Efecte de sinèrgia de la palygorskita nanoorgànica sobre les propietats de l'asfalt modificat amb SBS en forma d'estrella Part 1

Resum: Amb el ràpid desenvolupament de la construcció econòmica, l'asfalt modificat amb estirè-butadiè-estirè (SBS) s'està utilitzant cada cop més àmpliament en l'enginyeria de carreteres, però encara hi ha moltes deficiències en el procés d'ús. Per millorar encara més el seu rendiment per al seu ús, es van combinar nano palygorskite orgànic (A-Pal) i SBS en forma d'estrella per obtenir asfalt modificat en aquest estudi. L'estabilitat a alta temperatura de l'asfalt modificat amb SBS es va millorar després de la incorporació amb A-Pal per a la prova d'estabilitat a alta temperatura mitjançant un reòmetre de cisalla dinàmica. L'A-Pal hauria de millorar l'energia lliure superficial i l'adhesió de l'asfalt modificat amb SBS mitjançant l'anàlisi de la prova d'estabilitat de l'aigua. La prova d'envelliment mostra que A-Pal pot reduir la descomposició tèrmica d'oxigen de SBS i millorar el rendiment antienvelliment i la resistència a la fatiga de l'asfalt modificat amb SBS. A-Pal té un cert efecte de millora en el rendiment a baixa temperatura de l'asfalt modificat amb SBS, tal com mostra una prova de resistència a les esquerdes a baixa temperatura. L'asfalt modificat amb SBS compost amb A-Pal presenta una bona estabilitat d'emmagatzematge a temperatures normals amb la temperatura de compatibilitat crítica més baixa.

Feu clic a On puc comprar Cistanche

【Per a més informació:george.deng@wecistanche.com/WhatApp:86 13632399501】

Paraules clau: palygorskite; SBS; asfalt modificat; propietats reològiques

1. Introducció

En els darrers anys, els nanomaterials i la nanotecnologia s'han aplicat amb més freqüència en el camp dels materials de trànsit de paviments, i l'asfalt nanomodificat s'ha convertit en un dels temes candents de la investigació [1–4]. Actualment, els materials de silicat de nanocapes s'apliquen generalment als materials d'asfalt a causa de la seva gran producció i bon rendiment [5–7]. El silicat de nanocapes amb una estructura de cristall especial, que fa que les molècules d'asfalt entrin a l'estructura en capes, pot augmentar l'espaiat entre capes, millorant l'estructura de la pell de la forma, que evita que l'oxigen penetri a l'asfalt i retardi el seu envelliment. Per tant, l'asfalt nanomodificat té bones propietats anti-roda i anti-envelliment [8-10]. Al mateix temps, els nanomaterials modificats orgànicament també poden millorar el grau de dispersió del polímer a l'asfalt, proporcionant àmplies perspectives de desenvolupament per a l'asfalt modificat en el futur.

Palygorskite (Pal), també coneguda com attapulgita, és una cadena en capes de minerals d'argila de silicat de magnesi i alumini rics en aigua. Té una reputació com "el rei de la terra" per la seva àmplia gamma d'aplicacions. L'estructura cristal·lina de Pal es caracteritza per les làmines tetraèdriques Si-O de doble capa que estan connectades amb les làmines d'octaedre d'una sola capa (Mg, Al)-O, i les capes unitats estan connectades per oxigen per formar un cristall semblant a porus. estructura [11]. Els porus s'omplen amb aigua de zeolita i aigua cristal·lina per formar un monocristal fibrós. La fibra única té una longitud d'aproximadament 0,5 a 1,0 µm, algunes fins i tot fins a 1 cm, i un diàmetre d'uns 20 a 30 µm [12]. Pal s'ha utilitzat àmpliament en els camps dels materials de recobriment [13], ciment [14], asfalt i altres materials de construcció a causa de la seva bona reologia, adsorbabilitat i menor cost [15-17].

Diversos estudis mostren que la presència de Pal nano-orgànic pot millorar eficaçment la resistència a l'envelliment de l'asfalt i la compatibilitat entre el polímer i l'asfalt. Zhang et al. [10] va sintetitzar Pal orgànic sota irradiació de microones i l'aplicava a l'asfalt modificat amb cautxú estirè butadiè (SBR). Van trobar que organic-Pal millorava la compatibilitat i l'estabilitat d'emmagatzematge de l'asfalt modificat amb SBR. A continuació, van estudiar les propietats reològiques i morfològiques de l'asfalt modificat amb SBR amb orgànic-Pal i van trobar que l'orgànic-Pal té un efecte positiu en la millora de la viscoelasticitat i les propietats anti-rutting de l'asfalt modificat amb SBR [18]. Sun et al. [15] va aplicar Pal a l'asfalt epoxi i va trobar que té un bon efecte sobre les propietats de tracció i adhesiu. Jin et al. [19] va aplicar organic-Pal a l'asfalt i va trobar que la resistència a l'envelliment de l'asfalt es millorava molt. Actualment, rarament s'estudia l'efecte de l'orgànic-Pal sobre l'asfalt modificat amb estirè-butadiè-estirè (SBS). Per entendre més el seu efecte i millorar el rendiment de l'asfalt modificat amb SBS, aquest estudi va utilitzar el modificador SBS en forma d'estrella YH-801 i la palygorskite nanoorgànica (A-Pal) per preparar asfalt modificat amb SBS compost. La part lleugera de l'asfalt pot ser adsorbida pel Pal amb una forta adsorció, de manera que es pot canviar l'estructura col·loïdal de l'asfalt i es pot millorar l'estabilitat de la temperatura de l'asfalt modificat [20].

2. Preparació dels materials i mètode d'assaig

2.1. Materials

L'asfalt 70# (AH-70) va ser produït per Maoming Petrochemical Co., Ltd. (Guangzhou, Xina) amb els resultats bàsics de les proves de rendiment que es mostren a la taula 1. La palygorskita es va originar a Jiangsu, Xina. Els paràmetres bàsics de rendiment es mostren a la taula 2. El copolímer de bloc estirè-butadiè-estirè en forma d'estrè YH-801 (SBS4303) va ser produït per Yueyang Baling Petrochemical (Hunan, Xina) amb una relació de blocs de 30/70.

2.2. Preparació d'Asfalt modificat amb SBS compost A-Pal

Basant-se en la nostra investigació anterior [19,21], Pal es va tractar amb una solució de HCl 1 mol/L a 60 ◦C durant 1 h per eliminar algunes partícules grans i catiònics fora de la matèria primera, després es va rentar a neutre i assecat. El Pal i -aminopropiltrietoxisilà (APTES) tractats es van dispersar en una solució de xilè i es va utilitzar el mètode de reflux de condensació per a l'agitació magnètica durant 10 h, després es va rentar diverses vegades amb el filtrat, es va assecar i es va triturar per obtenir A-Pal per millorar la compatibilitat amb la matriu asfàltica. Les quantitats de 0 per cent en pes, 1 per cent en pes, 3 per cent en pes i 5 per cent en pes d'A-Pal, que composaven el 5 per cent en pes de l'asfalt modificat amb SBS, es van preparar pel mètode de barreja en fusió (anomenat AH-70 més 5Y, AH-70 més 5Y més 1A, AH-70 més 5Y més 3A i AH-70 més 5Y més 5A, respectivament).

2.3. Caracterització

Es va utilitzar un microscopi de fluorescència (FM) per descriure la morfologia de fase de l'asfalt modificat amb excitació de llum blau-morada d'ona curta (λ=420 nm) (DM3000, Leica). La morfologia de fase del component fluorescent a l'asfalt es va observar mitjançant microscòpia òptica per estudiar més la correlació entre la microestructura i les propietats macroscòpiques [22].

2.4. Avaluació reològica d'alta temperatura

El rendiment de l'asfalt a alta temperatura es refereix a la capacitat de l'asfalt de resistir la deformació permanent sota càrrega, que es va avaluar mitjançant un reòmetre de cisalla dinàmica (DSR, MCR 301, Anton Paar, Àustria) per a l'exploració de temperatura i freqüència. proves d'escaneig. La prova d'exploració de temperatura la va dur a terme l'AASHTO T315-05 [23] per estudiar l'efecte del canvi de temperatura sobre el mòdul complex de cisalla G* i l'angle de fase δ de l'asfalt modificat amb SBS compost amb A-Pal, amb un velocitat d'escalfament de 2 ◦C/min i una temperatura de 40~90 ◦C. La majoria de l'asfalt sota la temperatura de treball del paviment pertany al fluid pseudoplàstic no newtonià, i la viscositat de l'asfalt disminueix amb l'augment de la velocitat de cisalla. Quan la velocitat de cisalla era extremadament alta o molt petita, la viscositat del fluid pseudoplàstic no newtonià s'acostava a una constant, i la regió on la viscositat de l'asfalt no canviava amb la velocitat de cisalla es va anomenar la primera regió de flux newtonià i la segona regió de flux newtonià. La viscositat del fluid pseudoplàstic no newtonià es trobava a la primera regió i arribava a un màxim quan era constant, que s'anomena viscositat de cisalla zero (ZSV) [24]. La viscositat del fluid pseudoplàstic no newtonià es trobava a la segona regió i arribava a un mínim quan era constant, que s'anomena viscositat de cisalla interfacial (ISV). Els resultats de la prova es van ajustar pel model Carreau i el càlcul de ZSV [25]. La prova a una temperatura de 60 ◦C segons l'AASHTO T315-05, es va utilitzar 25 mm de la placa oscil·lant i un gruix de pel·lícula d'1 mm per a la prova d'exploració de freqüència en el rang de 0,01 a 100 Hz, i la corba va ser escanejada per creixement exponencial.

2.5. Avaluació de l'estabilitat de l'aigua

Els angles de contacte de les mostres d'asfalt modificades amb SBS compostes amb A-Pal es van mesurar mitjançant l'instrument de mesura de l'angle de contacte (DSA100, Kruss, Alemanya). El mètode de gota sèssil es va dur a terme amb aigua pura, formamida i etilenglicol. L'energia lliure de superfície es va calcular pel mètode Owens–Wendt–Rabel–Kaelble (OWRK) [26], i la relació entre els tres es va expressar pel mètode OWRK de la següent manera.

on sl és l'energia lliure superficial de la fase sòlid-líquid, l és l'energia lliure superficial del líquid, s és l'energia lliure superficial del sòlid, ld és el component de dispersió del líquid, sd és el component de dispersió del líquid. sòlid, lp és el component polar del líquid i sp és el component polar del sòlid.

A partir de l'anàlisi de dades d'energia lliure de superfície de tres materials minerals comuns, el treball d'adhesió (Was) per a l'asfalt a la superfície del material mineral es va calcular tal com es mostra a l'equació (3) [27,28].

Introduïu l'equació (1) a l'equació (2) per obtenir:

on ad és el component de dispersió de l'asfalt, sd és el component de dispersió del material mineral, p a és el component polar de l'asfalt i p s és el component polar del material mineral.

El canvi d'energia lliure de Gibbs (∆Gaws) en cada etapa de dany per esquinçament es pot expressar mitjançant el treball d'exfoliació [29] i l'expressió de càlcul de la següent manera:

Introduïu l'equació (1) a l'equació anterior per obtenir:

on w és l'energia lliure superficial de l'aigua, d w és el component de dispersió de l'aigua i p w és el component polar de l'aigua.

2.6. Avaluació del rendiment d'envelliment

The aging performance of A-Pal-compounded SBS-modified asphalt was evaluated by the short-term aging, long-term aging, and fatigue factor. The mass loss rate (MLR),  softening point increment index (∆S), rutting factor aging index (RAI), and zero shear viscosity aging index (ZSVAI) of asphalt samples were analyzed after aging treatment in the rolling thin film oven test (TFOT) and pressure aging vessel (PAV) to simulate the short-term and long-term aging of asphalt by AASHTO R28-09 [30]. The critical temperature (fatigue limit temperature) grade corresponding to the fatigue factor (G* × sinδ >5000 kPa) es va provar a partir de la prova de fatiga per temperatura, com a índex per avaluar la resistència a la fatiga de l'asfalt.

2.7. Avaluació Reològica a Baixa Temperatura

El rendiment a baixa temperatura de l'asfalt es refereix a la capacitat de l'asfalt de resistir l'esquerdament sota càrrega. La resistència a les esquerdes a baixa temperatura de l'asfalt modificat després de l'envelliment de TFOT més PAV es va avaluar mitjançant un reòmetre de feix de flexió (BBR), mitjançant l'especificació AASHTO T313-12 [31]. Segons l'especificació, 6 ◦C era el rang de prova fins que el rendiment de l'asfalt no complia els requisits. La rigidesa de fluència a la flexió i el valor m es van provar a les temperatures 0, -6, -12, -18 i -24 ◦C amb una càrrega de {{10}}, 980 ± 0,05 N durant 240 s.

3. Resultats i discussió

3.1. Característiques morfològiques

Es va realitzar FM per observar la distribució i l'estructura de SBS i A-Pal a l'asfalt modificat [32]. Per millorar la discriminació entre asfalt i modificadors, la part d'asfalt de la imatge es mostra com a negre i la part del polímer es mostra com a punts brillants verds ajustant la brillantor que es mostra a la figura 1. L'asfalt es mostra com a fase contínua i la fase dispersa. La fase SBS es va dispersar com a forma d'illa en el pas de la matriu [33]. La figura 1b mostra una gran quantitat de petits enllaços SBS en blocs a l'asfalt, que representa una petita proporció i la distribució dispersa de l'asfalt sense A-Pal. SBS té una capacitat baixa per absorbir asfaltens tous de l'asfalt, el que resulta en una baixa compatibilitat. Després d'afegir un 1% en pes d'A-Pal (figura 1c), la proporció de substàncies fluorescents es va incrementar lleugerament i la dispersió encara es distribuïa de manera desigual a l'asfalt. La capacitat del polímer SBS d'absorbir asfaltens suaus després d'afegir-se A-Pal va tenir un cert augment, cosa que condueix a l'expansió del volum del polímer SBS i l'augment del grau d'inflor [22]. Amb l'addició d'A-Pal (figura 1d, e), la proporció de substàncies fluorescents continua augmentant i el grau de dispersió es fa cada cop més uniforme. Després d'afegir A-Pal, la compatibilitat del polímer SBS amb l'asfalt es va millorar fins a cert punt; el rendiment a baixa temperatura i fatiga de l'asfalt modificat hauria de millorar [19].

3.2. Rendiment a alta temperatura de l'asfalt modificat amb SBS compost amb A-Pal

L'estabilitat a alta temperatura és un indicador important de l'asfalt. La variació del factor de rut obtingut per la prova d'escaneig de temperatura es mostra a la figura 2. Es pot veure que l'addició de SBS i A-Pal contribueix a la millora del factor de rutting i de la resistència a la roca. Després d'afegir SBS a l'asfalt, el factor d'enrotllament de l'asfalt va mostrar un gran augment i una resistència més millorada a la rotura. El factor de rutting va continuar augmentant amb la incorporació d'A-Pal per augmentar encara més la resistència a l'enrotllament. En comparació amb l'estudi anterior, és coherent i no ha canviat a causa dels diferents tipus de SBS [18,19]. La mostra amb un contingut d'A-Pal del 5% en pes tenia el factor d'enrotllament més alt i la capacitat anti-roda més forta, cosa que indica que la incorporació d'A-Pal pot millorar l'estabilitat de la temperatura de l'asfalt modificat amb SBS. El valor del factor de rutting disminueix amb l'augment de la temperatura, i la taxa era la mateixa, cosa que indica que totes les mostres d'asfalt modificat tenen les mateixes propietats reològiques.

La temperatura crítica del factor de rutting és el factor de temperatura corresponent de G*/sin δ {{0}},0 kPa a la prova del factor de rutting del Programa de recerca estratègica de carreteres (SHRP). La temperatura crítica de cada mostra es mostra a la taula 3. SBS podria augmentar la temperatura crítica en 7,2 ◦C, en comparació amb AH-70. Després d'afegir A-Pal, la temperatura crítica del factor de rutting va augmentar contínuament i la temperatura màxima va augmentar fins a 75,7 ◦ C, que era un 20 per cent més alta que l'asfalt de la matriu.

El ZSV de l'asfalt modificat augmenta amb l'augment del contingut d'A-Pal, que va ser similar al resultat de la prova del factor de rutting (taula 4). El ZSV de la matriu d'asfalt va augmentar un 296 per cent amb l'addició de SBS. Després d'afegir un 1% en pes d'A-Pal, la ZSV de l'asfalt modificat va augmentar fins a 949,4 Pa·s, que era superior a la de l'asfalt modificat només amb SBS. Amb l'augment del contingut d'A-Pal, el valor de ZSV continua augmentant i el valor de ZSV de l'asfalt modificat amb SBS compost al 5% augmenta fins a 1291,8 Pa·s, que era un 423% superior al de la matriu d'asfalt. Va demostrar que el mètode de compostatge era eficaç per millorar l'estabilitat a alta temperatura del lligant d'asfalt.

【Per a més informació:george.deng@wecistanche.com/WhatApp:86 13632399501】