀝青路面的使用壽命。如果能采取措施減緩瀝青的老化進程，將能有效防控瀝青路面的早期損壞，從而延長道路工程的養護周期，降低道路工程的全壽命周期建設成本。

然而，為預防瀝青路面的早期損壞，目前常用措施是在瀝青或瀝青混合料中添加改性劑以提高瀝青路面的力學性能，而采用物理或化學方法提升瀝青抗老化性能的做法卻不多見，原因之一是瀝青老化機理尚不明確。已有試驗研究表明，瀝青老化會生成羰基、亞砜等含氧官能團。瀝青老化過程中會生成一些自由基中間體，它們對瀝青的老化至關重要，如果在瀝青中加入特定的抗老化劑以阻止自由基的形成或阻止自由基鏈反應向最終產物方向傳播，那么瀝青的老化就會得以減緩。但是，這些瀝青老化過程會生成哪些自由基目前還不清楚。因此，開展瀝青老化機理分析，明確瀝青老化過程中產生的最終產物、自由基中間產物及其導向最終產物的自由基鏈反應，對于研究瀝青的抗老化措施是至關重要的。

由于瀝青老化過程中的自由基中間產物壽命短、數量少，用實驗方法對其進行識別和檢測是非常困難的。

發明內容

本發明的目的在于克服現有測試方法對瀝青老化機理研究效果的不足，提供一種基于分子動力學模擬的瀝青老化機理分析方法，過程規范、結果可靠，引入數值模擬方法，分析瀝青老化的最終產物、自由基中間產物和自由基鏈反應，在埃米的空間尺度和皮秒(ps)的時間尺度探究瀝青的老化機理。

本發明是通過以下技術方案實現的：

一種基于分子動力學模擬的瀝青老化機理分析方法，包括如下步驟：

步驟1)將瀝青分離成瀝青質、膠質、芳香分和飽和分4種組分后，對每種組分進行凝膠色譜試驗、傅里葉紅外光譜試驗和元素分析試驗，測定所述瀝青各組分的相對分子質量、官能團分布和元素組成，根據測得的信息構建瀝青各組分的代表性分子；

步驟2)采用開源軟件LAMMPS，將所述瀝青各組分的代表性分子分別與氧氣分子混合，并構建成一個具有周期性邊界條件的立方體盒子，作為所述瀝青各組分的老化反應體系；

步驟3)采用基于ReaxFF反應力場的分子動力學模擬方法，利用LAMMPS軟件對所述瀝青各組分的老化反應體系進行老化反應模擬，將結果存儲于dump文件中；

步驟4)采用開源軟件VMD對所述dump文件進行可視化表達，識別并繪制瀝青各組分代表性分子的分子結構變化圖，從而分析瀝青老化過程中產生的最終產物、自由基中間產物和自由基鏈反應，從原子尺度探究瀝青的老化機理。

進一步地，步驟2)所述氧氣分子的基準數量設定為將所述瀝青各組分的老化反應體系中的代表性分子完全氧化所需的氧氣分子數量，老化反應體系的基準密度設定為0.1g/cm³，實際模擬采用的氧氣分子數量和密度可根據老化反應的速度需求進行增減。