Επίδραση Συνέργειας Νανο-Οργανικού Παλιγορσκίτη στις Ιδιότητες Αστροειδούς Ασφάλτου Τροποποιημένου με SBS Μέρος 1

Αφηρημένη: Με την ταχεία ανάπτυξη της οικονομικής κατασκευής, η τροποποιημένη άσφαλτος με στυρόλιο-βουταδιένιο-στυρόλιο (SBS) χρησιμοποιείται όλο και πιο ευρέως στη μηχανική αυτοκινητοδρόμων, αλλά εξακολουθούν να υπάρχουν πολλές ελλείψεις στη διαδικασία χρήσης της. Για να βελτιωθεί περαιτέρω η απόδοσή του στη χρήση, ο νανοοργανικός παλιγορσκίτης (A-Pal) και το SBS σε σχήμα αστεριού συνδυάστηκαν για να ληφθεί τροποποιημένη άσφαλτος σε αυτή τη μελέτη. Η σταθερότητα σε υψηλή θερμοκρασία της τροποποιημένης με SBS ασφάλτου βελτιώθηκε μετά την ενσωμάτωση με το A-Pal για τη δοκιμή σταθερότητας σε υψηλή θερμοκρασία με ένα δυναμικό ρεόμετρο διάτμησης. Το A-Pal θα βελτιώσει την ελεύθερη επιφάνεια της ενέργειας και την πρόσφυση της τροποποιημένης με SBS ασφάλτου μέσω της ανάλυσης δοκιμής σταθερότητας νερού. Η δοκιμή γήρανσης δείχνει ότι το A-Pal μπορεί να μειώσει τη θερμική αποσύνθεση οξυγόνου του SBS και να βελτιώσει την απόδοση κατά της γήρανσης και την αντοχή στην κόπωση της τροποποιημένης με SBS ασφάλτου. Το A-Pal έχει κάποιο αποτέλεσμα βελτίωσης στην απόδοση χαμηλής θερμοκρασίας της τροποποιημένης με SBS ασφάλτου, όπως φαίνεται από μια δοκιμή αντίστασης σε ρωγμές σε χαμηλή θερμοκρασία. Η άσφαλτος τροποποιημένη με SBS με σύνθεση A-Pal διαθέτει καλή σταθερότητα αποθήκευσης σε κανονικές θερμοκρασίες με τη χαμηλότερη κρίσιμη θερμοκρασία συμβατότητας.

Κάντε κλικ στο Πού μπορώ να αγοράσω το Cistanche

【Για περισσότερες πληροφορίες:george.deng@wecistanche.com / WhatApp:86 13632399501】

Λέξεις-κλειδιά: παλιγορσκίτης; SBS; τροποποιημένη άσφαλτος? ρεολογικές ιδιότητες

1. Εισαγωγή

Τα τελευταία χρόνια, τα νανο-υλικά και η νανοτεχνολογία έχουν εφαρμοστεί συχνότερα στον τομέα των υλικών κυκλοφορίας πεζοδρομίων και η νανοτροποποιημένη άσφαλτος έχει γίνει ένα από τα καυτά θέματα της έρευνας [1-4]. Επί του παρόντος, τα πυριτικά υλικά με νανοστρώσεις εφαρμόζονται γενικά σε ασφαλτικά υλικά λόγω της μεγάλης απόδοσης και της καλής απόδοσής τους [5-7]. Το πυριτικό άλας με νανοστρώσεις με ειδική κρυσταλλική δομή, που κάνει τα μόρια της ασφάλτου να εισέρχονται στην πολυεπίπεδη δομή, μπορεί να αυξήσει την απόσταση των στρωμάτων, βελτιώνοντας τη δομή της αποφλοίωσης, η οποία εμποδίζει το οξυγόνο να διεισδύσει στην άσφαλτο και να καθυστερήσει τη γήρανση της. Επομένως, η νανοτροποποιημένη άσφαλτος έχει καλές ιδιότητες κατά της φθοράς και της γήρανσης [8–10]. Ταυτόχρονα, τα οργανικά τροποποιημένα νανοϋλικά μπορούν επίσης να βελτιώσουν τον βαθμό διασποράς του πολυμερούς στην άσφαλτο, παρέχοντας ευρείες προοπτικές ανάπτυξης για τροποποιημένη άσφαλτο στο μέλλον.

Ο Παλιγορσκίτης (Pal), επίσης γνωστός ως ατταπουλγίτης, είναι μια πολυεπίπεδη αλυσίδα από ορυκτά αργίλου πυριτικού μαγνησίου-αλουμινίου πλούσια σε νερό. Έχει τη φήμη ως «ο βασιλιάς της γης» για το ευρύ φάσμα των εφαρμογών του. Η κρυσταλλική δομή του Pal χαρακτηρίζεται από τα τετραεδρικά φύλλα Si-O διπλής στρώσης που συνδέονται με τα οκταεδρικά φύλλα μονής στρώσης (Mg, Al)-O και τα στρώματα μονάδας συνδέονται με οξυγόνο για να σχηματίσουν έναν κρύσταλλο που μοιάζει με πόρο δομή [11]. Οι πόροι γεμίζονται με νερό ζεόλιθου και κρυσταλλικό νερό για να σχηματιστεί ένας ινώδης μονοκρύσταλλος. Η μεμονωμένη ίνα έχει μήκος περίπου 0.5 έως 1.0 μm, μερικές ακόμη και έως 1 cm και διάμετρο περίπου 20 έως 30 μm [12]. Το Pal έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως στους τομείς των υλικών επίστρωσης [13], του τσιμέντου [14], της ασφάλτου και άλλων δομικών υλικών λόγω της καλής ρεολογίας, της απορροφητικότητας και του χαμηλότερου κόστους [15-17].

Αρκετές μελέτες δείχνουν ότι η παρουσία του νανο-οργανικού Pal μπορεί να βελτιώσει αποτελεσματικά την αντίσταση γήρανσης της ασφάλτου και τη συμβατότητα μεταξύ πολυμερούς και ασφάλτου. Οι Zhang et al. [10] συνέθεσε το οργανικό-Pal υπό ακτινοβολία μικροκυμάτων και το εφάρμοσε σε άσφαλτο τροποποιημένη από καουτσούκ στυρενίου βουταδιενίου (SBR). Διαπίστωσαν ότι το organic-Pal βελτίωσε τη συμβατότητα και τη σταθερότητα αποθήκευσης της τροποποιημένης με SBR ασφάλτου. Στη συνέχεια, μελέτησαν τις ρεολογικές και μορφολογικές ιδιότητες της τροποποιημένης με SBR ασφάλτου με οργανικό-Pal και διαπίστωσαν ότι το οργανικό-Pal έχει θετική επίδραση στη βελτίωση της ιξωδοελαστικότητας και των ιδιοτήτων κατά της αυλάκωσης της τροποποιημένης με SBR ασφάλτου [18]. Sun et al. [15] εφάρμοσε το Pal σε εποξειδική άσφαλτο και διαπίστωσε ότι έχει καλή επίδραση στις ιδιότητες εφελκυσμού και συγκόλλησης. Οι Jin et al. [19] εφάρμοσε το organic-Pal στην άσφαλτο και διαπίστωσε ότι η αντίσταση στη γήρανση της ασφάλτου βελτιώθηκε σημαντικά. Επί του παρόντος, η επίδραση του οργανικού-Pal στην άσφαλτο τροποποιημένη με στυρόλιο-βουταδιένιο-στυρόλιο (SBS) σπάνια μελετάται. Για να κατανοήσουμε περαιτέρω την επίδρασή του και να βελτιώσουμε την απόδοση της ασφάλτου τροποποιημένης με SBS, αυτή η μελέτη χρησιμοποίησε τον τροποποιητή SBS σε σχήμα αστεριού YH-801 και τον νανο-οργανικό παλιγορσκίτη (A-Pal) για την παρασκευή σύνθετης ασφάλτου τροποποιημένης με SBS. Το ελαφρύ τμήμα της ασφάλτου μπορεί να προσροφηθεί από το Pal με ισχυρή προσρόφηση, έτσι ώστε να μπορεί να αλλάξει η κολλοειδής δομή της ασφάλτου και να βελτιωθεί η σταθερότητα θερμοκρασίας της τροποποιημένης ασφάλτου [20].

2. Προετοιμασία Υλικών και Μέθοδος Δοκιμής

2.1. Υλικά

Η άσφαλτος 70# (AH-70) παρήχθη από την Maoming Petrochemical Co., Ltd. (Guangzhou, Κίνα) με τα βασικά αποτελέσματα δοκιμών απόδοσης που εμφανίζονται στον Πίνακα 1. Ο παλιγορσκίτης προέρχεται από το Jiangsu της Κίνας. Οι βασικές παράμετροι απόδοσης φαίνονται στον Πίνακα 2. Το μπλοκ συμπολυμερές στυρενίου-βουταδιενίου-στυρενίου YH-801 (SBS4303) σε σχήμα αστεριού παρήχθη από την Yueyang Baling Petrochemical (Χουνάν, Κίνα) με αναλογία μπλοκ 30/70.

2.2. Παρασκευή Α-Pal-Compounded SBS-Modified Asphalt

Με βάση την προηγούμενη έρευνά μας [19,21], ο Pal υποβλήθηκε σε επεξεργασία με διάλυμα HCl 1 mol/L στους 60 ◦C για 1 ώρα για να απομακρυνθούν ορισμένα μεγάλα σωματίδια και κατιονικά έξω από την πρώτη ύλη, και στη συνέχεια πλύθηκε έως ουδέτερο και αποξηραμένος. Το επεξεργασμένο Pal και -αμινοπροπυλτριαιθοξυσιλάνιο (APTES) διασκορπίστηκαν σε διάλυμα ξυλολίου και η μέθοδος επαναρροής συμπύκνωσης χρησιμοποιήθηκε για μαγνητική ανάδευση για 10 ώρες, στη συνέχεια πλύθηκε αρκετές φορές με το διήθημα, ξηράνθηκε και συνθλίβεται για να ληφθεί A-Pal για ενίσχυση της συμβατότητας με την ασφαλτική μήτρα. Οι ποσότητες 0 wt % , 1 wt % , 3 wt % , και 5 wt % A-Pal, οι οποίες αποτελούσαν το 5 % wt της ασφάλτου τροποποιημένης με SBS, παρασκευάστηκαν με τη μέθοδο ανάμειξης τήξης (ονομαζόμενη AH-70 συν 5Υ, ΑΗ-70 συν 5Υ συν 1Α, ΑΗ-70 συν 5Υ συν 3Α και ΑΗ-70 συν 5Υ συν 5Α, αντίστοιχα).

2.3. Χαρακτηρισμός

Ένα μικροσκόπιο φθορισμού (FM) χρησιμοποιήθηκε για να περιγράψει τη μορφολογία φάσης της τροποποιημένης ασφάλτου με διέγερση μπλε-μωβ φωτός βραχέων κυμάτων (λ=420 nm) (DM3000, Leica). Η μορφολογία φάσης του φθορίζοντος συστατικού στην άσφαλτο παρατηρήθηκε με οπτική μικροσκοπία για περαιτέρω μελέτη της συσχέτισης μεταξύ της μικροδομής και των μακροσκοπικών ιδιοτήτων [22].

2.4. Ρεολογική αξιολόγηση υψηλών θερμοκρασιών

Η απόδοση της ασφάλτου σε υψηλή θερμοκρασία αναφέρεται στην ικανότητα της ασφάλτου να αντιστέκεται σε μόνιμη παραμόρφωση υπό φορτίο, η οποία αξιολογήθηκε από ένα δυναμικό διατμητικό ρεόμετρο (DSR, MCR 301, Anton Paar, Αυστρία) για σάρωση θερμοκρασίας και συχνότητα δοκιμές σάρωσης. Η δοκιμή σάρωσης θερμοκρασίας πραγματοποιήθηκε από το AASHTO T315-05 [23] για τη μελέτη της επίδρασης της αλλαγής θερμοκρασίας στο σύνθετο μέτρο διάτμησης G* και στη γωνία φάσης δ της ασφάλτου τροποποιημένης με SBS με A-Pal, με ρυθμός θέρμανσης 2 ◦C/min και θερμοκρασία 40~90 ◦C. Η περισσότερη άσφαλτος κάτω από τη θερμοκρασία λειτουργίας του οδοστρώματος ανήκει στο ψευδοπλαστικό μη νευτώνειο ρευστό και το ιξώδες της ασφάλτου μειώνεται με την αύξηση του ρυθμού διάτμησης. Όταν ο ρυθμός διάτμησης ήταν εξαιρετικά υψηλός ή πολύ μικρός, το ιξώδες του ψευδοπλαστικού μη νευτώνειου ρευστού πλησίαζε μια σταθερά, και η περιοχή όπου το ιξώδες της ασφάλτου δεν άλλαζε με τον ρυθμό διάτμησης ονομαζόταν η πρώτη περιοχή ροής του Νεύτωνα και η περιοχή δεύτερη περιοχή Νευτώνειας ροής. Το ιξώδες του ψευδοπλαστικού μη νευτώνειου ρευστού ήταν στην πρώτη περιοχή και έφτασε στο μέγιστο όταν ήταν σταθερό, το οποίο ονομάζεται μηδενικό ιξώδες διάτμησης (ZSV) [24]. Το ιξώδες του ψευδοπλαστικού μη νευτώνειου ρευστού βρισκόταν στη δεύτερη περιοχή και έφτασε στο ελάχιστο όταν ήταν σταθερό, το οποίο ονομάζεται ιξώδες διεπιφανειακής διάτμησης (ISV). Τα αποτελέσματα της δοκιμής προσαρμόστηκαν από το μοντέλο Carreau και τον υπολογισμό του ZSV [25]. Η δοκιμή σε θερμοκρασία 60 ◦C σύμφωνα με το AASHTO T315-05, 25 mm της ταλαντούμενης πλάκας και πάχος φιλμ 1 mm χρησιμοποιήθηκαν για τη δοκιμή σάρωσης συχνότητας στην περιοχή από 0,01–100 Hz και η καμπύλη σαρώθηκε με εκθετική ανάπτυξη.

2.5. Αξιολόγηση Σταθερότητας Νερού

Οι γωνίες επαφής των δειγμάτων ασφάλτου τροποποιημένης με SBS με A-Pal μετρήθηκαν με το όργανο μέτρησης γωνίας επαφής (DSA100, Kruss, Γερμανία). Η μέθοδος άμιστης σταγόνας πραγματοποιήθηκε με καθαρό νερό, φορμαμίδιο και αιθυλενογλυκόλη. Η ελεύθερη επιφανειακή ενέργεια υπολογίστηκε με τη μέθοδο Owens–Wendt–Rabel–Kaelble (OWRK) [26] και η σχέση μεταξύ των τριών εκφράστηκε με τη μέθοδο OWRK ως εξής.

όπου sl είναι η επιφανειακή ελεύθερη ενέργεια της φάσης στερεού-υγρού, l είναι η επιφανειακή ελεύθερη ενέργεια του υγρού, s είναι η ελεύθερη επιφανειακή ενέργεια του στερεού, ld είναι η συνιστώσα διασποράς του υγρού, sd είναι η συνιστώσα διασποράς του στερεό, το lp είναι το πολικό συστατικό του υγρού και το sp είναι το πολικό συστατικό του στερεού.

Με βάση την ανάλυση δεδομένων ελεύθερης επιφάνειας τριών κοινών ορυκτών υλικών, το έργο της πρόσφυσης (Was) για την άσφαλτο στην επιφάνεια του ορυκτού υλικού υπολογίστηκε όπως φαίνεται στην Εξίσωση (3) [27,28].

Φέρτε την εξίσωση (1) στην εξίσωση (2) για να πάρετε:

όπου ad είναι το συστατικό διασποράς της ασφάλτου, sd είναι το συστατικό διασποράς του ορυκτού υλικού, p a είναι το πολικό συστατικό της ασφάλτου και ps είναι το πολικό συστατικό του ορυκτού υλικού.

Η αλλαγή της ελεύθερης ενέργειας Gibbs (∆Gaws) σε κάθε στάδιο της ζημιάς από θρυμματισμό μπορεί να εκφραστεί με το έργο της απολέπισης [29] και την έκφραση υπολογισμού ως εξής:

Φέρτε την εξίσωση (1) στην παραπάνω εξίσωση για να πάρετε:

όπου w είναι η επιφανειακή ελεύθερη ενέργεια του νερού, d w είναι το συστατικό διασποράς του νερού και p w είναι το πολικό συστατικό του νερού.

2.6. Αξιολόγηση απόδοσης γήρανσης

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) δοκιμάστηκε από τη δοκιμή κόπωσης θερμοκρασίας, ως δείκτης για την αξιολόγηση της αντοχής στην κόπωση της ασφάλτου.

2.7. Ρεολογική αξιολόγηση χαμηλής θερμοκρασίας

Η απόδοση της ασφάλτου σε χαμηλή θερμοκρασία αναφέρεται στην ικανότητα της ασφάλτου να αντιστέκεται στη ρωγμή υπό φορτίο. Η αντίσταση σε ρωγμές χαμηλής θερμοκρασίας της τροποποιημένης ασφάλτου μετά τη γήρανση TFOT συν PAV αξιολογήθηκε με ένα ροόμετρο δέσμης κάμψης (BBR), με την προδιαγραφή AASHTO T313-12 [31]. Σύμφωνα με τις προδιαγραφές, οι 6 ◦C ήταν το εύρος δοκιμής έως ότου η απόδοση της ασφάλτου δεν πληρούσε τις απαιτήσεις. Η ακαμψία ερπυσμού κάμψης και η τιμή m δοκιμάστηκαν στις θερμοκρασίες 0, -6, -12, -18 και -24 ◦C με φορτίο {{10}},980 ± 0,05 N για 240 δευτ.

3. Αποτελέσματα και συζήτηση

3.1. Μορφολογικά Χαρακτηριστικά

Το FM πραγματοποιήθηκε για να παρατηρηθεί η κατανομή και η δομή των SBS και A-Pal στην τροποποιημένη άσφαλτο [32]. Για να ενισχυθεί η διάκριση μεταξύ ασφάλτου και τροποποιητών, το τμήμα ασφάλτου της εικόνας εμφανίζεται ως μαύρο και το πολυμερές τμήμα εμφανίζεται ως πράσινα φωτεινά σημεία ρυθμίζοντας τη φωτεινότητα που φαίνεται στο σχήμα 1. Η άσφαλτος εμφανίζεται ως η συνεχής φάση και η διασπορά -Η φάση SBS διασκορπίστηκε ως η μορφή ενός νησιού στο βήμα του πίνακα [33]. Το Σχήμα 1β δείχνει μια μεγάλη ποσότητα μικρών μπλοκ σταυροδεσμών SBS στην άσφαλτο, η οποία αντιπροσωπεύει ένα μικρό ποσοστό και τη διάσπαρτη κατανομή της ασφάλτου χωρίς A-Pal. Το SBS διαθέτει χαμηλή ικανότητα απορρόφησης μαλακών ασφαλτενίων από την άσφαλτο, με αποτέλεσμα χαμηλή συμβατότητα. Μετά την προσθήκη 1% κ.β. Η ικανότητα του πολυμερούς SBS να απορροφά μαλακά ασφαλτένια μετά την προσθήκη του A-Pal είχε μια ορισμένη αύξηση, γεγονός που οδηγεί στην επέκταση του όγκου του πολυμερούς SBS και στην αύξηση του βαθμού διόγκωσης [22]. Με την προσθήκη του A-Pal (Εικόνα 1d,e), η αναλογία των φθοριζόντων ουσιών συνεχίζει να αυξάνεται και ο βαθμός διασποράς γίνεται όλο και πιο ομοιόμορφος. Μετά την προσθήκη του A-Pal, η συμβατότητα του πολυμερούς SBS με την άσφαλτο βελτιώθηκε σε κάποιο βαθμό. η απόδοση της τροποποιημένης ασφάλτου σε χαμηλή θερμοκρασία και κόπωση θα πρέπει να βελτιωθεί [19].

3.2. Απόδοση υψηλής θερμοκρασίας της A-Pal-Compounded SBS-Modified Asphalt

Η σταθερότητα σε υψηλές θερμοκρασίες είναι ένας σημαντικός δείκτης της ασφάλτου. Η διακύμανση του συντελεστή αυλάκωσης που λαμβάνεται από τη δοκιμή σάρωσης θερμοκρασίας φαίνεται στο Σχήμα 2. Μπορεί να φανεί ότι η προσθήκη SBS και A-Pal συμβάλλει στη βελτίωση του παράγοντα αυλάκωσης και της αντίστασης σε αυλάκωση. Μετά την προσθήκη SBS στην άσφαλτο, ο συντελεστής αυλάκωσης της ασφάλτου παρουσίασε μεγάλη αύξηση και βελτιωμένη αντίσταση στην αυλάκωση. Ο παράγοντας αυλάκωσης συνέχισε να αυξάνεται με την ενσωμάτωση του A-Pal για περαιτέρω αύξηση της αντίστασης σε αυλάκωση. Σε σύγκριση με την προηγούμενη μελέτη, είναι συνεπής και δεν έχει αλλάξει λόγω των διαφορετικών τύπων SBS [18,19]. Το δείγμα με περιεκτικότητα σε A-Pal 5% κατά βάρος είχε τον υψηλότερο συντελεστή αυλάκωσης και την ισχυρότερη ικανότητα κατά της αυλάκωσης, υποδεικνύοντας ότι η ενσωμάτωση του A-Pal μπορεί να βελτιώσει τη σταθερότητα θερμοκρασίας της τροποποιημένης με SBS ασφάλτου. Η τιμή του παράγοντα αυλάκωσης μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας και ο ρυθμός ήταν ο ίδιος, υποδεικνύοντας ότι όλα τα τροποποιημένα δείγματα ασφάλτου έχουν τις ίδιες ρεολογικές ιδιότητες.

Η κρίσιμη θερμοκρασία του συντελεστή αυλάκωσης είναι ο αντίστοιχος συντελεστής θερμοκρασίας G*/sin δ {{0}},0 kPa στη δοκιμή του παράγοντα αυλάκωσης στο Στρατηγικό Ερευνητικό Πρόγραμμα Αυτοκινητοδρόμων (SHRP). Η κρίσιμη θερμοκρασία κάθε δείγματος φαίνεται στον Πίνακα 3. Το SBS θα μπορούσε να αυξήσει την κρίσιμη θερμοκρασία κατά 7,2 ◦C, σε σύγκριση με το AH-70. Μετά την προσθήκη του A-Pal, η κρίσιμη θερμοκρασία του παράγοντα αυλάκωσης αυξανόταν συνεχώς και η μέγιστη θερμοκρασία αυξήθηκε στους 75,7 ◦C, που ήταν 20 τοις εκατό υψηλότερη από την άσφαλτο της μήτρας.

Το ZSV της τροποποιημένης ασφάλτου αυξάνεται με την αύξηση της περιεκτικότητας σε A-Pal, η οποία ήταν παρόμοια με το αποτέλεσμα δοκιμής του παράγοντα αυλάκωσης (Πίνακας 4). Το ZSV της ασφαλτικής μήτρας αυξήθηκε κατά 296 τοις εκατό με την προσθήκη SBS. Μετά την προσθήκη 1% κατά βάρος A-Pal, το ZSV της τροποποιημένης ασφάλτου αυξήθηκε σε 949,4 Pa·s, το οποίο ήταν υψηλότερο από αυτό της τροποποιημένης ασφάλτου με μόνο SBS. Με την αυξανόμενη περιεκτικότητα σε A-Pal, η τιμή του ZSV συνεχίζει να αυξάνεται και η τιμή ZSV της σύνθετης ασφάλτου τροποποιημένης με SBS κατά 5% κατά βάρος αυξάνεται στα 1291,8 Pa·s, που ήταν 423 τοις εκατό υψηλότερη από αυτή της ασφαλτικής μήτρας. Έδειξε ότι η μέθοδος σύνθεσης ήταν αποτελεσματική στη βελτίωση της σταθερότητας του συνδετικού ασφάλτου σε υψηλή θερμοκρασία.

【Για περισσότερες πληροφορίες:george.deng@wecistanche.com / WhatApp:86 13632399501】