Синергијски ефекат нано-органског палигорскита на својства звездастог СБС-модификованог асфалта, део 1

Апстрактан: Брзим развојем привредне конструкције стирен-бутадиен-стирен (СБС)-модификовани асфалт све се више користи у аутопутевима, али и даље постоје многи недостаци у процесу његове употребе. Да би се додатно побољшале његове перформансе за употребу, нано органски палигорскит (А-Пал) и СБС у облику звезде су спојени да би се добио модификовани асфалт у овој студији. Високотемпературна стабилност СБС-модификованог асфалта је побољшана након уградње са А-Пал-ом за испитивање стабилности при високим температурама помоћу динамичког смичног реометра. А-Пал би требало да побољша слободну енергију површине и адхезију СБС-модификованог асфалта анализом теста стабилности воде. Тест старења показује да А-Пал може смањити термичку разградњу кисеоника СБС-а и побољшати перформансе против старења и отпорност на замор СБС-модификованог асфалта. А-Пал има одређени ефекат побољшања на нискотемпературне перформансе СБС-модификованог асфалта, што показује тест отпорности на пуцање на ниским температурама. А-Пал-сложени СБС-модификовани асфалт има добру стабилност складиштења на нормалним температурама са најнижом критичном температуром компатибилности.

Кликните на Где могу да купим Цистанцхе

【За више информација:george.deng@wecistanche.com / ВхатАпп:86 13632399501】

Кључне речи: палигорските; СБС; модификовани асфалт; реолошка својства

1. Представљање

Последњих година наноматеријали и нанотехнологија се све чешће примењују у области саобраћајних материјала коловоза, а нано-модификовани асфалт је постао једна од врућих тема истраживања [1–4]. Тренутно се нанослојни силикатни материјали генерално примењују на асфалтне материјале због њиховог великог учинка и добрих перформанси [5–7]. Нанослојни силикат са посебном кристалном структуром, због чега молекули асфалта улазе у слојевиту структуру, може повећати размак слојева, побољшавајући структуру љуштења облика, што спречава кисеоник да продре у асфалт и одлаже његово старење. Стога, нано-модификовани асфалт има добра својства против настајања колотрага и старења [8–10]. У исто време, органски модификовани наноматеријали такође могу побољшати степен дисперзије полимера у асфалту, пружајући широке развојне изгледе за модификовани асфалт у будућности.

Палигорскит (Пал), такође познат као атапулгит, је слојевити ланац минерала магнезијум-алуминијум силикатне глине богате водом. Има репутацију "краља земље" због широког спектра примене. Кристалну структуру Пал карактеришу двослојни Си-О тетраедарски листови који су повезани са једнослојним (Мг, Ал)-О октаедарским листовима, а јединични слојеви су повезани кисеоником да формирају кристал сличан порама структура [11]. Поре су испуњене зеолитном водом и кристалном водом да би се формирао влакнасти монокристал. Једно влакно има дужину од око 0.5 до 1.0 µм, нека чак и до 1 цм, а пречник од око 20 до 30 µм [12]. Пал се широко користи у областима премаза [13], цемента [14], асфалта и других грађевинских материјала због своје добре реологије, адсорбабилности и ниже цене [15–17].

Неколико студија показује да присуство нано-органског Пал може ефикасно побољшати отпорност асфалта на старење и компатибилност између полимера и асфалта. Зханг ет ал. [10] синтетизовао органски-Пал под микроталасним зрачењем и применио га на асфалт модификовани стирен бутадиен каучуком (СБР). Открили су да је органски-Пал побољшао компатибилност и стабилност складиштења СБР-модификованог асфалта. Затим су проучавали реолошка и морфолошка својства СБР-модификованог асфалта са органским-Пал-ом и открили да органски-Пал има позитиван ефекат на побољшање вискоеластичности и својства против колотрага СБР-модификованог асфалта [18]. Сун ет ал. [15] применио је Пал на епоксидни асфалт и открио да има добар ефекат на својства затезања и лепљења. Јин ет ал. [19] применио је органски-Пал на асфалт и открио да је отпорност асфалта на старење знатно побољшана. Тренутно се ретко проучава ефекат органског-Пал-а на стирен-бутадиен-стирен (СБС)-модификовани асфалт. Да би се даље разумео његов ефекат и побољшале перформансе СБС-модификованог асфалта, ова студија је користила СБС модификатор у облику звезде ИХ-801 и нано-органски палигорскит (А-Пал) за припрему сложеног СБС-модификованог асфалта. Лагани део асфалта може да се адсорбује Пал са јаком адсорпцијом, тако да се колоидна структура асфалта може променити и побољшати температурна стабилност модификованог асфалта [20].

2. Припрема материјала и метода испитивања

2.1. Материјали

Асфалт 70# (АХ-70) је произвела Маоминг Петроцхемицал Цо., Лтд. (Гуангџоу, Кина) са основним резултатима испитивања перформанси приказаним у Табели 1. Палигорскит потиче из Ђангсуа, Кина. Основни параметри перформанси су приказани у табели 2. Звездасти блок кополимер стирен-бутадиен-стирен ИХ-801 (СБС4303) је произвела Иуеианг Балинг Петроцхемицал (Хунан, Кина) са односом блокова од 30/70.

2.2. Припрема А-Пал-сложеног СБС-модификованог асфалта

На основу нашег претходног истраживања [19,21], Пал је третиран са 1 мол/Л раствора ХЦл на 60 ◦Ц током 1 х да би се уклониле неке велике честице и катјон изван сировог материјала, затим је испран до неутралног и осушени. Третирани Пал и -аминопропилтриетоксисилан (АПТЕС) су дисперговани у раствору ксилена, а метода кондензационог рефлукса је коришћена за магнетно мешање током 10 х, затим испрана неколико пута филтратом, осушена и уситњена да би се добио А-Пал да би се побољшала компатибилност са асфалтна матрица. Количине од 0 теж. процената, 1 теж. процената, 3 теж. процента и 5 теж. процената А-Пал, које су чиниле 5 теж. процената СБС-модификованог асфалта, припремљене су методом мешања талине (назван АХ-70 плус 5И, АХ-70 плус 5И плус 1А, АХ-70 плус 5И плус 3А, и АХ-70 плус 5И плус 5А, респективно).

2.3. Карактеризација

Флуоресценцијски микроскоп (ФМ) је коришћен за опис фазне морфологије модификованог асфалта са краткоталасном плаво-љубичастом светлошћу (λ=420} нм) ексцитацијом (ДМ3000, Леица). Фазна морфологија флуоресцентне компоненте у асфалту је посматрана оптичком микроскопијом да би се даље проучавала корелација између микроструктуре и макроскопских својстава [22].

2.4. Високотемпературна реолошка евалуација

Високотемпературне перформансе асфалта односе се на способност асфалта да се одупре трајним деформацијама под оптерећењем, што је процењено помоћу динамичког смичног реометра (ДСР, МЦР 301, Антон Паар, Аустрија) за температурно скенирање и фреквенцију тестови скенирања. Тест температурног скенирања је спровео ААСХТО Т315-05 [23] да би се проучавао ефекат промене температуре на комплексни модул смицања Г* и фазни угао δ А-Пал-сложеног СБС-модификованог асфалта, са брзина загревања од 2 ◦Ц/мин и температура од 40~90 ◦Ц. Већина асфалта под радном температуром коловоза припада псеудопластичној нењутновској течности, а вискозност асфалта опада са повећањем брзине смицања. Када је брзина смицања била изузетно висока или веома мала, вискозност псеудопластичне нењутновске течности се приближила константи, а област у којој се вискозитет асфалта није мењала са брзином смицања названа је прва њутновска област течења и други регион Њутновог тока. Вискозност псеудопластичне нењутновске течности била је у првом региону и достигла је максимум када је била константна, што се назива вискозитет нулте смицања (ЗСВ) [24]. Вискозитет псеудопластичне нењутновске течности је био у другом региону и достигао је минимум када је био константан, што се назива вискозитет међуфазног смицања (ИСВ). Резултати испитивања су прилагођени Царреау моделом и прорачуном ЗСВ [25]. Тест на температури од 60 ◦Ц према ААСХТО Т315-05, 25 мм осцилирајуће плоче и дебљине филма од 1 мм коришћен је за тест скенирања фреквенције у опсегу 0,01–100 Хз, а крива је скенирана експоненцијалним растом.

2.5. Процена стабилности воде

Контактни углови А-Пал-сложених СБС-модификованих узорака асфалта мерени су инструментом за мерење контактног угла (ДСА100, Крусс, Немачка). Метода сесилне капи је спроведена са чистом водом, формамидом и етилен гликолом. Површинска слободна енергија је израчуната методом Овенс–Вендт–Рабел–Каелбле (ОВРК) [26], а однос између ове три је изражен ОВРК методом на следећи начин.

где је сл површинска слободна енергија чврсте и течне фазе, л је површинска слободна енергија течности, с је слободна површина чврсте материје, лд је дисперзиона компонента течности, сд је дисперзиона компонента чврста материја, лп је поларна компонента течности, а сп је поларна компонента чврсте супстанце.

На основу анализе података о слободној површини енергије три уобичајена минерална материјала, израчунат је рад адхезије (Вас) за асфалт на површини минералног материјала као што је приказано у једначини (3) [27,28].

Доведите једначину (1) у једначину (2) да бисте добили:

где је ад дисперзиона компонента асфалта, сд је дисперзиона компонента минералног материјала, п а је поларна компонента асфалта, а п с је поларна компонента минералног материјала.

Промена Гибсове слободне енергије (∆Гавс) у свакој фази оштећења од љуштења може се изразити радом ексфолијације [29] и рачунским изразом на следећи начин:

Доведите једначину (1) у горњу једначину да бисте добили:

где је в површинска слободна енергија воде, д в је дисперзиона компонента воде, а п в поларна компонента воде.

2.6. Евалуација учинка старења

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 кПа) испитан је из теста температурног замора, као индекс за оцену отпорности асфалта на замор.

2.7. Нискотемпературна реолошка евалуација

Нискотемпературне перформансе асфалта односе се на способност асфалта да се одупре пуцању под оптерећењем. Отпорност модификованог асфалта на пуцање на ниској температури након старења ТФОТ плус ПАВ процењена је реометром на савијање (ББР), према спецификацији ААСХТО Т313-12 [31]. Према спецификацији, 6 ◦Ц је био испитни опсег све док перформансе асфалта нису испуниле захтеве. Крутост при пузању при савијању и вредност м тестирани су на температурама 0, −6, −12, −18 и −24 ◦Ц са оптерећењем од {{10}}.980 ± 0,05 Н за 240 с.

3. Резултати и дискусија

3.1. Морфолошке карактеристике

ФМ је спроведен да би се сагледала дистрибуција и структура СБС и А-Пал у модификованом асфалту [32]. Да би се побољшала дискриминација између асфалта и модификатора, асфалтни део слике је приказан као црн, а полимерни део је приказан као зелене светле тачке подешавањем светлине приказане на слици 1. Асфалт се приказује као континуирана фаза, а дисперзована -фаза СБС је дисперзована као облик острва у матричном кораку [33]. Слика 1б приказује велику количину малих блоковитих СБС попречних веза у асфалту, што чини мали удео и расуту дистрибуцију асфалта без А-Пал-а. СБС карактерише ниска способност апсорпције меких асфалтена из асфалта, што резултира ниском компатибилношћу. Након додавања 1 тежинског процента А-Пал-а (слика 1ц), удео флуоресцентних супстанци је благо повећан, а дисперзија је и даље била неравномерно распоређена у асфалту. Способност СБС полимера да апсорбује меке асфалтене након додавања А-Пал-а има извесно повећање, што доводи до запреминског ширења СБС полимера и повећања степена бубрења [22]. Са додатком А-Пал (слика 1д,е), удео флуоресцентних супстанци наставља да расте, а степен дисперзије постаје све уједначенији. Након додавања А-Пал-а, компатибилност СБС полимера са асфалтом је донекле побољшана; перформансе на ниским температурама и замору модификованог асфалта треба да се побољшају [19].

3.2. Перформансе на високим температурама А-Пал-сложеног СБС-модификованог асфалта

Високотемпературна стабилност је важан показатељ асфалта. Варијација фактора рутирања добијена тестом температурног скенирања приказана је на слици 2. Може се видети да додатак СБС-а и А-Пал-а доприноси побољшању фактора колотраже и отпорности на колотрагу. Након додавања СБС-а у асфалт, фактор колотраже асфалта показао је велико повећање и већу отпорност на колотрагу. Фактор колотраже је наставио да расте са уградњом А-Пал-а да би се додатно повећала отпорност на колотраге. У поређењу са претходном студијом, она је конзистентна и није се променила због различитих типова СБС [18,19]. Узорак са садржајем А-Пал-а од 5 теж. процената имао је највећи фактор колотраже и најјачу способност против колотрага, што указује да уградња А-Пал-а може побољшати температурну стабилност СБС-модификованог асфалта. Вредност фактора колотраже опада са порастом температуре, а брзина је била иста, што указује да сви модификовани узорци асфалта имају иста реолошка својства.

Критична температура фактора колотраге је одговарајући температурни фактор Г*/син δ {{0}}.0 кПа у тесту фактора колотраге у програму Стратегиц Хигхваи Ресеарцх Програм (СХРП). Критична температура сваког узорка је приказана у табели 3. СБС би могао да подигне критичну температуру за 7,2 ◦Ц, у поређењу са АХ-70. Након додавања А-Пал-а, критична температура фактора колотрага је континуирано расла, а максимална температура је порасла на 75,7 ◦Ц, што је било 20 процената више од матричног асфалта.

ЗСВ модификованог асфалта расте са повећањем садржаја А-Пал, што је било слично резултату испитивања фактора колотраже (табела 4). ЗСВ асфалтне матрице је уз додатак СБС-а повећана за 296 одсто. Након додавања 1 тежинског процента А-Пал-а, ЗСВ модификованог асфалта се повећао на 949,4 Па·с, што је било више од оног код модификованог асфалта само са СБС. Са повећањем садржаја А-Пал-а, вредност ЗСВ наставља да расте, а вредност ЗСВ-а СБС-модификованог асфалта са 5 тежинских процената расте на 1291,8 Па·с, што је било 423 процента више од вредности асфалтне матрице. Показало се да је метода мешања ефикасна у побољшању стабилности асфалтног везива при високим температурама.

【За више информација:george.deng@wecistanche.com / ВхатАпп:86 13632399501】