Nanocomposites dissenyats en aglutinants d'asfalt

Siusplau contactaoscar.xiao@wecistanche.comper a més informació

Resum:Recentment, la nanotecnologia s'ha utilitzat eficaçment en el camp del paviment de carreteres. L'oxidació i l'envelliment de l'asfalt provoquen el deteriorament dels paviments de les carreteres i augmenten les emissions relacionades amb l'asfalt. Proposem una estratègia anti-envelliment per interrompre el deteriorament de l'asfalt mitjançant l'ús de nanocomposites d'argila/sílice afumada dissenyades. En aquesta investigació, s'analitzen meticulosament les propietats morfològiques, químiques, tèrmiques, mecàniques i reològiques dels aglutinants d'asfalt nanomodificats en diverses condicions. Els resultats de l'experiment van demostrar que aquest compost altera de manera eficient l'oxidació química i la descomposició de la mescla i redueix la taxa d'envelliment. Sorprenentment, els experiments de reologia de lligant d'asfalt van revelar que l'addició de 0.2-0,3% en pes de materials nano-reforçats va maximitzar la seva resistència reològica després d'un envelliment a curt i llarg termini. A més, les nanopartícules milloren l'eficiència de la resistència a la humitat i, al seu torn, superen el problema crític de la humitat a baixes temperatures de producció.

Paraules clau:nanoargila, betum modificat, envelliment per oxidació tèrmica, nanomodificació, nanocomposites

1. Introducció

El betum s'utilitza generalment com a cola en les mescles d'asfalt de carreteres, a causa de les seves propietats reològiques adequades [1-3]. No obstant això, la modificació del betum ha desenvolupat un camp emergent en la tecnologia dels materials de carreteres, principalment en relació amb la reutilització de paviments asfàltics recuperats, amb conceptes de baix consum per a la producció de mescles asfàliques i amb el desig creixent de substituir almenys parcialment el betum per més aglutinants sostenibles i de base biològica. Un problema important a l'hora d'identificar els modificadors de betum més adequats és investigar la seva resistència a l'envelliment. Com que els materials asfàltics de carreteres estan exposats no només a temperatures càlides durant la producció de la mescla, sinó també a la radiació solar severa i a l'oxigen i altres radicals que promouen l'envelliment de l'aglutinant durant tota la seva vida útil [4-7], la durabilitat dels aglomerants d'asfalt. en termes de resistència a l'envelliment és una propietat important del material. L'envelliment del lligant inclou l'envelliment ultraviolat, tèrmic a llarg termini i l'envelliment termo oxidatiu a curt termini. Per influir en el rendiment del lligant d'asfalt, es pot afegir una gran varietat de diferents tipus d'additius al betum, com ara polímers, fibres, materials reciclats i nanomaterials [8,9]. Aquest estudi se centra en els nanomaterials. Entre aquests materials, normalment, els nanomaterials canvien significativament les propietats de l'aglutinant químic i, en conseqüència, les propietats de rendiment reològic mecànic. Entre els paràmetres més importants que descriuen les nanopartícules (NPS), que fan que les propietats físiques dels nanocomposites siguin úniques i diferents dels materials convencionals, es troben la seva relació entre la superfície i el volum, la forma, la composició química i la seva capacitat per augmentar les interaccions a les interfícies de fase [10]. ,11]. L'òxid metàl·lic, els inorgànics, les nanofibres i els nanocomposites són la classe principal de nanomaterials que s'utilitzen especialment en la mescla d'asfalt per modificar els aglutinants d'asfalt [12,13]. S'ha informat que els NP d'òxids metàl·lics, inclosos l'òxid de zinc (ZnO) i el diòxid de titani (TiO), milloren la resistència de la mescla d'asfalt a l'enrotllament i l'esquerda [13,14].tija de cistancheEs considera que els NP inorgànics com la sílice (SiO), els nanotubs de carboni (CNT) i la nanoargila tenen un potencial excel·lent en el reforç de materials asfàltics i en millorar la seva durabilitat [15,16]. El rendiment reològic del betum i, en conseqüència, el rendiment de la mescla asfàltica corresponent, es va millorar amb èxit mitjançant l'addició de SiO i NP. Les estabilitats tèrmiques i mecàniques de la mescla asfàltica també es van millorar mitjançant la incorporació de NP d'argila [17, 18]. Segons el nostre coneixement, les famílies d'argila i sílice són les NPS inorgàniques més utilitzades per millorar la resistència de l'aglutinant a l'envelliment [{{ 7}}]. Es va informar que les famílies d'argila i sílice eren excel·lents NPs inorgànics per millorar les propietats d'envelliment de l'aglutinant. D'acord amb els resultats de diferents informes, els aglutinants d'asfalt modificat amb nanosílice van disminuir lleugerament la viscositat i el mòdul complex, alhora que milloraven la resistència a la fatiga i a l'envelliment a curt termini [19-21]. A més, algunes investigacions han demostrat que els nanos -L'aglomerant modificat amb sílice té una major resistència a l'envelliment tèrmic, la qual cosa condueix finalment a una major durabilitat dels paviments asfàltics [21,22]. SiO i NP tenen avantatges com el blindatge no fotocatalític, inorgànic i no tòxic, que són d'importància crucial per al seu ús en mescles d'asfalt [23, 24]. Tanmateix, el SiO fumat i els NP són una classe de nanomaterials sintètics que té una justificació econòmica i respectuosa amb el medi ambient per utilitzar-la a gran escala. La sílice fumada és un nanomaterial d'estructura amorfa sintètica amb una gran superfície i una escala nanomida [25]. Per tant, aquest estudi se centra en nanopartícules d'argila/sílice fumada (CSNP).

Feu clic aquí per saber-ne més

En comparació amb la forma convencional, la tecnologia d'asfalt de mescla calenta (WMA) funciona d'una manera eficient i respectuosa amb el medi ambient. En aquest cas, l'asfalt es produeix a una temperatura d'aproximadament 30-60 graus C, que és inferior a l'habitual. Aquesta tecnologia redueix l'emissió de vapors nocius i condueix a un 20-35 i un 35% menys d'emissions de gasos d'efecte hivernacle i de consum d'energia, respectivament [13,26]. Tanmateix, la susceptibilitat a la humitat és un desavantatge comú de la tecnologia WMA, que provoca una disminució del seu rendiment [27,28].

L'objectiu d'aquesta investigació és identificar els impactes potencials dels CSNP sobre la resistència a l'envelliment dels aglutinants d'asfalt de carreteres que s'utilitzen per a les mescles d'asfalt de carreteres produïdes per la tecnologia WMA. En detall, les propietats morfològiques, químiques, tèrmiques, reològiques i mecàniques dels aglutinants d'asfalt modificats amb CSNP s'analitzen meticulosament en diverses condicions. Es presenten nous coneixements per entendre més els possibles canvis en les propietats mecàniques i reològiques dels aglutinants a causa de l'envelliment tèrmic. La figura 1 il·lustra esquemàticament les tècniques experimentals aplicades en aquest estudi.

2 Materials i mètodes

2.1 Materials

El procés de síntesi de CSNPs es va seleccionar segons la investigació anterior de l'autor (tal com es mostra a la figura S1)[29]. Es van utilitzar sílice nanofumada (Aerosil A300, Degussa Co, Alemanya), bentonita de sodi (Sigma Aldrich Ltd., Alemanya; vegeu la taula S1) i betum 50/70 (Total Co., França). aquesta investigació. L'anàlisi de la mida de partícules dels materials es va realitzar mitjançant una dispersió de la llum dinàmica (DLS) (Malvern ZEN 3600, Regne Unit), mentre que l'anàlisi de la difracció de raigs X (XRD) es va realitzar mitjançant una difracció de raigs X en pols (Philips PW 1730, Països Baixos; Figura; S2).Per preparar la mescla WMA, en aquesta investigació es va sintetitzar una nova formulació de cera Fischer-Tropsch (FT) (Sasol, Sud-àfrica; Evonik, Alemanya; Sigma-Aldrich, Alemanya). Abans del seu ús, els nanocomposites es van assecar en un forn a 110 graus centígrads durant 3 h. En el primer pas, es van preparar mostres d'acord amb els procediments de treball previs [18]. Posteriorment, es van afegir nanocomposites al betum en diferents quantitats (0,1, 2 i 3% en pes). En aquest estudi, el betum es va modificar amb un additiu WMA del 3%.Beneficis i efectes secundaris de cistanche tubulosaAquest valor es va escollir en funció del contingut de cera que s'utilitza habitualment a les mescles WMA informades a l'estudi anterior [13].

2.2 Procés d'envelliment

Per a la prova del forn de pel·lícula prima rodant (RTFOT), segons ASTM D1754, les mostres es van mantenir a 163 graus C al forn de pel·lícula fina (RTFOT8, model d'ISL, França). D'acord amb el procediment estàndard del recipient d'envelliment a pressió (PAV), es van investigar mostres al PAV després d'un envelliment a llarg termini (amb 300 psi i 100 graus durant 20 h). Hem preparat mostres en tres condicions: S1-S4: mostres no envellides, S5-S8: mostres envellides a curt termini i S{9-S12: mostres envellides a llarg termini. Totes les mostres es presenten a la taula S2 (materials suplementaris).

2.3 Mètodes de caracterització

Es va aplicar un dispositiu de reòmetre de cisalla dinàmica (DSR) (Malvern Kinexus Pro plus, UK) per avaluar les propietats reològiques a una freqüència de 10 rad/s i una temperatura entre 20 i 70 graus C. L'angle de fase i el mòdul de cisalla complex (G*) ) d'asfalt base, aglutinant i mostres envellides es van mesurar segons l'estàndard AASHTO T 315. Aquest mètode s'utilitza generalment per caracteritzar les propietats de l'aglutinant d'asfalt en el rang viscoelàstic lineal. Les propietats químiques es van provar mitjançant infrarojos de transformada de Fourier (FTIR; Thermo scientific Nicolet iS10, EUA) i TG/DTA (SDT Q600, TA Ins., EUA). Es va utilitzar un microscopi Raman confocal Renishaw inViatM (Renishaw plc, Miskin, Pontyclun, Regne Unit) amb una font làser d'argó (633 nm) per estudiar l'enllaç químic i la mida de la làmina aromàtica, que estava equipat amb un detector de dispositiu acoblat a càrrega (4/cm). resolució espectral, geometria de dispersió de 90 graus). Els espectres de l'enquesta es van registrar entre 500 i 3,000/cm a temperatura ambient (50 × objectiu de llarga distància de treball). Es van utilitzar un microscopi de força atòmica (AFM; Nanowizard, JPK Ins., Alemanya) amb voladís en mode de toc (RTESP, Bruker, EUA) i un microscopi electrònic d'exploració d'emissió de camp (FE-SEM; TE-SCAN, MIRA II, República Txeca) estudiar la morfologia i les estructures de mostres d'aglutinants a microescales i nanoescales. Es van analitzar imatges de mapes de rugositat i gruix a 1-2 fotogrames/s i un punt de consigna z, i els resultats es van avaluar mitjançant el programari de codi obert Gwyddion [30]. Les morfologies es van caracteritzar per enfocar un feix d'electrons a la superfície de les mostres aglutinants. Una càmera d'infrarojos tèrmics (FLIR-T440, EUA) va gravar imatges termogràfiques en passos de temps específics a partir de mostres d'aglutinant. Les propietats de fluència de flexió a baixes temperatures es van analitzar mitjançant un reòmetre de feix de flexió termoelèctric (TE-BBR; Cannon Ins., EUA). En aquest estudi, hem utilitzat Petrotest per al punt de suavització (PKA5, Alemanya), penetròmetre automàtic (PNR 12, Alemanya) i prova de ductilitat (infraroig, 20-2356, Alemanya). Un resum

de les característiques físiques de l'aglomerant asfàltic utilitzat en aquest estudi es presenten a la taula S3 (Materials suplementaris).

3 Resultats i discussió

3.1 Morfologia superficial

Es va realitzar FE-SEM per observar la morfologia superficial de les mostres de lligant d'asfalt modificades amb CSNP a la matriu d'aglutinant d'asfalt (figura 2a). Les imatges FE-SEM mostren una dispersió uniforme de CSNP (mida mitjana de partícules ~ 45 nm) a la matriu de lligant d'asfalt. Les formes úniques de nanocapes de CSNP a la matriu aglutinant d'asfalt afecten significativament el procés d'envelliment: com un escut. En aquest cas, els CSNP impedeixen que l'estructura superior es destrueixi per radiació [8] i alhora atrapen compostos volàtils i eviten l'evaporació de l'aglutinant d'asfalt.

Cistanche pot anti-envelliment

A causa de la seva gran superfície, les nanocapes d'argila i els NP de sílice fumada cobreixen una àmplia àrea. Per utilitzar aquesta característica, és essencial la dispersió adequada de CSNP en l'aglutinant d'asfalt. La distribució es pot analitzar (vegeu la figura S3) mitjançant l'espectroscòpia dispersiva d'energia (EDS). Els elements alumini, sílice, ferro i titani es poden detectar i utilitzar per identificar la distribució de CSNP en aglutinants de base. Les capes d'argila a les superfícies dels aglutinants es detecten generalment mitjançant diòxid de titani (amb una mida mitjana de partícula d'1 μm). El mapa d'elements de titani mostra que la distribució de les partícules en el betum és uniforme.

La nanoestructura formada pels CSNP actua com a nanoescut contra l'oxidació i la destrucció tèrmica. Les capes d'argila són d'alta resistivitat tèrmica i eviten la descomposició d'enllaços químics i, per tant, retarden l'envelliment del lligant [8]. Les figures 2b i c mostren la coberta parcialment uniforme de CSNP sobre aglutinants d'asfalt (color verd) i masses denses de CSNP (color vermell), respectivament. La polaritat i l'enllaç químic [31,32] són paràmetres importants que fan que les nanocapes s'adsorbeixin juntes i creïn aquests components voluminosos en aglutinants d'asfalt.

Per entendre millor l'efecte dels CSNP sobre l'aglutinant, es van analitzar les propietats morfològiques mitjançant la prova AFM. La identificació del canvi de la microestructura de l'aglutinant a causa de l'envelliment és interessant perquè mostra les interaccions moleculars canviants i els compostos químics [33,34].extracte de cistanche tubulosaA la figura 3 es mostren les microestructures de mostres d'aglutinant modificades per CSNP.

A la figura 3, es mostren tres fases Catana, Peri i Para que indicaven estructures semblants a les abelles, fase dispersa i fase de matriu llisa, respectivament. Les fases Catana i matriu es consideren com a característiques de la microestructura de l'aglutinant [35]. Les estructures semblants a les abelles s'atribueixen a les llargues cadenes d'alquil en ceres microcristal·lines, estructures aromàtiques i asfaltens, que cristal·litzen durant el refredament [36].ressenyes de cistanche tubulosaLes estructures semblants a les abelles a les imatges AFM indiquen la possible presència de components asfàltics (figura 3b-d).cistanche Regne UnitLa quantitat d'asfaltens i col·loides està directament relacionada amb la mida de l'estructura d'abella

lligant d'asfalt; com més gran és l'estructura, més gran és el nombre d'asfaltens i col·loides [37]. La morfologia de la microestructura i les fases individuals de les mostres de lligant d'envelliment a curt i llarg termini es presenten a la figura 3e-g. La comparació d'imatges AFM de mostres envellides i verges a llarg termini il·lustra la desaparició de la nanoestructura i la formació creixent d'estructures semblants a les abelles. El mateix procés es pot observar als vídeos 1-3 (vegeu Materials suplementaris), enregistrats durant les mesures AFM, que mostren el canvi estructural consegüent de l'envelliment de l'aglutinant. L'addició de CSNP a l'aglutinant d'asfalt comporta canvis significatius en la morfologia i la microestructura de l'aglutinant. Aquests canvis expliquen el paper dels CSNP com a escut per a l'envelliment de l'aglutinant.

Aquest article està extret de Nanotechnology Reviews 2022; 11: 1047–1067