本发明涉及材料机理研究领域，特别涉及一种改性沥青改性机理的研究方法。
背景技术：
沥青材料在交通运输、工业、建筑业等方面得到了极其广泛的应用。然而公路运输中的车辆大型化、重载、超载现象越来越严重，普通沥青已无法满足建设的需求，沥青公路使用期限短，车辙、松散等问题严重影响了行车的稳定性与安全性。我国公路运输行业的迅猛发展，石油和沥青价格不断上涨，在沥青路面工程投资大大增加，对公路在高温稳定性、低温抗裂性、抗老化性和耐久性也要求越来越高。
对沥青进行改性可以在一定程度上解决上述问题。道路建设中改性沥青使用最为广泛,已被广大工程技术人员所接受。然而，对改性沥青改性机理的研究还存在着不足。首先，沥青本身是一种成分极其复杂的混合物，要对微观的改性机理进行研究，存在一定的困难；此外，外掺剂与沥青之间的作用关系复杂多样，改性剂与沥青之间不仅仅存在物理作用、化学作用等，大部分情况下是多种作用并存；最后，由于实验设备的条件限制，很难对改性沥青进行分子层面的研究。因此对沥青进行微观层面的改性机理研究，对改性沥青的研制具有重要意义，可以很大程度的降低研制成本。
为满足工程建设需要，一种准确的在微观层面的沥青改性机理分子模拟研究方法是至关重要的。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种改性沥青改性机理的研究方法，该方法用以准确地反应出分子层面沥青与沥青改性剂之间的相互作用，为实现改性沥青在分子层面进行改性机理研究提出一种解决方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种改性沥青改性机理的研究方法，包括如下步骤：
(1)通过materialsstudio软件构建待计算的沥青-改性剂体系的初始模型，得到沥青-改性剂原胞分子结构数据文件；
(2)用materialsstudio软件dmol3模块中calculation对沥青-改性剂体系进行结构优化，得到处理后的沥青-改性剂原胞分子结构数据文件；
(3)对沥青与改性剂的能量及其电荷分布进行计算，获得能量与电荷分布参数；
(4)通过计算得到沥青与改性剂之间的结合能及其电荷转移大小；
(5)通过materialsstudio软件中animation工具对沥青与改性剂之间的作用类型进行分析判断。
本发明提出的技术方案是：步骤(1)的具体做法为：利用materialsstudio软件中的visualizer模块构建沥青与改性剂分子，将构建好的沥青分子与改性剂分子利用amorphouscell模块构建用于待模拟的沥青-改性剂原胞分子结构数据文件。
进一步的，步骤(2)的具体做法为：利用dmol3模块中的calculation对步骤(1)中的结构数据文件进行能量最小化处理，得到经能量最小化处理后的沥青-改性剂原胞分子结构数据文件。
进一步的，步骤(3)具体包括如下内容：
s1：利用dmol3模块中的calculation对步骤(2)中经能量最小化处理后的沥青-改性剂原胞分子结构数据文件进行能量及mulliken电荷计算，输出包含能量与原子电荷分布信息的沥青-改性剂数据文件；
s2：将步骤(2)中得到的沥青-改性剂原胞中的改性剂分子删除，去除改性剂分子之后进行能量及mulliken电荷计算，输出包含能量与原子电荷分布信息的沥青数据文件；
s3：将步骤(2)中得到的沥青-改性剂原胞中的沥青分子删除，去除沥青分子之后进行能量及mulliken电荷计算，输出包含能量与原子电荷分布信息的改性剂数据文件。
进一步的，步骤(4)具体包括如下内容：
a1:利用dmol3模块中的analysis提取步骤(3)中得到的沥青-改性剂、沥青、改性剂数据文件中的能量与电荷分布参数，获取沥青-改性剂、沥青、改性剂体系能量大小，并获取沥青-改性剂、沥青、改性剂中各个原子所带的电荷大小；
a2：将沥青-改性剂体系能量减去沥青、改性剂体系能量，得到沥青与外掺剂之间的结合能，并将沥青-改性剂体系数据文件中沥青分子所带总电荷与沥青体系数据文件中沥青分子所带总电荷做差，得到从沥青分子上转移到改性剂分子上的电荷大小。
进一步的，步骤(5)的具体做法为：利用materialsstudio软件中的animation工具，对步骤(2)中进行能量最小化处理后得到的沥青-改性剂分子结构数据文件进行分析，若整个优化过程中有旧化学键断裂或新化学键键的生成，则沥青与改性剂之间属于化学作用，若整个优化过程中没有旧化学键断裂或新化学键键的生成，则沥青与改性剂之间属于物理作用。
进一步的，步骤(1)至步骤(5)中所述沥青是指沥青四组分中的饱和分，所述改性剂为纳米氧化锌。
进一步的，步骤(1)至步骤(5)中所述沥青是指沥青四组分中的芳香分，所述改性剂为sbs改性剂。
进一步的，步骤(1)至步骤(5)均在materialsstudio软件中完成。
进一步的，由于沥青分子与改性剂分子是复杂多样的，本发明的步骤(1)至步骤(2)中所采用的沥青分子、改性剂分子均是根据沥青分子、改性剂分子的分子式及其典型分子结构所构建的具有代表性的沥青、改性剂分子模型。
进一步的，步骤(3)至步骤(5)中改性沥青改性机理的分析结果均是基于求解薛定谔方程，运用第一性原理分析的结果。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明采用密度泛函理论模拟计算的方法研究改性剂对沥青的改性机理，一定程度解决了由于试验条件的限制无法对改性沥青在分子层面进行改性研究的问题；
2、本发明提供的改性沥青改性机理分析方法具有方便、快捷、成本低廉的特点，能够一定程度上处理沥青-改性剂这种十分复杂的体系，从分析结果可以筛选出改性效果优良的沥青改性剂；
3、本发明提供的改性沥青改性机理分析方法与实验研究改性沥青改性机理的分析方法相比具有明显优势：实验研究改性沥青改性机理的分析方法是通过改性后沥青的物理化学性能来推测说明微观的改性机理，机理的正确性，不能做出充分的证明，而本发明的分析方法是从电子层面上利用薛定谔方程对分子进行优化分析的过程，因此利用本发明方法分析出的改性沥青改性机理具有更加精确、合理、有效、可靠的特点，从而进一步为实验分析研究提供理论依据与指导。
附图说明
图1为本发明改性沥青改性机理的研究方法的流程框图；
图2为沥青饱和分-纳米氧化锌改性剂原胞分子模型；
图3为沥青饱和分原胞结构；
图4为纳米氧化锌改性剂原胞结构；
图5为优化后沥青饱和分-纳米氧化锌改性剂碳氢键断裂图；
图6为优化后沥青饱和分-纳米氧化锌改性剂碳氧键的生成图；
图7为沥青芳香分-sbs改性剂原胞分子模型；
图8为沥青芳香分原胞结构；
图9为sbs改性剂原胞结构。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
实施例1：
如附图1所示，一种改性沥青改性机理的分析方法，本实施例以沥青饱和分、纳米氧化锌改性剂作为研究对象，具体包括如下步骤：
(1)构建沥青饱和分、纳米氧化锌改性剂初始模型；
根据沥青分子结构的相关实验和理论文献，得到沥青饱和分分子结构，利用materialsstudio软件中的visualizer模块构建沥青饱和分典型结构以及纳米氧化锌改性剂分子结构，将构建好的沥青饱和分分子与纳米氧化锌改性剂分子利用amorphouscell模块构建用于待模拟的沥青-改性剂原胞分子结构数据文件；设置晶胞常数a＝b＝c＝15，选取填充密度density＝0.9进行填充，得到沥青饱和分-纳米氧化锌改性剂原胞分子结构数据文件，沥青饱和分-纳米氧化锌改性剂原胞分子模型如图2所示。
(2)对沥青饱和分-纳米氧化锌改性剂原胞进行结构优化；
确定结构优化的软件参数，优化沥青饱和分-纳米氧化锌改性剂原胞时采用geometryoptimization方法，设置energy＝2.0e-5、max.force＝0.004、max.displacement＝0.005，计算步数为800步，利用密度泛函理论(dft)进行结构优化过程：采用局域密度近似的pwc交换相关函数的方法(lda-pwc)计算电子交换相关能，对原子的所有电子采用全电子计算并采用双数值型基组加极化函数(dnp)展开；量化计算中scf的toterance＝1×10e-5，其中最大的自洽场循环次数为50次，计算结束后得到经能量最小化处理后的沥青饱和分-纳米氧化锌改性剂结构数据文件。
(3)对沥青饱和分与纳米氧化锌改性剂的能量及其电荷分布进行计算；
利用dmol3模块calculation中energy方法进行能量、电荷分布的计算，计算前，在properties中勾选populationanalysis以计算mulliken电荷分布，首先对步骤(2)中的沥青饱和分-纳米氧化锌改性剂结构数据文件进行能量及mulliken电荷分布计算，输出包含能量与电荷分布信息的沥青饱和分-纳米氧化锌改性剂数据文件，再将步骤(2)中得到的沥青饱和分-纳米氧化锌改性剂原胞中的纳米氧化锌改性剂分子删除，去除改性剂分子之后进行能量及mulliken电荷计算，输出包含能量与电荷分布信息的沥青饱和分数据文件，删除纳米氧化锌改性剂分子后的沥青饱和分结构如图3所示，最后将步骤(2)中得到的沥青饱和分-纳米氧化锌改性剂原胞中的沥青饱和分分子删除，去除沥青饱和分分子之后进行能量及mulliken电荷计算，输出包含能量与电荷分布信息的纳米氧化锌改性剂数据文件，删除沥青饱和分分子后的纳米氧化锌改性剂结构如图4所示。
(4)对沥青与改性剂之间结合能、电荷转移进行分析；
利用dmol3模块中的analysis提取步骤三中输出的沥青饱和分-纳米氧化锌改性剂、沥青饱和分、纳米氧化锌改性剂数据文件中的能量与电荷分布参数，获取沥青饱和分-纳米氧化锌改性剂、沥青饱和分、纳米氧化锌改性剂体系的能量大小，并获取沥青饱和分-纳米氧化锌改性剂、沥青饱和分、纳米氧化锌改性剂中各个原子所带的电荷大小；将沥青饱和分-纳米氧化锌改性剂体系能量与沥青饱和分、纳米氧化锌改性剂体系能量做差，得到沥青饱和分与纳米氧化锌改性剂之间的结合能，并将沥青饱和分-纳米氧化锌改性剂中饱和分分子所带总电荷与沥青饱和分体系中饱和分分子所带总电荷做差，得到从沥青饱和分分子上转移到纳米氧化锌改性剂分子上的电荷大小。沥青饱和分-纳米氧化锌改性剂、沥青饱和分、纳米氧化锌改性剂能量及其结合能如表1所示；沥青饱和分-纳米氧化锌改性剂体系中饱和分分子与沥青体系中饱和分分子及其电荷转移大小如表2所示。
表1沥青饱和分-纳米氧化锌改性剂、沥青饱和分、纳米氧化锌改性剂能量及其结合能
表2沥青饱和分-纳米氧化锌改性剂中沥青饱和分分子、饱和分分子电荷量及其电荷转移量
(5)对沥青与改性剂之间作用类型进行判断；
利用materialsstudio软件中的animation工具，对步骤二中进行能量最小化处理后得到的沥青饱和分-纳米氧化锌改性剂分子结构数据文件进行分析，若整个优化过程中有旧化学键断裂或新化学键的生成，则沥青饱和分与纳米氧化锌改性剂之间属于化学作用，若整个优化过程中没有旧化学键断裂或新化学键的生成，则沥青饱和分与纳米氧化锌改性剂之间属于物理作用。优化后可以发现沥青饱和分-纳米氧化锌改性剂体系出现了碳氢键的断裂见图5，碳氧键的生成见图6。
从图5与图6中可以看出饱和分在作用前后脱去了一个氢原子，生成了一个羟基，结合表1与表2中沥青饱和分与纳米氧化锌改性剂之间的结合能与电荷转移量，说明纳米氧化锌对饱和分具有羟基化的化学改性作用。实验研究表明：沥青上所有与碳结合的氧构成了羟基、羧基、羰基、酯基，这说明基于密度泛函理论分析的纳米氧化锌对沥青羟基化的化学作用是正确合理的。本发明分析方法与实验研究方法对比，本发明提供的分析方法更加精确。
实施例2：
如附图1、附图7至附图9所示，一种改性沥青改性机理的分析方法，本实施例以沥青饱和分、纳米氧化锌改性剂作为研究对象，具体包括如下步骤：(1)构建沥青芳香分、sbs改性剂初始模型；
根据沥青分子结构的相关实验和理论文献，得到沥青芳香分分子结构，利用materialsstudio软件中的visualizer模块构建沥青芳香分典型结构以及sbs改性剂分子结构，将构建好的沥青芳香分分子与sbs改性剂分子利用amorphouscell模块构建用于待模拟的沥青-改性剂原胞分子结构数据文件；设置晶胞常数a＝b＝c＝15，选取填充密度density＝1.0进行填充，得到沥青芳香分-sbs改性剂原胞分子结构数据文件，沥青芳香分-sbs改性剂原胞分子模型如图8所示。
(2)对沥青芳香分-sbs改性剂原胞进行结构优化；
确定结构优化的软件参数，优化沥青芳香分-sbs改性剂原胞时采用geometryoptimization方法，设置energy＝2.0e-5、max.force＝0.004、max.displacement＝0.005，计算步数为800步，利用密度泛函理论(dft)进行结构优化过程：采用局域密度近似的pwc交换相关函数的方法(lda-pwc)计算电子交换相关能，对原子的所有电子采用全电子计算并采用双数值型基组加极化函数(dnp)展开；量化计算中scf的toterance＝1×10e-5，其中最大的自洽场循环次数为50次，计算结束后得到经能量最小化处理后的沥青芳香分-sbs改性剂结构数据文件。
(3)对沥青芳香分与sbs改性剂的能量及其电荷分布进行计算；
利用dmol3模块calculation中energy方法进行能量、电荷分布的计算，计算前，在properties中勾选populationanalysis以计算mulliken电荷分布，首先对步骤(2)中的沥青芳香分-sbs改性剂结构数据文件进行能量及mulliken电荷分布计算，输出包含能量与电荷分布信息的沥青芳香分-sbs改性剂数据文件，再将步骤(2)中得到的沥青芳香分-sbs改性剂原胞中的sbs改性剂分子删除，去除改性剂分子之后进行能量及mulliken电荷计算，输出包含能量与电荷分布信息的沥青芳香分数据文件，删除sbs改性剂分子后的沥青芳香分结构如图3所示，最后将步骤(2)中得到的沥青芳香分-sbs改性剂原胞中的沥青芳香分分子删除，去除沥青芳香分分子之后进行能量及mulliken电荷计算，输出包含能量与电荷分布信息的sbs改性剂数据文件，删除沥青芳香分分子后的sbs改性剂结构如图9所示。
(4)对沥青与改性剂之间结合能、电荷转移进行分析；
利用dmol3模块中的analysis提取步骤三中输出的沥青芳香分-sbs改性剂、沥青芳香分、sbs改性剂数据文件中的能量与电荷分布参数，获取沥青芳香分-sbs改性剂、沥青芳香分、sbs改性剂体系的能量大小，并获取沥青芳香分-sbs改性剂、沥青芳香分、sbs改性剂中各个原子所带的电荷大小；将沥青芳香分-sbs改性剂体系能量与沥青芳香分、sbs改性剂体系能量做差，得到沥青芳香分与sbs改性剂之间的结合能，并将沥青芳香分-sbs改性剂中芳香分分子所带总电荷与沥青芳香分体系中芳香分分子所带总电荷做差，得到从沥青芳香分分子上转移到sbs改性剂分子上的电荷大小。沥青芳香分-sbs改性剂、沥青芳香分、sbs改性剂能量及其结合能如表3所示；沥青芳香分-sbs改性剂体系中芳香分分子与沥青体系中芳香分分子及其电荷转移大小如表4所示。
表3沥青芳香分-sbs改性剂、沥青芳香分、sbs改性剂能量及其结合能
表4沥青芳香分-sbs改性剂中沥青芳香分分子、芳香分分子电荷量及其电荷转移量
(5)对沥青与改性剂之间作用类型进行判断；
利用materialsstudio软件中的animation工具，对步骤二中进行能量最小化处理后得到的沥青芳香分-sbs改性剂分子结构数据文件进行分析，若整个优化过程中有旧化学键断裂或新化学键的生成，则沥青芳香分与sbs改性剂之间属于化学作用，若整个优化过程中没有旧化学键断裂或新化学键的生成，则沥青芳香分与sbs改性剂之间属于物理作用。优化后可以发现沥青芳香分-sbs改性剂体系未出现化学键的断裂，也没有新的化学键的生成。
结合表3与表4中沥青芳香分与sbs改性剂之间的结合能与电荷转移量，说明sbs对芳香分只存在物理改性作用，不具有化学改性作用。sbs分子与沥青组分分子间多以分子间力作用为主。
需要说明的是，在上述沥青饱和分与纳米氧化锌改性剂、沥青芳香分与sbs改性剂的基础上，本领域技术人员还可以用本发明方法来分析其它沥青组分与其他改性剂之间的改性机理。