本發(fā)明涉及納米材料分子建模和原子尺度模擬領(lǐng)域，特別涉及一種改性瀝青粘結(jié)劑的分子聚集信息原子尺度計(jì)算分析方法。

背景技術(shù)：

1、瀝青粘結(jié)劑是典型的聚合物材料，其路用性能依賴于組分和組分的比例。為了調(diào)控瀝青粘結(jié)劑的力學(xué)、流變性能，近年來(lái)工程和實(shí)驗(yàn)研究中開(kāi)始使用不同的添加相，特別是納米材料添加相，例如二維材料氧化石墨烯和一維碳納米管。納米添加相的加入對(duì)瀝青組分分子的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生明顯影響。在實(shí)際工程，納米添加相通過(guò)攪拌混入瀝青粘結(jié)劑中，難以控制其微觀分布，容易出現(xiàn)聚集，從而導(dǎo)致難以有效調(diào)控瀝青粘結(jié)劑的性能。同時(shí)，改性瀝青粘結(jié)劑的微觀構(gòu)型在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中難以有效表征，這導(dǎo)致我們難以掌握微觀調(diào)控機(jī)制。因此，研究瀝青組分以及納米添加相的微觀特征，對(duì)于瀝青粘結(jié)劑性能的調(diào)控以及性能預(yù)測(cè)具有重要的理論指導(dǎo)意義。

2、原子尺度模擬可以解析改性瀝青粘結(jié)劑的分子聚集和運(yùn)動(dòng)特征，目前被廣泛應(yīng)用于先進(jìn)納米材料的研發(fā)中。然而針對(duì)瀝青粘結(jié)劑復(fù)雜分子體系，目前尚缺乏微觀結(jié)構(gòu)演化分析的有效方法，特別是分子的聚集信息。因此，建立納米添加相和分子在界面處的聚集信息計(jì)算方法十分必要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有改性瀝青粘結(jié)劑實(shí)驗(yàn)上無(wú)法分析分子聚集信息的問(wèn)題，本發(fā)明通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化分子建模、原子尺度模擬、數(shù)據(jù)分析流程，計(jì)算瀝青粘結(jié)劑分子在一維納米添加相界面處的聚集情況，從而提供實(shí)驗(yàn)上難以獲得的微觀結(jié)構(gòu)演化特征。

2、本發(fā)明的目的通過(guò)如下的技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

3、一種改性瀝青粘結(jié)劑的分子聚集信息原子尺度計(jì)算分析方法，包括如下步驟：

4、s1：分別建立瀝青粘結(jié)劑各個(gè)組分的分子模型和一維納米添加相模型，基于隨機(jī)行走理論，根據(jù)預(yù)設(shè)的模型尺寸、分子數(shù)量比和密度，或者模型尺寸、分子摩爾質(zhì)量比和密度建立改性瀝青粘結(jié)劑分子模型，并轉(zhuǎn)換為分子動(dòng)力學(xué)模擬軟件需要的數(shù)據(jù)格式；

5、s2：根據(jù)步驟s1獲得的改性瀝青粘結(jié)劑分子模型，建立分子動(dòng)力學(xué)模擬輸入文件，設(shè)定模擬的相關(guān)參數(shù)，包括能量最小化、結(jié)構(gòu)弛豫的溫度和系綜；通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬對(duì)所述改性瀝青粘結(jié)劑分子模型對(duì)所述改性瀝青粘結(jié)劑分子模型依次進(jìn)行能量最小化和結(jié)構(gòu)弛豫計(jì)算，獲得隨時(shí)間步變化的模型拓?fù)湫畔ⅲ?/p>

6、s3：基于步驟s2中結(jié)構(gòu)弛豫所獲得的模型微觀結(jié)構(gòu)，讀取相應(yīng)時(shí)間步的拓?fù)湫畔?，確定每根一維納米添加相模型的軸線段坐標(biāo)；

7、s4：基于步驟s3中獲得的一維納米添加相模型的軸線段坐標(biāo)，根據(jù)空間信息獲得每根納米添加相對(duì)應(yīng)的七根映射一維納米添加相模型的軸線段坐標(biāo)，并計(jì)算一維納米添加相模型兩兩之間的最小距離，獲得軸線段間距分布信息；

8、s5：基于步驟s4中獲得的一維納米添加相模型的軸線段坐標(biāo)，將瀝青分子按組分分類(lèi)，計(jì)算所有瀝青分子對(duì)應(yīng)的原子到一維納米添加相模型的軸線段的距離，從而根據(jù)固定截?cái)嗑嚯x，獲得相應(yīng)的原子數(shù)和分子數(shù)。

9、進(jìn)一步地，所述一維納米添加相模型的特征尺寸小于所述改性瀝青粘結(jié)劑分子模型的特征尺寸的1/2，所述改性瀝青粘結(jié)劑分子模型為正方體。

10、進(jìn)一步地，所述步驟s1包括如下子步驟：

11、s11：選定瀝青的四組分模型，創(chuàng)建各組分的分子模型，同時(shí)創(chuàng)建一維納米添加相模型，并沿著一維納米添加相模型的長(zhǎng)度方向?qū)⒁痪S納米納米添加相模型的單胞按序編號(hào)；

12、s12：創(chuàng)建瀝青粘結(jié)劑的初始模型為正方體的周期性單元，設(shè)定瀝青粘結(jié)劑的初始密度，先向周期性單元中添加多根一維金剛石模型，并對(duì)每根一維金剛石模型進(jìn)行編號(hào)，以及對(duì)每根一維金剛石模型中的碳?xì)湓舆M(jìn)行編號(hào)；然后根據(jù)瀝青粘結(jié)劑的初始密度，向周期性單元中填充瀝青粘結(jié)劑分子，得到改性瀝青粘結(jié)劑分子模型；

13、s13：將s12最終得到的模型文件轉(zhuǎn)換為分子動(dòng)力學(xué)模擬軟件需要的數(shù)據(jù)格式。

14、進(jìn)一步地，所述步驟s2包括如下子步驟：

15、s21：基于改性瀝青粘結(jié)劑分子模型，創(chuàng)建分子動(dòng)力學(xué)模擬輸入文件，采用共軛梯度算法對(duì)所述改性瀝青粘結(jié)劑分子模型開(kāi)展能量最小化計(jì)算，獲得能量最小化之后的模型重啟文件；

16、s22：基于所述能量最小化之后的模型重啟文件，創(chuàng)建結(jié)構(gòu)弛豫輸入文件，采用正則系綜，對(duì)所述改性瀝青粘結(jié)劑分子模型進(jìn)行平衡態(tài)模擬，控制溫度為300k；在此基礎(chǔ)上，再采用等溫等壓系綜，對(duì)所述改性瀝青粘結(jié)劑分子模型進(jìn)行平衡態(tài)模擬，控制壓強(qiáng)為1atm，溫度為300k，獲得結(jié)構(gòu)弛豫的拓?fù)湮募?/p>

17、進(jìn)一步地，所述步驟s3包括如下子步驟：

18、s31：根據(jù)s2輸出的結(jié)構(gòu)弛豫的拓?fù)湮募?，讀取任意時(shí)間步的拓?fù)湫畔?，并根?jù)步驟s1中的所述改性瀝青粘結(jié)劑分子模型的原子序號(hào)和分子序號(hào)信息，確定每一根一維納米添加相模型的原子坐標(biāo)；

19、s32：沿著一維納米添加相模型的軸向，根據(jù)每一根一維納米添加相模型的原子坐標(biāo)，將單胞進(jìn)行分層，考慮建立改性瀝青粘結(jié)劑分子模型的周期性，計(jì)算每個(gè)單胞的中心坐標(biāo)，通過(guò)插值方式獲得整根一維納米添加相模型的軸線段的信息。

20、進(jìn)一步地，所述s4包括如下子步驟：

21、s41：基于周期性單元的空間幾何關(guān)系，每一根一維納米添加相模型在空間上都有七根對(duì)應(yīng)的映射相，根據(jù)每一根一維納米添加相模型的軸線段信息，計(jì)算每一根一維納米添加相模型的七根映射相軸線段信息，存入相應(yīng)矩陣中；

22、s42：計(jì)算一維納米添加相模型兩兩之間的最小距離，進(jìn)而獲得一維納米添加相的分布和聚集信息。

23、進(jìn)一步地，所述s5包括如下子步驟：

24、s51：基于所有一維納米添加相模型和映射相的軸線段信息，計(jì)算所有瀝青分子對(duì)應(yīng)的原子到軸線段的距離；將一維納米添加相模型近似為圓柱，根據(jù)設(shè)定的截?cái)喟霃?，獲得一維納米添加相模型界面處的瀝青原子聚集信息；

25、s52：基于瀝青原子聚集信息和改性瀝青粘結(jié)劑分子模型的瀝青粘結(jié)劑分子信息，確定各類(lèi)瀝青粘結(jié)劑分子的聚集信息，從而通過(guò)計(jì)算不同時(shí)間步的模型拓?fù)洌@得界面處瀝青粘結(jié)劑分子聚集隨時(shí)間的變化。

26、進(jìn)一步地，所述一維納米添加相模型為一維納米金剛石模型。

27、本發(fā)明的有益效果如下：

28、(1)本發(fā)明采用分子動(dòng)力學(xué)模擬技術(shù)，在原子尺度建立改性瀝青粘結(jié)劑的分子模型，研究瀝青粘結(jié)劑一維納米添加相和分子在界面處的聚集，豐富了改性瀝青粘結(jié)劑物理特性的原子尺度模擬分析手段。

29、(2)本發(fā)明通過(guò)微觀結(jié)構(gòu)建模、模擬和數(shù)據(jù)分析為一體，能從原子尺度有效分析微觀結(jié)構(gòu)的演化特征，克服實(shí)驗(yàn)上微觀結(jié)構(gòu)演化表征的困難，為改性瀝青粘結(jié)劑物理性能的調(diào)控提供參考。

30、(3)本發(fā)明的分析方法同樣適用于其他高分子類(lèi)材料體系，應(yīng)用范圍廣泛。

技術(shù)特征：

1.一種改性瀝青粘結(jié)劑的分子聚集信息原子尺度計(jì)算分析方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改性瀝青粘結(jié)劑的分子聚集信息原子尺度計(jì)算分析方法，其特征在于，所述一維納米添加相模型的特征尺寸小于所述改性瀝青粘結(jié)劑分子模型的特征尺寸的1/2，所述改性瀝青粘結(jié)劑分子模型為正方體。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改性瀝青粘結(jié)劑的分子聚集信息原子尺度計(jì)算分析方法，其特征在于，所述步驟s1包括如下子步驟：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的改性瀝青粘結(jié)劑的分子聚集信息原子尺度計(jì)算分析方法，其特征在于，所述步驟s2包括如下子步驟：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的改性瀝青粘結(jié)劑的分子聚集信息原子尺度計(jì)算分析方法，其特征在于，所述步驟s3包括如下子步驟：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的改性瀝青粘結(jié)劑的分子聚集信息原子尺度計(jì)算分析方法，其特征在于，所述s4包括如下子步驟：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的改性瀝青粘結(jié)劑的分子聚集信息原子尺度計(jì)算分析方法，其特征在于，所述s5包括如下子步驟：

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改性瀝青粘結(jié)劑的分子聚集信息原子尺度計(jì)算分析方法，其特征在于，所述一維納米添加相模型為一維納米金剛石模型。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)一種改性瀝青粘結(jié)劑的分子聚集信息原子尺度計(jì)算分析方法，生成一維納米添加相的改性瀝青粘結(jié)劑分子模型；對(duì)模型進(jìn)行能量最小化和結(jié)構(gòu)弛豫；計(jì)算一維納米添加相的空間軸線段；在三維空間根據(jù)周期邊界條件獲得對(duì)應(yīng)的映射相軸線，并計(jì)算軸線段之間的最短距離；計(jì)算不同瀝青粘結(jié)劑組分原子與一維納米添加相軸線段的間距，獲得不同分子在界面處的聚集信息。本發(fā)明通過(guò)分子建模、分子動(dòng)力學(xué)模擬和分子聚集信息分析為一體，能從原子尺度有效分析改性瀝青粘結(jié)劑中一維納米添加相周邊的分子聚集情況，為改性瀝青粘結(jié)劑物理/化學(xué)特性的調(diào)控提供理論依據(jù)，為其微觀結(jié)構(gòu)演化特征的原子尺度解析計(jì)算提供參考。

技術(shù)研發(fā)人員：方永偉,張靈學(xué),鮑春錢(qián),張建棟,龐瑩瑩,占海飛
受保護(hù)的技術(shù)使用者：浙江交工宏途交通建設(shè)有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19