Summary
Grafenmodifierad asfaltnanokomposit har visat en avancerad självläkande förmåga jämfört med ren asfalt. I detta protokoll har molekylära dynamiksimuleringar tillämpats för att förstå grafens roll i den självläkande processen och för att utforska den självläkande mekanismen hos asfaltkomponenter från atomistisk nivå.
Abstract
Grafen kan förbättra asfaltens självläkande egenskaper med hög hållbarhet. De självläkande beteendena hos grafenmodifierad asfaltnanokomposit och rollen som införlivad grafen är emellertid fortfarande oklara i detta skede. I denna studie undersöks de självläkande egenskaperna hos ren asfalt och grafenmodifierad asfalt genom molekyldynamiksimuleringar. Asfaltbulk med två sprickbredder och platser för grafen introduceras, och de molekylära interaktionerna mellan asfaltkomponenter och grafenarket analyseras. Resultaten visar att placeringen av grafen signifikant påverkar asfaltens självläkande beteenden. Grafen nära sprickytan kan kraftigt påskynda den självläkande processen genom att interagera med de aromatiska molekylerna genom π-π stapling, medan grafen i det övre området av sprickspetsen har en mindre inverkan på processen. Den självläkande processen för asfalt går igenom omorientering av asfalten, polära aromatiska och naftenaromatiska molekyler och överbryggning av mättade molekyler mellan sprickytor. Denna fördjupade förståelse av den självläkande mekanismen bidrar till kunskapen om förbättringen för självläkande egenskaper, vilket kommer att bidra till att utveckla hållbara asfaltbeläggningar.
Introduction
Försämring vid daglig fordonslastning och variantmiljöförhållanden och åldrande av asfalt under drift leder till nedbrytning eller till och med strukturella fel, dvs. sprickbildning och raveling, vilket ytterligare kan försvaga asfaltbeläggningarnas hållbarhet. Asfaltens inneboende svar på att reparera mikrosprickor och hålrum hjälper den automatiskt att återhämta sig från skador och återställa styrkan1. Denna självläkande förmåga kan avsevärt förlänga asfaltens livslängd, spara kostnader för underhåll och minska utsläppen av växthusgaser 2,3. Asfaltens självläkande beteende beror i allmänhet på flera påverkande faktorer, inklusive dess kemiska sammansättning, graden av skada och miljöförhållanden4. Den förbättrade självläkande förmågan hos asfalt som helt kan läka skador inom en kort period önskas; Detta har väckt ett omfattande forskningsintresse för bättre mekanisk prestanda och hållbarhet för asfaltbeläggningar inom anläggningsarbeten.
Nya metoder för att förbättra asfaltens självläkande förmåga omfattar huvudsakligen tre tillvägagångssätt - inducera uppvärmning, inkapslingsläkning och införlivande av nanomaterial - som kan appliceras individuellt eller samtidigt5,6. Inducerande uppvärmning kan avsevärt förbättra asfaltens rörlighet och aktivera dess självläkning för återhämtning7. Den självläkande tekniken för asfalt genom att inducera uppvärmning kan tillskrivas den assisterade självläkande tekniken, vilket indikerar att asfaltens självläkande egenskaper förbättras av yttre stimuli. Målet med att tillsätta stålullsfibrerna är att förbättra den elektriska ledningsförmågan för att öka asfaltbindemedlets läkningsförmåga8. Tillvägagångssättet för att inducera värme är att utsätta dessa elektriskt ledande fibrer för det högfrekventa alternerande elektromagnetiska fältet, vilket kan inducera virvelströmmar, och värmeenergin kan diffundera in i asfaltbindemedlet av de ledande fibrerna9. Stålullsfibrerna förbättrar inte bara den elektriska ledningsförmågan utan också värmeledningsförmågan, som båda kan påverka asfaltens självläkande egenskaper positivt. Det är dock utmanande att välja rätt blandningstid för fibrer10. Fibrernas längd minskar med ökad blandningstid och påverkar värmeledningsförmågan, medan den minskade blandningstiden leder till kluster av fibrer och hindrar asfaltens mekaniska egenskaper9. Inkapslingsmetoden kan leverera lätta komponenter i åldrad asfalt som aromater och mättade och uppdatera asfaltens självläkande förmåga11,12. Detta är emellertid en enda behandling, och de helande materialen kan inte fyllas på efter frisläppandet. Med utvecklingen av nanoteknik har nanomaterial blivit lovande modifierare för att förbättra asfaltbaserade material. Asfaltbindemedel som ingår i nanomaterial har bättre värmeledningsförmåga och mekaniska egenskaper13. Grafen med utmärkt mekanisk prestanda och hög termisk prestanda anses vara en utmärkt kandidat för att förbättra asfaltens självläkande förmåga14,15,16,17. De ökade läkningsegenskaperna hos grafenmodifierad asfalt kan hänföras till det faktum att grafen ökar kapaciteten hos asfaltbindemedlet som ska värmas upp och producera värmeöverföring inuti asfaltbindemedlet, vilket innebär att grafenmodifierad asfalt kan värmas upp snabbare och nå upp till högre temperatur än ren asfalt18. Den genererade värmen kan överföras genom den grafenmodifierade asfalten med en snabbare hastighet än den genom ren asfalt. Sprickområdet i asfaltbindemedlet kan lätt påverkas och läkas snabbare av värmeflödet med högre temperatur och högre värmekapacitet. Den självläkande reaktionen börjar om den energi som är lika med eller större än den helande aktiveringsenergin finns vid asfaltens sprickyta19. Grafen kan förbättra den termiska aktiveringsläkningsprestandan och påskynda läkningshastigheten för asfalt19,20. Dessutom kan grafen spara uppvärmningsenergi upp till 50% under läkningsprocessen, vilket kan gynna energieffektiviteten och minska underhållskostnaderna21. Som ett mikrovågsabsorberande material rapporteras grafen förbättra asfaltens läkningsförmåga under resten av mikrovågsuppvärmningen22. Det förväntas att tillsatsen av grafen i asfalt kommer att förbättra inte bara den mekaniska prestandan utan också den självläkande och energibesparande kapaciteten, vilket kräver fördjupad kunskap om den självläkande mekanismen.
Självläkning i nanoskala beror främst på vätning och diffusion av asfaltmolekyler vid de spruckna ytorna23. Eftersom asfalt består av olika polära och icke-polära molekyler är dess självläkande förmåga starkt relaterad till molekylära interaktioner och rörelser av asfaltmolekyler av olika komponenter1. Aktuell forskning bygger emellertid huvudsakligen på experimentella tekniker för att kvantifiera makroskopiska mekaniska egenskaper, vilket orsakar saknad information i förändringen av mikrostrukturer och interaktionerna mellan asfaltmolekyler när man försöker förstå läkningsmekanismen. Den förstärkande mekanismen för grafen i asfaltens självläkande förmåga är också oklar i detta skede. Molekylär dynamik (MD) simuleringar spelar en inflytelserik roll för att undersöka molekylära interaktioner och rörelser hos nanokompositsystem och kopplar mikrostrukturell deformation med molekylära interaktioner och rörelser 24,25,26,27,28,29,30,31 . MD-simuleringar har blivit mer och mer populära för att analysera materialbeteenden som inte lätt kan nås genom experiment 32,33. Befintliga studier har visat genomförbarheten och tillgängligheten av MD-simuleringar i asfaltsystem. sammanhållning, vidhäftning, åldrande och termomekaniska egenskaper hos asfalt- och asfaltkompositer kan utforskas av MD-simuleringar 34,35,36,37. Asfaltens självläkande beteenden kan också förutsägas av MD-simuleringar 38,39,40. Därför tror man att undersökningen med MD-simuleringar är ett effektivt sätt att förstå både självläkande och förstärkande mekanismer.
Syftet med denna studie är att undersöka de självläkande beteendena hos ren asfalt och grafenmodifierade asfaltnanokompositer och att förstå grafens roll för att förbättra asfaltens läkningsförmåga genom MD-simuleringar. De självläkande simuleringarna av ren asfalt och grafenmodifierade asfaltkompositer utförs genom att införa sprickor i de ursprungliga strukturerna. De självläkande förmågorna kännetecknas av konturen av atomnummer, omorientering och intrassling av molekyler vid det brutna ansiktet och rörligheten hos asfaltkomponenter under de självläkande processerna. Genom att undersöka grafenets läkningseffektivitet på olika platser avslöjas den förstärkande mekanismen för grafen som bidrar till asfaltens självläkande förmågor, vilket kan hjälpa till med övervakning av nanofyllare på ett optimalt sätt och därmed möjliggöra livslängdsförlängning av asfaltbeläggningar. En undersökning av den självläkande kapaciteten i atomistisk skala kan ge ett effektivt sätt att utveckla avancerade asfaltbaserade material för framtida forskning.
Enligt asfaltkemi består asfalt av olika typer av kolväten och icke-kolväten med olika polaritet och former, som huvudsakligen kan delas in i de fyra komponenterna asfalt, polära aromater, naftenaromater och mättar41,42. Asfaltenmolekyler är relativt större och tyngre än andra molekyler i asfalt, med en genomsnittlig atommassa på ungefär 750 g / mol och en molekyldiameter i intervallet 10-20 Å. Det har varit allmänt accepterat att asfalten består av stora aromatiska kärnor som innehåller heteroatomer och omges av olika längder av alkylgrupper43. En modifierad asfaltmolekyl är konstruerad, som visas i figur 1a. Molekylerna av polära aromater och naftenaromater är konstruerade baserat på polariteten och elementförhållandet mellan asfaltmolekyler, där bensobisbensotiofen (C18H10S2) representerar den polära aromatiska molekylen och 1,7-dimetylnaftalen (C12H12) väljs som representativ naften aromatisk molekyl, såsom visas i figur 1b-c. N-dokosan (n-C 22H46) är konstruerad enligt figur 1d. De parametrar som anges i tabell 1 för asfaltmolekyler väljs ut och används för att uppfylla de önskade kriterierna, inklusive elementmassfraktionen, atomförhållandet och det aromatiska/alifatiska förhållandet för verklig asfalt från experiment41. Samma massförhållande har definierats i våra tidigare studier, och de andra termomekaniska egenskaperna som densitet, glasövergångstemperatur och viskositet är i god överensstämmelse med experimentella data om verklig asfalt36. Den molekylära strukturen hos grafen som tillämpas i denna studie visas i figur 1e. Det antagna grafenarket i denna studie har ingen defekt och ingen vikning jämfört med det verkliga fallet, medan det verkliga grafenarket vanligtvis har flera defekter såsom atomvakanser och Stone-Wales-defekter44, och några av grafenarken kan vikas under blandningsprocessen i asfaltmatrisen45. Dessa ofullkomliga situationer beaktas inte i denna studie, eftersom vi fokuserar på effekten av grafenarkets plats på de självläkande egenskaperna och väljer den som den enda variabeln. Variablerna för grafenark när det gäller defekter och vikta fall kommer att vara i fokus för våra framtida studier. Massförhållandet mellan grafen och asfalt i denna studie är 4,75%, vilket är den normala situationen (<5%) för grafenmodifierad asfalt i experimentet46,47.
Figur 1: Kemisk struktur. De atomistiska modellerna av (a) asfaltenmolekyl (C53H55NOS), (b) naften aromatisk molekyl (C12H12), (c) polär aromatisk molekyl (C18H10S2),(d) mättad molekyl (C22H46), (e) grafen och (f) ren asfalt. För den atomistiska asfaltmodellen visas kol-, syre-, kväve-, svavel- och väteatomerna i grått, rött, blått, gult respektive vitt. Klicka här för att se en större version av denna figur.
| Asfalt modell | Vikt (g/mol) | Kemisk formel | Antal molekyler | Total massa (g/mol) | Massfraktion (%) |
| Asfalt | 754.04 | C53H55NOS | 43 | 32423.72 | 26 |
| Naften aromatisk | 156.22 | C12H12 | 65 | 10154.3 | 8 |
| Polär aromatisk | 290.38 | C18H10S2 | 74 | 21485.16 | 17 |
| Mätta | 310.59 | C22H46 | 205 | 63670.95 | 49 |
| Asfaltbindemedel | 387 | 127734.13 | 100 | ||
| Grafen | 6369.28 | C525H63 | 1 | 6369.28 |
Tabell 1: Övergripande komponenter i ren asfaltmodell och grafenmodifierad asfaltmodell.
Med avseende på protokollet som beskrivs nedan sätts två typer av killiknande sprickor med olika storlekar in i mitten av asfaltmodellen med en trubbig sprickspets och två parallella sprickytor, medan asfaltbulkbulens mittyta förblir intakt. Två sprickbredder väljs som 15 Å och 35 Å, som visas i figur 2a-b. Anledningen till att välja 15 Å är att sprickbredden ska vara bredare än cutoffen på 12 Å för att undvika tidig självläkning av asfaltmolekyler under jämviktsprocessen samtidigt som man undersöker ett extremfall för en liten spricka. Anledningen till att välja 35 Å är att sprickbredden ska vara bredare än längden på mättnadsmolekylerna på 34 Å för att förhindra överbryggningseffekten. Sprickans höjd är 35 Å, samma som lådbredden, och sprickans djup är 70 Å, samma som lådans längd. I den verkliga situationen kan de observerade mikrosprickstorlekarna varieras i intervallet från flera mikrometer till flera millimeter, vilket är mycket större än längdskalan vi modellerar här. Normalt är längdskalan i MD-simulering begränsad till skalan 100 nm, vilket fortfarande är flera storleksordningar mindre än den verkliga sprickstorleken. Sprickorna initieras dock i nanoskala och växer till makroskala sprickor med kontinuerlig deformation48. Förståelsen av den självläkande mekanismen i nanoskala kan bidra till att förhindra tillväxt och ytterligare förökning av sprickan på makroskala. Även om de valda sprickstorlekarna ligger i intervallet nanometer, kan resultaten fortfarande vara inflytelserika och tillämpliga för att utforska de självläkande beteendena hos asfaltmolekyler. Det finns två platser för grafenarken i sprickområdena: en är ovanpå sprickspetsen och den andra är vinkelrätt mot vänster sprickyta. Det har visat sig att dessa är de vanligaste positionerna för grafen i grafenmodifierade nanokompositer med sprickor49.
Figur 2: De självläkande systemen för ren asfalt och grafenmodifierad asfalt. Den självläkande modellen av ren asfalt med en sprickbredd på (a) 15 Å och (b) 35 Å. Den självläkande modellen av grafenmodifierad asfalt med grafenarket är belägen (c) på toppen av sprickspetsen och (d) vinkelrätt mot sprickytan. Klicka här för att se en större version av denna figur.
I MD-simuleringar beskrivs de intramolekylära och intermolekylära interaktionerna i asfaltnanokompositerna av Consistent Valence Forcefield (CVFF)50, som fungerar bra med asfalt- och grafenbaserade material. Den funktionella formen av CVFF uttrycks som följande uttryck:
1
Här består den totala energin Etotalt av de bundna energivillkoren och de icke-bundna energivillkoren. De bundna interaktionerna består av den kovalenta bindningssträckningen, bindningsvinkelns böjningsenergi, torsionsvinkelrotationen och de felaktiga energierna som uttrycks i de fyra första termerna. Den icke-bundna energin innefattar en LJ-12-6-funktion för van der Waals (vdW) -termen och en coulombisk funktion för de elektrostatiska interaktionerna. CVFF har använts i stor utsträckning för att simulera asfaltmaterial51,52. De simulerade fysikaliska och mekaniska egenskaperna såsom densitet, viskositet och bulkmodul är i god överensstämmelse med experimentella data, vilket visar tillförlitligheten hos CVFF51. CVFF är inte bara lämpligt för oorganiska material, men det har också framgångsrikt använts i strukturer som består av organiska och oorganiska faser som asfalt-kiseldioxid52 och systemet med epoxigrafen53. Dessutom kan gränssnittsinteraktionerna mellan grafen och asfalt karakteriseras av CVFF36,54. Eftersom den största delen i valet av kraftfält är att bestämma asfalt-grafengränssnittet, är de icke-bundna interaktionerna som beskrivs av CVFF mer tillförlitliga, vilket också beaktas i vår tidigare studie36. Sammantaget antas kraftfältet CVFF i denna studie. De partiella laddningarna för olika typer av atomer beräknas med den kraftfältstilldelade metoden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Bygg de atomistiska modellerna
- Öppna programvaran Materials Studio för att skapa fem 3D-atomistiska dokument och byt namn på dessa dokument som grafen, asfalten, polära aromater, naftenaromater respektive mättade ämnen.
- Bygg grafenmodellen genom att skapa enhetscellen i grafenarket i det atomistiska 3D-dokumentet med alternativet Sketch Atom .
- Konstruera den slutliga strukturen med alternativet Supercell i menyn Bygg > symmetri . Definiera storleken på grafenarket som 40 Å x 40 Å, vilket är större än asfaltkedjorna och sprickbredden.
- Bygg och packa de fyra typerna av asfaltmolekyler.
- Använd alternativet Sketch Atom för att rita de molekylära strukturerna av asfalt, polära aromater, naftenaromater och mättade separat.
- Packa de fyra typerna av asfaltmolekyler i simuleringsrutan med hjälp av beräkningsalternativet i menyn Moduler > amorf cell .
- Bygg asfaltstrukturen med sprickan.
- Ställ in höjden på sprickzonen i x-dimensionen på samma sätt som höjden på lådan på 70 Å och djupet på sprickzonen i y-dimensionen är hälften av lådans höjd som 35 Å.
- Ställ in två fall av sprickbredderna i z-dimensionen 15 Å och 35 Å. Ta bort de redundanta molekylerna i sprickzonerna i det mellersta området av asfaltmassa med alternativet Delete och håll asfaltmatrisen i mitten av området oförändrad.
- Bygg den grafenmodifierade asfaltstrukturen med sprickan. Inkorporera grafenarket i det övre området av sprickspetsen och den vänstra sprickytan separat före förpackningssteget med kommandot Kopiera + klistra in .
- Packa asfaltmolekylerna i simuleringsboxen baserat på de slutliga kompositionerna som anges i tabell 1 för att konstruera den grafenmodifierade asfaltstrukturen.
- Konvertera strukturfilen till en datafil. Spara strukturfilerna som molekylfiler med strukturinformation (*.car och *.mdf) från Materials Studio. Konvertera molekylfilerna (*.car och *.mdf) till datafiler med hjälp av msi2lmp-verktyget i ett storskaligt paket med atom/molekylär massivt parallell simulator (LAMMPS)55 . Läs datafilen med kommandot read_data i LAMMPS.
2. Utför simuleringarna
- Definiera parametrarna för simuleringarna.
- Ställ in tidssteget som 1 fs i indatafilen med tanke på balansen mellan noggrannhet och effektivitet för de utförda simuleringarna.
- Ställ in brytavståndet för icke-bundna interaktioner som 12 Å, vilket är mindre än hälften av simuleringsboxens längd med hänsyn till det periodiska gränsvillkoret och beräkningseffektiviteten.
- Använd PPPM-algoritmen (particle-particle-mesh) för att beskriva de långväga Coulombic-interaktionerna och ställa in det relativa felet i per-atomkrafter beräknade av långdistanslösaren som 10-5 för hög noggrannhet.
- Fixa profilen för sprickan. Välj asfaltmolekylerna på profilen med kommandot Gruppmolekyler i LAMMPS. Applicera begränsningarna på asfaltmolekylerna med kommandot Fix Spring / Self i LAMMPS för att undvika rörelser av asfaltmolekyler.
- Uppnå jämvikt
- Håll hela simuleringsboxen helt avslappnad efter 500 ps under isotermisk-isobarisk (NPT) ensemble med en temperatur på 300 K och ett tryck på 1 atm.
- Gör asfaltbulken i jämvikt med önskat densitetsvärde för de experimentella mätningarna41 av 0,95-1,05 g /cm3 genom att kontinuerligt undersöka temperatur,tryck, densitet och energivärden med hjälp av termiskt kommando.
- Kontrollera konvergensen mellan potentiell energi och medelkvadratförskjutning (MSD) i hela systemet för att uppnå det helt avslappnade tillståndet.
- Utför den självläkande processen.
- Ställ in hela simuleringsboxen under NPT-ensemblet med en temperatur på 300 K och ett tryck på 1 atm.
- Ta bort begränsningen av asfaltmolekylerna på sprickzonens kontur.
- Spåra och registrera storleken på simuleringsrutan och koordinaterna för atomer och använd kommandot Dump för efterbehandling.
- Genomsnittligt simuleringsresultat under självläkningsprocessen över tre oberoende konfigurationer med tre olika initialhastighetsfrön för att minska de slumpmässiga felen.
3. Efterbehandling
- Visualisera de självläkande beteendena. Öppna det öppna visualiseringsverktyget OVITO56 för att visualisera simuleringsförloppet och öppna sedan banfilerna i lammpstrj-formatet som genereras av LAMMPS55. Spela in ögonblicksbilderna av den självläkande processen och spåra vägarna för asfaltmolekyler med kommandot Render .
- Analysera konturen av atomnumret. Exportera atomernas koordinater till dataanalys och grafprogramvara från banfilerna som matas ut från LAMMPS. Projicera koordinaterna för atomer i hela systemet på yz-planet. Spela in atomnummer vid olika delar av yz-planet och plotta konturen med olika färger.
- Analysera atomens rörlighet och relativa position.
- Analysera atomrörligheten hos olika asfaltkomponenter med hjälp av den genomsnittliga kvadratiska förskjutningen (MSD) med kommandot Compute msd .
- Beräkna de relativa positionerna mellan grafen- och asfaltmolekyler med de radiella fördelningsfunktionerna (RDF) kurvor för systemet med grafenmodifierade asfaltsystem med sprickbredderna 15 Å och 35 Å med hjälp av kommandot Compute rdf i LAMMPS.
- Rita RDF-kurvorna för att kontrollera hur asfaltens densitet varierar som en funktion av avståndet från grafenarket.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Konturen av atomnummer
Konturerna av atomantalet för rena asfalt- och grafenmodifierade asfaltmodeller i yz-planet visas i figur 3, där färgfältet från blått till rött uppvisar atomnummer som varierar från 0 till 28. Figur 3a-c illustrerar konturen av atomnumret för strukturerna med 15 Å sprickbredd i ren asfalt och asfaltnanokompositer modifierade av grafen vid sprickspetsen och sprickytan. För ren asfalt sker fullständig läkning efter ca 300 ps. Det självläkande beteendet börjar från sprickspetsens område, eftersom området runt sprickspetsen blir en smält trubbig form med en blå färg efter 50 ps, och flera asfaltmolekyler överbryggar de två sprickytorna i mitten av sprickspetsen. Den gröna färgen i konturen presenterar bulkasfalten, vilket är scenen i sprickzonen som blir full självläkning. Vid cirka 100 ps är sprickzonen nästan stängd med ett litet tomrum kvar, och färgerna på de ursprungliga sprickytorna ändras till grönt, vilket indikerar att den självläkande processen är klar i dessa områden; Det finns dock fortfarande några blåvita områden kvar för att vara självläkta. Efter cirka 300 ps har det mesta av färgen på sprickzonen ändrats till grön, vilket är detsamma som för asfaltmassan, vilket indikerar att den självläkande processen är klar. Som visas i figur 3b ändras inte den självläkande processen signifikant efter tillsats av grafenarket på toppen av sprickan. Den självläkande processen tar cirka 500 ps att slutföra, och sprickzonen minskas kraftigt vid 50 ps och försvinner nästan vid 200 ps. Grafenarket på toppen av sprickspetsen verkar ha liten inverkan på sprickytans självläkande process. Att sätta in grafen till vänster om sprickytan kan emellertid avsevärt påskynda självläkningsprocessen, som visas i figur 3c, där den röda linjen i konturen är grafenarket. Den självläkande perioden förkortas till cirka 200 ps, vilket är hälften så mycket som för ren asfalt. Sprickbredden minskas avsevärt vid 20 ps, och asfaltmolekylerna från bulk tenderar att flytta till grafenområdet och fylla upp sprickområdet. Sprickzonen försvinner nästan vid cirka 150 hk, även om vissa av områdena längst ner förblir blåa. Efter ytterligare 50 ps av den självläkande processen är sprickområdet fullt av blå färg, vilket indikerar slutet på processen.
Den självläkande processen hos modellerna med 35 Å sprickbredd tar nästan dubbelt så lång tid som för modellerna med 15 Å sprickbredd, medan den självläkande processen med ren asfalt varar cirka 1 000 hk. Det självläkande beteendet börjar i sprickspetsområdet, och sprickformen blir krympt och oregelbunden vid 100 ps. Det mesta av sprickzonen är läkt med 500 ps, med ett litet tomrum kvar i mitten av sprickzonen. Efter att ha utfört den självläkande processen i ytterligare 500 ps fylls sprickzonen med asfaltmolekyler tills den självläkande processen är klar. Grafenarket är placerat på toppen av sprickspetsen, vilket visas av den röda linjen i figur 3e. Den självläkande perioden är cirka 1 100 ps, vilket är nära den för ren asfalt. Sprickformen ändras dock annorlunda. Det finns några asfaltmolekyler som överbryggar sprickområdet vid cirka 400 ps, vilket kan främja självläkningsprocessen. Som visas i figur 3f kan de självläkande beteendena förbättras avsevärt när grafenarket är beläget vid vänster sprickyta. Ett fenomen kan observeras som liknar modellen med 15 Å sprickbredd: några av asfaltmolekylerna i asfaltmassan tenderar att flytta till grafenområdet och linda runt grafenarket, vilket kan minska sprickområdet avsevärt och hjälpa den självläkande processen. Sprickans bredd minskar till ungefär hälften av den initiala sprickbredden med endast 50 ps, och det mesta av sprickområdet läker vid cirka 300 ps. Hela självläkningsprocessen varar cirka 600 ps och det mesta av sprickzonen försvinner; detta tar bara hälften av den tid som ren asfalt tar.
Figur 3: Konturen av atomnumret under självläkningsprocessen. Konturen av atomtalet under självläkningsprocessen för modellerna med 15 Å sprickbredd för (a) ren asfalt, (b) grafen på sprickspetsen och (c) grafen vid sprickspetsens vänstra yta och modellerna med 35 Å sprickbredd för (d) ren asfalt, (e) grafen på sprickspetsen, och (f) grafen vid sprickspetsens vänstra yta. De prickade svarta rutorna hänvisar till platserna för grafen. Färgfältet från blått till rött står för atomnumren som varierar från 0 till 28 i konturen. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Molekylära interaktioner
För att utforska skillnaden i självläkande beteenden mellan ren asfalt och grafenmodifierade asfaltkompositer fångas och analyseras de molekylära interaktionerna och rörelserna under självläkningsprocessen, vilket visas i figur 4. Från figur 4a kan man observera att aromatiska molekyler som asfalten, polära aromater och naftenaromater lockas av grafenarket genom π-π stapling när grafen placeras på den övre ytan av sprickspetsen. Dessa asfaltmolekyler fångas tätt av grafenarket och kan inte lätt diffundera in i sprickzonens grannskap eller fylla upp sprickan, vilket hindrar självläkningsprocessen i viss utsträckning. De självläkande beteendena härrör emellertid huvudsakligen från asfaltmolekylerna nära sprickytan, och påverkan av dessa molekyler i toppområdet behöver ytterligare utforskning. Från figur 4b observeras att den polära aromatiska molekylen vid sprickytan lockas av grafenarket vid den andra sprickytan, vilket ytterligare kan öka den närliggande naftenaromatiska molekylens sannolikhet att flytta till sprickområdet. De samlade asfaltmolekylerna som lockas av grafenarket kan packa sprickzonen med högre hastighet än för ren asfalt och den självläkande förmågan hos den grafenmodifierade asfaltnanokompositen kan förbättras. Modellens självläkningsprocess med 35 Å sprickbredd modifierad av grafen vid vänster sprickyta visas i figur 4c. De polära aromatiska molekylerna lockas av grafenarket genom π-π stapling när självläkningen börjar, och dessa asfaltmolekyler kan snabbt lindas runt grafenarket och minska sprickzonens utrymme, som visas i figur 3f. Detta indikerar att grafen spelar en viktig roll i det inledande skedet av självläkning när den ligger runt sprickytan. En självläkande ögonblicksbild av ren asfalt med 15 Å sprickbredd visas i figur 4d. Det kan tydligt observeras att kedjestrukturen av mättnad är viktig för den självläkande processen eftersom molekylerna kan bli intrasslade med varandra och överbrygga sprickytan. Denna överbryggande effekt mellan mättade molekyler och sidokedjorna av asfaltenmolekyler kan avsevärt öka förpackningseffektiviteten och minska den självläkande perioden. Det observeras också att asfaltmolekyler med polyaromatiska ringar, såsom asfalten, polära aromater och naftenaromater, omorienterar sig vid sprickytan genom π-π stapling. Denna omorientering gör att asfaltmolekylerna kan röra sig i parallell riktning och bidrar till sprickvätning, vilket ytterligare stänger sprickytorna.
Figur 4: Detaljer om icke-bindande interaktion mellan ren asfalt och grafenmodifierade asfaltnanokompositer under självläkningsprocessen. För modellen med (a) 15 Å sprickbredd och grafen placerad på toppen av sprickspetsen lockas aromatiska molekyler i asfalt av grafenarket genom π-π stapling. För modellen med (b) 15 Å sprickbredd och grafen på vänster sida av sprickytan rör sig de polära aromatiska molekylerna vid den andra sprickytan på grafenytan på grund av starka aromatiska interaktioner. För modellen med (c) 35 Å sprickbredd och grafen på vänster sida av sprickytan attraheras de polära aromatiska molekylerna av grafenarket och sticker därmed ut från sprickytan. För modellen med (d) 15 Å sprickbredd och ren asfalt sker en omorientering av aromatiska molekyler vid sprickytan och en kedjeöverbryggning och sammanflätning av mättade molekyler under självläkningsprocessen. De blå prickade rutorna och lila prickade rutorna i figuren indikerar π-π staplings- respektive omorienteringsbeteenden. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Omorienteringen av aromatiska molekyler inklusive asfalten, polära aromater och naftenaromater runt sprickytan under den självläkande processen visas i figur 5. Figur 5a visar att de spårade molekylerna före självläkning är nästan vinkelräta mellan naftenaromater och polära aromater och mellan asfalten och polära aromater. Avståndet mellan asfalten och de andra två aromatiska molekylerna är 13,3 Å, vilket är större än avståndet mellan de aromatiska molekylerna. Efter självläkning i 40 ps diffunderar den naftenaromatiska molekylen till utrymmet mellan asfalten och polära aromater och spelar en viktig roll för att interagera med de andra två molekylerna. I figur 5b kan man observera att avståndet och vinkeln mellan den polära aromatiska molekylen och naftenaromatiska molekylerna är 4,6 Å och 89 °, vilket indikerar en T-formad π-π staplingsinteraktion mellan de två aromatiska molekylerna. Vinkeln och avståndet mellan naftenaromatiska och asfalten minskar till 32° respektive 4,6 Å. Detta indikerar att de icke-bindande interaktionerna mellan naftenaromater och asfalten får dem att rotera och justera orienteringen gradvis, vilket bidrar till vätningen av sprickytan. Orienteringarna för de tre molekylerna är nästan parallella efter 50 ps, eftersom vinklarna mellan dem är 26 ° och 35 °, som visas i figur 5c. Avståndet mellan dem minskar under 4,0 Å, vilket indikerar att π-π underlättar den parallella strukturen och för de aromatiska molekylerna närmare varandra. Sammantaget främjar omorienteringen vid sprickytan interaktionen mellan asfaltmolekyler, vilket förkortar det intermolekylära avståndet och ökar attraktionen bland dem. Omorienteringen och diffusionen av asfaltmolekyler hjälper ytterligare till att fylla upp sprickzonen och påskyndar självläkningsprocessen.
Figur 5: Omorienteringen av asfaltmolekyler under självläkningsprocessen. Vinklar och avstånd mellan asfaltmolekyler (a) före självläkning, (b) efter 40 ps och (c) vid 50 ps. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Mobilitet av asfaltkomponenter
För att förstå rollerna hos olika komponenter kvantitativt i asfaltens självläkande beteenden beräknas MSD för centrummassan för asfaltkomposit för att representera övergångsrörligheten under den självläkande processen, vilket uttrycks av:
där ri(t) är positionsvektorn för partikel i vid tiden t, och vinkelfästet anger medelvärdet av färdsträckan. MSD-värdena för ren asfalt och grafenmodifierad asfalt spåras och visas i figur 6. Figur 6a-c visar MSD för asfaltkomposit med en spricka på 15 Å bredd, medan de med en spricka på 35 Å bredd visas i figur 6d-f. Det kan observeras att mättade ämnen är den mest aktiva komponenten i asfaltens självläkande beteenden, medan asfalten är den minst aktiva. Det finns två möjliga orsaker: en hänför sig till molekylmassan, eftersom asfaltener har den högsta molekylmassan i asfalt, och de är mindre kapabla att röra sig och fylla sprickzonen. Den andra är den kedjeliknande strukturen av mättade, som har högre rörlighet än andra komponenter och är mer benägna att bli intrasslade och sträcka sig ut vid sprickytan. Rörligheten hos polära aromater är högre än för naftenaromater; detta beror på den högre molekylmassan och polariteten hos polära aromater. De polära atomerna på polära aromater, såsom svavelatomer, kan bilda en H-bindning med asfaltener, och rörligheten kan hindras. MSD-siffrorna för grafenmodifierad asfalt på den övre ytan av sprickspetsen och den vänstra sprickytan visas i figur 6b och figur 6c. Det framgår av figur 6b att msD för grafen är lägre än för asfaltkomponenter eftersom grafen upptar den största volymen och har den högsta molekylmassan i asfaltnanokompositerna. MsD-värdena för asfaltkomponenter är relativt lägre än för ren asfalt. detta beror på att interaktionerna mellan dessa molekyler och grafen hindrar asfaltmolekylernas rörlighet och saktar den självläkande processen. Men när grafen placeras vid vänster sprickyta förbättras mobiliteterna hos polära aromater, naftenaromater och grafen avsevärt jämfört med ren asfalt. Detta indikerar att grafen spelar en viktig roll i den självläkande processen och att dess interaktioner med aromatiska molekyler i asfalt bidrar till den självläkande processen av asfalt. För sprickhöljet på 35 Å bredd i figur 6d följer MSD för ren asfalt en liknande trend som fallet med 15 Å sprickbredd, eftersom MSD för asfalten, polära aromater, naftenaromater och mättade ämnen varierar på ett ökande sätt. Vid införande av grafen i den övre ytan av sprickspetsen minskar MSD för mättade ämnen med cirka 15 Å2. Förekomsten av grafenark i asfaltbulk påverkar vertikalt det mobila utrymmet hos mättnadsmolekylerna och förhindrar vägarna för självläkning. Av figur 6f framgår att MSD-värdena för asfalt, polära aromater och naftenaromater alla förbättras jämfört med ren asfalt, medan MSD för mättade ämnen minskar något. Grafen är mycket ansvarig för förbättringen av den självläkande processen, särskilt med molekyler som innehåller aromater. De π π staplingsinteraktioner mellan grafen och asfalt, polära aromater och naftenaromater förbättrar rörligheten hos dessa asfaltmolekyler och hjälper till att bilda en stabil förpackningsstruktur i sprickzonen, vilket påskyndar den självläkande processen för asfalt.
Figur 6: MSD av rena asfalt- och grafenmodifierade asfaltmolekyler under självläkningsprocessen. För modellerna med 15 Å sprickbredd presenteras MSD av (a) ren asfalt och grafenmodifierad asfalt på (b) toppen av sprickspetsen och (c) vänster yta. För modellerna med 35 Å sprickbredd presenteras MSD av (d) ren asfalt och grafenmodifierad asfalt på (e) toppen av sprickspetsen och (f) vänster sprickyta. X-axeln representerar simuleringstiden och Y-axeln representerar MSD-värdena för asfaltkomponenter och grafenmolekylen under självläkningsprocessen. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Molekylära platser efter självläkning
För att utforska de relativa placeringarna mellan grafen- och asfaltmolekyler under självläkningsprocessen beräknas och visas de radiella fördelningsfunktionerna mellan grafen och aromatiska molekyler i asfalt. Figur 7a-c visar rdF för modellen med 15 Å sprickbredd före och efter självläkningsprocessen. Man kan se att de aromatiska molekylerna i asfalt rör sig närmare grafenarket efter den självläkande processen, särskilt de polära aromatiska molekylerna och naftenaromatiska molekylerna. Som anges i figur 4 finns det starka π-π staplingsinteraktioner mellan grafen och aromatiska molekyler såsom asfalten, polära aromater och naftenaromater, vilket gör att grafenarket lockar dessa molekyler mot sprickytan. Skillnaden i g(r)-värdena för asfalten före och efter självläkning är emellertid inte lika signifikant som för polära aromater och naftenaromater. Detta beror på att asfaltenmolekylerna erhåller en högre molekylmassa och volym än de polära aromatiska och naftenaromatiska molekylerna, vilket gör det svårare för dem att rotera och diffundera till grafenområdet och fylla sprickzonen. De ökade g(r)-värdena mellan grafen och polära aromatiska eller naftenaromatiska molekyler inom 4,0 Å ligger inom det typiska interaktionsavståndet för π-π stapling, och de ökade g(r)-värdena utöver 4,0 Å beror på kombinationen av molekylära interaktioner och elimineringen av sprickzonen. En RDF av modellen med 35 Å sprickbredd före och efter självläkningsprocessen visas i figur 7d-f. G(r)-värdena mellan grafen och asfalten utöver 4,0 Å genom självläkningsprocessen är mer uppenbara än de för sprickbredden på 15 Å; detta beror på att asfalten har mer utrymme att diffundera och röra sig mot grafen i den större sprickzonen. G(r)-värdena inom 4,0 Å är mer signifikanta för naftenaromater än för polära aromater. detta beror på den mindre molekylmassan och bättre diffusionsförmåga hos naften aromatiska molekyler.
Figur 7: RDF-värdena mellan grafen vid vänster sprickyta och asfaltkomponenterna. RDF-värdena mellan grafen vid vänster sprickyta och asfaltkomponenterna i (a) asfalt, (b) polära aromater, (c) naftenaromater från modellen med 15 Å sprickbredd, (d) asfalt, (e) polära aromater och (f) naftenaromater från modellerna med 35 Å sprickbredd. X-axeln representerar avståndet mellan de två molekylerna och Y-axeln representerar RDF-värdena. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De kritiska stegen i protokolldelen är följande: steg 1.4 - Bygg och packa de fyra typerna av asfaltmolekyler; steg 1.5 - Bygg asfaltstrukturen med sprickan; steg 2.3 - Uppnå jämvikten; steg 2.4 - Utför självläkningsprocessen. Dessa steg anger det mest sammanhängande och viktiga innehållet i protokollet. För att skapa önskade former av den infogade sprickan modifieras förpackningsprocessen jämfört med den normala förpackningen i Materials Studio. Sprickformen skapas och fylls inuti simuleringslådan, och sedan packas asfaltmolekylerna i den andra delen av simuleringslådan. Därefter raderas de redundanta asfaltmolekylerna runt den skapade sprickkonturen. Begränsningen med MD-simuleringar är att tidsskalan och längdskalan är relativt små i storleksordningen nanosekund och nanometer jämfört med traditionella metoder som finita elementmetoden, där simuleringarna kan analyseras upp till sekunder och meter57. Betydelsen av denna metod är att den kan avslöja den självläkande mekanismen för asfalt och grafenmodifierad asfalt på atomistisk nivå genom att fånga nanostrukturutveckling, molekylära interaktioner och rörelser, som är svåra att komma åt med traditionella tillvägagångssätt58. Den självläkande mekanismen kan hjälpa forskare och ingenjörer att applicera nanomaterial på lämplig plats och förbättra asfalt på ett effektivt sätt. Den framtida tillämpningen av denna teknik är att den kan övervaka den molekylära strukturen på ett anständigt sätt och hjälpa till att undersöka effekten av andra variabler av nanomaterial som defekter, vikta strukturer och funktionella grupper. Denna teknik kan också kombineras med andra metoder för att observera de självläkande beteendena hos asfaltnanokompositer ur en flerskalig aspekt. Asfaltens självläkande egenskaper kan förstås noggrant och förbättras avsevärt i framtiden.
Grafen är avgörande för förändringar och migrering av gränssnittet och komponenterna under självläkningsprocessen. Utan att sätta in grafenarket spelar mättnad en viktig roll i den självläkande processen, eftersom kedjestrukturen hos mättade kan trassla in sig i varandra och överbrygga sprickytan. Den överbryggande effekten mellan mättade molekyler och sidokedjorna av asfaltenmolekyler kan starkt öka förpackningstätheten och minska tiden för den självläkande processen. Dessutom omorienterar sig asfaltmolekyler med polyaromatiska ringar, såsom asfalten, polära aromater och naftenaromater, vid sprickytan genom π-π stapling, vilket gör att asfaltmolekylerna rör sig i parallell riktning och bidrar till sprickvätning och stänger sprickytorna. Med införandet av grafen lockas de polära aromatiska molekylerna på ena sidan av sprickytan av grafenarket på andra sidan sprickytan, vilket ytterligare kan öka möjligheten att närliggande naftenaromatiska molekyler rör sig in i sprickområdet. De samlade asfaltmolekylerna som lockas av grafenarket kan fylla i sprickzonen med högre hastighet än den i ren asfalt, och den självläkande förmågan förbättras avsevärt i den grafenmodifierade asfaltnanokompositen. Asfaltmolekyler har högre molekylmassa och volym i asfaltmatrisen, vilket gör dem svåra att diffundera till grafendelen och fylla i sprickzonen. Naftenaromater har snabbare rörelse än polära aromater, vilket beror på den mindre molekylmassan och bättre diffusionsförmåga hos naftenaromatiska molekyler39.
I denna studie undersöks de självläkande egenskaperna hos ren asfalt och grafenmodifierade asfaltnanokompositer med hänsyn till olika sprickbredder och grafenplatser med hjälp av MD-simuleringar. Det observeras att det självläkande beteendet börjar från sprickspetsområdet, med den skarpa spetsen som blir trubbig och fuzzy. Asfaltmolekyler vid sprickgränsen kan diffundera för att minska sprickans bredd och fortsätta fylla gapet. Den fullständiga självläkande processen bekräftas när atomdensiteten hos sprickområdet är densamma som för asfaltmassan. MD-simuleringar kan hjälpa till att avslöja molekylära interaktioner och kedjerörelsen i asfaltmatrisen under självläkningsprocessen. Sammanflätningen och omorienteringen av asfaltmolekyler spelar en viktig roll i självläkande beteenden. Den självläkande hastigheten med införlivandet av grafenarket bestäms av dess placering. För grafenarket som ligger vid sprickspetsområdet hindras asfaltmolekylernas rörelse och kan inte lätt diffundera in i sprickzonen. För grafenarket vid sidan av sprickzonen lockas asfaltmolekylerna av grafenarket på grund av π-π staplingsinteraktion och samlas lätt vid sprickzonen, vilket indikerar en ökande självläkningshastighet. Simuleringsresultaten visar att modifiering av asfalt med nanomaterial kan förbättra både termomekaniska och självläkande egenskaper, vilket har stor potential för utveckling av smarta asfaltbeläggningar. Den grundläggande förståelsen av den självläkande mekanismen i asfaltnanokompositer baserade på MD-simuleringar kan underlätta effektiv manipulation av nanomaterial på den optimala platsen, vilket är fördelaktigt för avancerad design av asfaltnanokompositer med önskade egenskaper och funktioner.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har inga intressekonflikter att deklarera.
Acknowledgments
Författarna är tacksamma för stödet från City University of Hong Kong Strategic Research Grant med Project No. 7005547, stödet från Research Grants Council (RGC) i Hong Kong Special Administrative Region, Kina, med projekt nr. R5007-18, och stödet från Shenzhen Science and Technology Innovation Committee under bidraget 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. |
References
- 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).
- Hung, A. M., Mousavi, M., Fini, E. H. Implication of wax on hindering self-healing processes in bitumen. Applied Surface Science. 523, 146449 (2020).
- 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).
- 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).
- Xu, S., et al. Self-healing asphalt review: From idea to practice. Advanced Materials Interfaces. 5, 1800536 (2018).
- Tabaković, A., Schlangen, E. Self-healing Materials, Advances in Polymer Science. , Chapter 335 285-306 (2015).
- García, Á Self-healing of open cracks in asphalt mastic. Fuel. 93, 264-272 (2012).
- 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).
- Gulisano, F., Gallego, J. Microwave heating of asphalt paving materials: Principles, current status and next steps. Construction and Building Materials. 278, 121993 (2021).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Jian, W., Lau, D. Creep performance of CNT-based nanocomposites: A parametric study. Carbon. 153, 745-756 (2019).
- 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).
- Jian, W., Lau, D. Understanding the effect of functionalization in CNT-epoxy nanocomposite from molecular level. Composites Science and Technology. 191, 108076 (2020).
- 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).
- 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).
- 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).
- Jing, C., et al. Regenerated and rotation-induced cellulose-wrapped oriented CNT fibers for wearable multifunctional sensors. Nanoscale. 12 (30), 16305-16314 (2020).
- 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).
- 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).
- Xu, M., et al. Improved chemical system for molecular simulations of asphalt. Energy & Fuels. 33 (4), 3187-3198 (2019).
- Xu, G., Wang, H. Molecular dynamics study of oxidative aging effect on asphalt binder properties. Fuel. 188, 1-10 (2017).
- 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).
- 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).
- Sun, W., Wang, H. Self-healing of asphalt binder with cohesive failure: Insights from molecular dynamics simulation. Construction and Building Materials. 262, 120538 (2020).
- He, L., et al. Self-healing behavior of asphalt system based on molecular dynamics simulation. Construction and Building Materials. 254, 119225 (2020).
- 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).
- Li, D. D., Greenfield, M. L. Chemical compositions of improved model asphalt systems for molecular simulations. Fuel. 115, 347-356 (2014).
- Redelius, P., Soenen, H. Relation between bitumen chemistry and performance. Fuel. 140, 34-43 (2015).
- 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).
- Robertson, A. W., Warner, J. H. Atomic resolution imaging of graphene by transmission electron microscopy. Nanoscale. 5 (10), 4079-4093 (2013).
- Yang, L., Zhou, D., Kang, Y. Rheological properties of graphene modified asphalt binders. Nanomaterials (Basel). 10 (11), 2197 (2020).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Plimpton, S. Fast parallel algorithms for short-range molecular-dynamics. Journal of Computational Physics. 117 (1), 1-19 (1995).
- 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).
- 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).
- 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).
