Sinergijski učinek nano-organskega paligorskita na lastnosti zvezdastega SBS-modificiranega asfalta 1. del

Povzetek: S hitrim razvojem gospodarske gradnje se stiren-butadien-stiren (SBS)-modificirani asfalt vedno bolj uporablja v gradnji avtocest, vendar je v procesu njegove uporabe še vedno veliko pomanjkljivosti. Za nadaljnje izboljšanje njegove učinkovitosti za uporabo sta bila v tej študiji sestavljena nano organski paligorskit (A-Pal) in SBS v obliki zvezde, da bi dobili modificiran asfalt. Visokotemperaturna stabilnost SBS-modificiranega asfalta je bila povečana po vgradnji A-Pal za visokotemperaturni test stabilnosti z dinamičnim strižnim reometrom. A-Pal naj bi izboljšal površinsko prosto energijo in oprijem SBS-modificiranega asfalta z analizo preskusa stabilnosti na vodo. Preskus staranja kaže, da lahko A-Pal zmanjša toplotno kisikovo razgradnjo SBS in izboljša delovanje proti staranju in odpornost proti utrujenosti asfalta, modificiranega s SBS. A-Pal ima določen učinek izboljšanja nizkotemperaturne učinkovitosti SBS-modificiranega asfalta, kot je pokazal preskus odpornosti proti razpokam pri nizkih temperaturah. Asfalt, modificiran s sestavo A-Pal, ima dobro stabilnost pri skladiščenju pri normalnih temperaturah z najnižjo kritično temperaturo združljivosti.

Kliknite na Kje lahko kupim Cistanche

【Za več informacij:george.deng@wecistanche.com / WhatApp:86 13632399501】

Ključne besede: paligorskit; SBS; modificiran asfalt; reološke lastnosti

1. Uvod

V zadnjih letih se nanomateriali in nanotehnologija vse pogosteje uporabljajo na področju prometnih materialov za vozišča in nano modificiran asfalt je postal ena izmed vročih tem raziskav [1–4]. Trenutno se nanoplastni silikatni materiali na splošno uporabljajo za asfaltne materiale zaradi njihove velike proizvodnje in dobre učinkovitosti [5–7]. Nanoplastni silikat s posebno kristalno strukturo, zaradi katere molekule asfalta vstopijo v plastno strukturo, lahko poveča razmik med plastmi, izboljša strukturo luščenja oblike, ki preprečuje prodiranje kisika v asfalt in upočasni njegovo staranje. Zato ima nano-modificiran asfalt dobre lastnosti proti kolesnicam in staranju [8–10]. Hkrati lahko organsko modificirani nanomateriali tudi izboljšajo stopnjo disperzije polimera v asfaltu, kar zagotavlja široke razvojne možnosti za modificiran asfalt v prihodnosti.

Paligorskit (Pal), znan tudi kot atapulgit, je večplastna veriga z vodo bogatih magnezijevo-aluminijevih silikatnih glinenih mineralov. Ima sloves "kralja zemlje" zaradi širokega spektra uporabe. Za kristalno strukturo Pal so značilne dvoslojne tetraedrske plošče Si-O, ki so povezane z enoslojnimi listi oktaedra (Mg, Al)-O, enotne plasti pa so povezane s kisikom, da tvorijo poram podoben kristal struktura [11]. Pore ​​so napolnjene z zeolitno vodo in kristalno vodo, da tvorijo vlaknasti monokristal. Posamezno vlakno ima dolžino približno 0,5 do 1.0 µm, nekatera celo do 1 cm, in premer približno 20 do 30 µm [12]. Pal se pogosto uporablja na področju premaznih materialov [13], cementa [14], asfalta in drugih gradbenih materialov zaradi svoje dobre reologije, adsorpcijske sposobnosti in nižjih stroškov [15–17].

Več študij kaže, da lahko prisotnost nanoorganskega Pal učinkovito izboljša odpornost asfalta na staranje in združljivost med polimerom in asfaltom. Zhang et al. [10] so sintetizirali organski-Pal pod mikrovalovnim obsevanjem in ga nanesli na asfalt, modificiran s stiren butadien kavčukom (SBR). Ugotovili so, da je Organic-Pal izboljšal združljivost in stabilnost pri shranjevanju asfalta, modificiranega s SBR. Nato so proučevali reološke in morfološke lastnosti SBR-modificiranega asfalta z organskim-Pal in ugotovili, da ima organski-Pal pozitiven učinek na izboljšanje viskoelastičnosti in lastnosti proti kolesnicam SBR-modificiranega asfalta [18]. Sun et al. [15] je na epoksi asfalt nanesel Pal in ugotovil, da dobro vpliva na natezne in lepilne lastnosti. Jin et al. [19] je na asfalt nanesel organski-Pal in ugotovil, da se je odpornost asfalta na staranje močno izboljšala. Trenutno se učinek Organic-Pala na stiren-butadien-stiren (SBS) modificiran asfalt redko preučuje. Za nadaljnje razumevanje njegovega učinka in izboljšanje delovanja asfalta, modificiranega s SBS, je ta študija uporabila modifikator SBS v obliki zvezde YH-801 in nano-organski paligorskit (A-Pal) za pripravo mešanega asfalta, modificiranega s SBS. Lahki del asfalta lahko Pal adsorbira z močno adsorpcijo, tako da se lahko spremeni koloidna struktura asfalta in izboljša temperaturna stabilnost modificiranega asfalta [20].

2. Priprava materialov in preskusna metoda

2.1. Materiali

Asfalt 70# (AH-70) je proizvedel Maoming Petrochemical Co., Ltd. (Guangzhou, Kitajska) z osnovnimi rezultati preskusa učinkovitosti, prikazanimi v tabeli 1. Paligorskit izvira iz Jiangsuja na Kitajskem. Osnovni parametri delovanja so prikazani v tabeli 2. Blok kopolimer stiren-butadien-stiren v obliki zvezde YH-801 (SBS4303) je proizvedel Yueyang Baling Petrochemical (Hunan, Kitajska) z blokovnim razmerjem 30/70.

2.2. Priprava A-Pal spojine SBS-modificiranega asfalta

Na podlagi naših prejšnjih raziskav [19,21] je bil Pal obdelan z 1 mol/L raztopino HCl pri 60 ◦C 1 uro, da smo odstranili nekaj velikih delcev in kationov zunaj surovine, nato pa sprali do nevtralnega in posušeno. Obdelani Pal in -aminopropiltrietoksisilan (APTES) smo dispergirali v raztopini ksilena in metodo kondenzacijskega refluksa uporabili za magnetno mešanje 10 ur, nato večkrat sprali s filtratom, posušili in zdrobili, da smo dobili A-Pal za izboljšanje združljivosti z asfaltna matrica. Količine 0 masnih odstotkov, 1 masnih odstotkov, 3 masnih odstotkov in 5 masnih odstotkov A-Pal, ki so sestavljale 5 masnih odstotkov asfalta, modificiranega s SBS, so bile pripravljene z metodo mešanja s taljenjem (imenovano AH-70 plus 5Y, AH-70 plus 5Y plus 1A, AH-70 plus 5Y plus 3A oziroma AH-70 plus 5Y plus 5A).

2.3. Karakterizacija

Za opis fazne morfologije modificiranega asfalta z vzbujanjem s kratkovalovno modro-vijolično svetlobo (λ=420 nm) (DM3000, Leica) smo uporabili fluorescenčni mikroskop (FM). Fazno morfologijo fluorescentne komponente v asfaltu smo opazovali z optično mikroskopijo, da bi nadalje preučili korelacijo med mikrostrukturo in makroskopskimi lastnostmi [22].

2.4. Visokotemperaturna reološka ocena

Visokotemperaturna zmogljivost asfalta se nanaša na sposobnost asfalta, da se upre trajnim deformacijam pod obremenitvijo, kar je bilo ovrednoteno z dinamičnim strižnim reometrom (DSR, MCR 301, Anton Paar, Avstrija) za temperaturno skeniranje in frekvenco testi skeniranja. Preskus temperaturnega skeniranja je izvedel AASHTO T315-05 [23], da bi proučil učinek temperaturne spremembe na kompleksni strižni modul G* in fazni kot δ asfalta, modificiranega z A-Pal, modificiranega SBS, z hitrost segrevanja 2 ◦C/min in temperatura 40~90 ◦C. Večina asfalta pod delovno temperaturo pločnika spada med psevdoplastične nenewtonske tekočine, viskoznost asfalta pa se z naraščajočo strižno hitrostjo zmanjšuje. Ko je bila strižna hitrost izjemno visoka ali zelo majhna, se je viskoznost psevdoplastične nenewtonske tekočine približala konstanti in območje, kjer se viskoznost asfalta ni spreminjala s strižno hitrostjo, je bilo imenovano prvo newtonsko območje toka in drugo območje Newtonovega toka. Viskoznost psevdoplastične nenewtonske tekočine je bila v prvem območju in je dosegla maksimum, ko je bila konstantna, kar imenujemo ničelna strižna viskoznost (ZSV) [24]. Viskoznost psevdoplastične nenewtonske tekočine je bila v drugem območju in je dosegla minimum, ko je bila konstantna, kar se imenuje mejna strižna viskoznost (ISV). Rezultati testiranja so bili prilagojeni z modelom Carreau in izračunom ZSV [25]. Test pri temperaturi 60 ◦C po AASHTO T315-05, 25 mm nihajne plošče in debelini filma 1 mm je bil uporabljen za test frekvenčnega skeniranja v območju 0,01–100 Hz in krivulja je bila skenirana z eksponentno rastjo.

2.5. Ocena stabilnosti vode

Kontaktni koti vzorcev asfalta, modificiranega z A-Pal, so bili izmerjeni z instrumentom za merjenje kontaktnega kota (DSA100, Kruss, Nemčija). Metoda sesilnih kapljic je bila izvedena s čisto vodo, formamidom in etilenglikolom. Površinska prosta energija je bila izračunana z metodo Owens–Wendt–Rabel–Kaelble (OWRK) [26], razmerje med tremi pa je bilo izraženo z metodo OWRK, kot sledi.

kjer je sl površinska prosta energija trdno-tekoče faze, l površinska prosta energija tekočine, s površinska prosta energija trdne snovi, ld disperzijska komponenta tekočine, sd disperzijska komponenta trdna snov, lp je polarna komponenta tekočine in sp je polarna komponenta trdne snovi.

Na podlagi analize podatkov o prosti energiji na površini treh pogostih mineralnih materialov je bilo izračunano adhezijsko delo (Was) za asfalt na površini mineralnega materiala, kot je prikazano v enačbi (3) [27,28].

Vnesite enačbo (1) v enačbo (2), da dobite:

kjer je ad disperzijska komponenta asfalta, sd disperzijska komponenta mineralnega materiala, p a polarna komponenta asfalta in p s polarna komponenta mineralnega materiala.

Spremembo Gibbsove proste energije (∆Gaws) v vsaki fazi poškodbe zaradi luščenja lahko izrazimo z delom luščenja [29] in računskim izrazom, kot sledi:

Vnesite enačbo (1) v zgornjo enačbo, da dobite:

kjer je w površinska prosta energija vode, d w disperzijska komponenta vode in p w polarna komponenta vode.

2.6. Ocena uspešnosti staranja

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) je bil preizkušen iz preskusa temperaturne utrujenosti kot indeksa za oceno odpornosti asfalta na utrujenost.

2.7. Nizkotemperaturna reološka ocena

Učinkovitost asfalta pri nizkih temperaturah se nanaša na sposobnost asfalta, da se upre razpokanju pod obremenitvijo. Odpornost modificiranega asfalta proti razpokam pri nizkih temperaturah po staranju TFOT plus PAV je bila ocenjena z reometrom z upogibnim žarkom (BBR), po specifikaciji AASHTO T313-12 [31]. V skladu s specifikacijo je bilo testno območje 6 ◦C, dokler zmogljivost asfalta ni izpolnjevala zahtev. Upogibna togost pri lezenju in vrednost m sta bili testirani pri temperaturah 0, −6, −12, −18 in −24 ◦C z obremenitvijo {{10}}.980 ± 0,05 N za 240 s.

3. Rezultati in razprava

3.1. Morfološke značilnosti

FM je bil izveden za opazovanje porazdelitve in strukture SBS in A-Pal v modificiranem asfaltu [32]. Za izboljšanje razlikovanja med asfaltom in modifikatorji je asfaltni del slike prikazan kot črn, polimerni del pa kot zelene svetle lise s prilagoditvijo svetlosti, prikazane na sliki 1. Asfalt je prikazan kot neprekinjena faza, razpršena pa -fazni SBS je bil razpršen kot oblika otoka v koraku matrike [33]. Slika 1b prikazuje veliko količino majhnih kockastih SBS prečnih povezav v asfaltu, kar predstavlja majhen delež in razpršeno porazdelitev asfalta brez A-Pal. SBS ima nizko sposobnost absorbiranja mehkih asfaltenov iz asfalta, kar ima za posledico nizko združljivost. Po dodajanju 1 masnega odstotka A-Pala (slika 1c) se je delež fluorescenčnih snovi nekoliko povečal, disperzija pa je bila še vedno neenakomerno porazdeljena v asfaltu. Sposobnost SBS polimera za absorpcijo mehkih asfaltenov po dodajanju A-Pal se je nekoliko povečala, kar vodi do volumske ekspanzije SBS polimera in povečanja stopnje nabrekanja [22]. Z dodatkom A-Pala (slika 1d,e) se delež fluorescenčnih substanc še naprej povečuje, stopnja razpršenosti pa postaja vse bolj enakomerna. Po dodajanju A-Pala se je združljivost SBS polimera z asfaltom do neke mere izboljšala; izboljšati bi se morale lastnosti modificiranega asfalta pri nizki temperaturi in utrujenosti [19].

3.2. Visokotemperaturna zmogljivost asfalta, modificiranega z A-Pal mešanico SBS

Visokotemperaturna stabilnost je pomemben pokazatelj asfalta. Sprememba faktorja kolesničenja, pridobljenega s preskusom temperaturnega skeniranja, je prikazana na sliki 2. Vidimo lahko, da dodatek SBS in A-Pal prispeva k izboljšanju faktorja kolesničenja in odpornosti proti kolesničenju. Ko je bil asfaltu dodan SBS, se je faktor kolesničenja asfalta močno povečal in bolj izboljšala odpornost proti kolesnicam. Faktor kolesnic se je še naprej povečeval z vključitvijo A-Pal za nadaljnje povečanje odpornosti proti kolesnicam. V primerjavi s prejšnjo študijo je dosleden in se ni spremenil zaradi različnih vrst SBS [18,19]. Vzorec z vsebnostjo A-Pal 5 masnih odstotkov je imel najvišji faktor kolesničenja in najmočnejšo sposobnost proti kolesničenju, kar kaže, da lahko vključitev A-Pala izboljša temperaturno stabilnost asfalta, modificiranega s SBS. Vrednost faktorja kolesničenja pada z naraščajočo temperaturo, stopnja pa je enaka, kar kaže, da imajo vsi vzorci modificiranega asfalta enake reološke lastnosti.

Kritična temperatura faktorja kolesničenja je ustrezen temperaturni faktor G*/sin δ {{0}},0 kPa v preskusu faktorja kolotečenja v Strateškem raziskovalnem programu avtocest (SHRP). Kritična temperatura vsakega vzorca je prikazana v tabeli 3. SBS bi lahko dvignil kritično temperaturo za 7,2 ◦C v primerjavi z AH-70. Po dodajanju A-Pal se je kritična temperatura faktorja kolesnic stalno povečevala in najvišja temperatura se je povečala na 75,7 ◦C, kar je bilo 20 odstotkov višje kot pri matričnem asfaltu.

ZSV modificiranega asfalta narašča z večanjem vsebnosti A-Pal, kar je bilo podobno rezultatu testa faktorja kolesničenja (tabela 4). ZSV asfaltne matrice se je z dodatkom SBS povečala za 296 odstotkov. Po dodatku 1 masnega odstotka A-Pal se je ZSV modificiranega asfalta povečal na 949,4 Pa·s, kar je bilo višje kot pri modificiranem asfaltu samo s SBS. Z naraščajočo vsebnostjo A-Pal se vrednost ZSV še naprej povečuje in vrednost ZSV 5 masnih odstotkov sestavljenega asfalta, modificiranega s SBS, se poveča na 1291,8 Pa·s, kar je bilo 423 odstotkov višje od vrednosti asfaltne matrice. Pokazalo se je, da je metoda mešanja učinkovita pri izboljšanju visokotemperaturne stabilnosti asfaltnega veziva.

【Za več informacij:george.deng@wecistanche.com / WhatApp:86 13632399501】