Синергичен ефект на нано-органичен палигорскит върху свойствата на звездообразен SBS-модифициран асфалт, част 1

Резюме: С бързото развитие на икономическото строителство модифицираният стирен-бутадиен-стирен (SBS) асфалт се използва все по-широко в строителството на магистрали, но все още има много недостатъци в процеса на използването му. За по-нататъшно подобряване на неговата производителност за използване, нано органичният палигорскит (A-Pal) и звездообразен SBS бяха смесени, за да се получи модифициран асфалт в това проучване. Високотемпературната стабилност на SBS-модифицирания асфалт беше подобрена след включване с A-Pal за теста за високотемпературна стабилност чрез динамичен реометър на срязване. A-Pal трябва да подобри повърхностната свободна енергия и адхезията на SBS-модифицирания асфалт чрез анализа на теста за устойчивост на вода. Тестът за стареене показва, че A-Pal може да намали термичното кислородно разлагане на SBS и да подобри ефективността против стареене и устойчивостта на умора на SBS-модифицирания асфалт. A-Pal има известен ефект на подобряване на характеристиките при ниски температури на SBS-модифициран асфалт, както е показано чрез тест за устойчивост на пукнатини при ниски температури. Смесен с A-Pal SBS-модифициран асфалт се характеризира с добра стабилност при съхранение при нормални температури с най-ниската критична температура на съвместимост.

Кликнете върху Къде мога да купя Cistanche

【За повече информация:george.deng@wecistanche.com / WhatApp:86 13632399501】

Ключови думи: палъгорските; SBS; модифициран асфалт; реологични свойства

1. Въведение

През последните години наноматериалите и нанотехнологиите се прилагат по-често в областта на материалите за пътни настилки, а наномодифицираният асфалт се превърна в една от горещите теми на изследванията [1–4]. Понастоящем нанослоестите силикатни материали обикновено се прилагат към асфалтови материали поради тяхната голяма производителност и добра производителност [5–7]. Нанослоестият силикат със специална кристална структура, която кара асфалтовите молекули да влизат в слоестата структура, може да увеличи разстоянието между слоевете, подобрявайки структурата на отлепване на формата, което предотвратява проникването на кислород в асфалта и забавя стареенето му. Следователно наномодифицираният асфалт има добри свойства против коловози и стареене [8–10]. В същото време органично модифицираните наноматериали могат също така да подобрят степента на дисперсия на полимера в асфалта, осигурявайки широки перспективи за развитие на модифицирания асфалт в бъдеще.

Палигорскитът (Pal), известен също като атапулгит, е слоеста верига от богати на вода магнезиево-алуминиеви силикатни глинести минерали. Той има репутацията на "краля на земята" заради широкия си спектър от приложения. Кристалната структура на Pal се характеризира с двуслойни Si-O тетраедрични листове, които са свързани с еднослойните (Mg, Al)-O октаедрични листове, а единичните слоеве са свързани чрез кислород, за да образуват подобен на пори кристал структура [11]. Порите се пълнят със зеолитна вода и кристална вода, за да се образува влакнест монокристал. Единичното влакно има дължина от около 0.5 до 1.0 µm, някои дори до 1 cm, и диаметър от около 20 до 30 µm [12]. Pal е широко използван в областта на покривните материали [13], цимент [14], асфалт и други строителни материали поради добрата си реология, адсорбируемост и по-ниска цена [15–17].

Няколко проучвания показват, че наличието на наноорганичен Pal може ефективно да подобри устойчивостта на стареене на асфалта и съвместимостта между полимера и асфалта. Джан и др. [10] синтезират органичен-Pal под микровълново облъчване и го прилагат върху модифициран с бутадиен каучук (SBR) асфалт. Те установиха, че organic-Pal подобрява съвместимостта и стабилността при съхранение на SBR-модифицирания асфалт. След това те изследваха реологичните и морфологични свойства на SBR-модифицирания асфалт с органичен-Pal и установиха, че органичният-Pal има положителен ефект върху подобряването на вискоеластичността и свойствата против коловози на SBR-модифицирания асфалт [18]. Сън и др. [15] прилага Pal върху епоксиден асфалт и установява, че има добър ефект върху свойствата на опън и адхезия. Джин и др. [19] прилага органичен-Pal върху асфалта и установява, че устойчивостта на стареене на асфалта е значително подобрена. Понастоящем рядко се изследва ефектът на organic-Pal върху асфалт, модифициран с стирен-бутадиен-стирен (SBS). За по-добро разбиране на неговия ефект и подобряване на работата на SBS-модифицирания асфалт, това проучване използва звездообразния SBS модификатор YH-801 и наноорганичния палигорскит (A-Pal) за приготвяне на смесен SBS-модифициран асфалт. Светлата част на асфалта може да бъде адсорбирана от Pal със силна адсорбция, така че колоидната структура на асфалта може да бъде променена и температурната стабилност на модифицирания асфалт може да бъде подобрена [20].

2. Подготовка на материалите и метод за изпитване

2.1. Материали

Асфалтът 70# (AH-70) е произведен от Maoming Petrochemical Co., Ltd. (Гуанджоу, Китай) с основните резултати от теста за ефективност, показани в таблица 1. Палигорскитът произхожда от Дзянсу, Китай. Основните параметри на производителност са показани в таблица 2. Звездообразният стирен-бутадиен-стирен блок съполимер YH-801 (SBS4303) е произведен от Yueyang Baling Petrochemical (Hunan, Китай) с блоково съотношение 30/70.

2.2. Приготвяне на A-Pal-съставен SBS-модифициран асфалт

Въз основа на нашите предишни изследвания [19,21], Pal беше третиран с 1 mol/L разтвор на HCl при 60 ◦C в продължение на 1 час, за да се отстранят някои големи частици и катионни частици извън суровината, след което се измива до неутрално и изсушени. Обработеният Pal и -аминопропилтриетоксисилан (APTES) се диспергират в разтвор на ксилен и методът на кондензация с обратен хладник се използва за магнитно разбъркване в продължение на 10 часа, след което се промива няколко пъти с филтрата, изсушава се и се раздробява, за да се получи A-Pal за подобряване на съвместимостта с асфалтовата матрица. Количествата от 0 тегловни процента, 1 тегловни процента, 3 тегловни процента и 5 тегловни процента A-Pal, които съставляват 5 тегловни процента от SBS-модифицирания асфалт, бяха получени чрез метода на смесване в стопилка (наречен AH-70 плюс 5Y, AH-70 плюс 5Y плюс 1A, AH-70 плюс 5Y плюс 3A и AH-70 плюс 5Y плюс 5A, съответно).

2.3. Характеризиране

Използван е флуоресцентен микроскоп (FM), за да се опише фазовата морфология на модифициран асфалт с късовълнова синьо-лилава светлина (λ=420 nm) възбуждане (DM3000, Leica). Фазовата морфология на флуоресцентния компонент в асфалта беше наблюдавана чрез оптична микроскопия за по-нататъшно изследване на корелацията между микроструктурата и макроскопичните свойства [22].

2.4. Високотемпературна реологична оценка

Високотемпературните характеристики на асфалта се отнасят до способността на асфалта да издържа на постоянна деформация при натоварване, което е оценено от динамичен реометър на срязване (DSR, MCR 301, Anton Paar, Австрия) за температурно сканиране и честота сканиращи тестове. Тестът за сканиране на температурата беше извършен от AASHTO T315-05 [23] за изследване на ефекта от температурната промяна върху комплексния модул на срязване G* и фазовия ъгъл δ на A-Pal-съединен SBS-модифициран асфалт, с a скорост на нагряване от 2 ◦C/min и температура от 40~90 ◦C. По-голямата част от асфалта при работната температура на настилката принадлежи към псевдопластичната ненютонова течност и вискозитетът на асфалта намалява с увеличаване на скоростта на срязване. Когато скоростта на срязване е била изключително висока или много малка, вискозитетът на псевдопластичния ненютонов флуид се доближава до константа и областта, където вискозитетът на асфалта не се променя със скоростта на срязване, се нарича първата област на Нютонов поток и втора Нютонова област на потока. Вискозитетът на псевдопластичния ненютонов флуид беше в първата област и достигна максимум, когато беше постоянен, което се нарича нулев вискозитет на срязване (ZSV) [24]. Вискозитетът на псевдопластичния ненютонов флуид беше във втората област и достигна минимум, когато беше постоянен, което се нарича междуфазов вискозитет на срязване (ISV). Резултатите от теста бяха монтирани чрез модела на Carreau и изчислението на ZSV [25]. Тестът при температура от 60 ◦C съгласно AASHTO T315-05, 25 mm от осцилиращата плоча и дебелина на филма от 1 mm беше използван за теста за честотно сканиране в диапазона от 0,01–100 Hz, и кривата беше сканирана чрез експоненциален растеж.

2.5. Оценка на стабилността на водата

Ъглите на контакт на A-Pal-компондираните SBS-модифицирани асфалтови проби бяха измерени с инструмента за измерване на контактен ъгъл (DSA100, Kruss, Германия). Методът на сесилна капка се провежда с чиста вода, формамид и етиленгликол. Повърхностната свободна енергия беше изчислена по метода на Owens–Wendt–Rabel–Kaelble (OWRK) [26] и връзката между трите беше изразена чрез метода OWRK, както следва.

където sl е повърхностната свободна енергия на твърдо-течната фаза, l е повърхностната свободна енергия на течността, s е повърхностната свободна енергия на твърдото вещество, ld е дисперсионният компонент на течността, sd е дисперсионният компонент на твърдо вещество, lp е полярният компонент на течността и sp е полярният компонент на твърдото вещество.

Въз основа на анализа на данните за свободната повърхностна енергия на три общи минерални материала, работата на адхезия (Was) за асфалта върху повърхността на минералния материал беше изчислена, както е показано в уравнение (3) [27,28].

Поставете уравнение (1) в уравнение (2), за да получите:

където ad е дисперсионният компонент на асфалта, sd е дисперсионният компонент на минералния материал, p a е полярният компонент на асфалта и p s е полярният компонент на минералния материал.

Промяната на свободната енергия на Гибс (∆Gaws) във всеки етап на увреждане от разцепване може да се изрази чрез работата на ексфолиацията [29] и изчислителния израз, както следва:

Поставете уравнение (1) в горното уравнение, за да получите:

където w е повърхностната свободна енергия на водата, d w е дисперсионният компонент на водата и p w е полярният компонент на водата.

2.6. Оценка на ефективността на стареене

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) е тестван от теста за температурна умора, като индекс за оценка на устойчивостта на умора на асфалта.

2.7. Нискотемпературна реологична оценка

Нискотемпературните характеристики на асфалта се отнасят до способността на асфалта да издържа на напукване при натоварване. Нискотемпературната устойчивост на пукнатини на модифицирания асфалт след стареене TFOT плюс PAV беше оценена чрез реометър с огъваща греда (BBR), по спецификация AASHTO T313-12 [31]. Съгласно спецификацията 6 ◦C беше тестовият диапазон, докато характеристиките на асфалта не отговарят на изискванията. Твърдостта на пълзене при огъване и стойността на m бяха тествани при температури 0, −6, −12, −18 и −24 ◦C с натоварване от {{10}}.980 ± 0,05 N за 240 s.

3. Резултати и дискусия

3.1. Морфологични характеристики

FM беше проведено, за да се наблюдава разпределението и структурата на SBS и A-Pal в модифицирания асфалт [32]. За да се подобри разграничението между асфалт и модификатори, асфалтовата част на изображението се показва като черна, а полимерната част се показва като зелени ярки петна чрез регулиране на яркостта, показана на Фигура 1. Асфалтът се показва като непрекъсната фаза, а дисперсната -фаза SBS беше разпръсната като форма на остров в стъпката на матрицата [33]. Фигура 1b показва голямо количество малки блокови SBS напречни връзки в асфалта, което представлява малка част и разпръснатото разпределение на асфалта без A-Pal. SBS има ниска способност да абсорбира меки асфалтени от асфалта, което води до ниска съвместимост. След добавяне на 1 тегловен процент A-Pal (Фигура 1в), делът на флуоресцентните вещества беше леко увеличен и дисперсията все още беше неравномерно разпределена в асфалта. Способността на SBS полимера да абсорбира меки асфалтени след добавянето на A-Pal има известно увеличение, което води до обемно разширение на SBS полимера и увеличаване на степента на набъбване [22]. С добавянето на A-Pal (Фигура 1d,e), делът на флуоресцентните вещества продължава да се увеличава и степента на дисперсия става все по-равномерна. След добавяне на A-Pal, съвместимостта на SBS полимера с асфалта беше подобрена до известна степен; характеристиките при ниска температура и умора на модифицирания асфалт трябва да се подобрят [19].

3.2. Високотемпературни характеристики на A-Pal-компондиран SBS-модифициран асфалт

Устойчивостта на висока температура е важен показател за асфалта. Вариацията на коефициента на коловози, получена чрез теста за температурно сканиране, е показана на Фигура 2. Може да се види, че добавянето на SBS и A-Pal допринася за подобряването на фактора на коловози и устойчивостта на коловози. След като SBS беше добавен към асфалта, коефициентът на коловози на асфалта показа голямо увеличение и още по-добра устойчивост на коловози. Коефициентът на коловози продължи да се увеличава с включването на A-Pal за допълнително увеличаване на устойчивостта на коловози. В сравнение с предишното проучване, то е последователно и не се е променило поради различните видове SBS [18,19]. Пробата със съдържание на A-Pal от 5 тегловни процента има най-висок фактор на коловози и най-силна способност против коловози, което показва, че включването на A-Pal може да подобри температурната стабилност на SBS-модифицирания асфалт. Стойността на коефициента на коловози намалява с повишаване на температурата и скоростта е същата, което показва, че всички модифицирани асфалтови проби имат еднакви реологични свойства.

Критичната температура на коефициента на коловоз е съответният температурен фактор G*/sin δ {{0}}.0 kPa в теста на фактора на коловоз в Програмата за стратегически изследвания на магистрали (SHRP). Критичната температура на всяка проба е показана в таблица 3. SBS може да повиши критичната температура със 7,2 ◦C в сравнение с AH-70. След добавяне на A-Pal критичната температура на коефициента на коловоз непрекъснато се повишава и максималната температура се повишава до 75,7 ◦C, което е с 20 процента по-високо от матричния асфалт.

ZSV на модифицирания асфалт се увеличава с увеличаването на съдържанието на A-Pal, което е подобно на резултата от теста за коефициента на коловоз (Таблица 4). ZSV на асфалтовата матрица се увеличава с 296 процента с добавянето на SBS. След добавяне на 1 тегл. процент A-Pal, ZSV на модифицирания асфалт се повишава до 949,4 Pa·s, което е по-високо от това на модифицирания асфалт само с SBS. С нарастващото съдържание на A-Pal стойността на ZSV продължава да се увеличава и стойността на ZSV на 5 тегл. процента смесен SBS-модифициран асфалт се увеличава до 1291,8 Pa·s, което е с 423 процента по-високо от това на асфалтовата матрица. Той показа, че методът на смесване е ефективен за подобряване на стабилността при висока температура на асфалтовото свързващо вещество.

【За повече информация:george.deng@wecistanche.com / WhatApp:86 13632399501】