Инженерные нанокомпозиты в асфальтовых вяжущих 2

Пожалуйста свяжитесьoscar.xiao@wecistanche.comЧтобы получить больше информации

3.2 Динамические вязкоупругие свойства

Вязкоупругие свойства вяжущих анализировали с помощью теста DSR. Фазовый угол（δ） и соответствующий комплексный модуль сдвига (G*) измерялись в диапазоне частот (10 рад/с) и большой температуре (от 20 до 9{{17} }} степень ). Стойкость вяжущего к постоянной (пластической) деформации (колейности) исследовали по параметру G*/sinδ【38】. Результаты проиллюстрированы на рисунке 4a-c. Деформационная стойкость битумного вяжущего рассматривается с фазовым углом и комплексным модулем, параметры частоты нагружения и температуры которых оказывают основное влияние на G* и δ【8】. Образец с ХНЧ в количестве 0,2 мас.% показывает наибольшую деформационную стойкость до старения. Старение приводит к увеличению жесткости. Максимальный уровень жесткости всегда наблюдается у состаренных базовых образцов, что связано с повышением упругости [39] и невыгодно с повышением хрупкости [40]. Условия комплексного модуля изменяются при добавлении НЧ к битумному вяжущему. Для образцов, модифицированных ХСНЧ, увеличение жесткости при старении менее выражено из-за армирующего действия НЧ. По результатам этого исследования добавление 0,2 и 0,3 мас.

НПС к битумному вяжущему проявляет наивысшую стойкость к остаточной деформации после кратковременного и длительного старения соответственно. Оптимальное содержание CSNP в битумном вяжущем может быть определено для получения модифицированных CSNP вяжущих с наибольшей стойкостью к старению.cistanche wirkungПосле старения PAV фазовый угол и ранжирование по комплексному модулю составили 3,0wt9 процентов NP.<1.0wt%><2.0><0.0 wt9="" nps,="" and="" 0.0wt%="" nps="">2.0wt% NPs>1.0 wt% NPs>3,0 мас.% НЧ соответственно.

На рис. 4d-g показаны параметры колеи до и после старения (при 30 и 70°С). Образцы 6 и 12 продемонстрировали наиболее отчетливое улучшение после кратковременного и длительного старения соответственно. Результаты показывают сопротивление остаточной деформации, которое улучшилось при добавлении CSNP.

Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы узнать больше

В данном исследовании эффективность сопротивления колееобразованию рассматривается с пороговой температурой фактора колейности. В таблице 1 представлена ​​пороговая температура 1,0 до старения и 2,2 кПа после старения (на основе стандарта SHRP-A-369 [38]). Результаты показывают, что CSNP снижают устойчивость к колееобразованию перед старением. После старения пороговая температура и твердение базовых образцов увеличиваются, в то время как для образцов, модифицированных ХСНЧ, наблюдается обратное. Эти наблюдения подтверждают, что CSNP снижают жесткость и затвердевание из-за старения.цитрусовые биофлавоноидыБолее того, результаты показали, что {{0}},1 мас.% CSNP работают лучше по сравнению с 0,2 мас.%.

3.3 Термический и спектроскопический анализ Термогравиметрический/дифференциальный термический анализ (ТГ/ДТА) был проведен для исследования термической стабильности и характера термического разложения. На рис. 5 представлены результаты термогравиметрического анализа (ТГА), где измеряется потеря массы образцов при повышении температуры до 900 град.

При термическом разложении показаны три основных диапазона потери массы: диапазоны температур 200-360, 370-490 и 540 градусов. В интервале температур 480-580 град С происходит распад гетероатомных связей базовых образцов, окисление и дегидрирование смол. На следующем этапе в процессе полимеризации/крекинга образуются асфальтены, которые увеличивают потерю веса вяжущего [41,42].

Цистанхе может омолаживать

Образцы связующего, модифицированного ХСНФ, обладают повышенной термостойкостью.Преимущества киноморияОкончательное разложение связующих, модифицированных CSNP, произошло раньше по сравнению с базовыми образцами, что может быть связано с НЧ коллоидального кремнезема (рис. S4). Углеродный остаток базовых образцов достигает нуля при 800 градусах (максимальная потеря массы); тем не менее, в связующих, модифицированных CSNP, содержится 20-43% углеродистого остатка. Модифицированные CSNP вяжущие с меньшей потерей массы обладают более высокой термостойкостью и меньшей испаряемостью [43]. Основная потеря массы образцов вяжущего ЦСНЧ происходит при температурах выше 200 град, что значительно превышает рабочую температуру, необходимую для асфальтобетонных смесей; следовательно, этот нанокомпозит имеет приемлемые тепловые характеристики в битумных вяжущих.

Распределение температуры на поверхности образца в течение 120 с в разное время (с использованием инфракрасных тепловизионных изображений) — всегда рассчитываемое путем выбора трех точек на поверхности [44, 45] — показано на рис. 6. Изменения температуры показаны изменением цвета. в образцах асфальтобетонного вяжущего.пустынный гиацинтПри низкой температуре (рис. 6а, д, и и м) тепло распределяется равномерно; однако температура повышается с 44,6 до 136, с 34,8 до 95 и с 33,7 до 95 градусов для образца без добавки WMA, с добавкой WMA и с добавкой WMA плюс CSNP после 120 с соответственно. На рис. 6 показано, что без WMA образцы с добавками имеют линейную скорость нагрева и растущую тенденцию температуры поверхности. На рис. 6h и p показано, что образцы WMA могут равномерно выделять тепло; однако базовые образцы создают накопление тепла. Кроме того, образцы WMA имеют более подходящее распределение температуры, чем базовые образцы при

более низкий уровень нагрева. На рис. 6a-d и il показана скорость выделяемого тепла образцов без и с CSNP, которая составляет 0,63 и 0,62 град/с соответственно. Эти цифры показывают, что добавки WMA с CSNP и без них имеют сходные тепловые механизмы.

Сравнение температурных распределений образцов, модифицированных CSNP и NP пирогенного кремнезема (Рисунок 6 и Рисунок S5), показывает, что влияние CSNP на WMA более эффективно, чем NP пирогенного кремнезема. Кроме того, достаточная производительность (температурное распределение) образцов, модифицированных НПС кремнезема и НПС глины, указывает на явление самовосстановления в битумном вяжущем [46,47].

3.4 Контактные углы битумных вяжущих

На рис. 7 показаны краевые углы (CAs; между водой и поверхностью битумного вяжущего) для различных битумных вяжущих до и после старения. Значения CA выше или ниже 90 градусов показывают гидрофобность или гидрофильность образцов соответственно. Образцы, модифицированные CSNP, более гидрофобны, и, таким образом, на поверхности связующего задерживается меньше молекул воды. Иными словами, CSNP значительно уменьшают количество остаточных молекул воды в асфальтовой смеси и изменяют смачиваемость битумных вяжущих. Это явление указывает на то, что вяжущие, модифицированные CSNP, обладают гораздо более высокой восприимчивостью к влаге по сравнению с образцами базового вяжущего. Видео 4-6(см. Дополнительные материалы) сравнивает ХА модифицированных образцов до и после старения.

На рисунке 7 показано увеличение СА с 91 до 97 градусов для образца, модифицированного CSNP. Это наблюдение может быть связано с гидрофобной природой НЧ пирогенного кремнезема. Соотношение НЧ пирогенного кремнезема в битумном вяжущем может играть ключевую роль в смачиваемости вяжущего (ХА НЧ пирогенного кремнезема показаны на рисунке S6). наблюдается длительное старение.

3.5 Механизм CSNP и битума

Несколько механизмов влияют на процесс замедления старения битумного вяжущего, модифицированного CSNP. В этом взаимодействии увеличение поверхностной энергии вызывает увеличение связей гидроксильных групп между НЧ кремнезема и битумом [8,48]. Кроме того, высокое отношение площади поверхности к объему глинистых нанослоев увеличивается для соединения молекул битумного вяжущего с глинистыми слоями [49]. Молекулы битума могут образовывать химические связи с НЧ кремнезема, а также НПС поддерживают компоненты битума за счет физических реакций (сила Ван-дер-Ваальса) [50]. Асфальтены играют ключевую роль в реологических свойствах битума.метод экстракции флавоноидовpdfСудя по коллоидной структуре битума (рис. 8), нефть и асфальтены диспергированы в фазе растворителя. Как показано на рисунке 8, благодаря соответствующему размеру CSNP (средний размер частиц кремнезема и слоев глины составляет около 33 и 12 нм соответственно), они легко диспергируются между этими коллоидными размерами и покрывают молекулы асфальтенов (средний диаметр, 0.5-40 нм [51);

следовательно, механические и термические свойства могут быть изменены с помощью этого молекулярно-химического улучшения. Кроме того, нанослои глины обладают превосходной способностью изменять свойства битумной поверхности. Нанослои глины диспергированы в коллоидной структуре битума и препятствуют проникновению кислорода в матрицу битума на наноуровне [52]. Другие физические и химические свойства CSNP, такие как изменение смачиваемости [53] и реакции ионного обмена, повышают стабильность модифицированного битума и предотвращают разложение химической структуры битума.

3.6 Анализ инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье и рамановской спектроскопии

Для изучения химических связей битумного вяжущего использовали ИК-Фурье-спектроскопию в диапазоне 650-4, 000/см (рис. 9а). На рис. 9 показана скорость изменения (CR) сульфоксидного и карбонильного индексов при кратковременном и длительном старении. Что касается образцов, состаренных УФ-излучением, то карбонильный индекс увеличился больше, чем у основного связующего. Сульфоксидный и карбонильный индексы были снижены для битумных вяжущих, модифицированных CSNP. Кроме того, увеличение времени старения увеличивает сульфоксидный и карбонильный индексы.

Уравнения в дополнительных материалах (см. Таблицу S4) использовались для исследования химических связей: ароматических (C=C), этиленовых (CH=CH), карбонильных (C=O ), алифатический (CH of CHz), алифатический (CH of -(CH)n-) и сульфоксидный (S=O) индексы [54,55].

Изменение соотношения полос показано на рис. 9б для всех образцов вяжущего. В процессе кратковременного и длительного старения карбонильный, сульфоксидный и ароматический индексы увеличиваются; однако после старения результаты показывают, что сульфоксидный и карбонильный индексы снижаются для связующих, модифицированных CSNP. В процессе старения асфальтены гидрогенерируются в полициклические ароматические или гидроароматические углеводороды, что приводит к увеличению содержания ароматических соединений. Наоборот, после старения, за счет противопоставления соединений алифатических и ароматических, произошло уменьшение алифатических молекул. Кроме того, в связующем, модифицированном CSNP, индекс этилена (CH=CH) увеличился после старения, что указывает на то, что CSNP является подходящим защитным экраном для уменьшения окислительных и термических реакций [54,56]. Другими словами, частицы нанодиаметра обладают отличной способностью использоваться в качестве антивозрастного щита [57].

Средний размер ароматического слоя битума определяли с помощью рамановской спектроскопии (рис. 10). Спектры КР каждого образца состоят из полос D и G, за исключением свежего битума [58,59]. Полосы G и D показывают sp²валентные колебания атомов углерода внутри ароматического листа гексагонала и на границе упорядоченной структуры асфальтена соответственно [58]. Положение пика полосы G и D (Ic и I) на рисунке 10 находится в 1, 585-1, 599 и 1, 264-1, 377/см соответственно (рис. S7) [59].

Несмотря на большое сходство между спектрами комбинационного рассеяния света образцов битума, существует несколько основных вариаций. Например, относительная доля ароматических колец была значительно выше в образце длительного старения по сравнению с более низкими ароматическими конденсированными кольцами в базовых образцах. В присутствии NPS изменение пиков полос G и D можно объяснить способностью самой наночастицы изменять взаимодействие ароматических колец в растворе битума.

При ближайшем рассмотрении рисунка 10 добавление НЧ к образцам битума изменяет интенсивность слоев асфальтена. Это связано с взаимодействием между НЧ и ароматическими конденсированными кольцами. Наиболее интенсивный пик в полосе D приходится на образец с длительным старением, в основе которого лежит колебательная мода неупорядоченной графитовой решетки с симметрией Ag [60]. Наоборот, базовый битум показывает, что молекулы занятых ароматических соединений чрезвычайно низки по сравнению с другими образцами из-за малого размера асфальтеновых ароматических слоев [61].

3.7 Низкотемпературные характеристики и старение вязкости

Испытание BBR использовалось для расчета скорости ползучести (значение m) и жесткости ползучести (S) битумных вяжущих в зависимости от времени нагружения в условиях низкой температуры [62]. Значение S и m являются ключевыми параметрами для низкотемпературного крекинга асфальтовых материалов [63].

В этом исследовании значения S и m были определены для битумных вяжущих, модифицированных NP, при трех различных температурах (рис. 1a и b). Наблюдаемые значения жесткости ползучести битумных вяжущих, модифицированных NP, были значительно снижены. Следовательно, CSNP улучшают стойкость к низкотемпературному растрескиванию. Образцы 7 и 11 с 0,2 мас.% CSNP показали наиболее значительные улучшения после кратковременного/длительного старения. Скорость ползучести (после процесса старения) уменьшалась со степенью старения; однако добавки наночастиц значительно увеличили скорость ползучести. НЧ коллоидного кремнезема улучшают устойчивость асфальта к растрескиванию. Это связано с тем, что НПВ стимулирует поверхность и молекулы битумного вяжущего, тем самым уменьшая старение, и, в свою очередь, модифицированные образцы битумного вяжущего приобретают достаточную эластичность при низких температурах [16, 64].

На рис. 11в показан показатель вязкостного старения (IVA) образцов битумного вяжущего после кратковременного и длительного старения. IVA используется для изучения свойств старения (таблица S4 в дополнительных материалах).

ВА у образцов, модифицированных НЧ, после кратковременного старения меньше, чем у базовых образцов. Таким образом, сопротивление старению битумного вяжущего повышается при модификации НПС. Согласно результатам, показанным на рисунке 11c, IVA напрямую связана со старением и увеличивается с увеличением продолжительности старения. Образец битумного вяжущего, модифицированный 0,2 мас.% NPS, имеет соответствующую ⅣA после кратковременного старения, а образец, модифицированный 0,3 мас.% NPS, имеет наименьший уровень IVA после длительного старения. -срок старения. Результаты показывают, что IVA уменьшается с увеличением концентрации NP.

4. Вывод

Модификация асфальтовых вяжущих с помощью NPS может открыть новые перспективы в технологии асфальтовых вяжущих и может оказаться очень полезной для разработки следующего поколения материалов для дорожного асфальтобетонного покрытия. Новые типы нанокомпозитов могут значительно повысить техническую долговечность и устойчивость, оставаясь при этом экологически чистыми и экономически эффективными.

В этом исследовании представлены последние данные о новом нанокомпозитном битумном вяжущем, модифицированном CSNP. Этот новый тип вяжущего обладает значительно улучшенными термическими, химическими и механическими свойствами по сравнению с обычными битумными вяжущими. Интересные преимущества проявляются в повышенной стойкости к старению и влагостойкости, снижении температуры производства асфальтобетонных смесей и улучшении долгосрочных характеристик.

Экспериментальные результаты, представленные в этом исследовании, показывают, что модификация вяжущего с использованием CSNP выгодно изменяет смачиваемость и улучшает гидрофобные свойства обычных битумных вяжущих. Наши результаты показывают большой потенциал для решения одной из самых сложных проблем в технологии WMA, а именно восприимчивости к влаге. Кроме того, подробные химические и реологические исследования указывают на значительное улучшение стойкости к старению битумных вяжущих, модифицированных CSNP.

Модификацию асфальтового вяжущего с помощью технологии CSNP и WMA можно считать интересным недорогим и экологически безопасным методом проектирования асфальтовых покрытий, открывающим новые перспективы в повышении долговечности асфальтовых материалов. С более широкой точки зрения, наши открытия молекулярных взаимодействий между наночастицами и асфальтовым вяжущим откроют новый путь, который станет источником вдохновения для концепции нанотехнологии в асфальте.

Эта статья взята из Nanotechnology Reviews 2022; 11: 1047–1067