[发明专利]原子氧环境下沥青氧化老化的分子动力学研究方法

说明书

本发明公开了一种原子氧环境下沥青氧化老化的分子动力学研究方法，具体按照以下步骤实施：步骤1，构建研究的沥青分子模型，根据实际需求分别建立不同种类的沥青单分子模型；步骤2，按照不同含量将步骤1建立的沥青单分子模型聚合成一个周期性沥青分子，然后对该沥青分子进行几何优化；步骤3，构建有氧环境，选择原子氧代替分子氧来模拟沥青分子氧化老化的有氧环境；步骤4，用ReaxFF反应力场模拟沥青分子在氧环境下的氧化老化；在一定温度条件下，进行沥青分子的氧化老化模拟。该方法可以用于估算沥青建筑物的老化程度，预测沥青的性能随时间的变化，为评估沥青建筑物的老化程度提供参考。

技术领域

本发明属于分子动力学技术领域，具体涉及一种原子氧环境下沥青氧化老化的分子动力学研究方法。

背景技术

沥青作为一种重要的建筑材料，广泛应用于如路面和防渗等工程。这些工程对沥青的长期性能提出了要求。沥青是一种复杂的有机化合物混合物，含有非极性饱和烃、高度极性和凝聚的芳香环。其物理力学性能受化学成分和分子结构的影响。在沥青施工和应用过程中，这些成分会与大气中的氧气发生反应，致使沥青的产生老化反应，由于分子结构的演变而导致性能下降，缩短建筑物的使用寿命。

沥青的老化一般分为短期老化和长期老化。在沥青拌和、摊铺过程中，不同程度的加热作用下，热和空气的作用引起沥青的短期热老化。由于受温度、气压等外界条件的影响，沥青的老化一直存在于与氧气长期作用的过程中，表现为逐步氧化。沥青的氧化作用会使沥青硬化，使结构变脆，增加开裂风险。因此了解沥青老化的过程和机理对评估沥青混凝土建筑物的老化程度，改善其使用寿命和耐久性至关重要。

目前，沥青氧化老化的过程和机理已进行大量研究。许多学者通过先进的微观试验方法对氧化沥青的成分进行了重点研究。研究发现，沥青氧化老化的主要产物亚砜、醇类和酮类化合物，对其粘度、有一定影响。

在实际实验中，提高沥青氧化老化进度的方法如下：1)加压；2)提高体系的温度；3)加入催化剂加速反应。由于沥青的氧化老化过程较慢，但化学反应较快，沥青分子的氧化特征难以捕捉。MD(分子动力学，molecular dynamic)模拟作为一种在分子尺度上研究材料性能的有力技术，已被用于研究沥青的氧化老化。但目前对氧化老化过程的MD探索还不是很充分。对沥青的氧化老化过程中一些分子键的断裂或与氧自由基的结合的动态模拟的不够准确。此外，以往在氧气环境中模拟沥青的老化存在反应慢和氧化不完全等问题，很难实现整个氧化老化过程的模拟。

氧化的过程取决于实际环境中与氧结合的概率。使用氧原子可以加速沥青分子与氧发生反应。因此我们提出一种基于ReaxFF力场的模拟方法，应用于模拟沥青在氧原子环境下的氧化老化。选择原子氧代替分子氧来模拟沥青老化的有氧环境，通过调节系统温度和氧浓度，研究沥青氧化老化的规律。通过该方法，计算沥青在皮秒尺度下的氧化老化行为，有助于对酮类、亚砜等中间产物随氧化过程的变化规律进行定量分析。该方法可以用于估算沥青建筑物的老化程度，预测沥青的性能随时间的变化，是确保整个基础设施耐久性的关键。

发明内容

本发明的目的是提供一种原子氧环境下沥青氧化老化的分子动力学研究方法，探索沥青老化过程中的反应机理，可以用于估算沥青建筑物的老化程度，预测沥青的性能随时间的变化，为评估沥青建筑物的老化程度提供参考。

本发明所采用的技术方案是，原子氧环境下沥青氧化老化的分子动力学研究方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，构建研究的沥青分子模型，根据实际需求分别建立不同种类的沥青单分子模型；

步骤2，按照不同含量将步骤1建立的沥青单分子模型聚合成一个周期性沥青分子，然后对该沥青分子进行几何优化；

步骤3，构建有氧环境，选择原子氧代替分子氧来模拟沥青分子氧化老化的有氧环境；

步骤4，用ReaxFF反应力场模拟沥青分子在氧环境下的氧化老化；在一定温度条件下，进行沥青分子的氧化老化模拟。