基于分子动力学的融雪剂离子对沥青渗透强度的评价方法与流程

本发明涉及道路工程融冰雪，具体涉及一种预测融雪剂离子对沥青渗透强度的评价方法。

背景技术：

1、撒布融雪剂作为最常用的清除道路冰雪方法，虽已被广大地区所接受，但融雪剂对道路材料、混凝土结构物等会造成不同程度的损坏，甚至会侵蚀到道路周边环境、土壤、水源、道路路标及车辆等。在此背景下，研究融雪剂离子对道路沥青材料的侵蚀可作为融雪剂推广使用的腐蚀性评价依据，还可以对融雪剂组分的适对性改良提供有益的参考，完善沥青的盐离子侵蚀理论基础，加深对盐离子在沥青中渗透行为微观机制的理解。

2、分子动力学模拟方法能够从微观层面建立融雪剂离子与沥青分子模型，借助计算机技术与理论方法，对分子在微观层面上的运动进行模拟或仿真，从微观上预测离子对沥青的渗透强度，为探究融雪剂离子对沥青的影响提供科学依据。

技术实现思路

1、由于沥青内部组成结构包含各沥青分子及分子间的孔隙，为克服试验难以辨别出各离子通过渗透进入沥青内部后是只会吸附到沥青分子表面还是可以进入沥青分子内部，本发明提供一种基于分子动力学预测和评价融雪剂离子对沥青的渗透强度的方法。

2、本发明是通过下述技术方案来实现的。

3、根据本发明的一个方面，提供了一种基于分子动力学的融雪剂离子对沥青渗透强度的评价方法，包括：

4、基于materials studio软件建立沥青分子模型，并对沥青分子模型进行动力学优化；

5、建立离子和水分子模型，与所述沥青分子模型进行叠加，并在叠加模型上方建立真空层，建立融雪剂离子在溶液-沥青界面的扩散模型；

6、利用amorphous cell模块将水分子、融雪剂离子和沥青各组分进行组装，构建融雪剂离子在沥青内部的扩散模型；

7、采用等温等压系综和compassⅱ力场进行分子动力学计算，获得稳定状态的融雪剂溶液-沥青界面扩散模型和融雪剂离子在沥青内部的扩散模型；

8、计算稳定状态下融雪剂离子作用于融雪剂溶液-沥青界面扩散模型模拟体系的扩散系数；计算稳定状态下融雪剂离子在沥青内部扩散模型的自由体积分数；获得融雪剂离子对沥青的渗透强度。

9、优选的，基于materials studio软件建立沥青分子模型，并对沥青分子模型进行动力学优化，包括：

10、将多组分沥青分子用ms的amorphous cell模块组装在一起，使用forcitecalculation中的geometry optimization模块对沥青分子模型进行至少100000次迭代计算的几何优化；

11、在等温等压系综下对沥青分子模型进行温度为300k～500k、步数为50000步、压强为1个标准大气压的退火处理；

12、在等温等压系综下对沥青分子模型进行温度为298k、压强为1个标准大气压的动力学优化。模拟计算总时长设置为至少100ps，每1000步输出一个沥青分子模型构型，总步数为100000步。

13、优选的，建立融雪剂离子在溶液-沥青界面的扩散模型，包括：

14、利用amorphous cell模块，按照融雪剂离子与水分子的质量比为1:10构建包含融雪剂离子和水分子的无定型溶液模型；利用geometry optimization模块对分子模型进行100000次迭代计算的几何优化；

15、通过build layers建立溶液-沥青界面扩散模型，所述模型包括三层结构：第1层为优化后的沥青分子模型，第2层为优化后的溶液模型，第3层为的真空层。

16、优选的，构建融雪剂离子在沥青内部的扩散模型，包括：

17、通过amorphous cell模块使用多组分沥青分子创建基质沥青分子模型，按照质量比为1:10加入融雪剂离子和水分子，模拟各离子溶液进入沥青分子内部后扩散的状态。

18、优选的，采用等温等压系综和compassⅱ力场进行分子动力学计算，获得稳定状态的融雪剂溶液-沥青界面扩散模型，包括：

19、利用geometry optimization模块对沥青分子模型进行至少100000次迭代计算的几何优化；利用dynamics模块在等温等压系综下进行温度为298k、压强为1个标准大气压的动力学优化，模拟计算总时长设置为至少100ps，每1000步输出一个溶液-沥青界面模型构型，总步数为100000步，获得稳定状态的融雪剂溶液-沥青界面扩散模型。

20、优选的，采用等温等压系综和compassⅱ力场进行分子动力学计算，获得稳定状态下融雪剂离子在沥青内部的扩散模型，包括：

21、利用geometry optimization模块对沥青分子模型进行至少100000次迭代计算的几何优化；在等温等压系综下对沥青分子模型进行温度为300k～500k、步数为50000步、压强为1个标准大气压的退火处理；在等温等压系综下对沥青分子模型进行温度为298k、压强为1个标准大气压的动力学优化，获得稳定状态的融雪剂离子在沥青内部的扩散模型。

22、优选的，计算稳定状态下融雪剂离子作用于融雪剂溶液-沥青界面扩散模型模拟体系的扩散系数，包括：

23、使用forcite analysis中的mean square displacement获取融雪剂离子在溶液-沥青界面的均方位移曲线，计算均方位移曲线的斜率，得到扩散系数。

24、优选的，计算融雪剂离子在沥青内部扩散模型的自由体积分数，包括：

25、采用ms软件中的atom volume and surfaces工具计算系统的自由体积；利用connolly探针方法分别计算探针在不同原子半径时沥青分子体系和各阳离子在沥青分子内部扩散体系的自由体积分数。

26、本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：

27、本发明借助分子动力学和materials studio软件分别构建融雪剂离子在溶液-沥青界面的扩散模型和融雪剂离子在沥青内部的扩散模型。通过计算融雪剂离子在溶液-沥青界面扩散模型下的扩散系数和融雪剂离子在沥青内部扩散模型下的自由体积分数来判定融雪剂离子的渗透强度。该方法克服了试验难以辨别出各离子通过渗透进入沥青内部后是只会吸附到沥青分子表面还是可以进入沥青分子内部的缺点，为探究在清除道路冰雪时融雪剂离子对沥青材料的侵蚀影响提供依据和基础，因此具有较好的应用前景。

技术特征：

1.一种基于分子动力学的融雪剂离子对沥青渗透强度的评价方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于分子动力学的融雪剂离子对沥青渗透强度的评价方法，其特征在于，基于materials studio软件建立沥青分子模型，并对沥青分子模型进行动力学优化，包括：

3.根据权利要求1所述的基于分子动力学的融雪剂离子对沥青渗透强度的评价方法，其特征在于，建立融雪剂离子在溶液-沥青界面的扩散模型，包括：

4.根据权利要求1所述的基于分子动力学的融雪剂离子对沥青渗透强度的评价方法，其特征在于，构建融雪剂离子在沥青内部的扩散模型，包括：

5.根据权利要求1所述的基于分子动力学的融雪剂离子对沥青渗透强度的评价方法，其特征在于，采用等温等压系综和compass ⅱ力场进行分子动力学计算，获得稳定状态的融雪剂溶液-沥青界面扩散模型，包括：

6.根据权利要求1所述的基于分子动力学的融雪剂离子对沥青渗透强度的评价方法，其特征在于，采用等温等压系综和compass ⅱ力场进行分子动力学计算，获得融雪剂离子在沥青内部的扩散模型，包括：

7.根据权利要求1所述的基于分子动力学的融雪剂离子对沥青渗透强度的评价方法，其特征在于，计算稳定状态下融雪剂离子作用于融雪剂溶液-沥青界面扩散模型模拟体系的扩散系数，包括：

8.根据权利要求1所述的基于分子动力学的融雪剂离子对沥青渗透强度的评价方法，其特征在于，计算稳定状态下融雪剂离子在沥青内部扩散模型的自由体积分数，包括：

9.一种权利要求1-8任一项所述方法在清除道路冰雪融雪剂对道路沥青材料的侵蚀研究中应用。

技术总结本发明公开了一种基于分子动力学的融雪剂离子对沥青渗透强度的评价方法，建立沥青分子模型，对模型进行动力学优化；建立离子和水分子模型与沥青分子模型叠加并在其上建立真空层，分别建立融雪剂离子在溶液‑沥青界面扩散模型和内部扩散模型；进行分子动力学计算获得稳定状态的融雪剂溶液‑沥青界面模型和内部的扩散模型；计算稳定状态下融雪剂离子作用于融雪剂溶液‑沥青界面扩散模型模拟体系的扩散系数和融雪剂离子在沥青内部扩散模型的自由体积分数；获得融雪剂离子对沥青的渗透强度。该方法克服了难以辨别各离子通过渗透沥青内部后吸附在沥青表面还是进入其分子内部的缺点，为在清除道路冰雪时融雪剂离子对沥青材料的侵蚀影响评价提供依据。技术研发人员：张倩,林汉忠,王鹏淘,王永兵受保护的技术使用者：衢州市交通设计有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/5