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Engineering

Fortschrittlicher selbstheilender Asphalt, verstärkt durch Graphenstrukturen: eine atomistische Erkenntnis

Published: May 31, 2022 doi: 10.3791/63303
Automatic Translation
*1, *1, 1
1Department of Architecture and Civil Engineering, City University of Hong Kong
* These authors contributed equally

Summary

Graphen-modifizierte Asphalt-Nanokomposite haben im Vergleich zu reinem Asphalt eine fortschrittliche Selbstheilungsfähigkeit gezeigt. In diesem Protokoll wurden molekulardynamische Simulationen angewendet, um die Rolle von Graphen im Selbstheilungsprozess zu verstehen und den Selbstheilungsmechanismus von Asphaltkomponenten von atomistischer Ebene aus zu untersuchen.

Abstract

Graphen kann die selbstheilenden Eigenschaften von Asphalt mit hoher Haltbarkeit verbessern. Das Selbstheilungsverhalten von graphenmodifizierten Asphalt-Nanokompositen und die Rolle von eingebautem Graphen sind jedoch zu diesem Zeitpunkt noch unklar. In dieser Studie werden die selbstheilenden Eigenschaften von reinem Asphalt und graphenmodifiziertem Asphalt durch molekulardynamische Simulationen untersucht. Es werden Asphaltmassen mit zwei Rissbreiten und -stellen für Graphen eingeführt und die molekularen Wechselwirkungen zwischen Asphaltkomponenten und der Graphenplatte analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Lage von Graphen das Selbstheilungsverhalten von Asphalt signifikant beeinflusst. Graphen in der Nähe der Rissoberfläche kann den Selbstheilungsprozess stark beschleunigen, indem es mit den aromatischen Molekülen durch π-π-Stapelung interagiert, während Graphen im oberen Bereich der Rissspitze einen geringen Einfluss auf den Prozess hat. Der Selbstheilungsprozess von Asphalt durchläuft die Neuorientierung von Asphalten-, polaren aromatischen und naphthenaromatischen Molekülen und die Überbrückung gesättigter Moleküle zwischen Rissoberflächen. Dieses vertiefte Verständnis des Selbstheilungsmechanismus trägt zur Kenntnis der Verbesserung der Selbstheilungseigenschaften bei, die zur Entwicklung langlebiger Asphaltbeläge beitragen werden.

Introduction

Die Verschlechterung unter täglichen Fahrzeugbelastungen und varianten Umgebungsbedingungen sowie die Alterung des Asphalts während des Betriebs führen zu Verschlechterungen oder sogar strukturellen Ausfällen, d. H. Rissbildung und Raveling, die die Haltbarkeit von Asphaltbelägen weiter schwächen können. Die inhärente Reaktion von Asphalt auf die Reparatur von Mikrorissen und Hohlräumen hilft ihm automatisch, sich von Schäden zu erholen und die Festigkeit wiederherzustellen1. Diese Selbstheilungsfähigkeit kann die Lebensdauer von Asphalt erheblich verlängern, Wartungskosten einsparen und den Ausstoß von Treibhausgasen reduzieren 2,3. Das Selbstheilungsverhalten von Asphalt hängt im Allgemeinen von mehreren Einflussfaktoren ab, einschließlich seiner chemischen Zusammensetzung, dem Grad der Schädigung und den Umgebungsbedingungen4. Die verbesserte Selbstheilungsfähigkeit von Asphalt, der Schäden innerhalb kurzer Zeit vollständig heilen kann, ist erwünscht; Dies hat ein umfangreiches Forschungsinteresse an einer besseren mechanischen Leistung und Haltbarkeit für Asphaltbeläge im Tiefbau geweckt.

Neuartige Methoden zur Verbesserung der Selbstheilungsfähigkeit von Asphalt umfassen hauptsächlich drei Ansätze - Induktion von Erwärmung, Verkapselungsheilung und Einbeziehung von Nanomaterialien -, die einzeln oder gleichzeitig angewendet werden können.5,6. Die Induktion einer Erwärmung kann die Beweglichkeit von Asphalt erheblich verbessern und seine Selbstheilung für die Erholung aktivieren7. Die Selbstheilungstechnologie von Asphalt durch Induktion der Erwärmung kann der assistierten Selbstheilungstechnik zugeschrieben werden, die darauf hinweist, dass die Selbstheilungseigenschaften von Asphalt durch äußere Reize verbessert werden. Ziel der Zugabe der Stahlwollefasern ist es, die elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen, um die Heilungsfähigkeit des Asphaltbindemittels zu erhöhen8. Der Ansatz zur Induktion von Wärme besteht darin, diese elektrisch leitfähigen Fasern dem hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeld auszusetzen, das Wirbelströme induzieren kann, und die Wärmeenergie kann durch die leitfähigen Fasern in das Asphaltbindemittel diffundieren9. Die Stahlwollefasern verbessern nicht nur die elektrische Leitfähigkeit, sondern auch die Wärmeleitfähigkeit, was sich positiv auf die Selbstheilungseigenschaften von Asphalt auswirken kann. Es ist jedoch schwierig, den richtigen Mischzeitpunkt für Fasern auszuwählen.10. Die Länge der Fasern nimmt mit zunehmender Mischzeit ab und beeinflusst die Wärmeleitfähigkeit, während die verringerte Mischzeit zu Faserclustern führt und die mechanischen Eigenschaften von Asphalt behindert9. Die Verkapselungsmethode kann leichte Bestandteile von gealtertem Asphalt wie Aromaten und gesättigte Fettsäuren liefern und die Selbstheilungsfähigkeit von Asphalt auffrischen.11,12. Dies ist jedoch eine einmalige Behandlung, und die Heilmaterialien können nach der Freisetzung nicht wieder aufgefüllt werden. Mit der Entwicklung der Nanotechnologie sind Nanomaterialien zu vielversprechenden Modifikatoren für die Verbesserung asphaltbasierter Materialien geworden. Asphaltbindemittel, die mit Nanomaterialien eingearbeitet sind, weisen eine bessere Wärmeleitfähigkeit und mechanische Eigenschaften auf13. Graphen mit ausgezeichneter mechanischer Leistung und hoher thermischer Leistung gilt als ausgezeichneter Kandidat zur Verbesserung der Selbstheilungsfähigkeit von Asphalt14,15,16,17. Die erhöhten heilenden Eigenschaften von graphenmodifiziertem Asphalt können darauf zurückgeführt werden, dass Graphen die Kapazität des Asphaltbindemittels erhöht, erhitzt zu werden und Wärmeübertragung im Asphaltbindemittel zu erzeugen, was bedeutet, dass graphenmodifizierter Asphalt schneller erhitzt werden kann und bis zu einer höheren Temperatur als reiner Asphalt erreicht werden kann.18. Die erzeugte Wärme kann schneller als durch reinen Asphalt durch den graphenmodifizierten Asphalt übertragen werden. Der Rissbereich des Asphaltbindemittels kann durch den Wärmestrom mit höherer Temperatur und höherer Heizleistung leicht beeinflusst und schneller abgeheilt werden. Die Selbstheilungsreaktion beginnt, wenn die Energie, die gleich oder größer als die heilende Aktivierungsenergie ist, an der Rissoberfläche des Asphalts existiert19. Graphen kann die Heilungsleistung der thermischen Aktivierung verbessern und die Heilungsrate von Asphalt beschleunigen19,20. Außerdem kann Graphen während des Heilungsprozesses bis zu 50% Heizenergie sparen, was der Energieeffizienz zugute kommen und die Wartungskosten senken kann.21. Als mikrowellenabsorbierendes Material soll Graphen die Heilungsfähigkeit von Asphalt während der Ruhezeit der Mikrowellenerwärmung verbessern.22. Es wird erwartet, dass die Zugabe von Graphen in Asphalt nicht nur die mechanische Leistung, sondern auch die Selbstheilungs- und Energiesparkapazität verbessert, was ein fundiertes Wissen über den Selbstheilungsmechanismus erfordert.

Die Selbstheilung auf der Nanoskala ist hauptsächlich auf die Benetzung und Diffusion von Asphaltmolekülen an den gebrochenen Flächenzurückzuführen 23. Da Asphalt aus verschiedenen polaren und unpolaren Molekülen besteht, hängt seine Selbstheilungsfähigkeit stark mit molekularen Wechselwirkungen und Bewegungen von Asphaltmolekülen verschiedener Komponentenzusammen 1. Die aktuelle Forschung stützt sich jedoch hauptsächlich auf experimentelle Techniken zur Quantifizierung makroskopischer mechanischer Eigenschaften, die zu fehlenden Informationen bei der Veränderung von Mikrostrukturen und den Wechselwirkungen zwischen Asphaltmolekülen führen, wenn versucht wird, den Heilungsmechanismus zu verstehen. Der Verstärkungsmechanismus von Graphen in der Selbstheilungsfähigkeit von Asphalt ist zu diesem Zeitpunkt ebenfalls unklar. Molekulardynamik-Simulationen (MD) spielen eine einflussreiche Rolle bei der Untersuchung molekularer Wechselwirkungen und Bewegungen von Nanokompositsystemen und verknüpfen mikrostrukturelle Verformung mit molekularen Wechselwirkungen und Bewegungen 24,25,26,27,28,29,30,31 . MD-Simulationen sind immer beliebter geworden, um Materialverhalten zu analysieren, auf das Experimente nicht leicht zugreifen können32,33. Bestehende Studien haben die Machbarkeit und Verfügbarkeit von MD-Simulationen in Asphaltsystemen gezeigt; Die Kohäsions-, Adhäsions-, Alterungs- und thermomechanischen Eigenschaften von Asphalt und Asphaltverbundwerkstoffen können durch MD-Simulationen34,35,36,37 untersucht werden. Das Selbstheilungsverhalten von Asphalt kann auch durch MD-Simulationen38,39,40 vorhergesagt werden. Daher wird angenommen, dass die Untersuchung mit MD-Simulationen ein effektiver Weg ist, um sowohl die Selbstheilungs- als auch die Verstärkungsmechanismen zu verstehen.

Ziel dieser Studie ist es, das Selbstheilungsverhalten von reinem Asphalt und graphenmodifizierten Asphalt-Nanokompositen zu untersuchen und die Rolle von Graphen bei der Verbesserung der Heilungsfähigkeit von Asphalt durch MD-Simulationen zu verstehen. Die selbstheilenden Simulationen von reinem Asphalt und graphenmodifizierten Asphaltverbundwerkstoffen werden durchgeführt, indem Risse in die Ausgangsstrukturen eingebracht werden. Die Selbstheilungsfähigkeiten sind gekennzeichnet durch die Kontur der Atomzahlen, die Neuorientierung und Verschränkung von Molekülen an der gebrochenen Fläche und die Beweglichkeit von Asphaltkomponenten während der Selbstheilungsprozesse. Durch die Untersuchung der Heilwirkung von Graphen an verschiedenen Stellen wird der Verstärkungsmechanismus von Graphen aufgedeckt, der zu den Selbstheilungsfähigkeiten von Asphalt beiträgt, was bei der Überwachung von Nanofüllstoffen optimal helfen und somit die Lebensdauer von Asphaltbelägen ermöglichen kann. Eine Untersuchung der Selbstheilungsfähigkeit auf atomarer Ebene kann eine effiziente Möglichkeit bieten, fortschrittliche Materialien auf Asphaltbasis für die zukünftige Forschung zu entwickeln.

Nach der Asphaltchemie besteht Asphalt aus verschiedenen Arten von Kohlenwasserstoffen und Nicht-Kohlenwasserstoffen mit unterschiedlicher Polarität und Form, die hauptsächlich in die vier Komponenten Asphalten, polare Aromaten, Naphthenaromaten und gesättigte Fettsäurenunterteilt werden können 41,42. Asphaltenmoleküle sind relativ größer und schwerer als andere Moleküle in Asphalt, mit einer mittleren Atommasse von etwa 750 g / mol und einem Moleküldurchmesser im Bereich von 10-20 Å. Es wurde allgemein akzeptiert, dass Asphalten aus großen aromatischen Kernen besteht, die Heteroatome enthalten und von unterschiedlichen Längen von Alkylgruppen43 umgeben sind. Es wird ein modifiziertes Asphaltenmolekül konstruiert, wie in Abbildung 1a gezeigt. Die Moleküle der polaren Aromaten und Naphthenaromaten werden basierend auf der Polarität und dem Elementverhältnis der Asphaltmoleküle konstruiert, wobei Benzobizbenzothiophen (C 18 H 10 S 2) das polare aromatische Molekül und 1,7-Dimethylnaphthalin (C12H12) als repräsentatives naphthenaromatisches Molekül ausgewählt werden, wie in Abbildung 1b-c gezeigt. N-Docosan (n-C 22H46) ist wie in Abbildung 1d dargestellt aufgebaut. Die in Tabelle 1 für Asphaltmoleküle aufgeführten Parameter werden ausgewählt und verwendet, um die gewünschten Kriterien zu erfüllen, einschließlich des elementaren Massenanteils, des Atomverhältnisses und des aromatischen/aliphatischen Verhältnisses von echtem Asphalt aus Experimenten41. Das gleiche Massenverhältnis wurde in unseren früheren Studien definiert, und die anderen thermomechanischen Eigenschaften wie Dichte, Glasübergangstemperatur und Viskosität stimmen gut mit den experimentellen Daten von echtem Asphalt36 überein. Die molekulare Struktur von Graphen, das in dieser Studie angewendet wird, ist in Abbildung 1e dargestellt. Die in dieser Studie angenommene Graphenplatte hat keinen Defekt und keine Faltung im Vergleich zu der des realen Falls, während die echte Graphenplatte normalerweise mehrere Defekte wie atomare Leerstände und Stone-Wales-Defekte44 aufweist und einige der Graphenplatten während des Mischprozesses in der Asphaltmatrix45 gefaltet werden können. Diese unvollkommenen Situationen werden in dieser Studie nicht berücksichtigt, da wir uns auf die Wirkung der Stelle des Graphenblattes auf die Selbstheilungseigenschaften konzentrieren und sie als einzige Variable wählen. Die Variablen von Graphenplatten in Bezug auf die Defekte und gefalteten Gehäuse werden im Mittelpunkt unserer zukünftigen Studien stehen. Das Massenverhältnis von Graphen zu Asphalt in dieser Studie beträgt 4,75%, was die Normalsituation (<5%) für graphenmodifizierten Asphalt im Experiment46,47 ist.

Figure 1
Abbildung 1: Chemische Struktur. Die atomistischen Modelle von (a) Asphaltenmolekül (C53H55NOS), (b) naphthenaromatisches Molekül (C12H 12), (c) polares aromatisches Molekül (C18H10S2), (d) gesättigtes Molekül (C22 H46), (e) Graphen und (f) reiner Asphalt. Für das atomistische Asphaltmodell werden die Kohlenstoff-, Sauerstoff-, Stickstoff-, Schwefel- und Wasserstoffatome in Grau, Rot, Blau, Gelb und Weiß dargestellt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Asphalt-Modell Masse (g/mol) Chemische Formel Anzahl der Moleküle Gesamtmasse (g/mol) Massenanteil (%)
Asphalten 754.04 C53H55NOS 43 32423.72 26
Naphthen aromatisch 156.22 C 12 Std.12 65 10154.3 8
Polar aromatisch 290.38 C18H10S2 74 21485.16 17
Sättigen 310.59 C22H46 205 63670.95 49
Asphaltbindemittel 387 127734.13 100
Graphen 6369.28 C525H63 1 6369.28

Tabelle 1: Gesamtbestandteile des reinen Asphaltmodells und des graphenmodifizierten Asphaltmodells

In Bezug auf das unten beschriebene Protokoll werden zwei Arten von keilartigen Rissen unterschiedlicher Größe mit einer stumpfen Rissspitze und zwei parallelen Rissflächen in die Mitte des Asphaltmodells eingefügt, während der mittlere obere Bereich des Asphaltvolumens intakt bleibt. Zwei Rissbreiten werden als 15 Å und 35 Å gewählt, wie in Abbildung 2a-b dargestellt. Der Grund für die Auswahl von 15 Å ist, dass die Rissbreite breiter als der Grenzwert von 12 Å sein sollte, um die frühe Selbstheilung von Asphaltmolekülen während des Gleichgewichtsprozesses zu vermeiden, während ein extremer Fall für einen kleinen Riss untersucht wird. Der Grund für die Auswahl von 35 Å ist, dass die Rissbreite breiter sein sollte als die Länge der gesättigten Moleküle von 34 Å, um den Überbrückungseffekt zu verhindern. Die Höhe des Risses beträgt 35 Å, die gleiche wie die Kastenbreite, und die Tiefe des Risses beträgt 70 Å, die gleiche wie die Kastenlänge. In der realen Situation können die beobachteten Mikrorissgrößen im Bereich von mehreren Mikrometern bis zu mehreren Millimetern variiert werden, was weit größer ist als die Längenskala, die wir hier modellieren. Normalerweise ist die Längenskala in der MD-Simulation auf die Skala von 100 nm beschränkt, die immer noch einige Größenordnungen kleiner ist als die tatsächliche Rissgröße. Die Risse beginnen jedoch auf der Nanoskala und wachsen mit kontinuierlicher Verformung zu makroskaligen Rissenheran 48. Das Verständnis des Selbstheilungsmechanismus auf der Nanoskala kann helfen, das Wachstum und die weitere Ausbreitung des Risses auf der Makroskala zu verhindern. Auch wenn die ausgewählten Rissgrößen im Nanometerbereich liegen, können die Ergebnisse dennoch einflussreich und anwendbar sein, um das Selbstheilungsverhalten von Asphaltmolekülen zu erforschen. Es gibt zwei Positionen für die Graphenschichten in den Rissbereichen: eine befindet sich oben auf der Rissspitze und die andere ist senkrecht zur linken Rissoberfläche. Es wurde festgestellt, dass dies die häufigsten Positionen für Graphen in graphenmodifizierten Nanokompositen mit Rissen49 sind.

Figure 2
Abbildung 2: Die Selbstheilungsschemata für reinen Asphalt und graphenmodifizierten Asphalt. Das selbstheilende Modell von reinem Asphalt mit einer Rissbreite von (a) 15 Å und (b) 35 Å. Das selbstheilende Modell von graphenmodifiziertem Asphalt mit der Graphenplatte befindet sich (c) oben an der Rissspitze und (d) senkrecht zur Rissoberfläche. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

In MD-Simulationen werden die intramolekularen und intermolekularen Wechselwirkungen in den Asphalt-Nanokompositen durch das Consistent Valence Forcefield (CVFF)50 beschrieben, das gut mit asphalt- und graphenbasierten Materialien funktioniert. Die funktionale Form von CVFF wird wie folgt ausgedrückt:

Equation 1 1

Hier setzt sich die Gesamtenergiesumme E aus den gebundenen Energietermen und den nicht gebundenen Energietermen zusammen. Die gebundenen Wechselwirkungen bestehen aus der kovalenten Bindungsdehnung, der Bindungswinkelbiegeenergie, der Torsionswinkelrotation und den falschen Energien, wie sie in den ersten vier Termen ausgedrückt werden. Die ungebundene Energie umfasst eine LJ-12-6-Funktion für den van der Waals (vdW) -Term und eine Coulomb-Funktion für die elektrostatischen Wechselwirkungen. CVFF wurde häufig bei der Simulation von Asphaltmaterialieneingesetzt 51,52. Die simulierten physikalischen und mechanischen Eigenschaften wie Dichte, Viskosität und Volumenmodul stimmen gut mit den experimentellen Daten überein, die die Zuverlässigkeit von CVFF51 belegen. CVFF eignet sich nicht nur für anorganische Materialien, sondern wurde auch erfolgreich in Strukturen eingesetzt, die aus organischen und anorganischen Phasen wie Asphalt-Siliciumdioxid 52 und dem System vonEpoxid-Graphen 53 bestehen. Darüber hinaus können die Grenzflächenwechselwirkungen zwischen Graphen und Asphalt durch CVFF36,54 charakterisiert werden. Da der Hauptteil bei der Auswahl des Kraftfeldes darin besteht, die Asphalt-Graphen-Schnittstelle zu bestimmen, sind die von CVFF beschriebenen ungebundenen Wechselwirkungen zuverlässiger, was auch in unserer vorherigen Studie36 berücksichtigt wird. Insgesamt wird das Kraftfeld CVFF in dieser Studie berücksichtigt. Die Teilladungen für verschiedene Arten von Atomen werden nach der Kraftfeld-zugewiesenen Methode berechnet.

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Protocol

1. Erstellen Sie die atomistischen Modelle

  1. Öffnen Sie die Materials Studio-Software, um fünf atomistische 3D-Dokumente zu erstellen, und benennen Sie diese Dokumente in Graphen, Asphalten, polare Aromaten, Naphthenaromaten und gesättigte Fettsäuren um.
  2. Erstellen Sie das Graphenmodell, indem Sie die Einheitszelle des Graphenblatts im atomistischen 3D-Dokument mit der Option Atom skizzieren (Sketch Atom) erstellen.
  3. Erstellen Sie die endgültige Struktur mit der Option "Supercell" im Menü "Build > Symmetry ". Definieren Sie die Größe der Graphenplatte als 40 Å x 40 Å, was größer ist als die Asphaltketten und die Rissbreite.
  4. Bauen und verpacken Sie die vier Arten von Asphaltmolekülen.
    1. Verwenden Sie die Option Atom skizzieren , um die molekularen Strukturen von Asphalten, polaren Aromaten, Naphthenaromaten und gesättigten Fettsäuren separat zu zeichnen.
    2. Packen Sie die vier Arten von Asphaltmolekülen in die Simulationsbox, indem Sie die Berechnungsoption im Menü Module > Amorphe Zellen verwenden.
  5. Bauen Sie die Asphaltstruktur mit dem Riss.
    1. Stellen Sie die Höhe der Risszone in der x-Dimension gleich der Höhe der Box von 70 Å ein und die Tiefe der Risszone in der y-Dimension beträgt die Hälfte der Höhe der Box als 35 Å.
    2. Setzen Sie zwei Fälle der Rissbreiten in der z-Dimension von 15 Å und 35 Å ein. Löschen Sie die redundanten Moleküle in den Risszonen des mittleren Bereichs des Asphaltvolumens mit der Option Löschen und belassen Sie die Asphaltmatrix im mittleren oberen Bereich unverändert.
  6. Bauen Sie die graphenmodifizierte Asphaltstruktur mit dem Riss. Integrieren Sie das Graphenblatt separat in den oberen Bereich der Rissspitze und die linke Rissfläche vor dem Verpackungsschritt mit dem Befehl Kopieren + Einfügen .
  7. Packen Sie die Asphaltmoleküle basierend auf den in Tabelle 1 aufgeführten endgültigen Zusammensetzungen in die Simulationsbox, um die graphenmodifizierte Asphaltstruktur zu konstruieren.
  8. Konvertieren Sie die Strukturdatei in eine Datendatei. Speichern Sie die Strukturdateien als Moleküldateien mit Strukturinformationen (*.car und *.mdf) aus Materials Studio. Konvertieren Sie die Moleküldateien (*.car und *.mdf) in Datendateien mit dem msi2lmp-Tool im großflächigen atomaren/molekularen massiv parallelen Simulator (LAMMPS)55-Paket . Lesen Sie die Datendatei mit dem Befehl read_data in LAMMPS.

2. Führen Sie die Simulationen durch

  1. Definieren Sie die Parameter der Simulationen.
    1. Setzen Sie den Zeitschritt als 1 fs in der Eingabedatei unter Berücksichtigung der Balance zwischen Genauigkeit und Effizienz der durchgeführten Simulationen.
    2. Setzen Sie den Grenzabstand von nicht gebundenen Wechselwirkungen auf 12 Å, was weniger als der Hälfte der Länge der Simulationsbox unter Berücksichtigung der periodischen Randbedingung und der Berechnungseffizienz entspricht.
    3. Verwenden Sie den PPPM-Algorithmus (Particle-Particle Particle-Mesh), um die langreichweitigen Coulomb-Wechselwirkungen zu beschreiben, und legen Sie den relativen Fehler in den Pro-Atom-Kräften, der vom Langstrecken-Solver berechnet wird, als 10-5 für eine hohe Genauigkeit fest.
  2. Korrigieren Sie das Profil des Risses. Wählen Sie die Asphaltmoleküle auf dem Profil mit dem Befehl Gruppenmoleküle in LAMMPS aus. Wenden Sie die Einschränkungen auf die Asphaltmoleküle an, indem Sie den Befehl Feder / Selbst fixieren in LAMMPS verwenden, um die Bewegungen von Asphaltmolekülen zu vermeiden.
  3. Erreichen Sie das Gleichgewicht
    1. Halten Sie die gesamte Simulationsbox nach 500 ps unter dem isothermal-isobaren (NPT) Ensemble mit einer Temperatur von 300 K und einem Druck von 1 atm vollständig entspannt.
    2. Machen Sie das Asphaltvolumen mit dem gewünschten Dichtewert der experimentellen Messungen41 von 0,95-1,05 g / cm3 gleich, indem Sie die Temperatur-, Druck-, Dichte- und Energiewerte kontinuierlich mit dem Befehl Thermal untersuchen.
    3. Überprüfen Sie die Konvergenz der potentiellen Energie und der mittleren quadratischen Verschiebung (MSD) im gesamten System, um den vollständig entspannten Zustand zu erreichen.
  4. Führen Sie den Selbstheilungsprozess durch.
    1. Stellen Sie die gesamte Simulationsbox unter dem NPT-Ensemble mit einer Temperatur von 300 K und einem Druck von 1 atm ein.
    2. Entfernen Sie die Einschränkung der Asphaltmoleküle auf die Kontur der Risszone.
    3. Verfolgen und zeichnen Sie die Größe der Simulationsbox und die Koordinaten von Atomen auf und verwenden Sie den Befehl Dump für die Nachbearbeitung.
    4. Mitteln Sie die Simulationsergebnisse während des Selbstheilungsprozesses über drei unabhängige Konfigurationen mit drei verschiedenen Anfangsgeschwindigkeits-Seeds, um die zufälligen Fehler zu verringern.

3. Nachbearbeitung

  1. Visualisiere die selbstheilenden Verhaltensweisen. Öffnen Sie das Open Visualization Tool OVITO56, um den Simulationsfortschritt zu visualisieren, und öffnen Sie dann die Trajektoriendateien im von LAMMPS55 generierten Lammpstrj-Format. Nehmen Sie die Schnappschüsse des Selbstheilungsprozesses auf und verfolgen Sie die Wege von Asphaltmolekülen mit dem Befehl Render.
  2. Analysieren Sie die Kontur der Atomzahl. Exportieren Sie die Koordinaten der Atome aus den von LAMMPS ausgegebenen Trajektoriendateien in die Datenanalyse- und Grafiksoftware. Projizieren Sie die Koordinaten von Atomen im gesamten System auf die yz-Ebene. Zeichnen Sie Atomzahlen in verschiedenen Bereichen der yz-Ebene auf und zeichnen Sie die Kontur mit verschiedenen Farben auf.
  3. Analysieren Sie die Atombeweglichkeit und die relative Position.
    1. Analysieren Sie die Atombeweglichkeit verschiedener Asphaltkomponenten anhand der mittleren quadratischen Verschiebung (MSD) mit dem Befehl msd berechnen.
    2. Berechnen Sie die relativen Positionen zwischen Graphen- und Asphaltmolekülen anhand der Radial Distribution Functions (RDF)-Kurven für das System der graphenmodifizierten Asphaltsysteme mit den Rissbreiten 15 Å und 35 Å mit dem Befehl Compute rdf in LAMMPS.
    3. Zeichnen Sie die RDF-Kurven, um zu überprüfen, wie die Dichte des Asphalts in Abhängigkeit vom Abstand von der Graphenplatte variiert.

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Representative Results

Die Kontur der Atomzahl
Die Konturen der Atomzahl von reinen Asphalt- und graphenmodifizierten Asphaltmodellen in der yz-Ebene sind in Abbildung 3 dargestellt, wo der Farbbalken von blau bis rot Atomzahlen aufweist, die von 0 bis 28 variieren. Abbildung 3a-c zeigt die Kontur der Atomzahl der Strukturen mit einer Rissbreite von 15 Å in reinen Asphalt- und Asphaltnanokompositen, die an der Rissspitze und an der Rissoberfläche durch Graphen modifiziert wurden. Bei reinem Asphalt erfolgt die vollständige Heilung nach ca. 300 ps. Das Selbstheilungsverhalten beginnt im Bereich der Rissspitze, da der Bereich um die Rissspitze nach 50 ps zu einer geschmolzenen stumpfen Form mit blauer Farbe wird und mehrere Asphaltmoleküle die beiden Rissflächen in der Mitte der Rissspitze überbrücken. Die grüne Farbe in der Kontur präsentiert den Schüttasphalt, der die Stufe der Risszone ist, die sich vollständig selbst heilt. Bei etwa 100 ps ist die Risszone mit einem kleinen Hohlraum fast geschlossen, und die Farben der anfänglichen Rissflächen ändern sich in Grün, was darauf hinweist, dass der Selbstheilungsprozess in diesen Bereichen abgeschlossen ist; Es gibt jedoch noch einige blaue und weiße Bereiche, die noch selbstgeheilt werden müssen. Nach etwa 300 ps hat sich der größte Teil der Farbe der Risszone in Grün geändert, was der der Asphaltmasse entspricht, was darauf hindeutet, dass der Selbstheilungsprozess abgeschlossen ist. Wie in Abbildung 3b gezeigt, wird der Selbstheilungsprozess nach dem Hinzufügen des Graphenblatts auf der Oberseite des Risses nicht signifikant verändert. Der Selbstheilungsprozess dauert etwa 500 ps, und die Risszone wird bei 50 ps stark verringert und verschwindet bei 200 ps fast. Das Graphenblatt auf der Oberseite der Rissspitze scheint wenig Einfluss auf den Selbstheilungsprozess der Rissoberfläche zu haben. Das Einfügen des Graphens auf der linken Seite der Rissoberfläche kann jedoch den Selbstheilungsprozess erheblich beschleunigen, wie in Abbildung 3c gezeigt, wobei die rote Linie in der Kontur das Graphenblatt ist. Die Selbstheilungszeit verkürzt sich auf rund 200 ps, das ist halb so viel wie bei reinem Asphalt. Die Rissbreite ist bei 20 ps deutlich verringert, und die Asphaltmoleküle aus dem Volumen neigen dazu, sich in den Graphenbereich zu bewegen und den Rissbereich zu füllen. Die Risszone verschwindet fast bei etwa 150 ps, obwohl einige der Bereiche an der Unterseite blau bleiben. Nach weiteren 50 ps des Selbstheilungsprozesses ist der Rissbereich voller blauer Farbe, die das Ende des Prozesses anzeigt.

Der Selbstheilungsprozess der Modelle mit 35 Å Rissbreite dauert fast doppelt so lange wie der der Modelle mit 15 Å Rissbreite, während der Selbstheilungsprozess von reinem Asphalt rund 1.000 ps dauert. Das Selbstheilungsverhalten beginnt im Bereich der Rissspitze, und die Rissform wird bei 100 ps geschrumpft und unregelmäßig. Der größte Teil der Risszone ist um 500 ps geheilt, wobei ein kleiner Hohlraum in der Mitte der Risszone verbleibt. Nach Durchführung des Selbstheilungsprozesses für weitere 500 ps wird die Risszone mit Asphaltmolekülen gefüllt, bis der Selbstheilungsprozess abgeschlossen ist. Das Graphenblatt befindet sich oben auf der Rissspitze, wie die rote Linie in Abbildung 3e zeigt. Die Selbstheilungsphase beträgt etwa 1.100 ps, was der von reinem Asphalt nahe kommt. Die Rissform ändert sich jedoch anders. Es gibt einige Asphaltmoleküle, die den Rissbereich bei etwa 400 ps überbrücken, was den Selbstheilungsprozess vorantreiben kann. Wie in Abbildung 3f gezeigt, kann das Selbstheilungsverhalten signifikant verbessert werden, wenn sich die Graphenschicht an der linken Rissoberfläche befindet. Ein ähnliches Phänomen wie das Modell mit 15 Å Rissbreite kann beobachtet werden: Einige der Asphaltmoleküle in der Asphaltmasse neigen dazu, sich in den Graphenbereich zu bewegen und sich um die Graphenplatte zu wickeln, was die Rissfläche erheblich verringern und den Selbstheilungsprozess unterstützen kann. Die Breite des Risses wird auf etwa die Hälfte der anfänglichen Rissbreite um nur 50 ps verringert, und der größte Teil der Rissfläche wird mit etwa 300 ps geheilt. Der gesamte Selbstheilungsprozess dauert etwa 600 ps und der größte Teil der Risszone verschwindet; Dies dauert nur halb so lange wie reiner Asphalt.

Figure 3
Abbildung 3: Die Kontur der Atomzahl während des Selbstheilungsprozesses. Die Kontur der Atomzahl während des Selbstheilungsprozesses für die Modelle mit einer Rissbreite von 15 Å für (a) reinen Asphalt, (b) Graphen an der Rissspitze und (c) Graphen an der linken Oberfläche der Rissspitze sowie die Modelle mit einer Rissbreite von 35 Å für (d) reinen Asphalt, (e) Graphen an der Rissspitze, und (f) Graphen an der linken Oberfläche der Rissspitze. Die gepunkteten Black Boxes beziehen sich auf die Standorte von Graphen. Der Farbbalken von blau bis rot steht für die Atomzahlen, die von 0 bis 28 in der Kontur variieren. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Molekulare Wechselwirkungen
Um den Unterschied im Selbstheilungsverhalten zwischen reinem Asphalt und graphenmodifizierten Asphaltverbundwerkstoffen zu untersuchen, werden die molekularen Wechselwirkungen und Bewegungen während des Selbstheilungsprozesses erfasst und analysiert, wie in Abbildung 4 gezeigt. Aus Abbildung 4a kann beobachtet werden, dass aromatische Moleküle wie Asphalten, polare Aromaten und Naphthenaromaten von der Graphenschicht durch π-π-Stapelung angezogen werden, wenn Graphen auf den oberen Bereich der Rissspitze gelegt wird. Diese Asphaltmoleküle werden von der Graphenschicht fest eingefangen und können nicht leicht in die Nachbarschaft der Risszone diffundieren oder den Riss auffüllen, was den Selbstheilungsprozess bis zu einem gewissen Grad behindert. Das Selbstheilungsverhalten ergibt sich jedoch hauptsächlich aus den Asphaltmolekülen in der Nähe der Rissoberfläche, und der Einfluss dieser Moleküle im oberen Bereich muss weiter erforscht werden. Aus Abbildung 4b wird beobachtet, dass das polare aromatische Molekül an der Rissoberfläche von der Graphenschicht an der anderen Rissoberfläche angezogen wird, was die Wahrscheinlichkeit des nahe gelegenen naphthenaromatischen Moleküls, sich in den Rissbereich zu bewegen, weiter erhöhen kann. Die gesammelten Asphaltmoleküle, die von der Graphenschicht angezogen werden, können die Risszone mit einer höheren Geschwindigkeit als die von reinem Asphalt verpacken und die Selbstheilungsfähigkeit des graphenmodifizierten Asphalt-Nanokomposits kann verbessert werden. Der Selbstheilungsprozess des Modells mit einer durch Graphen modifizierten Rissbreite von 35 Å an der linken Rissfläche ist in Abbildung 4c dargestellt. Die polaren aromatischen Moleküle werden von der Graphenschicht durch π-π-Stapelung angezogen, wenn die Selbstheilung beginnt, und diese Asphaltmoleküle können sich schnell um die Graphenschicht wickeln und den Raum der Risszone reduzieren, wie in Abbildung 3f gezeigt. Dies deutet darauf hin, dass Graphen eine wichtige Rolle im Anfangsstadium der Selbstheilung spielt, wenn es sich um die Rissoberfläche befindet. Ein selbstheilender Schnappschuss von reinem Asphalt mit einer Rissbreite von 15 Å ist in Abbildung 4d dargestellt. Es ist deutlich zu beobachten, dass die Kettenstruktur von Sättigung für den Selbstheilungsprozess wichtig ist, da sich die Moleküle miteinander verfangen und die Rissoberfläche überbrücken können. Dieser Brückeneffekt zwischen gesättigten Molekülen und den Seitenketten von Asphaltenmolekülen kann die Packungseffizienz deutlich erhöhen und die Selbstheilungsphase verkürzen. Es wird auch beobachtet, dass sich Asphaltmoleküle mit polyaromatischen Ringen, wie Asphalten, polare Aromaten und Naphthenaromaten, an der Rissoberfläche durch π-π-Stapelung neu orientieren. Diese Neuorientierung ermöglicht es den Asphaltmolekülen, sich in eine parallele Richtung zu bewegen und trägt zur Rissbenetzung bei, die die Rissflächen weiter verschließt.

Figure 4
Abbildung 4: Details der Nicht-Bindungswechselwirkung von reinem Asphalt und graphenmodifizierten Asphalt-Nanokompositen während des Selbstheilungsprozesses. Für das Modell mit (a) 15 Å Rissbreite und Graphen, das sich auf der Oberseite der Rissspitze befindet, werden aromatische Moleküle in Asphalt von der Graphenplatte durch π-π-Stapelung angezogen. Für das Modell mit (b) 15 Å Rissbreite und Graphen auf der linken Seite der Rissoberfläche bewegen sich die polaren aromatischen Moleküle an der anderen Rissoberfläche aufgrund starker aromatischer Wechselwirkungen auf die Graphenoberfläche. Für das Modell mit (c) 35 Å Rissbreite und Graphen auf der linken Seite der Rissoberfläche werden die polaren aromatischen Moleküle von der Graphenschicht angezogen und ragen so aus der Rissoberfläche heraus. Für das Modell mit (d) 15 Å Rissbreite und reinem Asphalt gibt es eine Neuorientierung aromatischer Moleküle an der Rissoberfläche und eine Kettenüberbrückung und Verschränkung gesättigter Moleküle während des Selbstheilungsprozesses. Die blau gepunkteten und violett gepunkteten Kästchen in der Abbildung zeigen das π-π-Stapel- bzw. Neuausrichtungsverhalten an. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Die Neuorientierung aromatischer Moleküle einschließlich Asphalten, polarer Aromaten und Naphthenaromaten um die Rissoberfläche während des Selbstheilungsprozesses ist in Abbildung 5 dargestellt. Abbildung 5a zeigt, dass die verfolgten Moleküle vor der Selbstheilung fast senkrecht zwischen Naphthenaromaten und polaren Aromaten und zwischen Asphalten und polaren Aromaten stehen. Der Abstand zwischen Asphalten und den beiden anderen aromatischen Molekülen beträgt 13,3 Å, was größer ist als der Abstand zwischen den aromatischen Molekülen. Nach der Selbstheilung für 40 ps diffundiert das naphthenaromatische Molekül in den Raum zwischen Asphalten und polaren Aromaten und spielt eine wichtige Rolle bei der Wechselwirkung mit den beiden anderen Molekülen. In Abbildung 5b kann beobachtet werden, dass der Abstand und der Winkel zwischen dem polaren aromatischen Molekül und dem aromatischen Naphthenmolekül 4,6 Å und 89° betragen, was auf eine T-förmige π-π-Stapelwechselwirkung zwischen den beiden aromatischen Molekülen hinweist. Der Winkel und der Abstand zwischen dem aromatischen Naphthen und dem Asphalten verringern sich auf 32° bzw. 4,6 Å. Dies deutet darauf hin, dass die ungebundenen Wechselwirkungen zwischen Naphthenaromaten und Asphalten dazu führen, dass sie sich drehen und die Orientierung allmählich anpassen, was zur Benetzung der Rissoberfläche beiträgt. Die Orientierungen der drei Moleküle sind nach 50 ps fast parallel, da die Winkel zwischen ihnen 26° und 35° betragen, wie in Abbildung 5c gezeigt. Der Abstand zwischen ihnen sinkt unter 4,0 Å, was darauf hindeutet, dass die π-π-Stapelung die parallele Struktur erleichtert und die aromatischen Moleküle näher zusammenbringt. Insgesamt fördert die Neuorientierung an der Rissoberfläche die Wechselwirkung von Asphaltmolekülen, was den intermolekularen Abstand verkürzt und die Anziehungskraft auf sie erhöht. Die Neuorientierung und Diffusion von Asphaltmolekülen unterstützt die Auffüllung der Risszone weiter und beschleunigt den Selbstheilungsprozess.

Figure 5
Abbildung 5: Die Neuorientierung von Asphaltmolekülen während des Selbstheilungsprozesses. Winkel und Abstände zwischen Asphaltmolekülen (a) vor der Selbstheilung, (b) nach 40 ps und (c) bei 50 ps. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Mobilität von Asphaltbauteilen
Um die Rolle verschiedener Komponenten quantitativ im Selbstheilungsverhalten von Asphalt zu verstehen, wird der MSD der Mittelmasse für Asphaltverbundwerkstoffe berechnet, um die Übergangsmobilität während des Selbstheilungsprozesses darzustellen, die ausgedrückt wird durch:

Equation 2

wobei ri(t) der Positionsvektor von Teilchen i zum Zeitpunkt t ist und die Winkelklammer den Durchschnittswert der Verfahrstrecke angibt. Die MSD-Werte von reinem Asphalt und graphenmodifiziertem Asphalt sind nachverfolgt und in Abbildung 6 dargestellt. Abbildung 6a-c zeigt den MSD von Asphaltverbundwerkstoffen mit einem Riss von 15 Å Breite, während solche mit einem Riss von 35 Å in Abbildung 6d-f dargestellt sind. Es kann beobachtet werden, dass gesättigte Fettsäuren die aktivste Komponente im Selbstheilungsverhalten von Asphalt sind, während Asphalten am wenigsten aktiv ist. Es gibt zwei mögliche Gründe: Einer bezieht sich auf die Molekülmasse, da Asphaltene die höchste Molekülmasse in Asphalt haben und sie weniger in der Lage sind, sich zu bewegen und die Risszone zu füllen. Die andere ist die kettenartige Struktur von gesättigten Fettsäuren, die eine höhere Beweglichkeit als andere Komponenten aufweisen und sich eher an der Rissoberfläche verfangen und ausdehnen. Die Beweglichkeit von polaren Aromaten ist höher als die von Naphthenaromaten; Dies liegt an der höheren Molekülmasse und Polarität polarer Aromaten. Die polaren Atome auf polaren Aromaten, wie Schwefelatome, können eine H-Bindung mit Asphaltenen eingehen, und die Beweglichkeit kann behindert werden. Die MSD-Zahlen für graphenmodifizierten Asphalt im oberen Bereich der Rissspitze und der linken Rissfläche sind in Abbildung 6b und Abbildung 6c dargestellt. In Abbildung 6b ist zu sehen, dass der MSD von Graphen niedriger ist als der von Asphaltkomponenten, da Graphen das größte Volumen einnimmt und die höchste Molekularmasse in den Asphalt-Nanokompositen aufweist. Die MSD-Werte von Asphaltbauteilen sind relativ niedriger als die von reinem Asphalt; Denn die Wechselwirkungen zwischen diesen Molekülen und Graphen behindern die Beweglichkeit der Asphaltmoleküle und verlangsamen den Selbstheilungsprozess. Wenn Graphen jedoch an der linken Rissoberfläche platziert wird, verbessern sich die Beweglichkeiten von polaren Aromaten, Naphthenaromaten und Graphen im Vergleich zu reinem Asphalt signifikant. Dies deutet darauf hin, dass Graphen eine wichtige Rolle im Selbstheilungsprozess spielt und dass seine Wechselwirkungen mit aromatischen Molekülen im Asphalt zum Selbstheilungsprozess von Asphalt beitragen. Für den Rissfall mit einer Breite von 35 Å in Abbildung 6d folgt der MSD von reinem Asphalt einem ähnlichen Trend wie der Fall mit einer Rissbreite von 15 Å, da der MSD von Asphalten, polaren Aromaten, Naphthenaromaten und gesättigten Fettsäuren zunehmend variiert. Beim Einfügen von Graphen in den oberen Bereich der Rissspitze nimmt der MSD der gesättigten Fettsäuren um etwa 15 Å2 ab. Die Existenz von Graphenplatten in Asphaltmassen vertikal beeinflusst den beweglichen Raum der gesättigten Moleküle und verhindert die Wege der Selbstheilung. Aus Abbildung 6f kann beobachtet werden, dass die MSD-Werte von Asphalten, polaren Aromaten und Naphthenaromaten im Vergleich zu reinem Asphalt verbessert werden, während der MSD von gesättigten Fettsäuren leicht abnimmt. Graphen ist in hohem Maße für die Verbesserung des Selbstheilungsprozesses verantwortlich, insbesondere bei Molekülen, die Aromaten enthalten. Die π-π-Stapelwechselwirkungen zwischen Graphen und Asphalten, polaren Aromaten und Naphthenaromaten verbessern die Beweglichkeit dieser Asphaltmoleküle und tragen dazu bei, eine stabile Packungsstruktur in der Risszone zu bilden, die den Selbstheilungsprozess von Asphalt beschleunigt.

Figure 6
Abbildung 6: MSD von reinem Asphalt und graphenmodifizierten Asphaltmolekülen während des Selbstheilungsprozesses. Für die Modelle mit 15 Å Rissbreite wird MSD von (a) reinem Asphalt und graphenmodifiziertem Asphalt auf (b) der Oberseite der Rissspitze und (c) der linken Oberfläche dargestellt. Für die Modelle mit 35 Å Rissbreite wird MSD von (d) reinem Asphalt und graphenmodifiziertem Asphalt auf (e) der Oberseite der Rissspitze und (f) der linken Rissfläche dargestellt. Die X-Achse stellt den Zeitpunkt der Simulation dar und die Y-Achse stellt die MSD-Werte der Asphaltkomponenten und des Graphenmoleküls während des Selbstheilungsprozesses dar. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Molekulare Orte nach der Selbstheilung
Um die relativen Orte zwischen Graphen- und Asphaltmolekülen während des Selbstheilungsprozesses zu untersuchen, werden die radialen Verteilungsfunktionen zwischen Graphen und aromatischen Molekülen in Asphalt berechnet und in Abbildung 7 gezeigt. Abbildung 7a-c zeigt den RDF des Modells mit 15 Å Rissbreite vor und nach dem Selbstheilungsprozess. Es ist zu sehen, dass sich die aromatischen Moleküle im Asphalt nach dem Selbstheilungsprozess näher an die Graphenschicht bewegen, insbesondere die polaren aromatischen Moleküle und die aromatischen Naphthenmoleküle. Wie in Abbildung 4 gezeigt, gibt es starke π-π-Stapelwechselwirkungen zwischen Graphen und aromatischen Molekülen wie Asphalten, polaren Aromaten und Naphthenaromaten, die dazu führen, dass die Graphenschicht diese Moleküle in Richtung der Rissoberfläche zieht. Der Unterschied in den g(r)-Werten von Asphalten vor und nach der Selbstheilung ist jedoch nicht so signifikant wie der von polaren Aromaten und Naphthenaromaten. Dies liegt daran, dass die Asphaltenmoleküle eine höhere Molekülmasse und ein höheres Volumen erhalten als die polaren aromatischen und naphthenaromatischen Moleküle, was es für sie schwieriger macht, sich zu drehen und in den Graphenbereich zu diffundieren und die Risszone zu füllen. Die erhöhten g(r)-Werte zwischen Graphen und polaren aromatischen oder naphthenaromatischen Molekülen innerhalb von 4,0 Å liegen innerhalb der typischen Wechselwirkungsdistanz für π-π-Stapelung, und die erhöhten g(r)-Werte jenseits von 4,0 Å sind auf die Kombination molekularer Wechselwirkungen und die Eliminierung der Risszone zurückzuführen. Ein RDF des Modells mit 35 Å Rissbreite vor und nach dem Selbstheilungsprozess ist in Abbildung 7d-f dargestellt. Die g(r)-Werte zwischen Graphen und Asphalten jenseits von 4,0 Å durch den Selbstheilungsprozess sind offensichtlicher als die der 15 Å Rissbreite; Dies liegt daran, dass Asphalten mehr Platz hat, um zu diffundieren und sich in Richtung des Graphens in der größeren Risszone zu bewegen. Die g(r)-Werte innerhalb von 4,0 Å sind für Naphthenaromaten signifikanter als für polare Aromaten; Dies ist auf die geringere Molekülmasse und die bessere Diffusionsfähigkeit von naphthenaromatischen Molekülen zurückzuführen.

Figure 7
Abbildung 7: Die RDF-Werte zwischen Graphen an der linken Rissfläche und den Asphaltkomponenten. Die RDF-Werte zwischen Graphen an der linken Rissoberfläche und den Asphaltkomponenten von (a) Asphalten, (b) polaren Aromaten, (c) Naphthenaromaten aus dem Modell mit 15 Å Rissbreite, (d) Asphalten, (e) polaren Aromaten und (f) Naphthenaromaten aus den Modellen mit 35 Å Rissbreite. Die X-Achse stellt den Abstand der beiden Moleküle und die Y-Achse die RDF-Werte dar. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

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Discussion

Die kritischen Schritte innerhalb des Protokollteils lauten wie folgt: Schritt 1.4 - Bauen und verpacken Sie die vier Arten von Asphaltmolekülen; Schritt 1.5 - Bauen Sie die Asphaltstruktur mit dem Riss auf; Schritt 2.3 - Erreichen des Gleichgewichts; Schritt 2.4 - Führen Sie den Selbstheilungsprozess durch. Diese Schritte zeigen die zusammenhängendsten und wichtigsten Inhalte des Protokolls an. Um die gewünschten Formen des eingefügten Risses zu erzeugen, wird der Verpackungsprozess im Vergleich zur normalen Verpackung in Materials Studio modifiziert. Die Rissform wird erstellt und in die Simulationsbox gefüllt, und dann werden die Asphaltmoleküle in den anderen Teil der Simulationsbox gepackt. Danach werden die redundanten Asphaltmoleküle um die entstandene Risskontur gelöscht. Die Einschränkung von MD-Simulationen besteht darin, dass die Zeitskala und die Längenskala in der Größenordnung von Nanosekunden und Nanometern im Vergleich zu herkömmlichen Methoden wie der Finite-Elemente-Methode, bei der die Simulationen bis zu Sekunden und Metern57 analysiert werden können, relativ klein sind. Die Bedeutung dieser Methode besteht darin, dass sie den Selbstheilungsmechanismus von Asphalt und graphenmodifiziertem Asphalt auf atomarer Ebene aufdecken kann, indem sie die Entwicklung der Nanostruktur, molekulare Wechselwirkungen und Bewegungen erfasst, die mit traditionellen Ansätzen schwer zugänglich sind58. Der Selbstheilungsmechanismus kann Forschern und Ingenieuren helfen, Nanomaterialien an der entsprechenden Stelle aufzubringen und Asphalt effizient zu verbessern. Die zukünftige Anwendung dieser Technik besteht darin, dass sie die molekulare Struktur auf anständige Weise überwachen und dazu beitragen kann, die Wirkung anderer Variablen von Nanomaterialien wie Defekte, gefaltete Strukturen und funktionelle Gruppen zu untersuchen. Diese Technik kann auch mit anderen Ansätzen kombiniert werden, um das Selbstheilungsverhalten von Asphalt-Nanokompositen aus einem Multiskalenaspekt zu beobachten. Die Selbstheilungseigenschaften von Asphalt können gründlich verstanden werden und werden in Zukunft deutlich verbessert.

Graphen ist entscheidend für die Veränderungen und die Migration der Schnittstelle und der Komponenten während des Selbstheilungsprozesses. Ohne das Einfügen der Graphenplatte spielt Sättigung eine wichtige Rolle im Selbstheilungsprozess, da sich die Kettenstruktur der gesättigten Fettsäuren miteinander verschränken und die Rissoberfläche überbrücken kann. Die Überbrückungswirkung zwischen gesättigten Molekülen und den Seitenketten von Asphaltenmolekülen kann die Packungsdichte stark erhöhen und die Zeit des Selbstheilungsprozesses verkürzen. Außerdem orientieren sich Asphaltmoleküle mit polyaromatischen Ringen, wie Asphalten, polare Aromaten und Naphthenaromaten, an der Rissoberfläche durch π-π-Stapelung neu, wodurch sich die Asphaltmoleküle in eine parallele Richtung bewegen und zur Rissbenetzung beitragen und die Rissoberflächen schließen. Beim Einfügen von Graphen werden die polaren aromatischen Moleküle auf einer Seite der Rissoberfläche von der Graphenschicht auf der anderen Seite der Rissoberfläche angezogen, was die Wahrscheinlichkeit erhöhen kann, dass sich nahe gelegene naphthenaromatische Moleküle in den Rissbereich bewegen. Die gesammelten Asphaltmoleküle, die von der Graphenschicht angezogen werden, können die Risszone mit einer höheren Geschwindigkeit füllen als in reinem Asphalt, und die Selbstheilungsfähigkeit wird in dem graphenmodifizierten Asphalt-Nanokomposit deutlich verbessert. Asphaltenmoleküle haben eine höhere Molekülmasse und ein höheres Volumen in der Asphaltmatrix, wodurch sie schwer in den Graphenteil diffundieren und die Risszone ausfüllen können. Naphthenaromaten haben eine schnellere Bewegung als polare Aromaten, was auf die geringere Molekülmasse und die bessere Diffusionsfähigkeit der aromatischen Naphthenmolekülezurückzuführen ist 39.

In dieser Studie werden die selbstheilenden Eigenschaften von reinem Asphalt und graphenmodifizierten Asphalt-Nanokompositen unter Berücksichtigung unterschiedlicher Rissbreiten und Graphenpositionen mittels MD-Simulationen untersucht. Es wird beobachtet, dass das Selbstheilungsverhalten im Bereich der Rissspitze beginnt, wobei die scharfe Spitze stumpf und unscharf wird. Asphaltmoleküle an der Rissgrenze können diffundieren, um die Breite des Risses zu verringern und den Spalt weiter zu füllen. Der vollständige Selbstheilungsprozess wird bestätigt, wenn die Atomdichte der Rissfläche die gleiche ist wie die der Asphaltmasse. MD-Simulationen können helfen, die molekularen Wechselwirkungen und die Kettenbewegung in der Asphaltmatrix während des Selbstheilungsprozesses aufzudecken. Die Verschränkung und Neuorientierung von Asphaltmolekülen spielt eine wichtige Rolle bei Selbstheilungsverhalten. Die Selbstheilungsrate beim Einbau der Graphenschicht wird durch ihre Lage bestimmt. Für die Graphenplatte, die sich im Bereich der Rissspitze befindet, wird die Bewegung der Asphaltmoleküle behindert und kann nicht leicht in die Risszone diffundieren. Für die Graphenschicht an der Seite der Risszone werden die Asphaltmoleküle aufgrund der π-π-Stapelwechselwirkung von der Graphenplatte angezogen und sammeln sich leicht in der Risszone, was auf eine zunehmende Selbstheilungsrate hinweist. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die Modifikation von Asphalt durch Nanomaterialien sowohl thermomechanische als auch selbstheilende Eigenschaften verbessern kann, was ein großes Potenzial für die Entwicklung intelligenter Asphaltbeläge hat. Das grundlegende Verständnis des Selbstheilungsmechanismus in Asphalt-Nanokompositen auf der Grundlage von MD-Simulationen kann die effiziente Manipulation von Nanomaterialien an der optimalen Stelle erleichtern, was für das fortschrittliche Design von Asphalt-Nanokompositen mit den gewünschten Eigenschaften und Funktionen von Vorteil ist.

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Disclosures

Die Autoren haben keine Interessenkonflikte zu erklären.

Acknowledgments

Die Autoren sind dankbar für die Unterstützung durch den City University of Hong Kong Strategic Research Grant mit der Projekt-Nr. 7005547, die Unterstützung durch den Research Grants Council (RGC) der Sonderverwaltungsregion Hongkong, China, mit der Projekt-Nr. R5007-18 und die Unterstützung des Shenzhen Science and Technology Innovation Committee im Rahmen des Zuschusses JCYJ20170818103206501.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Atomistic models of asphalt and graphene/Materials Studio BIOVIA Materials Studio 8.0 The atomistic models are built for molecular dynamics simulations.
Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator Package Sandia National Laboratories lammps-stable20 The equilibrium is achieved under NPT ensemble, and the atomistic models get self-healed.
OVITO Materials Science Department of Technische Universität Darmstadt, Germany ovito-basic-3.1.0-win64 The self-healing behaviors of the atomistic models are visualized.
Origin OriginLab Origin 2018 64Bit The contours of the atom numbers of the trajectory are drawn and analyzed.

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Engineering Ausgabe 183 Asphalt Graphen Molekulardynamiksimulationen Selbstheilung
Fortschrittlicher selbstheilender Asphalt, verstärkt durch Graphenstrukturen: eine atomistische Erkenntnis
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Nie, F., Jian, W., Lau, D. Advanced… More

Nie, F., Jian, W., Lau, D. Advanced Self-Healing Asphalt Reinforced by Graphene Structures: An Atomistic Insight. J. Vis. Exp. (183), e63303, doi:10.3791/63303 (2022).

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