بررسی رفتارهای میکرومکانیکی قیر-بخش نهم

ساختمان ساختار مولکولی

به‌طورکلی نظریه دینامیک فاز را می‌توان برای توصیف فاز در فرآیند هم‌جوشی و جدایش در قیر در مقیاس حد واسط استفاده کرد. برای ارزیابی دقیق‌تر فرآیند و تبیین دقیق کسر جرمی فازهای مختلف در قیر که مقدار فاز میدانی متغیر ϕi آن‌هم در معادله شماره ۱ نشان داده‌شده، شبیه‌سازی دینامیک مولکولی (MD) برای ساخت ریزساختارهای قیر به کار گرفته می‌شود. همان‌طور که ما قبلاً به آن اشاره کردیم، شیمی قیر اغلب توسط ترکیب‌بندی گروه‌های هیدروکربن آن مشخص می‌شود. به‌طور مثال، سه گروه اصلی تشکیل‌دهنده شامل آسفالتن، نفتن آروماتیک‌ها و اشباع‌ها در شکل شماره ۸ نشان داده‌شده است. سه نوع مختلف مولکول برای نشان دادن گونه‌های تشکیل‌دهنده مربوطه استفاده‌شده و سه تا از آن‌ها باهم تشکیل گروه مولکولی شبه قیر را می‌دهند. این روش در ابتدا توسط Zhang و Greenfield ارائه‌شده است. در مدل آن‌ها از ۱,۷ دی متیل نفتالین برای نمایش نفتن آروماتیک‌ها و از مولکول‌های n-c₂₂ برای نمایش اشباع‌ها استفاده‌شده است. این نکته را مدنظر داشته باشید که ما در حال حاضر قیر خالص را موردمطالعه قرار می‌دهیم، درحالی‌که برای مخلوط قیری باید تعاملات بین قیر و سنگدانه نیز موردتوجه قرار گیرد.

شکل ۸   ساختار مولکولی مرسوم آسفالتن، نفتن و اشباع‌ها

در این پژوهش برای شبیه‌سازی ساختار مولکولی قیر از میدان نیروی COMPASS (پتانسیل مولکولی فاز چگال بهینه‌شده برای مطالعات شبیه‌سازی آروماتیک) استفاده‌شده و این می‌تواند به‌صورت زیر شرح داده شود:

معادله شماره ۸            

که در آن، E_b انرژی پتانسیل پیوندها، E_ɵ انرژی پتانسیل زاویه پیوند، E_ϕ انرژی پتانسیل زاویه دوسطحی، E_b,b^,، E_b,ɵ، E_b,ϕ، E_ɵ,ɵ^, و E_ɵ,ɵ^,_,ϕ انرژی تعامل در شرایط متقابل، E_q تابع کلمبیک برای تعاملات الکترواستاتیک و E_vdw انرژی پتانسیل تعاملات واندروالسی است.

تمام ساختار مولکولی قیر با استفاده از نرم‌افزار Material Studio 7.0 ساخته‌شده است. از سلول آمورف برای ساخت نمونه عنصر حجم در قیر استفاده‌شده است. بر مبنای تحقیقات Zhang و Coworkers، چگالی هدف پیکربندی شیمیایی برابر با  ۱gr/cm³  قرار داده‌شده است. پس از پالایش ساختار و به حداقل رساندن انرژی، شکل شماره ۹ نشان‌دهنده یک گروه شبه قیر ساخته‌شده متشکل از ۱ مولکول آسفالتن، ۱۸ ۱,۷ دی متیل نفتالین و ۳ مـولکول n-c₂₂ با کسر جرمی ۱۹٫۰:۶۰٫۲:۲۰٫۸ است. طول لبه شبکه ^°A برابر با ۱۹٫۸×۱۹٫۸×۱۹٫۸ است.

شکل ۹  گروه مولکول قیر ساخته‌شده در سلول آمورف

برای مطالعه تأثیرات رزین و روغن بر ریز خواص قیر، دو نسبت کسر جرمی دیگر برای ساخت گروه مولکول قیر انتخاب شد.

1. ۲ مولکول آسفالتن، ۲۳ ۱,۷ دی متیل نفتالین و ۱۲ مولکول n-c₂₂ با کسر جرمی ۱:۳۸٫۸:۴۲٫۱

2. ۳ مولکول آسفالتن، ۶۹ ۱,۷ دی متیل نفتالین و ۲ مولکول n-c₂₂ با کسر جرمی ۱:۳۸٫۸:۴۲٫۱

برای هر شبیه‌سازی از شرایط مرزی تناوبی برای از بین بردن اثر سطحی استفاده شد. درجه حرارت سیستم معادل ۲۹۸ K و شرایط NVT (تعداد ثابت اتم‌ها، حجم و درجه حرارت) مورداستفاده قرار گرفت.

با به‌کارگیری شرایط بارگذاری، منحنی تنش کرنش گروه شبه قیر و مقدار ثابت الاستیک را می‌توان به دست آورد. با استفاده از مدل ویسکوالاستیک در نرم‌افزار Material Studio، مدول ها به ترتیب به میزان ۱/۰۵۳۹، ۰/۹ و ۱/۴ برآورد شدند. نسبت پوآسون نیز برابر ۰/۳۶ بود. هنگامی‌که مقادیر با شکل شماره ۳_b مقایسه شد، مشخص گردید که اولین نسبت جرمی به‌عنوان‌مثال ۱۹٫۰:۶۰٫۲:۲۰٫۸ ترکیب‌بندی قیر به قیر واقعی نزدیک‌تر است. ما درنهایت در شبیه‌سازی فاز میدانی ϕ_۱=۰/۰۱۹، ϕ_۲=۰/۶۰۲ و ϕ_۳=۰/۲۰۸ قرار می‌دهیم.

برای مشاهده ادامه مطالب درباره این موضوع برروی لینک زیر کلیک کنید:

بررسی رفتارهای میکرومکانیکی قیر-بخش دهم

برای مشاهده اولین مطلب درباره این موضوع برروی لینک زیر کلیک کنید: 

بررسی رفتارهای میکرومکانیکی قیر