Effekt av grafen på modifiserte asfaltmikrostrukturer basert på atomkraftmikroskopi

Abstrakt:Atomic force microscopy (AFM) ble brukt til å utforske effekten av grafenmodifikatorer på mikrostrukturen til asfalt. De før- og etteraldrede grunnasfaltmorfologiene og modifisert asfalt ble utført og sammenlignet med analyse. Dannelsesmekanismen til asfaltiske "bistrukturer" og påvirkningsmekanismen til grafen på asfalt ble diskutert fra den klassiske teorien om materialvitenskap (fasetransformasjonsteori og diffusjonsteori). Resultatene viser at grafen letter kjernedannelsen av "bistrukturer", noe som resulterer i et økende antall og minkende volum av "bistrukturer" i modifisert asfalt. I tillegg haranti-aldringsytelseav den modifiserte asfalten ble betydelig forbedret på grunn av grafeninkorporering.

Nøkkelord:AFM; grafen; bie strukturer; fase transformasjon teori;anti-aldringsytelse 

Kinesiske urter for anti-aldring kosttilskudd

1. Introduksjon

Asfalt er en komplisert blanding av forskjellige hydrokarboner og deres ikke-metalliske (oksygen, svovel og nitrogen) derivater. Komponentene i asfalt inkluderer alkaner, cykloalkaner, arener og svovelholdige derivater, polysykliske aromatiske hydrokarboner, smeltede polysykliske arener og ikke-metalliske derivater. I tillegg er spormetallelementer (vanadium, nikkel, magnesium, jern og kalsium) tilstede i asfalt [1,2]. Selv om komponentene og mikrostrukturen til asfalt er avgjørende og påvirker fortauets ytelse, er mikroskopiske studier knyttet til asfalt knappe på grunn av dens komplekse kjemiske sammensetning og utilstrekkelige forskningsressurser. De siste årene har forholdet mellom bitumenkomponenter, mikrostruktur og fortauytelse fått økende oppmerksomhet. Spesielt fokuserer forskerne på atomkraftmikroskopi (AFM), som brukes til å undersøke den mikroskopiske strukturen og mekanismen til asfalt.

I 1996, Loeber et al. først observerte mikrostrukturen til asfalt via AFM, og kalte den mikroskopiske topografien til asfalt som "bistruktur." Ved å analysere dannelsesprosessen ble det foreløpig oppdaget at "bistrukturen" skyldtes asfalten [3]. Pauli et al. demonstrert at mikrostrukturene først og fremst skyldes interaksjonen mellom de krystalliserende parafinvoksene og de gjenværende ikke-voksasfaltkomponentene [4]. Tilsvarende har Jäger A. et al. rapporterte at "bistrukturen" skyldtes asfalten [5]. De Moraes et al. spekulerte i at egenskapen til "bistrukturen" ligner egenskapen til mikrokrystallinsk voks [6]. Masson et al. undersøkte de mikroskopiske topografiene til 13 typer asfalt og oppdaget at dannelsen av "bistrukturer" ble tilskrevet innholdet av vanadium og nikkel i asfalt [7].

I mellomtiden ble det rapportert at tilsetningen av Trinidad Lake-asfalt og SBS-modifikatorer betydelig påvirket kornstørrelsen og fordelingen av "bistrukturer" [8,9]. Noen forskere rapporterte at "bistrukturen" skyldtes rynking av tynne filmer som målte omtrent 10 nm tykke [2,10]. Ji et al. brukte AFM for å kvantitativt evaluere mikrostrukturen til asfalt via ruhetsteori [11]. Hung undersøkte utviklingen av mikrostrukturen til asfalt etter vanneksponering [12]. Selv om prestasjoner, som bevist via AFM, har blitt realisert i mikroskopisk påføring av asfalt, er formasjonsforholdene, mekanismen, evolusjonsloven og påvirkningsfaktorene til asfaltiske "bistrukturer" fortsatt usikre. Derfor prøver vi å utforske effekten av tilsetningsstoffer på mikrostrukturen til asfalt og forventer å oppnå noe meningsfullt.

"Small size effect" nanomaterialer har naturligvis en grenseeffekt og høyt spesifikt overflateareal, som direkte eller indirekte kan føre til en spesiell overflateeffekt. De siste årene har nanomaterialer brukt som asfaltmodifikasjoner i økende grad blitt studert for å forbedre de mekaniske og fysiske egenskapene til bitumen. Noen nanomaterialer som titandioksid (TiO2) [13], sinkoksid (ZnO) [14], grafenoksid (GO) [15], silisiumdioksid (SiO2) [16] og montmorillonitt [17] er valgt ut. som modifikatorer for å forbedre veiytelsen og forlenge asfaltens holdbarhet. Noen svært betydelige resultater har blitt oppnådd. For eksempel studerte Cheraghian et al.ultrafiolett aldringmotstand av rykende silika nanopartikler modifisert bitumen og resultatene viser atanti-ultrafiolett aldringsegenskapav modifisert asfalt forbedres med økningen av nanosilikainnhold [18]. Zhang et al. funnet at reduksjonen av ZnO-partikkelstørrelse kan forbedre ytelsen til asfaltbindemiddel og asfaltblanding ved å analysere påvirkningen av ZnO-partikkelstørrelse på asfaltens fysiske egenskaper [19].

I vår studie ble grafen valgt som en asfaltmodifikator. Dette er hovedsakelig fordi grafen er et nytt kvasi-to-dimensjonalt (2D) karbonbasert nanomateriale med karbonatomer arrangert i et bikakegitter, og har blitt undersøkt som en asfaltmodifikator på grunn av dets kompatibilitet med asfalt. For eksempel, Wu et al. oppdaget at inkorporering av en liten mengde grafenoksid (GO) forbedretanti-aldringsegenskapav asfalt [20–22]. Shi et al. undersøkte egenskapene og modifikasjonsmekanismen til GO-modifisert asfalt. De oppdaget at en spormengde av GO begrenset bevegelsen av asfaltmolekyler og forbedret deres høytemperaturytelse [23–25]. Moreno – Navarro et al. oppdaget at tilstedeværelsen av grafen resulterte i en mer signifikant elastisk respons og reduserte den termiske følsomheten til asfaltbindemiddelet [26].

Derfor, i denne studien, ble topografiene til base A-70 asfalt og grafenmodifisert asfalt undersøkt via AFM. En mer omfattende analyse og diskusjon ville klargjøre dannelsesårsakene og effektene av grafen på asfaltiske "bistrukturer". Grunnleggende materialregler, fasetransformasjonsteori og diffusjonsteori ble introdusert for å tolke mekanismen til grafen på asfaltens mikroskopiske «bistrukturer».

2. Eksperimentell

I denne studien ble A-70-asfalt levert av Shandong Hi-speed Construction Materials, Jinan, Kina, brukt som grunnasfalt. Grafenmodifisert asfalt var hjemmelaget og doseringen av grafen var 1 vektprosent, noe som tidligere har vist seg å være det optimale grafeninnholdet [27]. 2.1. Utarbeidelse av AFM-prøver Den korte- oglangsiktig aldringasfalt ble simulert ved bruk av et roterende filmovnsvarmeapparat (James Cox & Sons CS325B, Colfax, CA, USA) og entrykkaldringsapparat(Prentex PR9300, Sunnyvale, TX, USA), henholdsvis. Ualdret, korttidsaldret og langtidsaldret asfalt ble utarbeidet separat. AFM-prøver ble fremstilt via varmestøpemetoden som følger: Først ble smeltet asfalt avsatt på en glassplate (10 mm × 10 mm × 1 mm) ved bruk av en glassstang. Deretter ble dråpen plassert i en ovn og vippet 30◦ over horisontalen. Den ble varmet opp ved 150 ◦C i 15 minutter, og et tynt lag asfalt belagt overflaten av lysbildet ved hjelp av tyngdekraften. Til slutt ble glassplaten belagt med asfalt avkjølt til romtemperatur i luften. Asfaltfilmen fremstilt via denne metoden målte flere mikron i tykkelse, noe som ligner den faktiske tykkelsen på asfaltfilmer på veier [28].

2.2. Atomic Force mikroskop test

AFM (Bruker Multimode 8, Santa Barbara, CA, USA) ble utført for å karakterisere mikrostrukturene til basen og grafenmodifisert asfalt før og etter aldring. Et skjematisk diagram av AFM utført er vist i figur 1. De fire kjernekomponentene som ble brukt i AFM var en sondespiss, cantilever, laser og posisjonssensitiv fotodiode (PSPD). Under skanning vil høydevariasjonen til mikrooverflaten til prøven produsere en liten kraft, dvs. en tiltrekningskraft eller frastøtende kraft mellom sondespissen og prøveoverflaten. I dette tilfellet avviker cantileveren basert på "Hooke's Law", noe som resulterer i en endring i refleksjonssignalet til laseren som er opplyst på baksiden av cantileveren. Endringen i laserrefleksjonssignalene kan registreres av PSPD, og ​​overflatetopografien til prøven kan oppnås etter behandling [29]. Topografi- og fasekontrastbildene ble mottatt i intermitterende kontaktmodus, der den elastiske konstanten til sonden var 0,4 N/m, skannehastigheten var 1,5 Hz, skanneområdet var 10 µm × 10 µm , og oppløsningen var 10 nm.

Figur 1. Skjematisk diagram av AFM.

3. Resultater og diskusjon

3.1. Effekten av grafen på grunnleggende egenskaper til asfalt

Figurene 2a,b viser de grunnleggende egenskapene til base- og grafenmodifisert (doseringen av grafen var 1,0 vektprosent) henholdsvis før og etter aldring. Som vist i figur 2 viser både bunnen og den modifiserte asfalten en trend med avtagende penetrasjon, økende mykningspunkt, økende viskositet og avtagende duktilitet etter kortsiktig aldring med tynnfilmovnstest (RTFOT). Det økende mykningspunktet og viskositeten indikerer at asfalten blir hard og sprø etter aldring. I mellomtiden haranti-aldringsegenskapasfalt kan også evalueres ved å sammenligne endringsratene til indeksene før og etter aldring. Det kan konkluderes med at endringshastigheten for hver indeks av grafenmodifisert asfalt var lavere enn for basisasfalten. Dette tyder på atanti-aldringsytelseav den grafenmodifiserte asfalten var overlegen den til grunnasfalten. I tillegg ble høytemperaturytelsen til den modifiserte asfalten forbedret på grunn av inkorporeringen av grafen.

3.2. Effekten av grafen på "Bee-struktur

Figurene 3a,b viser 2D-topografiene til henholdsvis grunn- og grafenmodifisert asfalt målt via AFM. Tre faser (Catana-, peri- og para-faser) ble observert fra bildene vist i figur 3. "Bee-strukturen" var sammensatt av flettede lyse og mørke linjer, som representerer henholdsvis konvekse og konkave strukturer (7 30] Videre viser figur 3ab mange "bistrukturer i den grafenmodifiserte asfalten innenfor samme undersøkelsesområde. Høyden på den lyse, lyse toppen økte betydelig og dybden av den mørke dalen ble redusert, noe som indikerer en nedgang i størrelsen på " biestruktur i den grafenmodifiserte asfalten, med andre ord, i grunnasfalten er "bistrukturene" større, men færre i mengde.

Figur 3. Topografier av asfalt undersøkt via AFM. (a) 2D-bilde av grunnasfalt; (b) 2D-bilde av grafenmodifisert asfalt; (c) topografiske profiler av "bistrukturer" merket i (a); (d) topografiske profiler av "bistrukturer" merket i (b).

AFM gir topografisk informasjon i form av høydelinjer (eller profiler), f.eks. avstanden mellom de høyere og nedre delene av "bistrukturen". Figur 3c,d viser topografiske profiler av de valgte representative "bistrukturer" merket i henholdsvis figur 3a,b. Som vist var gjennomsnittslengden på "bistrukturen" i grunnasfalten 3–4 µm, mens den er redusert til 2–3 µm i den grafenmodifiserte asfalten. I tillegg var gjennomsnittshøyden til "bistrukturen" i grunnasfalt omtrent 44,2 nm, mens den ble redusert til omtrent 35,4 nm i den grafenmodifiserte asfalten. Denne reduksjonen viser at volumet av "bistrukturen" i asfalt avtok etter modifisering med grafen. Ved å analysere figur 3 kan det spekuleres i at nedgangen i "bistruktur"-volumet i den grafenmodifiserte asfalten først og fremst er relatert til faktorene som bidrar til dannelsen av "bistrukturene".

3.3. Effekt av grafen på mikrostruktur under asfaltaldring

Figur 4 viser de tredimensjonale (3D) AFM-bildene av basen og grafenmodifisert asfalt før og etter aldring. Som vist var overflaten på den grafenmodifiserte asfalten glatt, mens den på grunnasfalten var ru. Etter aldring med rulle-tynnfilm-ovn (RTFOT) var variasjonen i grunnasfaltoverflaten mer tydelig enn for den grafenmodifiserte asfalten. Spesielt økte topparealet betydelig, og mengden og størrelsen på "bistrukturene" økte også. Imidlertid var AFM-bildene av den grafenmodifiserte asfalten før og etter aldring like. Antall "bistrukturer" i basen og grafenmodifisert asfalt økte ettertrykk-aldringfartøy (PAV) tester. Dette skjedde fordi asfaltviskositeten økte og antallet store aromatiske hydrokarbonmolekyler økte etter aldring [31].

Figur 4. (a) 3D AFM-bilder av grunnasfalt; (b) grunnasfalt etter RTFOT-aldring; (c) grunnasfalt etter PAV-aldring; (d) grafenmodifisert asfalt; (e) grafenmodifisert asfalt etter RTFOT-aldring; (f) grafenmodifisert asfalt etter PAV-aldring

Kvantitative analysedata inkludert ruhet, antall topper funnet og minimum og maksimum toppdybde kan trekkes ut fra figur 4 gjennom "AFM-programvare - Nanoskopanalyse" og listen i tabell 1.

Tabell 1. Grunnleggende dataparametere hentet fra 3D AFM-topografiene.

For det første kan variasjonen i overflatemorfologien analyseres kvantitativt ved forskjellen mellom de mikroskopiske fasetilstandene til asfalt basert på ruhetsindeksen (root-mean square runess (R,), gjennomsnittlig ruhet og maksimal høyderuhet) [32) . I denne studien ble forholdet mellom de mikroskopiske fasetilstandene og Rq undersøkt. R, ble beregnet som følger:

hvor A er skanneområdet, som målte 10 um x 10 um i denne studien; h (x, y) er høydefunksjonen til morfologien (nm); og h er referansehøyden (nm). R, for hver prøve oppført i tabell 1 ble oppnådd ved bruk av "AFM software Nanoscope AnalysisRoughness" og ble også presentert i form av grafer, som vist i figur 5.

Som vist i figur 5 var R-en til den grafenmodifiserte asfalten mindre enn for asfalten, noe som indikerer at tilsetningen av grafen reduserte ruheten til asfaltoverflaten. Overflateruheten er relatert til asfaltens selvhelbredende evne og heftevne (33]. Kort sagt, jo høyere ruhet asfaltbinderen er, desto bedre er selvhelbredende evne og heftevne til asfalten. Ruheten økte etter kort tid. -tidsaldring, enten det er i grunnasfalten eller grafenmodifisert asfalt (34,35). Ruheten avtok imidlertid etter langtidsaldring. De ulike effektene av grafen på AFM-morfologien og ruheten til asfalten etter kort- og lang- term aldring ble først og fremst tilskrevet reduksjonen i de lette komponentene (mettet hydrokarbon og aromatisk hydrokarbon) og tilsvarende økningen i asfalten- og harpiksinnhold (36]. I dette tilfellet ble flere asfaltener festet til voksflisene under dannelsen av "bistrukturen", noe som resulterer i en økning i "bistrukturvolumet og AFM-ruheten til både basis- og grafenmodifisert asfalt etter kortvarig aldring.

Det ble observert at R, av de to asfalttypene, økte etter RIFOT-aldring, men avtok etter PAV-aldring. Dette kan være fordi aldringsgraden til RIFOT var et lavere mindre antall lette komponenter ble fordampet, og de tunge komponentene ble eksponert, og dermed forårsaket en økning i overflateruheten. I mellomtiden var aldringsgraden til PAV høyere, noe som resulterte i at et større antall lettvektselementer ble fordampet; følgelig gikk asfalten over fra en flerfasestruktur til en enfasestruktur. Forenklingen av fasetilstanden reduserte overflateruheten Selv om R, av de to asfalttypene, økte etter RIFOT-aldring, var økningen i den grafenmodifiserte asfalten mindre enn for grunnasfalten. Etter PAV-aldring gikk R, av de to asfalttypene ned, men reduksjonen i den grafenmodifiserte asfalten var mindre enn for grunnasfalten. Derfor kan det utledes fra R, at grafentilsetning forbedret antialdringsevnen til basisasfalten.

For det andre kan variasjonen i overflatemorfologien analyseres kvantitativt ved antall funne topper og toppdybde. En gruppe topper assosieres for å danne abeestruktur. Antall biestrukturer er tidligere diskutert og her har man ikke snakket om antall funne topper. Et frekvenshistogram av toppdybdefordelinger er konstruert, som presentert i figur 6. Som vist viste toppdybdefordelingshistogrammet til den grafenmodifiserte asfalten under forskjellige aldringsforhold en mindre topplinje enn grunnasfalten, noe som indikerer at antallet av topper med større dybde i den grafenmodifiserte asfalten var færre og fordelingen okkuperte en mindre andel av arealet. Topphøydene til ualdret, korttids- og langtidsaldret grunnasfalt var konsentrert i nærheten av henholdsvis 70, 83 og 62 nm. Topphøydene til den ualdrede, korttidsaldrede og langvarige grafenmodifiserte asfalten var konsentrert i nærheten av henholdsvis 47, 60 og 57. Tilsetningen av grafen kan ha påvirket akkumuleringen av strukturelle komponenter i "bistrukturene", og dermed redusert topphøyden. Høyden på den etteraldrede "bistrukturen sank på grunn av endringen i asfaltkomponentene forårsaket av asfaltaldring, nedgangen i ikke-polare komponenter (mettede og aromatiske), og økningen i polare egenskaper (kolloider og asfaltener).

Spør om mer:

E-post:wallence.suen@wecistanche.com whatsapp: pluss 86 15292862950