Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Zaawansowany samonaprawiający się asfalt wzmocniony strukturami grafenu: atomistyczny wgląd

4.9K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/63303

⸱

31 maja 2022

 ,  , 
1Department of Architecture and Civil Engineering, City University of Hong Kong

* These authors contributed equally

W tym artykule

Podsumowanie

Nanokompozyt asfaltowy modyfikowany grafenem wykazał zaawansowaną zdolność samoregeneracji w porównaniu do czystego asfaltu. W tym protokole zastosowano symulacje dynamiki molekularnej w celu zrozumienia roli grafenu w procesie samonaprawy oraz zbadania mechanizmu samonaprawy składników asfaltowych na poziomie atomowym.

Streszczenie

Grafen może poprawić właściwości samoregenerujące asfaltu dzięki wysokiej trwałości. Jednak zachowania samoregenerujące nanokompozytu asfaltowego modyfikowanego grafenem i rola wbudowanego grafenu są nadal niejasne na tym etapie. W tym badaniu właściwości samoregenerujące czystego asfaltu i asfaltu modyfikowanego grafenem są badane za pomocą symulacji dynamiki molekularnej. Wprowadzane są masy asfaltowe o dwóch szerokościach i lokalizacjach pęknięć dla grafenu, a także analizowane są interakcje molekularne między składnikami asfaltu a arkuszem grafenu. Wyniki pokazują, że lokalizacja grafenu znacząco wpływa na samoregenerujące się zachowania asfaltu. Grafen w pobliżu powierzchni pęknięcia może znacznie przyspieszyć proces samonaprawy poprzez interakcję z cząsteczkami aromatycznymi poprzez układanie π-π, podczas gdy grafen w górnej części końcówki pęknięcia ma niewielki wpływ na proces. Proces samonaprawy asfaltu przebiega poprzez reorientację cząsteczek asfaltenu, polarnych cząsteczek aromatycznych i naftenów aromatycznych oraz mostkowanie nasyconych cząsteczek między powierzchniami pęknięć. To dogłębne zrozumienie mechanizmu samonaprawy przyczynia się do wiedzy na temat poprawy właściwości samoregenerujących, co pomoże w opracowaniu trwałych nawierzchni asfaltowych.

Wprowadzenie

Pogorszenie stanu pod wpływem codziennych obciążeń pojazdów i zmiennych warunków środowiskowych oraz starzenie się asfaltu podczas eksploatacji prowadzą do degradacji, a nawet awarii strukturalnych, takich jak pękanie i łuszczenie, co może dodatkowo osłabić trwałość nawierzchni asfaltowych. Naturalna zdolność asfaltu do naprawy mikropęknięć i pustek automatycznie pomaga mu regenerować się po uszkodzeniach i odzyskiwać wytrzymałość1. Ta zdolność do samonaprawy może znacząco wydłużyć okres eksploatacji asfaltu, obniżyć koszty konserwacji i zmniejszyć emisję gazów cieplarnianych2,3. Zdolność asfaltu do samonaprawy zależy zazwyczaj od kilku czynników wpływających, w tym od jego składu chemicznego, stopnia uszkodzenia oraz warunków środowiskowych4. Pożądanym rozwiązaniem jest poprawa zdolności samonaprawy asfaltu, która pozwoliłaby na całkowite usunięcie uszkodzeń w krótkim czasie; zagadnienie to wzbudziło szerokie zainteresowanie badawcze w zakresie poprawy właściwości mechanicznych i trwałości nawierzchni asfaltowych w inżynierii lądowej.

Nowoczesne metody poprawy zdolności do samonaprawy asfaltu obejmują głównie trzy podejścia – indukowanie ciepła, naprawę poprzez enkapsulację oraz wprowadzanie nanomateriałów – które mogą być stosowane oddzielnie lub jednocześnie5,6. Indukowanie ciepła może znacząco poprawić mobilność asfaltu i aktywować jego procesy samonaprawy w celu regeneracji7. Technologia samonaprawy asfaltu poprzez indukowanie ciepła może być przypisana do technik wspomaganej samonaprawy, co oznacza, że właściwości samonaprawcze asfaltu są poprawiane za pomocą zewnętrznych bodźców. Celem dodania włókien wełny stalowej jest zwiększenie przewodnictwa elektrycznego, aby zwiększyć zdolność naprawczą lepiszcza asfaltowego8. Metoda indukowania ciepła polega na poddaniu tych przewodzących elektrycznie włókien działaniu wysokoczęstotliwościowego przemiennego pola elektromagnetycznego, co może wywołać prądy wirowe, a energia cieplna może rozprzestrzenić się w lepiszczu asfaltowym poprzez przewodzące włókna9. Włókna wełny stalowej zwiększają nie tylko przewodnictwo elektryczne, ale także przewodnictwo cieplne, z czego oba czynniki mogą pozytywnie wpływać na właściwości samonaprawcze asfaltu. Jednakże trudnością jest wybór odpowiedniego czasu mieszania włókien10. Długość włókien zmniejsza się wraz z wydłużeniem czasu mieszania, co wpływa na przewodnictwo cieplne, natomiast zbyt krótki czas mieszania prowadzi do powstawania aglomeratów włókien i pogarsza właściwości mechaniczne asfaltu9. Metoda enkapsulacji pozwala na dostarczenie lekkich komponentów starzonego asfaltu, takich jak aromaty i saturaty, i odświeża zdolność samonaprawy asfaltu11,12. Jest to jednak zabieg jednorazowy, a materiały naprawcze nie mogą zostać uzupełnione po ich uwolnieniu. Wraz z rozwojem nanotechnologii, nanomateriały stały się obiecującymi modyfikatorami ulepszającymi materiały na bazie asfaltu. Lepiszcza asfaltowe z dodatkiem nanomateriałów wykazują lepsze przewodnictwo cieplne i właściwości mechaniczne13. Grafen, charakteryzujący się doskonałymi parametrami mechanicznymi i wysoką sprawnością cieplną, jest uważany za znakomitego kandydata do poprawy zdolności samonaprawy asfaltu14,15,16,17. Zwiększone właściwości naprawcze asfaltu modyfikowanego grafenem można przypisać faktowi, że grafen zwiększa zdolność lepiszcza asfaltowego do nagrzewania się i generuje transfer ciepła wewnątrz lepiszcza, co oznacza, że asfalt modyfikowany grafenem może być nagrzewany szybciej i osiągać wyższe temperatury niż asfalt czysty18. Wygenerowane ciepło może być przenoszone przez asfalt modyfikowany grafenem z większą prędkością niż przez asfalt czysty. Obszar pęknięć lepiszcza asfaltowego może być łatwiej poddany wpływowi i szybciej naprawiony dzięki przepływowi ciepła o wyższej temperaturze i większej pojemności cieplnej. Reakcja samonaprawy rozpocznie się, jeśli na powierzchni pęknięcia asfaltu pojawi się energia równa lub większa od energii aktywacji procesu naprawy19. Grafen może poprawić wydajność naprawy aktywowanej termicznie i przyspieszyć tempo naprawy asfaltu19,20. Ponadto grafen może zredukować zużycie energii grzewczej nawet o 50% podczas procesu naprawy, co może przynieść korzyści w zakresie efektywności energetycznej i obniżyć koszty konserwacji21. Jako materiał absorbujący mikrofale, grafen według doniesień poprawia zdolność naprawy asfaltu podczas okresów spoczynku w trakcie ogrzewania mikrofalowego22. Oczekuje się, że dodanie grafenu do asfaltu poprawi nie tylko parametry mechaniczne, ale także zdolność do samonaprawy i oszczędność energii, co wymaga pogłębionej wiedzy na temat mechanizmu samonaprawy.

Samonaprawa w nanoskali wynika głównie z zwilżania i dyfuzji cząsteczek asfaltu na pękniętych powierzchniach23. Ponieważ asfalt składa się z różnych cząsteczek polarnych i niepolarnych, jego zdolność do samonaprawy jest ściśle powiązana z oddziaływaniami molekularnymi i ruchami cząsteczek różnych komponentów asfaltu1. Jednakże obecne badania opierają się głównie na technikach eksperymentalnych w celu ilościowego określenia makroskopowych właściwości mechanicznych, co prowadzi do braku informacji o zmianach w mikrostrukturach i oddziaływaniach między cząsteczkami asfaltu podczas prób zrozumienia mechanizmu naprawy. Mechanizm wzmacniania przez grafen w zakresie zdolności samonaprawy asfaltu jest na tym etapie również niejasny. Symulacje dynamiki molekularnej (MD) odgrywają istotną rolę w badaniu oddziaływań molekularnych i ruchów systemów nanokompozytowych, wiążąc deformację mikrostrukturalną z oddziaływaniami i ruchami cząsteczek24,25,26,27,28,29,30,31. Symulacje MD stają się coraz bardziej popularne w analizie zachowań materiałów, których nie można łatwo zbadać metodami eksperymentalnymi32,33. Istniejące badania wykazały wykonalność i dostępność symulacji MD w systemach asfaltowych; za pomocą symulacji MD można badać kohezję, adhezję, starzenie oraz właściwości termomechaniczne asfaltu i kompozytów asfaltowych34,35,36,37. Zachowania samonaprawy asfaltu mogą być również przewidywane za pomocą symulacji MD38,39,40. W związku z tym uważa się, że badania z wykorzystaniem symulacji MD są skutecznym sposobem zrozumienia zarówno mechanizmów samonaprawy, jak i wzmacniania.

Celem niniejszego badania jest analiza zachowań samonaprawczych czystego asfaltu oraz nanokompozytów asfaltowych modyfikowanych grafenem, a także zrozumienie roli grafenu w poprawie zdolności regeneracyjnych asfaltu za pomocą symulacji MD. Symulacje samonaprawy czystego asfaltu oraz kompozytów asfaltowych modyfikowanych grafenem przeprowadzono poprzez wprowadzenie pęknięć do struktur początkowych. Zdolności do samonaprawy charakteryzowano za pomocą konturu liczby atomów, reorientacji i splątania cząsteczek na powierzchni pęknięcia oraz mobilności składników asfaltu podczas procesów samonaprawy. Poprzez zbadanie efektywności regeneracji grafenu w różnych miejscach ujawniono mechanizm wzmacniający grafenu, który przyczynia się do zdolności samonaprawy asfaltu, co może pomóc w optymalnym monitorowaniu nanofillerów i tym samym umożliwić wydłużenie żywotności nawierzchni asfaltowych. Badanie zdolności samonaprawy w skali atomowej może zapewnić efektywny sposób opracowania zaawansowanych materiałów na bazie asfaltu dla przyszłych badań.

Zgodnie z chemią asfaltów, asfalt składa się z różnych rodzajów węglowodorów i związków niewęglowodorowych o różnej polarności i kształcie, które można podzielić głównie na cztery komponenty: asfalteny, aromaty polarne, aromaty naftenowe i saturaty41,42. Cząsteczki asfaltenów są stosunkowo większe i cięższe niż inne cząsteczki w asfalcie, ze średnią masą atomową wynoszącą około 750 g/mol i średnicą cząsteczki w zakresie 10-20 Å. Powszechnie przyjmuje się, że asfalteny składają się z dużych rdzeni aromatycznych zawierających heteroatomy, które są otoczone grupami alkilowymi o różnej długości43. Zbudowano zmodyfikowaną cząsteczkę asfaltenu, jak pokazano na Rysunku 1a. Cząsteczki aromatów polarnych i aromatów naftenowych zbudowano na podstawie polarności i stosunku pierwiastków cząsteczek asfaltu, gdzie benzobisbenzotiofen (C18H10S2) reprezentuje cząsteczkę aromatyczną polarną, a 1,7-dimetylonaftalen (C12H12) wybrano jako reprezentatywną cząsteczkę aromatyczną naftenową, co pokazano na Rysunku 1b-c. N-dokozan (n-C22H46) zbudowano zgodnie z Rysunkiem 1d. Parametry wymienione w Tabeli 1 dla cząsteczek asfaltu zostały wybrane i zastosowane w celu spełnienia wymaganych kryteriów, w tym frakcji masowych pierwiastków, stosunku atomów oraz stosunku aromatycznego do alifatycznego, typowych dla rzeczywistego asfaltu w badaniach eksperymentalnych41. Ten sam stosunek masowy zdefiniowano w naszych poprzednich badaniach, a pozostałe właściwości termomechaniczne, takie jak gęstość, temperatura przejścia szklistego i lepkość, są zgodne z danymi eksperymentalnymi dla rzeczywistego asfaltu36. Struktura cząsteczkowa grafenu zastosowanego w niniejszym badaniu przedstawiona jest na Rysunku 1e. Przyjęta w tym badaniu warstwa grafenowa nie posiada defektów ani zagięć w przeciwieństwie do rzeczywistych przypadków, podczas gdy rzeczywista warstwa grafenowa zazwyczaj posiada kilka defektów, takich jak wakansy atomowe i defekty Stone'a-Walesa44, a niektóre warstwy grafenowe mogą ulec zagięciu podczas procesu mieszania w matrycy asfaltowej45. Te niedoskonałe sytuacje nie zostały uwzględnione w niniejszym badaniu, ponieważ skupiamy się na wpływie położenia warstwy grafenowej na właściwości samonaprawcze i przyjmujemy go jako jedyną zmienną. Zmienne dotyczące defektów i zagięć warstw grafenowych będą przedmiotem naszych przyszłych badań. Stosunek masy grafenu do asfaltu w niniejszym badaniu wynosi 4,75%, co stanowi typową sytuację (<5%) dla asfaltu modyfikowanego grafenem w eksperymentach46,47.

Struktury cząsteczkowe na schematach do analizy chemicznej; obejmuje pierścienie aromatyczne i siatkę sześciokątów.
Rysunek 1: Struktura chemiczna. Modele atomistyczne (a) cząsteczki asfaltenu (C53H55NOS), (b) aromatycznej cząsteczki naftenowej (C12H12), (c) polarnej cząsteczki aromatycznej (C18H10S2), (d) cząsteczki nasyconej (C22H46), (e) grafenu oraz (f) czystego asfaltu. W atomistycznym modelu asfaltu atomy węgla, tlenu, azotu, siarki i wodoru przedstawiono odpowiednio w kolorach szarym, czerwonym, niebieskim, żółtym i białym. Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Model asfaltuMasa (g/mol)Wzór chemicznyLiczba cząsteczekMasa całkowita (g/mol)Ułamek masowy (%)
Asfalteny754.04C53H55NOS4332423.7226
Nafteny aromatyczne156.22C12H126510154.38
Aromaty polarne290.38C18H10S27421485.1617
Saturaty310.59C22H4620563670.9549
Spoiwo asfaltowe387127734.13100
Grafen6369.28C525H6316369.28

Tabela 1: Ogólne składniki modelu czystego asfaltu oraz modelu asfaltu modyfikowanego grafenem.

W odniesieniu do opisanego poniżej protokołu, do środka modelu asfaltu wprowadzono dwa rodzaje pęknięć w kształcie klina o różnych rozmiarach, z tępym wierzchołkiem pęknięcia i dwiema równoległymi powierzchniami pęknięcia, podczas gdy środkowa górna część masy asfaltu pozostała nienaruszona. Wybrano dwie szerokości pęknięć: 15 Å i 35 Å, jak pokazano na Rysunku 2a-b. Powodem wyboru 15 Å jest fakt, że szerokość pęknięcia powinna być większa niż wartość odcięcia 12 Å, aby uniknąć przedwczesnego samogojenia cząsteczek asfaltu podczas procesu równowagowania, przy jednoczesnym zbadaniu ekstremalnego przypadku małego pęknięcia. Powodem wyboru 35 Å jest wymóg, aby szerokość pęknięcia była większa niż długość cząsteczek nasyconych wynosząca 34 Å, w celu zapobiegania efektowi mostkowania. Wysokość pęknięcia wynosi 35 Å, co odpowiada szerokości pudełka, a głębokość pęknięcia wynosi 70 Å, co odpowiada długości pudełka. W rzeczywistych warunkach obserwowane rozmiary mikropęknięć mogą się różnić w zakresie od kilku mikrometrów do kilku milimetrów, co jest znacznie większe niż skala długości modelowana w niniejszej pracy. Zazwyczaj skala długości w symulacjach MD jest ograniczona do poziomu 100 nm, co nadal jest o kilka rzędów wielkości mniejsze niż rzeczywisty rozmiar pęknięcia. Jednak pęknięcia inicjują się w skali nanometrycznej i przerastają w pęknięcia w skali makroskopowej wskutek ciągłej deformacji48. Zrozumienie mechanizmu samogojenia w skali nanometrycznej może pomóc w zapobieganiu wzrostowi i dalszemu rozprzestrzenianiu się pęknięć w skali makroskopowej. Mimo że wybrane rozmiary pęknięć mieszczą się w zakresie nanometrycznym, wyniki mogą być nadal istotne i przydatne do badania zachowań samogojenia cząsteczek asfaltu. W obszarach pęknięć wyznaczono dwa miejsca dla arkuszy grafenu: jedno znajduje się nad wierzchołkiem pęknięcia, a drugie jest prostopadłe do lewej powierzchni pęknięcia. Stwierdzono, że są to najczęstsze pozycje grafenu w nanokompozytach modyfikowanych grafenem z pęknięciami49.

Schemat gojenia pęknięcia w asfalcie z integracją arkusza grafenu; wymiary w angstremach.
Rycina 2: Schematy samogojenia dla czystego asfaltu oraz asfaltu modyfikowanego grafenem. Model samogojenia czystego asfaltu z szerokością pęknięcia wynoszącą (a) 15 Å oraz (b) 35 Å. Model samogojenia asfaltu modyfikowanego grafenem, w którym arkusz grafenu znajduje się (c) na szczycie wierzchołka pęknięcia oraz (d) prostopadle do powierzchni pęknięcia. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

W symulacjach MD oddziaływania wewnątrz- i międzycząsteczkowe w nanokompozytach asfaltowych są opisane za pomocą pola sił Consistent Valence Forcefield (CVFF)50, które dobrze sprawdza się w przypadku asfaltu oraz materiałów opartych na grafenie. Postać funkcjonalna CVFF jest wyrażona za pomocą następującego wzoru:

Równanie mechaniki molekularnej, formuła E_total, obejmująca kąty wiązań i oddziaływania niewiążące. 1

Tutaj całkowita energia Etotal składa się z członów energii wiązań oraz członów energii niewiążącej. Oddziaływania wiążące obejmują rozciąganie wiązań kowalencyjnych, energię zginania kąta wiązania, rotację kąta torsyjnego oraz energie nieprawidłowe, wyrażone w czterech pierwszych członach. Energia niewiążąca obejmuje funkcję LJ-12-6 dla członu van der Waalsa (vdW) oraz funkcję Coulomba dla oddziaływań elektrostatycznych. Pole sił CVFF było szeroko stosowane w symulacjach materiałów asfaltowych51,52. Symulowane właściwości fizyczne i mechaniczne, takie jak gęstość, lepkość i moduł ściśliwości, są zgodne z danymi eksperymentalnymi, co potwierdza niezawodność CVFF51. CVFF jest odpowiednie nie tylko dla materiałów nieorganicznych, ale zostało również z sukcesem zastosowane w strukturach składających się z faz organicznych i nieorganicznych, takich jak asfalt-krzemionka52 oraz układ epoksyd-grafen53. Ponadto oddziaływania międzyfazowe między grafenem a asfaltem mogą być charakteryzowane za pomocą CVFF36,54. Ponieważ kluczowym aspektem wyboru pola siłowego jest określenie interfejsu asfalt-grafen, oddziaływania niewiążące opisane przez CVFF są bardziej wiarygodne, co uwzględniono również w naszej poprzedniej pracy36. W rezultacie w niniejszym badaniu przyjęto pole siłowe CVFF. Ładunki cząstkowe dla różnych rodzajów atomów obliczono metodą przypisaną do pola siłowego.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

1. Zbuduj atomistyczne modele

  1. Otwórz oprogramowanie Materials Studio, aby utworzyć pięć dokumentów atomistycznych 3D i zmień ich nazwy odpowiednio na grafen, asfalten, polarne związki aromatyczne, aromaty naftenu i nasycone kwasy tłuszczowe.
  2. Zbuduj model grafenowy, tworząc komórkę elementarną arkusza grafenu w dokumencie atomistycznym 3D za pomocą opcji Szkicuj atom.
  3. Zbuduj ostateczną strukturę, korzystając z opcji Supercell w menu Buduj > symetrii. Zdefiniuj rozmiar arkusza grafenu jako 40 A x 40 A, który jest większy niż łańcuchy asfaltowe i szerokość pęknięć.
  4. Zbuduj i zapakuj cztery rodzaje cząsteczek asfaltu.
    1. Użyj opcji Szkicuj atom, aby oddzielnie narysować struktury molekularne asfaltenu, polarnych związków aromatycznych, naftenów aromatycznych i nasyceń.
    2. Zapakuj cztery rodzaje cząsteczek asfaltu do pola symulacji, korzystając z opcji Obliczenia w menu Moduły > Komórka amorficzna.
  5. Zbuduj strukturę asfaltową z pęknięciem.
    1. Ustaw wysokość strefy rysowania w wymiarze x taką samą jak wysokość pudełka 70 A, a głębokość strefy rysowania w wymiarze y jest równa połowie wysokości ramki jako 35 A.
    2. Ustaw dwie wielkości szerokości rys w wymiarze z 15 A i 35 A. Usuń zbędne cząsteczki w strefach pęknięć środkowego obszaru masy asfaltowej za pomocą opcji Usuń i pozostaw matrycę asfaltu w środkowym obszarze bez zmian.
  6. Zbuduj strukturę asfaltu modyfikowanego grafenem z pęknięciem. Umieść arkusz grafenu w górnej części końcówki pęknięcia i lewej powierzchni pęknięcia oddzielnie przed etapem pakowania za pomocą polecenia Kopiuj + Wklej.
  7. Umieść cząsteczki asfaltu w pudełku symulacyjnym w oparciu o końcowe składy wymienione w tabeli 1, aby skonstruować strukturę asfaltu modyfikowanego grafenem.
  8. Przekonwertuj plik struktury na plik danych. Zapisz pliki struktury jako pliki molekuł z informacjami o strukturze (*.car i *.mdf) z Materials Studio. Przekonwertuj pliki molekuł (*.car i *.mdf) na pliki danych za pomocą narzędzia msi2lmp w pakiecie LAMMPS (symulator masowo równoległy na dużą skalę) atomowym/molekularnym (LAMMPS)55. Odczytaj plik danych za pomocą polecenia read_data w programie LAMMPS.

2. Wykonaj symulacje

  1. Umożliwia zdefiniowanie parametrów symulacji.
    1. Ustaw krok czasowy jako 1 fs w pliku wejściowym, biorąc pod uwagę równowagę dokładności i wydajności przeprowadzonych symulacji.
    2. Ustawić odległość odcięcia oddziaływań niezwiązanych na 12 A, co jest mniejsze niż połowa długości pola symulacji z uwzględnieniem okresowego warunku brzegowego i wydajności obliczeniowej.
    3. Zastosuj algorytm cząstka-cząstka-siatka (PPPM) do opisania oddziaływań kulombowskich dalekiego zasięgu i ustaw względny błąd sił na atom obliczony przez solver dalekiego zasięgu na 10-5, aby uzyskać wysoką dokładność.
  2. Napraw profil pęknięcia. Wybierz cząsteczki asfaltu w profilu za pomocą polecenia Grupuj cząsteczki w LAMMPS. Zastosuj ograniczenia na cząsteczkach asfaltu za pomocą polecenia Napraw sprężynę/Self w LAMMPS, aby uniknąć ruchów cząsteczek asfaltu.
  3. Osiągnij równowagę
    1. Utrzymuj całe pudełko symulacyjne w pełni zrelaksowane po 500 ps w zespole izotermiczno-izobarycznym (NPT) o temperaturze 300 K i ciśnieniu 1 atm.
    2. Spraw, aby masa asfaltu była zrównoważona do pożądanej wartości gęstościpomiarów eksperymentalnych 41 0,95-1,05 g/cm3 poprzez ciągłe badanie wartości temperatury, ciśnienia, gęstości i energii za pomocą polecenia Thermal.
    3. Sprawdź zbieżność energii potencjalnej i przemieszczenia średniokwadratowego (MSD) w całym systemie, aby osiągnąć stan pełnego relaksu.
  4. Wykonaj proces samonaprawy.
    1. Ustaw całe pudełko symulacyjne pod zespołem NPT o temperaturze 300 K i ciśnieniu 1 atm.
    2. Usunąć ograniczenie cząsteczek asfaltu na konturze strefy pęknięć.
    3. Śledź i rejestruj rozmiar pola symulacji oraz współrzędne atomów i używaj polecenia Dump do przetwarzania końcowego.
    4. Uśrednij wyniki symulacji podczas procesu samonaprawy w trzech niezależnych konfiguracjach z trzema różnymi początkowymi początkowymi źródłami, aby zmniejszyć losowe błędy.

3. Przetwarzanie końcowe

  1. Wizualizuj zachowania samouzdrawiające. Otwórz narzędzie Otwórz wizualizację OVITO56, aby zwizualizować postęp symulacji, a następnie otwórz pliki trajektorii w formacie lammpstrj wygenerowanym przez LAMMPS55. Rejestruj migawki procesu samonaprawy i śledź ścieżki cząsteczek asfaltu za pomocą polecenia Renderuj.
  2. Przeanalizuj kontur liczby atomów. Eksportuj współrzędne atomów do oprogramowania do analizy danych i tworzenia wykresów z plików trajektorii wyprowadzonych z LAMMPS. Rzutuj współrzędne atomów w całym układzie na płaszczyznę yz. Zapisz liczby atomów w różnych obszarach płaszczyzny yz i wykreśl kontur w różnych kolorach.
  3. Przeanalizuj ruchliwość atomu i jego względne położenie.
    1. Analizuj ruchliwość atomów różnych składników asfaltu za pomocą przemieszczenia średniokwadratowego (MSD) za pomocą polecenia Compute msd.
    2. Oblicz względne położenie między cząsteczkami grafenu i asfaltu za pomocą krzywych funkcji rozkładu promieniowego (RDF) dla systemu systemów asfaltowych modyfikowanych grafenem o szerokości pęknięć 15 A i 35 A za pomocą polecenia Oblicz rdf w LAMMPS.
    3. Narysuj krzywe RDF, aby sprawdzić, jak zmienia się gęstość asfaltu w funkcji odległości od arkusza grafenu.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Kontur liczby atomów
Kontury liczby atomów dla modeli czystego asfaltu oraz asfaltu modyfikowanego grafenem w płaszczyźnie yz przedstawiono na Rysunku 3, gdzie pasek kolorów od niebieskiego do czerwonego obrazuje liczbę atomów w zakresie od 0 do 28. Rysunek 3a-c ilustruje kontur liczby atomów dla struktur o szerokości szczeliny 15 Å w czystym asfalcie i nanokompozytach asfaltowych modyfikowanych grafenem w w...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Kluczowe kroki w części Protokołu są następujące: krok 1.4 - Zbuduj i upakuj cztery rodzaje cząsteczek asfaltu; krok 1.5 - Zbuduj konstrukcję asfaltową z pęknięciem; krok 2.3 - Osiągnij równowagę; krok 2.4 - Wykonaj proces samonaprawy. Kroki te wskazują najbardziej spójną i najważniejszą treść protokołu. Aby utworzyć pożądane kształty wstawionego pęknięcia, proces pakowania jest modyfikowany w porównaniu z normalnym pakowaniem w Materials Studio. Kształt pęknięcia jest tworzony i wypełniany wewnątrz pudełka symulacyjnego...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie mają do zadeklarowania konfliktu interesów.

Podziękowania

Autorzy są wdzięczni za wsparcie ze strony City University of Hong Kong Strategic Research Grant dla Projektu nr 7005547, wsparcia od Rady ds. Grantów Badawczych (RGC) Specjalnego Regionu Administracyjnego Hongkongu, Chiny, dla Projektu nr R5007-18, oraz wsparcia od Komitetu ds. Innowacji Naukowych i Technologicznych Shenzhen w ramach JCYJ20170818103206501 grantu.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Atomistyczne modele asfaltu i grafenu/Materials StudioBIOVIAMaterials Studio 8.0Modele atomistyczne są zbudowane do symulacji dynamiki molekularnej.
Pakiet symulatora masowo równoległego na dużą skalę atomowo-molekularnegoSandia National Laboratorieslammps-stable20Równowaga jest osiągana w zespole NPT, a modele atomistyczne ulegają samonaprawieniu.
OVITOWydział Inżynierii Materiałowej Technische Universitä t Darmstadt, Niemcyovito-basic-3.1.0-win64Wizualizowane są samonaprawiające się zachowania modeli atomistycznych.
PochodzenieOriginLabOrigin 2018 64BitKontury liczb atomów trajektorii są rysowane i analizowane.

Bibliografia

  1. Sun, D., et al. A comprehensive review on self-healing of asphalt materials: Mechanism, model, characterization and enhancement. Advances in Colloid and Interface Science. 256, 65-93 (2018).
  2. Hung, A. M., Mousavi, M., Fini, E. H. Implication of wax on hindering self-healing processes in bitumen. Applied Surface Science. 523, 146449(2020).
  3. Lv, Q., et al. Investigating the asphalt binder/mastic bonding healing behavior using bitumen bonding strength test and X-ray Computed Tomography scan. Construction and Building Materials. 257, 119504(2020).
  4. Liang, B., et al. Review on the self-healing of asphalt materials: Mechanism, affecting factors, assessments and improvements. Construction and Building Materials. 266, 120453(2021).
  5. Xu, S., et al. Self-healing asphalt review: From idea to practice. Advanced Materials Interfaces. 5, 1800536(2018).
  6. Tabaković, A., Schlangen, E. Self-healing Materials, Advances in Polymer Science. , Chapter 335 285-306 (2015).
  7. García, Á Self-healing of open cracks in asphalt mastic. Fuel. 93, 264-272 (2012).
  8. Karimi, M. M., Amani, S., Jahanbakhsh, H., Jahangiri, B., Alavi, A. H. Induced heating-healing of conductive asphalt concrete as a sustainable repairing technique: A review. Cleaner Engineering and Technology. 4, (2021).
  9. Gulisano, F., Gallego, J. Microwave heating of asphalt paving materials: Principles, current status and next steps. Construction and Building Materials. 278, 121993(2021).
  10. García, Á, Schlangen, E., Ven, M. vd, Bochove, G. v Optimization of composition and mixing process of a self-healing porous asphalt. Construction and Building Materials. 30, 59-65 (2012).
  11. Aguirre, M. A., Hassan, M. M., Shirzad, S., Daly, W. H., Mohammad, L. N. Micro-encapsulation of asphalt rejuvenators using melamine-formaldehyde. Construction and Building Materials. 114, 29-39 (2016).
  12. Su, J. -F., Qiu, J., Schlangen, E., Wang, Y. -Y. Experimental investigation of self-healing behavior of bitumen/microcapsule composites by a modified beam on elastic foundation method. Materials and Structures. 48 (12), 4067-4076 (2014).
  13. Yoo, D. Y., Kim, S., Kim, M. J., Kim, D., Shin, H. O. Self-healing capability of asphalt concrete with carbon-based materials. Journal of Materials Research and Technology-Jmr&T. 8 (1), 827-839 (2019).
  14. Qin, Z., Jung, G. S., Kang, M. J., Min Jeong, M. J. The mechanics and design of a lightweight three-dimensional graphene assembly. Science Advances. 3 (1), 1601536(2017).
  15. Jung, G. S., Yeo, J., Tian, Z., Qin, Z., Buehler, M. J. Unusually low and density-insensitive thermal conductivity of three-dimensional gyroid graphene. Nanoscale. 9 (36), 13477-13484 (2017).
  16. Campbell, P. G., Worsley, M. A., Hiszpanski, A. M., Baumann, T. F., Biener, J. Synthesis and functionalization of 3D nano-graphene materials: Graphene aerogels and graphene macro assemblies. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (105), e53235(2015).
  17. Li, H., et al. Induction heating and healing behaviors of asphalt concretes doped with different conductive additives. Advances in Materials Science and Engineering. 2019, 1-10 (2019).
  18. Moreno-Navarro, F., Sol-Sánchez, M., Gámiz, F., Rubio-Gámez, M. C. Mechanical and thermal properties of graphene modified asphalt binders. Construction and Building Materials. 180, 265-274 (2018).
  19. Liu, J., Hao, P., Dou, Z., Wang, J., Ma, L. Rheological, healing and microstructural properties of unmodified and crumb rubber modified asphalt incorporated with graphene/carbon black composite. Construction and Building Materials. 305, 124512(2021).
  20. Wang, R., Qi, Z., Li, R., Yue, J. Investigation of the effect of aging on the thermodynamic parameters and the intrinsic healing capability of graphene oxide modified asphalt binders. Construction and Building Materials. 230, 116984(2020).
  21. Gulisano, F., Crucho, J., Gallego, J., Picado-Santos, L. Microwave healing performance of asphalt mixture containing Electric Arc Furnace (EAF) slag and Graphene Nanoplatelets (GNPs). Applied Sciences. 10 (4), 1428(2020).
  22. Li, C., Wu, S., Chen, Z., Tao, G., Xiao, Y. Improved microwave heating and healing properties of bitumen by using nanometer microwave-absorbers. Construction and Building Materials. 189, 757-767 (2018).
  23. Varma, R., Balieu, R., Kringos, N. A state-of-the-art review on self-healing in asphalt materials: Mechanical testing and analysis approaches. Construction and Building Materials. 310, 125197(2021).
  24. Lau, D., Jian, W., Yu, Z., Hui, D. Nano-engineering of construction materials using molecular dynamics simulations: Prospects and challenges. Composites Part B: Engineering. 143, 282-291 (2018).
  25. Jian, W., Lau, D. Creep performance of CNT-based nanocomposites: A parametric study. Carbon. 153, 745-756 (2019).
  26. Wang, X. Q., Jian, W., Buyukozturk, O., Leung, C. K. Y., Lau, D. Degradation of epoxy/glass interface in hygrothermal environment: An atomistic investigation. Composites Part B: Engineering. 206, 108534(2021).
  27. Jian, W., Lau, D. Understanding the effect of functionalization in CNT-epoxy nanocomposite from molecular level. Composites Science and Technology. 191, 108076(2020).
  28. Hao, H., Tam, L. -h, Lu, Y., Lau, D. An atomistic study on the mechanical behavior of bamboo cell wall constituents. Composites Part B: Engineering. 151, 222-231 (2018).
  29. Qin, R., Zhou, A., Yu, Z., Wang, Q., Lau, D. Role of carbon nanotube in reinforcing cementitious materials: An experimental and coarse-grained molecular dynamics study. Cement and Concrete Research. 147, 106517(2021).
  30. Jian, W., Wang, X., Lu, H., Lau, D. Molecular dynamics simulations of thermodynamics and shape memory effect in CNT-epoxy nanocomposites. Composites Science and Technology. 211, 108849(2021).
  31. Jing, C., et al. Regenerated and rotation-induced cellulose-wrapped oriented CNT fibers for wearable multifunctional sensors. Nanoscale. 12 (30), 16305-16314 (2020).
  32. Yazdandoost, F., Mirzaeifar, R., Qin, Z., Buehler, M. J. Multiscale mechanics of the lateral pressure effect on enhancing the load transfer between polymer coated CNTs. Nanoscale. 9 (17), 5565-5576 (2017).
  33. Doblack, B. N., Allis, T., Davila, L. P. Novel 3D/VR interactive environment for MD simulations, visualization and analysis. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (94), (2014).
  34. Xu, M., et al. Improved chemical system for molecular simulations of asphalt. Energy & Fuels. 33 (4), 3187-3198 (2019).
  35. Xu, G., Wang, H. Molecular dynamics study of oxidative aging effect on asphalt binder properties. Fuel. 188, 1-10 (2017).
  36. Nie, F., Jian, W., Lau, D. An atomistic study on the thermomechanical properties of graphene and functionalized graphene sheets modified asphalt. Carbon. 182, 615-627 (2021).
  37. Cui, B., Gu, X., Hu, D., Dong, Q. A multiphysics evaluation of the rejuvenator effects on aged asphalt using molecular dynamics simulations. Journal of Cleaner Production. 259, (2020).
  38. Sun, W., Wang, H. Self-healing of asphalt binder with cohesive failure: Insights from molecular dynamics simulation. Construction and Building Materials. 262, 120538(2020).
  39. He, L., et al. Self-healing behavior of asphalt system based on molecular dynamics simulation. Construction and Building Materials. 254, 119225(2020).
  40. Sun, D., Lin, T., Zhu, X., Tian, Y., Liu, F. Indices for self-healing performance assessments based on molecular dynamics simulation of asphalt binders. Computational Materials Science. 114, 86-93 (2016).
  41. Li, D. D., Greenfield, M. L. Chemical compositions of improved model asphalt systems for molecular simulations. Fuel. 115, 347-356 (2014).
  42. Redelius, P., Soenen, H. Relation between bitumen chemistry and performance. Fuel. 140, 34-43 (2015).
  43. Schulze, M., Lechner, M. P., Stryker, J. M., Tykwinski, R. R. Aggregation of asphaltene model compounds using a porphyrin tethered to a carboxylic acid. Organic & Biomolecular Chemistry. 13 (25), 6984-6991 (2015).
  44. Robertson, A. W., Warner, J. H. Atomic resolution imaging of graphene by transmission electron microscopy. Nanoscale. 5 (10), 4079-4093 (2013).
  45. Yang, L., Zhou, D., Kang, Y. Rheological properties of graphene modified asphalt binders. Nanomaterials (Basel). 10 (11), 2197(2020).
  46. Zeng, W. B., Wu, S. P., Pang, L., Sun, Y. H., Chen, Z. W. The utilization of graphene oxide in traditional construction materials: Asphalt. Materials. 10 (1), 48(2017).
  47. Li, R., Xiao, F., Amirkhanian, S., You, Z., Huang, J. Developments of nano materials and technologies on asphalt materials - A review. Construction and Building Materials. 143, 633-648 (2017).
  48. Yu, T., Zhang, H., Wang, Y. Multi-gradient analysis of temperature self-healing of asphalt nano-cracks based on molecular simulation. Construction and Building Materials. 250, 118859(2020).
  49. Gao, C., Liu, T., Shuai, C., Peng, S. Enhancement mechanisms of graphene in nano-58S bioactive glass scaffold: mechanical and biological performance. Scientific Reports. 4, 4712(2014).
  50. Maple, J. R., Dinur, U., Hagler, A. T. Derivation of force fields for molecular mechanics and dynamics from ab initio energy surfaces. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 85 (15), 5350-5354 (1988).
  51. Xu, M., Yi, J., Feng, D., Huang, Y. Diffusion characteristics of asphalt rejuvenators based on molecular dynamics simulation. International Journal of Pavement Engineering. 20 (5), 615-627 (2019).
  52. Wang, H., Lin, E., Xu, G. Molecular dynamics simulation of asphalt-aggregate interface adhesion strength with moisture effect. International Journal of Pavement Engineering. 18 (5), 414-423 (2017).
  53. Yu, J., et al. Insights on the capillary transport mechanism in the sustainable cement hydrate impregnated with graphene oxide and epoxy composite. Composites Part B: Engineering. 173, (2019).
  54. Zhou, X., et al. Evaluation of thermo-mechanical properties of graphene/carbon-nanotubes modified asphalt with molecular simulation. Molecular Simulation. 43 (4), 312-319 (2017).
  55. Plimpton, S. Fast parallel algorithms for short-range molecular-dynamics. Journal of Computational Physics. 117 (1), 1-19 (1995).
  56. Stukowski, A. Visualization and analysis of atomistic simulation data with OVITO-the Open Visualization Tool. Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering. 18 (1), 015012(2010).
  57. Chen, Z., Pei, J., Li, R., Xiao, F. Performance characteristics of asphalt materials based on molecular dynamics simulation-A review. Construction and Building Materials. 189, 695-710 (2018).
  58. Sun, D., Sun, G., Zhu, X., Ye, F., Xu, J. Intrinsic temperature sensitive self-healing character of asphalt binders based on molecular dynamics simulations. Fuel. 211, 609-620 (2018).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Dynamika molekularnananokompozyt asfaltowysamoleczenie p knicz steczki aromatycznefunkcja rozk adu radialnegosymulacja atomistycznatrwa o asfaltunanofilery
Zaawansowany samonaprawiający się asfalt wzmocniony strukturami grafenu: atomistyczny wgląd
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki Korzystania

Zasady

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.