[发明专利]基于分子动力学的沥青质与二氧化硅界面能评价方法

说明书

技术领域

本发明属于道路沥青路面材料性能评价技术领域，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。

背景技术

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，所以本发明采用MD 法对沥青与集料的界面进行模拟。

发明内容

本发明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 的沥青质与二氧化硅界面能评价方法。

为了实现上述目的，本发明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E_total、沥 青质聚合物表面能量E_polymer、二氧化硅表面的能量E_surface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γ_int：

γ_int＝(E_surface+E_polymer-E_total)/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。