Efecte del grafè sobre les microestructures d'asfalt modificades basades en la microscòpia de força atòmica

Resum:La microscòpia de força atòmica (AFM) es va utilitzar per explorar els efectes dels modificadors del grafè sobre la microestructura de l'asfalt. Es van realitzar les morfologies d'asfalt base abans i després d'envellir i l'asfalt modificat i es van comparar amb l'anàlisi. El mecanisme de formació de les "estructures d'abelles" asfàltiques i el mecanisme d'influència del grafè sobre l'asfalt es van discutir des de la teoria clàssica de la ciència dels materials (teoria de la transformació de fases i teoria de la difusió). Els resultats mostren que el grafè facilita la nucleació d'"estructures d'abelles", donant com a resultat un nombre creixent i una disminució del volum d'"estructures d'abelles" en l'asfalt modificat. A més, elrendiment anti-envellimentde l'asfalt modificat va millorar significativament a causa de la incorporació de grafè.

Paraules clau:AFM; grafè; estructures de les abelles; teoria de la transformació de fases;rendiment anti-envelliment 

Herbes xineses per a suplements anti-envelliment

1. Introducció

L'asfalt és una barreja complicada de diversos hidrocarburs i els seus derivats no metàl·lics (oxigen, sofre i nitrogen). Els components de l'asfalt inclouen alcans, cicloalcans, arenes i derivats que contenen sofre, hidrocarburs aromàtics policíclics, arenes policícliques fusionades i derivats no metàl·lics. A més, els oligoelements metàl·lics (vanadi, níquel, magnesi, ferro i calci) estan presents a l'asfalt [1,2]. Tot i que els components i la microestructura de l'asfalt són crucials i afecten el seu rendiment del paviment, els estudis microscòpics relatius a l'asfalt són escassos a causa de la seva complexa composició química i els recursos d'investigació insuficients. En els darrers anys, la relació entre els components del betum, la microestructura i el rendiment del paviment ha cridat una atenció creixent. En particular, els investigadors s'estan centrant en la microscòpia de força atòmica (AFM), que s'utilitza per investigar l'estructura microscòpica i el mecanisme de l'asfalt.

El 1996, Loeber et al. va observar per primera vegada la microestructura de l'asfalt mitjançant AFM i va anomenar la topografia microscòpica de l'asfalt com "estructura d'abella". Mitjançant l'anàlisi del procés de formació, es va descobrir preliminarment que l'"estructura de l'abella" era deguda a l'asfaltè [3]. Pauli et al. va demostrar que les microestructures es deuen principalment a la interacció entre les ceres de parafina cristal·litzants i els components restants d'asfalt sense cera [4]. De la mateixa manera, Jäger A. et al. va informar que l'"estructura de l'abella" es devia a l'asfaltè [5]. De Moraes et al. es va especular que la propietat de l'"estructura de l'abella" és similar a la de la cera microcristal·lina [6]. Masson et al. va investigar les topografies microscòpiques de 13 tipus d'asfalt i va descobrir que la formació d'"estructures d'abelles" s'atribuïa al contingut de vanadi i níquel a l'asfalt [7].

Mentrestant, es va informar que l'addició d'asfalt del llac Trinidad i modificadors SBS va afectar significativament la mida del gra i la distribució de les "estructures de les abelles" [8,9]. Alguns investigadors van informar que l'"estructura de l'abella" es va deure a l'arrugada de pel·lícules primes que mesuraven aproximadament 10 nm de gruix [2, 10]. Ji et al. va utilitzar AFM per avaluar quantitativament la microestructura de l'asfalt mitjançant la teoria de la rugositat [11]. Hung va investigar l'evolució de la microestructura de l'asfalt després de l'exposició a l'aigua [12]. Tot i que els èxits, com s'evidencia a través de l'AFM, s'han aconseguit en l'aplicació microscòpica de l'asfalt, les condicions de formació, el mecanisme, la llei d'evolució i els factors d'influència de les "estructures d'abelles" asfàltiques segueixen sent concloents. Per tant, intentem explorar l'efecte dels additius sobre la microestructura de l'asfalt i esperem aconseguir alguna cosa significativa.

Els nanomaterials "efecte de mida petita" tenen naturalment un efecte límit i una gran superfície específica, que pot provocar directament o indirectament un efecte superficial especial. En els últims anys, els nanomaterials utilitzats com a modificacions d'asfalt s'han estudiat cada cop més per millorar les propietats mecàniques i físiques de betum S'han seleccionat alguns nanomaterials com el diòxid de titani (TiO2) [13], l'òxid de zinc (ZnO) [14], l'òxid de grafè (GO) [15], el diòxid de silici (SiO2) [16] i la montmorillonita [17] com a modificadors per millorar el rendiment de la carretera i ampliar la durabilitat de l'asfalt S'han aconseguit alguns resultats molt significatius, per exemple, Cheraghian et al.envelliment ultraviolatresistència del betum modificat de les nanopartícules de sílice pirogena i els resultats mostren que elpropietat anti-envelliment ultraviolatd'asfalt modificat es millora amb l'augment del contingut de nanosílice [18]. Zhang et al. va trobar que la reducció de la mida de les partícules de ZnO pot millorar el rendiment de l'aglutinant d'asfalt i la barreja d'asfalt mitjançant l'anàlisi de la influència de la mida de les partícules de ZnO en les propietats físiques de l'asfalt [19].

En el nostre estudi, es va seleccionar el grafè com a modificador d'asfalt. Això es deu principalment al fet que el grafè és un nou nanomaterial basat en carboni quasi bidimensional (2D) amb àtoms de carboni disposats en una xarxa de bresca, i s'ha investigat com a modificador d'asfalt a causa de la seva compatibilitat amb l'asfalt. Per exemple, Wu et al. va descobrir que incorporar una petita quantitat d'òxid de grafè (GO) milloravapropietat anti-envellimentd'asfalt [20–22]. Shi et al. va investigar les propietats i el mecanisme de modificació de l'asfalt modificat amb GO. Van descobrir que una petita quantitat de GO restringia el moviment de les molècules d'asfalt i millorava el seu rendiment a alta temperatura [23–25]. Moreno-Navarro et al. va descobrir que la presència de grafè va donar lloc a una resposta elàstica més significativa i va reduir la sensibilitat tèrmica de l'aglutinant d'asfalt [26].

Per tant, en aquest estudi, es van investigar les topografies de l'asfalt base A-70 i l'asfalt modificat amb grafè mitjançant AFM. Una anàlisi i una discussió més exhaustiva aclaririen les raons de la formació i els efectes del grafè sobre les "estructures de les abelles" asfàltiques. Es van introduir regles bàsiques dels materials, la teoria de la transformació de fase i la teoria de la difusió per interpretar el mecanisme del grafè a les "estructures d'abelles" microscòpiques de l'asfalt.

2. Experimental

En aquest estudi, s'ha utilitzat un asfalt A-70 proporcionat per Shandong Hi-speed Construction Materials, Jinan, Xina, com a asfalt base. L'asfalt modificat amb grafè era casolà i la dosi de grafè era de l'1 per cent en pes, que anteriorment s'ha demostrat que era el contingut òptim de grafè [27]. 2.1. Preparació d'exemplars AFM El curt ienvelliment a llarg terminid'asfalt es va simular utilitzant un aparell de calefacció del forn de pel·lícula giratòria (James Cox & Sons CS325B, Colfax, CA, EUA) i unaparell d'envelliment per pressió(Prentex PR9300, Sunnyvale, TX, EUA), respectivament. L'asfalt no envellit, envellit a curt termini i envellit a llarg termini es va preparar per separat. Les mostres d'AFM es van preparar mitjançant el mètode d'emmotllament per escalfament de la següent manera: primer, l'asfalt fos es va dipositar sobre un portaobjectes de vidre (10 mm × 10 mm × 1 mm) mitjançant una vareta de vidre. Posteriorment, la gota es va col·locar en un forn i es va inclinar 30◦ per sobre de l'horitzontal. Es va escalfar a 150 ◦ C durant 15 min, i una fina capa d'asfalt va recobrir la superfície del tobogan per gravetat. Finalment, el portaobjectes de vidre recobert amb asfalt es va refredar a temperatura ambient a l'aire. La pel·lícula d'asfalt preparada mitjançant aquest mètode va mesurar diverses micres de gruix, que és similar al gruix real de les pel·lícules d'asfalt a les carreteres [28].

2.2. Prova amb microscopi de força atòmica

AFM (Bruker Multimode 8, Santa Barbara, CA, EUA) es va realitzar per caracteritzar les microestructures de la base i l'asfalt modificat amb grafè abans i després de l'envelliment. A la figura 1 es mostra un diagrama esquemàtic de l'AFM realitzat. Els quatre components bàsics utilitzats a l'AFM eren una punta de sonda, un voladís, un làser i un fotodíode sensible a la posició (PSPD). Durant l'escaneig, la variació d'alçada de la micro superfície de la mostra produirà una força lleugera, és a dir, una força d'atracció o repulsió entre la punta de la sonda i la superfície de la mostra. En aquest cas, el voladís es desvia en funció de la "llei de Hooke", donant lloc a un canvi en el senyal de reflexió del làser il·luminat a la part posterior del voladís. El canvi en els senyals de reflexió làser es pot detectar pel PSPD i la topografia superficial de la mostra es pot obtenir després del tractament [29]. La topografia i les imatges de contrast de fase es van rebre en el mode de contacte intermitent, on la constant elàstica de la sonda era 0.4 N/m, la velocitat d'exploració era d'1.5 Hz, l'àrea d'escaneig era de 10 µm × 10 µm , i la resolució era de 10 nm.

Figura 1. Esquema de l'AFM.

3. Resultats i discussió

3.1. Efecte del grafè sobre les propietats fonamentals de l'asfalt

Les figures 2a, b mostren les propietats bàsiques de la base i de l'asfalt modificat amb grafè (la dosi de grafè era de l'1, 0 per cent en pes) abans i després de l'envelliment, respectivament. Com es mostra a la figura 2, tant l'asfalt com l'asfalt modificat mostren una tendència a la disminució de la penetració que augmenta el punt de suavització, augmenta la viscositat i disminueix la ductilitat després de l'envelliment a curt termini de la prova del forn de pel·lícula fina (RTFOT). L'augment del punt de suavització i la viscositat indiquen que l'asfalt es torna dur i trencadís després de l'envelliment. Mentrestant, elpropietat anti-envellimentd'asfalt també es podria avaluar comparant les taxes de canvi dels índexs abans i després de l'envelliment. Es pot concloure que la taxa de canvi de cada índex d'asfalt modificat amb grafè era inferior a la de l'asfalt base. Això suggereix que elrendiment anti-envellimentde l'asfalt modificat amb grafè era superior al de l'asfalt base. Addicionalment, el rendiment a alta temperatura de l'asfalt modificat va millorar gràcies a la incorporació de grafè.

3.2. Efecte del grafè sobre "l'estructura de l'abella

Les figures 3a, b mostren les topografies 2D de la base i de l'asfalt modificat amb grafè mesurades mitjançant AFM, respectivament. Es van observar tres fases (fases Catana, peri i para) a partir de les imatges que es mostren a la figura 3. L'"estructura de l'abella" estava composta per línies clares i fosques entrellaçades, que representen estructures convexes i còncaves, respectivament (7 30] A més, la figura 3ab mostra moltes "estructures d'abelles a l'asfalt modificat amb grafè dins de la mateixa àrea d'investigació. L'alçada del pic clar i brillant va augmentar significativament i la profunditat de la vall fosca va disminuir, cosa que indica una disminució de la mida del ". estructura d'abella a l'asfalt modificat amb grafè, és a dir, a l'asfalt base, les "estructures d'abelles" són més grans però en menor quantitat.

Figura 3. Topografies d'asfalt investigades mitjançant AFM. (a) Imatge 2D de l'asfalt base; (b) Imatge 2D d'asfalt modificat amb grafè; (c) perfils topogràfics de les "estructures de les abelles" etiquetades a la (a); (d) perfils topogràfics de les "estructures de les abelles" etiquetades a (b).

AFM proporciona informació topogràfica en forma de línies d'alçada (o perfils), per exemple, la distància entre les parts superior i inferior de l'"estructura de l'abella". Les figures 3c, d mostren els perfils topogràfics de les "estructures d'abelles" representatives seleccionades etiquetades a les figures 3a, b, respectivament. Com es mostra, la longitud mitjana de l'"estructura de l'abella" a l'asfalt base era de 3-4 µm, mentre que es redueix a 2-3 µm a l'asfalt modificat amb grafè. A més, l'altitud mitjana de l'"estructura de l'abella" a l'asfalt base era d'aproximadament 44,2 nm, mentre que es va reduir a aproximadament 35,4 nm a l'asfalt modificat amb grafè. Aquesta reducció mostra que el volum de l'"estructura de l'abella" a l'asfalt va disminuir després de la modificació per grafè. Analitzant la figura 3, es pot especular que la disminució del volum de l'"estructura de les abelles" a l'asfalt modificat amb grafè està relacionada principalment amb els factors que contribueixen a la formació de les "estructures de les abelles".

3.3. Efecte del grafè sobre la microestructura durant l'envelliment de l'asfalt

La figura 4 mostra les imatges AFM tridimensionals (3D) de la base i l'asfalt modificat amb grafè abans i després de l'envelliment. Com es mostra, la superfície de l'asfalt modificat amb grafè era llisa, mentre que la de l'asfalt base era rugosa. Després de l'envelliment del forn de pel·lícula fina (RTFOT), la variació de la superfície de l'asfalt base era més evident que la de l'asfalt modificat amb grafè. Concretament, l'àrea del pic va augmentar significativament, i la quantitat i la mida de les "estructures d'abelles" també van augmentar. Tanmateix, les imatges AFM de l'asfalt modificat amb grafè abans i després de l'envelliment eren similars. El nombre d'"estructures d'abelles" a la base i l'asfalt modificat amb grafè va augmentar desprésenvelliment per pressióproves de vaixells (PAV). Això es va produir perquè la viscositat de l'asfalt va augmentar i el nombre de grans molècules d'hidrocarburs aromàtics va augmentar després de l'envelliment [31].

Figura 4. (a) Imatges 3D AFM d'asfalt base; (b) asfalt base després de l'envelliment RTFOT; (c) asfalt base després de l'envelliment del PAV; (d) asfalt modificat amb grafè; (e) asfalt modificat amb grafè després de l'envelliment de RTFOT; (f) asfalt modificat amb grafè després de l'envelliment del PAV

Les dades d'anàlisi quantitativa que inclouen la rugositat, el nombre de pics trobats i la profunditat mínima i màxima del pic es poden extreure de la figura 4 mitjançant "Programari AFM: anàlisi de nanoscopis" i la llista de la taula 1.

Taula 1. Paràmetres bàsics de dades extrets de les topografies 3D AFM.

En primer lloc, la variació de la morfologia de la superfície es pot analitzar quantitativament mitjançant la diferència entre els estats de fase microscòpica de l'asfalt en funció de l'índex de rugositat (rugositat quadrada mitjana (R,), rugositat mitjana i rugositat màxima d'alçada) [32). . En aquest estudi es va investigar la relació entre els estats de fase microscòpica i Rq. R, es va calcular de la següent manera:

on A és l'àrea d'escaneig, que mesurava 10 um x 10 um en aquest estudi; h (x, y) és la funció d'alçada de la morfologia (nm); i h és l'alçada de referència (nm). La R de cada mostra enumerada a la taula 1 es va obtenir mitjançant el "programari AFM Nanoscope AnalysisRoughness" i també es va presentar en forma de gràfics, tal com es mostra a la figura 5.

Com es mostra a la figura 5, la R de l'asfalt modificat amb grafè era més petit que el de l'asfalt, cosa que indica que l'addició de grafè va reduir la rugositat de la superfície de l'asfalt. La rugositat de la superfície està relacionada amb la capacitat d'autocuració i el rendiment d'adhesió de l'asfalt (33). Breument, com més gran sigui la rugositat de l'aglomerant asfàltic, millor serà la capacitat d'autocuració i el rendiment d'adhesió de l'asfalt. La rugositat augmenta després de curt termini. -envelliment a llarg termini, ja sigui en l'asfalt base o en l'asfalt modificat amb grafè (34,35). Tanmateix, la rugositat va disminuir després d'un envelliment a llarg termini. Els diferents efectes del grafè sobre la morfologia de l'AFM i la rugositat de l'asfalt després de curt i llarg- L'envelliment a termini es va atribuir principalment a la disminució dels components lleugers (hidrocarburs saturats i hidrocarburs aromàtics) i, en conseqüència, a l'augment dels continguts d'asfaltè i resina (36). l'"estructura de l'abella", donant lloc a un augment del "volum de l'estructura de l'abella i la rugositat de l'AFM tant de l'asfalt modificat amb grafè com de la base després d'un envelliment a curt termini.

Es va observar que la R, dels dos tipus d'asfalt, va augmentar després de l'envelliment del RIFOT però va disminuir després de l'envelliment del PAV. Això pot ser perquè el grau d'envelliment de RIFOT era un nombre menor de components lleugers volatilitzats i els components pesats estaven exposats, provocant així un augment de la rugositat de la superfície. Mentrestant, el grau d'envelliment del PAV va ser més alt, donant lloc a un major nombre d'elements lleugers a evaporar; en conseqüència, l'asfalt va passar d'una estructura multifàsica a una estructura monofàsica. La simplificació de l'estat de fase va reduir la rugositat de la superfície. Encara que la R, dels dos tipus d'asfalt, va augmentar després de l'envelliment del RIFOT, l'increment de l'asfalt modificat amb grafè va ser menor que el de l'asfalt base. Després de l'envelliment del PAV. la R, dels dos tipus d'asfalt va disminuir, però la reducció de l'asfalt modificat amb grafè va ser menor que la de l'asfalt base. Per tant, es pot deduir de R, que l'addició de grafè va millorar la capacitat anti-envelliment de l'asfalt base.

En segon lloc, la variació en la morfologia de la superfície es pot analitzar quantitativament pel nombre de pics trobats i la profunditat del pic. Un grup de cims s'associen per formar una estructura abee. El nombre d'estructures de les abelles ja s'ha parlat anteriorment i aquí no s'ha parlat del nombre de cims trobats. Es construeix un histograma de freqüència de distribucions de profunditat màxima, tal com es presenta a la figura 6. Com es mostra, l'histograma de distribució de profunditat màxima de l'asfalt modificat amb grafè en diferents condicions d'envelliment presentava una línia de pic més petita que la de l'asfalt base, cosa que indica que el nombre de cims amb major profunditat a l'asfalt modificat amb grafè va ser menor i la distribució ocupava una proporció menor de l'àrea. Les altures màximes de l'asfalt base no envellit, a curt termini i a llarg termini es van concentrar a les proximitats de 70, 83 i 62 nm, respectivament. Les altures màximes de l'asfalt modificat amb grafè no envellit, envellit a curt termini i a llarg termini es van concentrar als voltants de 47, 60 i 57 respectivament. L'addició de grafè podria haver afectat l'acumulació de components estructurals a les "estructures de les abelles", reduint així l'alçada màxima. L'alçada de l'estructura de l'abella posterior a l'envelliment va disminuir a causa del canvi en els components de l'asfalt provocat per l'envelliment de l'asfalt, la disminució dels components no polars (saturats i aromàtics) i l'augment de les característiques polars (col·loides i asfaltens).

Demana més:

Correu electrònic:wallence.suen@wecistanche.com whatsapp: més 86 15292862950