一种再生沥青混合料低温抗裂性能的评价方法
阅读说明：本技术 一种再生沥青混合料低温抗裂性能的评价方法 (Method for evaluating low-temperature cracking resistance of recycled asphalt mixture ) 是由 李强 陆杨 王家庆 刘嵩 赵曜 于 2021-07-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种再生沥青混合料低温抗裂性能的评价方法,基于materials studio构建新、旧沥青无定形晶胞模型、再生剂分子模型以及集料中所含氧化物的超晶胞模型,对新、旧沥青无定形晶胞模型进行结构优化和退火处理得到体系能量最小模型,并对体系能量最小模型与氧化物超晶胞模型进行合理化验证,经build layer功能建立新沥青-再生剂-旧沥青的界面模型、再生沥青-再生沥青界面模型、再生沥青-氧化物界面模型,处理及计算得到再生沥青常温、低温时黏度、黏聚能以及与集料间的黏附能,经分析和加权计算得到评价再生沥青混合料低温抗裂的性能指标；本发明准确性高、操作简单,选用微观可量化的指标从分子尺度解释再生沥青混合料的性能。(The invention discloses an evaluation method of low-temperature crack resistance of a regenerated asphalt mixture, which comprises the steps of constructing a new and old asphalt amorphous unit cell model, a regenerant molecular model and a super unit cell model of oxides contained in aggregates based on materials studio, carrying out structural optimization and annealing treatment on the new and old asphalt amorphous unit cell models to obtain a minimum system energy model, carrying out rationalization verification on the minimum system energy model and the oxide super unit cell model, establishing a new asphalt-regenerant-old asphalt interface model, a regenerated asphalt-regenerated asphalt interface model and a regenerated asphalt-oxide interface model through build layer functions, processing and calculating to obtain a viscosity, cohesive energy and adhesive energy with the aggregates of the regenerated asphalt at normal temperature and low temperature, and obtaining a low-temperature crack resistance index of the regenerated asphalt mixture through analysis and weighted calculation; the invention has high accuracy and simple operation, and adopts microscopic quantifiable indexes to explain the performance of the regenerated asphalt mixture from the molecular scale.)
技术领域
本发明涉及一种再生沥青混合料低温抗裂性能的评价方法，特别是一种基于分子动力学方法定量评价再生沥青混合料性能的测试技术，属于公路路面工程与计算机实验技术领域。
背景技术
目前，我国公路的主要路面类型为沥青混凝土路面，约占我国公路路面总里程的80％，其中每年大概有12％的沥青路面需要进行大规模的维修及养护，其产生的废旧沥青混合料可达两千万吨。
旧沥青路面再生技术作为沥青路面养护的重要手段之一，能够充分利用废料并节约沥青和石料，通过对废旧的材料进行循环利用以达到节约资源造价、保护生态环境的目的，是一项“绿色”工程技术，在全世界范围内得到了广泛的研究和应用。
在沥青路面再生技术中，再生沥青混合料的低温抗裂性能是目前国际研究的热点内容。基于分子动力学方法能够从微观上建立沥青-集料界面模型，被认为是本世纪以来除理论分析和实验观察之外的第三种科学手段，称之为“计算机实验”手段。以经典分子动力学理论为指导，以分子动力学仿真软件为平台，从微观上探究沥青混合料发生病害的原因，预测沥青混合料的各种性能，可为沥青路面的选材和开发提供科学依据。
通过分子动力学的方法，可以从分子角度对再生沥青混合料进行微观建模，利用经典牛顿运动力学，赋予模型适当的力场，选取可以表征再生沥青混合料性能的微观指标，综合评价再生沥青混合料低温抗裂性能，为再生沥青路面的进一步发展提供指导。
发明内容
针对现有技术中存在的问题与不足，本发明提供一种再生沥青混合料低温抗裂性能的评价方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案，包括以下步骤：
步骤1、基于materials studio软件，构建新、旧沥青无定形晶胞模型、再生剂分子模型以及集料中所含氧化物的超晶胞模型；
步骤2、对新、旧沥青无定形晶胞模型进行结构优化和退火处理，得到体系能量最小的新、旧沥青无定形晶胞模型；
步骤3、对体系能量最小的新、旧沥青无定形晶胞模型与集料中所含氧化物的超晶胞模型进行模型合理化验证；
步骤4、基于build layer功能建立新沥青-再生剂-旧沥青的界面模型，混溶后进行分子动力学模拟得到再生沥青模型，再通过shear功能模拟剪切得到再生沥青常温、低温时的黏度；
步骤5、基于build layer功能建立界面面积相等的再生沥青-再生沥青界面模型、再生沥青-氧化物界面模型，经计算得到常温、低温时再生沥青间的黏聚能以及再生沥青-集料界面的黏附能；
步骤6、根据黏附能和黏聚能的大小比较情况，对黏度、黏附能以及黏聚能加权计算得到低温抗裂指标，评价再生沥青混合料的低温抗裂性能。
优选的，步骤1中新、旧沥青模型包含四组分、十二个分子结构，将每个分子单体进行结构优化，利用amorphous cell中的construction功能，按照不同的分子比例在初始密度为0.1g/cm3的3D周期立方盒中组装得到所述新、旧沥青无定形晶胞模型。
优选的，步骤1中所述集料中所含氧化物的超晶胞模型构建过程如下，先建立所含集料中氧化物晶体的晶胞，通过castep中geometry optimization进行结构优化；利用morphology calculation中的BFDH任务计算出每种晶体最稳定、常见的裂解表面；使用cleave surface功能，根据所述裂解表面进行晶面截取，建立集料中氧化物晶胞表面模型，厚度的设置需大于截断半径；再使用castep中的geometry optimization对所述集料中氧化物晶胞表面模型进行结构优化；再将其表面加入真空层，使用build supercell功能构建所述集料中所含氧化物的超晶胞模型。
优选的，步骤2中使用forcite模块中anneal对结构优化完成后的所述新、旧沥青无定形晶胞模型进行退火处理，循环温度为300k-800k，循环次数为15-20次，步长为1fs，系综设定为NVT，初始速度设置为random，恒温器设置为Anderson，输出循环过程中体系能量最小的模型。
优选的，步骤3中所述模型合理化验证过程如下，对所述体系能量最小新、旧沥青无定形晶胞模型的溶解度和分子有序度进行计算；溶解度为cohesive energy density功能输出的内聚能密度的平方根，溶解度处于15.3-23(J/cm3)0.5即为合理，分子有序度通过分析radial distribution function输出的图像得出，表现出近程有序，远程无序即为合理；使用forcite模块中mechanical properties对所述集料中所含氧化物的超晶胞模型进行计算，计算方法为constant strain，得到体积模量、杨氏模量、泊松比参数，与实际参数进行对比，验证氧化物超晶胞模型的合理性。
优选的，步骤4中所述再生沥青模型的构建过程如下，先使用build layer功能建立所述新沥青-再生剂-旧沥青的界面模型，再生剂分子个数根据掺量计算得到，界面模型采用周期性边界条件，然后进行forcite模块中dynamic动力学模拟，在NVT系综下升温至433k，运行步长200ps，升温完成后，再在NPT系综下运行1000ps，充分混溶，初始速度设置为random，恒温器设置为Anderson，恒压器设置为Berendsen，动力学模拟结束后得到所述再生沥青模型。
优选的，所述再生沥青-氧化物界面模型的第一层为所述集料中氧化物超晶胞模型，第二层为所述再生沥青模型，第三层为通过build vacuum slab设置的真空层。
优选的，步骤5中所述再生沥青间的黏聚能的计算方法如下，对再生沥青-再生沥青界面模型进行forcite模块中dynamic动力学模拟，先在NVT系综下冷却至263k，再在NPT系综下进行动力学平衡，运算结束后输出total energy，即再生沥青-再生沥青界面模型的体系总能量EA1A2；分别单独计算上下两个再生沥青层的体系能量记为EA1、EA2，而再生沥青间的黏聚能Eadhesion-low由公式(1)得到：
Eadhesion-low＝EA1A2-EA1-EA2 (1)；
改变温度为300k，重复上述操作得到再生沥青间常温时的黏聚能Eadhesion-mid。
优选的，步骤5中所述再生沥青-集料界面的黏附能的计算方法如下，对所有再生沥青-氧化物界面模型进行forcite模块中的dynamic动力学模拟，系综设定为NVT、冷却温度设为263k、运行200ps将模型冷却，再在NPT系综下运行1000ps，得到此界面模型的总能量Etotal，去除再生沥青层后得到集料氧化物层平衡态时的能量ES，恢复再生沥青层，去除集料氧化物层计算得到再生沥青层平衡时的能量EAS，再生沥青-氧化物界面的黏附能EAD由公式(2)得到：
EAD＝Etotal-ES-EAS (2)；
此时再生沥青-集料界面低温时的黏附能为集料中所有氧化物与再生沥青的黏附能乘以集料中各氧化物含量P的和，由公式(3)得到
EAT-low＝EAD1×P1+EAD2×P2+……+EADn×Pn (3)；
改变温度为300k，重复上述操作得到再生沥青-集料界面常温时的黏附能EAT-mid。
优选的，步骤6中所述评价再生沥青混合料低温抗裂性能的具体方法如下，选取再生沥青混合料中再生沥青低温时的黏度VL、再生沥青常温时的黏度VM、再生沥青间低温时的黏聚能Eadhesion-low、再生沥青间常温时的黏聚能Eadhesion-mid、再生沥青-集料界面低温时的黏附能EAT-low、再生沥青-集料界面常温时的黏附能EAT-mid；比较Eadhesion-low与EAT-low的大小，当Eadhesion-low大于EAT-low时，再生沥青混合料倾向于发生黏附性破坏，裂缝开展于再生沥青-集料界面间，低温抗裂指标L由公式(4)得到
当Eadhesion-low小于EAT-low时，再生沥青混合料倾向于发生黏聚性破坏，裂缝开展于再生沥青间，低温抗裂指标L由公式(5)得到
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明基于materials studio软件通过分子动力学模拟，定量评价再生沥青混合料的低温抗裂性能，其准确性高操作步骤简单，有效避免了传统实验方法的主观性，以此来指导工程实践；
2、本发明选取黏度、黏附能和黏聚能进行分析和加权计算，考虑了再生沥青混合料低温时的薄弱处和开裂位置，提出评价再生混合料低温性能的新指标，通过模型以及参数的调整可以评价包含不同再生剂、集料、沥青的再生沥青混合料的低温抗裂性能；
3、本发明在沥青分子模型的选择方面，充分考虑了沥青分子的多样性，是目前精度最高的沥青分子模型，可靠且计算结果准确，集料中氧化物的模型在晶面截取时，充分考虑了晶体的各向异性；在动力学模拟的操作顺序以及参数设置上，克服了以往模型存在的体系能量大，不稳定、不充分松弛等缺点，具有较好的模拟和预测能力。
附图说明
图1为本发明新、旧沥青的AAA-1模型图；
图2为本发明新、旧沥青无定形晶胞的示意图；
图3为本发明实施例1中再生剂的分子模型图；
图4为本发明实施例1中二氧化硅SiO2超晶胞的示意图；
图5为本发明新沥青无定形晶胞的分子有序度图；
图6为本发明新沥青-再生剂-旧沥青界面模型图；
图7为本发明再生沥青shear剪切的模拟图；
图8为本发明再生沥青-二氧化硅SiO2界面模型图。
具体实施方式
为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解，下面结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明。需要注意的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。而在具体实施案例中的技术参数也仅为该案例下合理的设置，任何仅对技术参数的修改都属于本发明保护的范畴。
实施例1
本发明提供一种再生沥青混合料低温抗裂性能的评价方法，主要包括以下步骤：
步骤1、基于materials studio软件，建立新、旧沥青无定形晶胞模型、再生剂分子模型以及集料中所含氧化物的超晶胞模型；
步骤2、对新、旧沥青无定形晶胞模型进行结构优化和退火处理，得到体系能量最小的新、旧沥青无定形晶胞模型；
步骤3、对体系能量最小的新、旧沥青无定形晶胞模型与集料中所含氧化物的超晶胞模型进行模型合理化验证；
步骤4、基于build layer功能建立新沥青-再生剂-旧沥青的界面模型，混溶后进行分子动力学模拟得到再生沥青模型，再通过shear功能模拟剪切得到再生沥青常温、低温时的黏度；
步骤5、基于build layer功能建立界面面积相等的再生沥青-再生沥青界面模型、再生沥青-氧化物界面模型，经计算得到常温、低温时再生沥青间的黏聚能以及再生沥青-集料界面的黏附能；
步骤6、根据黏附能和黏聚能的大小比较情况，对黏度、黏附能以及黏聚能加权计算得到低温抗裂指标，评价再生沥青混合料的低温抗裂性能。
实施例中涉及的公式如下：
公式1：Eadhesion-low＝EA1A2-EA1-EA2；
公式2：EAD＝Etotal-ES-EAS；
公式3：EAT-low＝EAD1×P1+EAD2×P2+……+EADn×Pn；
公式4：
公式5：
具体实施步骤为：
新、旧沥青模型为SHRP(美国公路战略研究计划)提出的AAA-1模型，包含四组分、十二个分子结构，采用国内常用的70#沥青各组分含量为原型，建立沥青结合料晶胞模型，并采用常见的玄武岩主要矿物成分含量建立集料晶胞模型。
第一步：在materials studio软件中利用amorphous cell功能构建新、旧沥青无定形晶胞模型。
根据70#沥青的四组分的含量以及老化5年后的70#沥青的四组分含量，分别对每一个分子结构优化后，再利用materials studio软件中amorphous cell的construction功能按照不同的分子比例在初始密度为0.1g/cm3的3D周期立方盒中组装，得到新、旧沥青无定形晶胞模型。其中各组分的含量参见下表1，新、旧沥青分子模型如图1所示，新、旧沥青无定形晶胞如图2所示。同时建立再生剂分子模型，再生剂分子模型选择为具有代表性质的单一组分模型，有利于模拟混合物混溶和动力学的计算，本实例采用富芳香分型再生剂，采用单一结构代表再生剂性质，图3所示，化学式为C12H16，分子数量为12，掺量为旧沥青质量的4％。
表1沥青模型
第二步：在materials studio软件中使用build crystal和build supercell功能，构建集料中常见氧化物的超晶胞模型。
以玄武岩集料为例，先建立其所含氧化物的晶胞，分别为SiO2(二氧化硅)、Al2O3(氧化铝)、CaO(氧化钙)、Fe2O3(氧化铁)，利用castep中geometry optimization进行结构优化；利用morphology calculation中的BFDH任务计算出每种晶体最稳定、常见的裂解表面，同时也得到不同氧化物截取晶面时的米勒系数，以SiO2为例计算得出最稳定裂解表面为{10 -1}；使用cleave surface功能，根据裂解表面进行晶面截取建立集料中氧化物晶胞表面模型，厚度的设置需大于截断半径，厚度设置为而截断半径一般为再使用castep中的geometry optimization对集料中氧化物晶胞表面模型进行结构优化；再将其表面加入真空层，使用build supercell功能构建集料中所含氧化物的超晶胞模型，以二氧化硅为例，如图4所示。
第三步：在materials studio软件中使用geometry optimization和anneal功能，对使用新、旧沥青无定形晶胞模型进行结构优化和退火处理。
借助forcite模块中的geometry optimization对新、旧沥青无定形晶胞进行结构优化，算法采用smart，力场为COMPASS II；使用forcite模块中anneal对结构优化完成后的沥青无定形晶胞进行退火处理，循环温度为300k-800k，循环次数为15-20次，步长为1fs，系综设定为NVT，初始速度设置为random，恒温器设置为Anderson，输出循环过程中体系能量最小的模型。
第四步：对第二、三步中得到的模型使用forcite以及castep中的analysis功能进行模型合理化验证。
对体系能量最小后的新、旧沥青无定形晶胞模型的溶解度和分子有序度进行计算，溶解度为cohesive energy density功能输出的内聚能密度的平方根，溶解度应处于15.3-23(J/cm3)0.5；分子有序度通过分析radial distribution function输出的图像得出，表现出近程有序，远程无序即为合理，如图5所示；使用forcite模块中mechanicalproperties对集料中所含氧化物的超晶胞模型进行计算，计算方法为constant strain，得到体积模量、杨氏模量、泊松比参数，与实际参数进行对比，验证氧化物超晶胞模型的合理性。
第五步：使用forcite模块中dynamic动力学模拟构建再生沥青模型。
如图6所示，先使用build layer功能建立新沥青-再生剂-旧沥青的界面模型，再生剂分子个数应根据掺量计算为12，dynamic动力学模拟时先将系综设定为NPT，根据热再生工程的实践经验，温度设在433k，运行时长为1200ps，步长为1fs，初始速度设置为random，恒温器设置为Anderson，恒压器设置为Berendsen，再进行forcite模块中dynamic动力学模拟结束后得到再生沥青模型；再通过shear功能模拟剪切，得到再生沥青低温以及常温时的黏度，如图7所示。
第六步：计算再生沥青-再生沥青间的黏聚能与再生沥青-集料界面间的黏附能。
先使用build layer功能建立再生沥青-再生沥青界面模型、再生沥青-氧化物界面模型，其中再生沥青-氧化物界面模型，第一层为集料中氧化物超晶胞模型，第二层为再生沥青模型，第三层为通过build vacuum slab设置的真空层，所有界面模型的界面面积相等，且消除了周期性的影响；以再生沥青-二氧化硅界面模型为例，如图8所示。
分别在263k以及300k时对再生沥青-再生沥青界面模型在NPT系综下进行动力学平衡，运算结束后输出total energy，即此再生沥青-再生沥青界面模型的体系总能量EA1A2，分别单独计算上下两个再生沥青层的体系能量记为EA1、EA2，利用公式(1)计算得到低温时的黏聚能Eadhesion-low以及常温时的黏聚能Eadhesion-mid。
对所有再生沥青-氧化物界面模型，进行forcite模块中的dynamic动力学模拟，系综设定为NVT，冷却温度设为263k，运行200ps，将模型冷却，在NPT系综下运行1000ps，得到此界面模型的总能量Etotal，去除再生沥青层计算得到集料氧化物平衡态时的能量ES，恢复再生沥青层，去除集料氧化物层计算得到再生沥青层平衡时的能量EAs，利用公式(2)计算得到再生沥青-氧化物界面的黏附能EAD，再由公式(3)得到低温时再生沥青-集料界面的黏附能EAT-low。改变温度设置为300k，重复上述操作得到常温时再生沥青-集料界面的黏附能EAT-mid。
第七步：计算低温抗裂指标L，评价再生沥青混合料低温抗裂的性能。
选取相关参数，具体有再生沥青混合料中再生沥青低温时的黏度VL、再生沥青常温时的黏度VM、再生沥青间低温时的黏聚能Eadhesion-low、再生沥青间常温时的黏聚能Eadhesion-mid、再生沥青-集料界面低温时的黏附能EAT-low、再生沥青-集料界面常温时的黏附能EAT-mid。
若低温下再生沥青黏度VL变大，则可变形能力变差，向玻璃态过渡变得硬脆。
比较Eadhesion-low与EAT-low的大小，当Eadhesion-low大于EAT-low时，再生沥青混合料倾向于发生黏附性破坏，即低温条件下沥青-集料界面黏附程度较弱，裂缝多开展于沥青-集料界面，开裂后集料表面无沥青残留，根据公式(4)计算得到低温抗裂指标L。
当Eadhesion-low小于EAT-low时，再生沥青混合料倾向于发生黏聚性破坏，低温条件下沥青间黏聚性较差，裂缝多开展于沥青间，开裂后集料表面会有沥青残留，根据公式(5)计算得到低温抗裂指标L。
低温抗裂指标L的评价标准：0.7≤L＜1时低温抗裂性能为好，0.4≤L＜0.7时低温抗裂性能为中，L＜0.4时低温抗裂性能为差。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理，这些描述只是为了解释本发明的原理，并不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其他具体实施方式，如改变再生剂、集料的模型种类，又如调整沥青模型四组分的比例，或加入改性剂等等，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。