Nanokomposit Kejuruteraan dalam Pengikat Asfalt

Sila hubungioscar.xiao@wecistanche.comuntuk maklumat lanjut

Abstrak:Baru-baru ini, nanoteknologi telah digunakan dengan berkesan dalam bidang turapan jalan. Pengoksidaan dan penuaan asfalt menyebabkan kemerosotan turapan jalan dan meningkatkan pelepasan berkaitan asfalt. Kami mencadangkan strategi anti-penuaan untuk mengganggu kemerosotan asfalt dengan menggunakan tanah liat kejuruteraan / nanokomposit silika wasap. Dalam penyelidikan ini, sifat morfologi, kimia, terma, mekanikal, dan reologi pengikat asfalt diubah suai nano dianalisis dengan teliti dalam pelbagai keadaan. Keputusan eksperimen membuktikan bahawa komposit ini secara cekap mengganggu pengoksidaan dan penguraian kimia dalam campuran dan mengurangkan kadar penuaan. Hebatnya, eksperimen reologi pengikat asfalt mendedahkan bahawa penambahan 0.2-0.3 peratus berat bahan bertetulang nano memaksimumkan rintangan reologinya selepas penuaan jangka pendek dan panjang. Selain itu, nanopartikel meningkatkan kecekapan rintangan kelembapan dan seterusnya, mengatasi isu kritikal kelembapan dalam suhu pengeluaran rendah dalam

Kata kunci:tanah liat nano, bitumen yang diubah suai, penuaan pengoksidaan terma, pengubahsuaian nano, nanokomposit

1. Pengenalan

Bitumen biasanya digunakan sebagai gam dalam campuran asfalt jalan, kerana sifat reologi yang sesuai [1-3]. Walau bagaimanapun, pengubahsuaian bitumen telah membangunkan bidang yang baru muncul dalam teknologi bahan jalan, terutamanya berkaitan dengan penggunaan semula turapan asfalt tebus guna, dengan konsep tenaga rendah untuk pengeluaran campuran asfalt, dan dengan peningkatan keinginan untuk sekurang-kurangnya menggantikan sebahagian bitumen melalui lebih banyak lagi. pengikat yang mampan dan berasaskan bio. Isu penting apabila mengenal pasti pengubah bitumen yang paling sesuai adalah untuk menyiasat rintangan penuaan mereka. Oleh kerana bahan asfalt jalan terdedah bukan sahaja kepada suhu panas semasa pengeluaran campuran tetapi juga kepada sinaran matahari yang teruk, dan oksigen dan radikal lain yang menggalakkan penuaan pengikat sepanjang hayat dalam perkhidmatannya [4-7], ketahanan pengikat asfalt dari segi rintangan penuaan adalah harta material yang penting. Penuaan pengikat termasuk ultraviolet, penuaan jangka panjang terma, dan penuaan jangka pendek termooksidatif. Untuk mempengaruhi prestasi pengikat asfalt, pelbagai jenis bahan tambahan yang berbeza boleh ditambah kepada bitumen, seperti polimer, gentian, bahan kitar semula, dan bahan nano [8,9]. Kajian ini memfokuskan kepada bahan nano. Di antara bahan-bahan ini, biasanya, bahan nano mengubah sifat pengikat kimia dengan ketara dan akibatnya sifat prestasi reologi mekanikal. Antara parameter terpenting yang menerangkan nanopartikel (NPS), yang menyebabkan sifat fizikal nanokomposit unik dan berbeza daripada bahan konvensional, adalah nisbah luas permukaan kepada isipadu, bentuk, komposisi kimia, dan keupayaannya untuk meningkatkan interaksi pada antara muka fasa [10]. ,11]. Oksida logam, inor-ganik, gentian nano, dan nanokomposit adalah kelas utama bahan nano yang digunakan terutamanya dalam campuran asfalt untuk mengubah suai pengikat asphaltena [12,13]. NP oksida logam termasuk zink oksida (ZnO) dan titanium dioksida (TiO) dilaporkan meningkatkan ketahanan campuran asfalt terhadap pengarutan dan keretakan [13,14].batang cistancheNP bukan organik seperti silika (SiO), tiub nano karbon (CNT), dan tanah liat nano dilihat mempunyai potensi yang sangat baik dalam pengukuhan bahan asfalt dan meningkatkan ketahanannya [15,16]. Prestasi reologi bitumen-dan seterusnya prestasi campuran asfalt yang sepadan-berjaya dipertingkatkan melalui penambahan SiO, dan NPs. Kestabilan terma dan mekanikal campuran asfalt juga dipertingkatkan dengan menggabungkan NP tanah liat [17,18]. Sepanjang pengetahuan kami, keluarga tanah liat dan silika adalah NPS tak organik yang paling banyak digunakan untuk meningkatkan rintangan pengikat kepada penuaan [{{ 7}}]. Keluarga tanah liat dan silika dilaporkan sebagai NP tak organik yang sangat baik dalam meningkatkan sifat penuaan pengikat. Berdasarkan keputusan laporan yang berbeza, pengikat asfalt diubah suai nano-silika mengurangkan sedikit kelikatan dan modulus kompleks, sambil meningkatkan rintangan keletihan dan alur selepas penuaan jangka pendek [19-21].Selain itu, beberapa penyiasatan telah menunjukkan bahawa nano -pengikat diubah suai silika mempunyai rintangan yang lebih tinggi terhadap penuaan haba, akhirnya membawa kepada peningkatan ketahanan turapan asfalt [21,22]. SiO dan NPs mempunyai kelebihan seperti nonphotocatalytic, perisai bukan organik, dan tidak toksik, yang sangat penting untuk digunakan dalam campuran asfalt [23,24]. Walau bagaimanapun, fumed SiO, dan NPs adalah satu kelas bahan nano sintetik yang mempunyai justifikasi mesra alam dan ekonomi untuk digunakan secara besar-besaran. Silika wasap adalah bahan nano struktur amorf sintetik dengan luas permukaan yang besar dan skala saiz nano [25]. Oleh itu, kajian ini memberi tumpuan kepada nanozarah silika tanah liat/fumed (CSNPs).

Sila klik di sini untuk mengetahui lebih lanjut

Berbanding dengan cara konvensional, teknologi asfalt campuran panas (WMA) berfungsi dengan cara mesra alam yang cekap. Dalam kes ini, asfalt dihasilkan pada suhu lebih kurang 30-60 darjah C, yang lebih rendah daripada biasa. Teknologi ini mengurangkan pelepasan wap berbahaya dan membawa kepada 20-35 dan 35 peratus kurang pelepasan gas rumah hijau dan penggunaan tenaga, masing-masing [13,26]. Walau bagaimanapun, kerentanan kelembapan adalah kelemahan biasa teknologi WMA, yang membawa kepada penurunan dalam prestasinya [27,28].

Objektif penyelidikan ini adalah untuk mengenal pasti potensi kesan CSNP terhadap rintangan penuaan pengikat asfalt jalan yang digunakan untuk campuran asfalt jalan yang dihasilkan oleh teknologi WMA. Secara terperinci, sifat morfologi, kimia, terma, reologi dan mekanikal pengikat asfalt yang diubah suai CSNP dianalisis dengan teliti dalam pelbagai keadaan. Wawasan baharu dibentangkan ke arah pemahaman lanjut tentang potensi perubahan dalam sifat pengikat mekanikal dan reologi akibat penuaan terma. Rajah 1 secara skematik menggambarkan teknik eksperimen yang digunakan dalam kajian ini.

2. Bahan-bahan dan cara-cara

2.1 Bahan

Proses sintesis CSNP telah dipilih mengikut kajian penulis sebelum ini (seperti yang ditunjukkan dalam Rajah S1)[29]. Silika berwasap nano(Aerosil A300, Degussa Co, Jerman), natrium bentonit (Sigma Aldrich Ltd., Jerman; lihat Jadual S1) dan Bitumen 50/70 (Total Co., Perancis) telah digunakan dalam penyelidikan ini. Analisis saiz zarah bahan dilakukan menggunakan penyerakan cahaya dinamik (DLS)(Malvern ZEN 3600, UK), manakala analisis pembelauan sinar-X (XRD) dijalankan menggunakan pembelauan serbuk sinar-X (Philips PW 1730, Belanda; Rajah S2).Untuk menyediakan campuran WMA, formulasi baharu lilin Fischer-Tropsch (FT)(Sasol, Afrika Selatan; Evonik, Jerman; Sigma-Aldrich, Jerman) telah disintesis dalam penyiasatan ini. Sebelum digunakan, nanokomposit telah dikeringkan di dalam ketuhar pada 110 darjah c selama 3 jam. Dalam langkah pertama, sampel telah disediakan mengikut prosedur kerja terdahulu [18]. Selepas itu, nanokomposit ditambah kepada bitumen dalam kuantiti yang berbeza (0.1,2, dan 3wt peratus ).Dalam kajian ini, bitumen telah diubah suai menggunakan bahan tambahan WMA 3 peratus.faedah dan kesan sampingan cistanche tubulosaNilai ini dipilih berdasarkan kandungan lilin yang biasa digunakan dalam campuran WMA yang dilaporkan dalam kajian lepas [13].

2.2 Proses penuaan

Untuk ujian ketuhar filem nipis bergolek (RTFOT), menurut ASTM D1754, sampel disimpan pada 163 darjah C dalam ketuhar filem nipis bergolek (RTFOT8, model ISL, Perancis). Berdasarkan prosedur piawai kapal penuaan tekanan (PAV), sampel telah disiasat dalam PAV selepas penuaan jangka panjang (dengan 300psi dan 100 darjah selama 20 jam). Kami menyediakan sampel dalam tiga keadaan: S1-S4: sampel tidak berumur, S5-S8: sampel berumur jangka pendek dan S9-S12: sampel berumur jangka panjang. Semua sampel dibentangkan dalam Jadual S2 (Bahan tambahan).

2.3 Kaedah pencirian

Peranti ricih rheometer(DSR) dinamik (Malvern Kinexus Pro plus, UK) digunakan untuk menilai sifat reologi pada frekuensi 10 rad/s dan suhu antara 20 dan 70 darjah C. Sudut fasa dan modulus ricih kompleks (G* ) sampel asfalt asas, pengikat dan lama telah diukur mengikut piawaian AASHTO T 315. Kaedah ini biasanya digunakan untuk mencirikan sifat pengikat asfalt dalam julat viskoelastik linear. Sifat kimia telah diuji menggunakan Fourier transform infrared (FTIR; Thermo scientific Nicolet iS10, USA) dan TG/DTA(SDT Q600, TA Ins., USA). Mikroskop Raman confocal Renishaw inViatM (Renishaw plc, Miskin, Pontyclun, UK) dengan sumber laser argon (633 nm) telah digunakan untuk mengkaji ikatan kimia dan saiz kepingan aromatik, yang dilengkapi dengan pengesan peranti berganding cas (4/cm). resolusi spektrum, geometri serakan 90 darjah). Spektrum tinjauan telah direkodkan antara 500 hingga 3,000/cm pada suhu bilik(50× objektif jarak kerja yang panjang). Mikroskop daya atom (AFM; Nanowizard, JPK Ins., Jerman) dengan julur dalam mod mengetuk (RTESP, Bruker, Amerika Syarikat) dan mikroskop elektron pengimbasan pelepasan medan (FE-SEM; TE-SCAN, MIRA II, Republik Czech) telah digunakan untuk mengkaji morfologi dan struktur sampel pengikat dalam skala mikro dan nano. Imej peta kekasaran dan ketebalan pada 1-2 bingkai/s dan titik set z telah dianalisis dan hasilnya dinilai menggunakan perisian sumber terbuka Gwyddion [30]. Morfologi dicirikan dengan memfokuskan rasuk elektron pada permukaan sampel pengikat. Kamera inframerah terma (FLIR-T440, AS) merakam imej termografi dalam langkah masa tertentu daripada sampel pengikat. Sifat rayapan lentur pada suhu rendah dianalisis dengan menggunakan rheometer rasuk lentur termoelektrik (TE-BBR; Cannon Ins., USA). Dalam kajian ini, kami menggunakan Petrotest untuk takat lembut (PKA5, Jerman), penetrometer automatik (PNR 12, Jerman) dan ujian kemuluran (inframerah,20-2356, Jerman). Ringkasan

ciri-ciri fizikal pengikat asfalt yang digunakan dalam kajian ini dibentangkan dalam Jadual S3(Bahan Tambahan).

3. Keputusan dan perbincangan

3.1 Morfologi permukaan

FE-SEM telah dijalankan untuk memerhati morfologi permukaan sampel pengikat asfalt yang diubah suai CSNP dalam matriks pengikat asfalt (Rajah 2a). Imej FE-SEM memaparkan penyebaran seragam CSNP (saiz zarah purata ~45 nm) dalam matriks pengikat asfalt. Bentuk lapisan nano unik CSNP dalam matriks pengikat asfalt memberi kesan ketara kepada proses penuaan: seperti perisai. Dalam kes ini, CSNP menghalang struktur atas daripada kemusnahan melalui sinaran [8] dan pada masa yang sama memerangkap sebatian meruap dan menghalang penyejatan daripada pengikat asfalt.

Cistanche boleh anti-penuaan

Oleh kerana kawasan permukaannya yang besar, lapisan nano tanah liat dan NP silika berwasap menyelubungi kawasan yang luas. Untuk menggunakan ciri ini, penyebaran CSNP yang sesuai dalam pengikat asfalt adalah penting. Taburan boleh dianalisis (lihat Rajah S3) menggunakan spektroskopi penyebaran tenaga (EDS). Unsur-unsur aluminium, silika, besi, dan titanium boleh dikesan dan digunakan untuk mengenal pasti taburan CSNP dalam pengikat asas. Lapisan tanah liat dalam permukaan pengikat biasanya dikesan melalui titanium dioksida （dengan saiz zarah purata 1μm）. Peta unsur titanium menunjukkan taburan zarah dalam bitumen adalah seragam.

Struktur nano yang dibentuk oleh CSNP bertindak sebagai perisai nano terhadap pengoksidaan dan pemusnahan haba. Lapisan tanah liat mempunyai kerintangan haba yang tinggi dan mengelakkan penguraian ikatan kimia dan dengan itu melambatkan penuaan pengikat [8]. Rajah 2b dan c menunjukkan penutup separa seragam CSNP pada pengikat asfalt (warna hijau) dan pukal padat CSNP (warna merah), masing-masing. Kekutuban dan ikatan kimia [31,32] adalah parameter penting yang menyebabkan lapisan nano menjerap bersama dan mencipta komponen besar ini dalam pengikat asfalt.

Untuk lebih memahami kesan CSNP pada pengikat, sifat morfologi dianalisis melalui ujian AFM. Pengenalpastian perubahan struktur mikro pengikat akibat penuaan adalah menarik kerana ia menunjukkan perubahan interaksi molekul dan sebatian kimia [33,34].ekstrak cistanche tubulosaStruktur mikro sampel pengikat yang diubah suai oleh CSNP ditunjukkan dalam Rajah 3.

Dalam Rajah 3, tiga fasa Catana, Peri dan Para ditunjukkan yang masing-masing menunjukkan struktur seperti lebah, fasa tersebar dan fasa matriks licin. Fasa Catana dan matriks dianggap sebagai ciri struktur mikro pengikat [35]. Struktur seperti lebah dikaitkan dengan rantai panjang alkil dalam lilin mikrokristalin, struktur aromatik, dan asfaltena, yang menghablur semasa penyejukan [36].ulasan cistanche tubulosaStruktur seperti lebah dalam imej AFM menunjukkan kemungkinan kehadiran komponen asfaltik (Rajah 3b-d).cistanche UKJumlah asfaltena dan koloid secara langsung berkaitan dengan saiz struktur seperti lebah dalam

pengikat asfalt; semakin besar struktur, semakin tinggi bilangan asfaltena dan koloid [37]. Morfologi mikrostruktur dan fasa individu sampel pengikat penuaan jangka pendek dan panjang dibentangkan dalam Rajah 3e-g. Perbandingan imej AFM bagi sampel berumur dan dara jangka panjang menggambarkan struktur nano yang semakin hilang dan pembentukan struktur seperti lebah yang semakin meningkat. Proses yang sama boleh diperhatikan dalam Video 1-3 (lihat Bahan Tambahan), yang direkodkan semasa pengukuran AFM, yang menunjukkan perubahan struktur akibat penuaan pengikat. Penambahan CSNP kepada pengikat asfalt membawa kepada perubahan ketara dalam morfologi pengikat dan struktur mikro. Perubahan ini menerangkan peranan CSNP sebagai perisai kepada penuaan yang mengikat.

Artikel ini diekstrak daripada Ulasan Nanoteknologi 2022; 11: 1047–1067