由石墨烯结构增强的先进自修复沥青：原子尺度洞察

摘要

与纯沥青相比，石墨烯改性沥青纳米复合材料表现出更优异的自修复能力。在本方案中，采用分子动力学模拟来理解石墨烯在自修复过程中的作用，并从原子层面探究沥青组分的自修复机制。

摘要

石墨烯可提高沥青的自愈性能并实现高耐久性。然而，目前对于石墨烯改性沥青纳米复合材料的自愈行为以及石墨烯在其中所起的作用仍不明确。本研究通过分子动力学模拟，对纯沥青和石墨烯改性沥青的自愈性能进行了探究。研究构建了两种裂纹宽度及石墨烯位置的沥青体相模型，并分析了沥青组分与石墨烯片层之间的分子相互作用。结果表明，石墨烯的位置显著影响沥青的自愈行为。位于裂纹表面附近的石墨烯可通过与芳香分子发生π-π堆积作用，显著加速自愈过程；而位于裂纹尖端顶部区域的石墨烯对该过程影响较小。沥青的自愈过程涉及沥青质、极性芳香分子和环烷芳香分子的重新取向，以及饱和分子在裂纹表面之间形成桥接。对自愈机制的深入理解有助于阐明自愈性能的增强机理，将为开发耐久型沥青路面提供理论支持。

引言

在日常车辆荷载和多变环境条件作用下，以及沥青在使用过程中的老化，会导致其性能退化甚至发生结构性破坏，例如开裂和松散，从而进一步削弱沥青路面的耐久性。沥青自身具有自动修复微裂纹和孔隙的内在响应能力，有助于其从损伤中恢复并重建强度¹。这种自愈能力可显著延长沥青的使用寿命，降低养护成本，并减少温室气体排放^2,3。沥青的自愈行为通常受多种影响因素制约，包括其化学组成、损伤程度以及环境条件⁴。人们期望沥青具备更优的自愈能力，能够在较短时间内完全修复损伤；这在土木工程领域引发了对提升沥青路面力学性能和耐久性的广泛研究兴趣。

提高沥青自愈能力的新方法主要包括三种途径——诱导加热、封装修复和掺入纳米材料——这些方法可单独或同时应用^5,6。诱导加热可显著提升沥青的流动性，并激活其自愈以实现性能恢复⁷。通过诱导加热实现的沥青自愈技术属于辅助自愈技术，即通过外部刺激来改善沥青的自愈性能。添加钢纤维的目的是增强导电性，从而提高沥青胶结料的修复能力⁸。产生热量的方法是将这些导电纤维....

方案

1. 构建原子级模型

1. 打开 Materials Studio 软件，创建五个三维原子级文档，并将这些文档分别重命名为 graphene、asphaltene、polar aromatics、naphthene aromatics 和 saturates。
2. 在三维原子级文档中，使用 Sketch Atom 选项构建石墨烯片的晶胞，以建立石墨烯模型。
3. 通过 Build > Symmetry 菜单中的 Supercell 选项构建最终结构。将石墨烯片的尺寸定义为 40 Å × 40 Å，该尺寸大于沥青链长度和裂纹宽度。
4. 构建并堆积四种类型的沥青分子。
   1. 使用 Sketch Atom 选项分别绘制 asphaltene、polar aromatics、naphthene aromatics 和 saturates 的分子结构。
   2. 通过 Modules > Amorphous Cell 菜单中的 Calculation 选项，将这四种沥青分子填充至模拟盒子中。
5. 构建含裂纹的沥青结构。
   1. 将裂纹区域在 x 方向的高度设置为与盒子高度相同，即 70 Å；在 y 方向的深....

结果

原子数量的轮廓
纯沥青和石墨烯改性沥青模型在 yz 平面上的原子数量轮廓如图3所示，其中颜色条从蓝色到红色表示原子数量从 0 变化到 28。图3a-c 展示了纯沥青以及在裂纹尖端和裂纹表面处由石墨烯改性的沥青纳米复合材料中，裂纹宽度为 15 Å 的结构的原子数量轮廓。对于纯沥青，大约在 300 ps 后完成完全自愈。自愈行为从裂纹尖端区域开始：在 50 ps 后，裂纹尖端周围的区域变为熔融的钝形并呈现蓝色，同时若干沥青分子在裂纹尖端中部桥接两个裂纹表面。轮廓中的绿色区域代表本体沥青，表明裂纹区域已实现完全自愈。在约 100 ps 时，裂纹区域几乎闭合，仅残留少量空隙，初始裂纹表面的颜色已转变为绿色，表明这些区域的自愈过程已完成；然而，仍存在部分蓝色和白色区域有待进一步自愈。大约在 300 ps 后，裂纹区域的大部分颜色已变为与沥青本体相同的绿色，表明自愈过程已全部完成。如

讨论

方案部分的关键步骤如下：步骤 1.4 —— 构建并填充四种沥青分子；步骤 1.5 —— 构建含裂纹的沥青结构；步骤 2.3 —— 达到平衡状态；步骤 2.4 —— 执行自愈过程。这些步骤代表了本方案中最核心且重要的内容。为了生成所期望的插入裂纹形状，与 Materials Studio 中的常规填充方法相比，此处对填充过程进行了修改。具体而言，首先在模拟盒子内部创建并填充裂纹形状，然后将沥青分子填充至模拟盒子的其余区域。随后，删除所创建裂纹轮廓周围的多余沥青分子。分子动力学（MD）模拟的局限性在于，其时间尺度和长度尺度相对较小，通常为纳秒和纳米量级，而与之相比，有限元法等传统方法的模拟分析可达到秒级和米级⁵⁷。本方法的意义在于，它能够通过捕捉纳米结构演化、分子间相互作用及分子运动，从原子层面揭示沥青及石墨烯改性沥青的自愈机制，而这些信息难以通过传统方法获得⁵⁸。该自愈机制的研究可帮助科研人员和工程师在适当位置应用纳米材料，并以更高效的方式改进沥青性能。该技术未来的应用方向包括：以较为理想的方式监测分子结构，并有助于研究纳米材料其他变量的影响，.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
沥青与石墨烯的原子级模型/Materials Studio	BIOVIA	Materials Studio 8.0	原子级模型被用于构建分子动力学模拟。
大规模原子/分子并行模拟器软件包	桑迪亚国家实验室	lammps-stable20	在NPT系综下达到平衡，原子模型实现自愈合。
OVITO	德国德累斯顿工业大学材料科学系ä德国达姆施塔特	ovito-basic-3.1.0-win64	原子模型的自愈行为被可视化。
起源	OriginLab	Origin 2018 64位	绘制并分析轨迹中原子数量的轮廓。