Synergický účinek nano-organického palygorskitu na vlastnosti hvězdicového asfaltu modifikovaného SBS, část 1

Abstraktní: S rychlým rozvojem ekonomického stavitelství se asfalt modifikovaný styren-butadien-styrenem (SBS) stále více používá v silničním stavitelství, ale stále existuje mnoho nedostatků v procesu jeho použití. K dalšímu zlepšení jeho výkonu pro použití byly v této studii smíchány nanoorganický palygorskit (A-Pal) a hvězdicový SBS, aby se získal modifikovaný asfalt. Vysokoteplotní stabilita asfaltu modifikovaného SBS byla zvýšena po zapracování s A-Pal pro test vysokoteplotní stability dynamickým smykovým reometrem. A-Pal by měl zlepšit povrchovou volnou energii a přilnavost asfaltu modifikovaného SBS analýzou testu stability vůči vodě. Test stárnutí ukazuje, že A-Pal může snížit tepelný rozklad SBS kyslíkem a zlepšit odolnost proti stárnutí a odolnost proti únavě asfaltu modifikovaného SBS. A-Pal má určitý zlepšující účinek na nízkoteplotní vlastnosti asfaltu modifikovaného SBS, jak ukázal test odolnosti proti trhlinám při nízké teplotě. Asfalt modifikovaný SBS A-Pal se vyznačuje dobrou stabilitou při skladování za normálních teplot s nejnižší kritickou teplotou kompatibility.

Klikněte na Kde mohu koupit Cistanche

【Další informace:george.deng@wecistanche.com / WhatApp:{0}}】

Klíčová slova: palygorskit; SBS; modifikovaný asfalt; reologické vlastnosti

1. Úvod

V posledních letech se nanomateriály a nanotechnologie stále častěji uplatňují v oblasti materiálů pro vozovku a nano-modifikovaný asfalt se stal jedním z horkých témat výzkumu [1–4]. V současnosti se nanovrstvé silikátové materiály obecně aplikují na asfaltové materiály kvůli jejich velkému výkonu a dobrému výkonu [5–7]. Nanovrstvený křemičitan se speciální krystalickou strukturou, díky níž molekuly asfaltu vstupují do vrstvené struktury, může zvětšit rozteč vrstev, zlepšit strukturu odlupování formy, která zabraňuje pronikání kyslíku do asfaltu a oddaluje jeho stárnutí. Nano-modifikovaný asfalt má proto dobré vlastnosti proti vyjíždění a stárnutí [8–10]. Zároveň mohou organicky modifikované nanomateriály také zlepšit stupeň disperze polymeru v asfaltu, což poskytuje široké možnosti rozvoje modifikovaného asfaltu v budoucnosti.

Palygorskit (Pal), také známý jako attapulgit, je vrstvený řetězec minerálů křemičitanu hořčíku a hliníku bohatých na vodu. Má pověst „krále země“ pro svou širokou škálu aplikací. Krystalová struktura Pal je charakterizována dvouvrstvými Si-O tetraedrickými listy, které jsou spojeny s jednovrstvými (Mg, Al)-O oktaedrovými listy a jednotlivé vrstvy jsou spojeny kyslíkem za vzniku pórovitého krystalu. struktura [11]. Póry jsou vyplněny zeolitovou vodou a krystalickou vodou za vzniku vláknitého monokrystalu. Jedno vlákno má délku asi 0,5 až 1.0 µm, některé dokonce až 1 cm, a průměr asi 20 až 30 µm [12]. Pal je široce používán v oblasti nátěrových hmot [13], cementu [14], asfaltu a dalších stavebních materiálů díky své dobré reologii, adsorbovatelnosti a nižší ceně [15–17].

Několik studií ukazuje, že přítomnost nano-organického Palu může účinně zlepšit odolnost asfaltu proti stárnutí a kompatibilitu mezi polymerem a asfaltem. Zhang a kol. [10] syntetizoval organický-Pal pod mikrovlnným ozařováním a aplikoval jej na asfalt modifikovaný styrenbutadienovým kaučukem (SBR). Zjistili, že organic-Pal zlepšil kompatibilitu a stabilitu při skladování asfaltu modifikovaného SBR. Poté studovali reologické a morfologické vlastnosti asfaltu modifikovaného SBR s organickým-Pal a zjistili, že organický-Pal má pozitivní vliv na zlepšení viskoelasticity a vlastností proti vyjíždění asfaltu modifikovaného SBR [18]. Sun a kol. [15] aplikovali Pal na epoxidový asfalt a zjistili, že má dobrý vliv na tahové a adhezní vlastnosti. Jin a kol. [19] aplikovali organický-Pal na asfalt a zjistili, že odolnost asfaltu proti stárnutí se výrazně zlepšila. V současné době je vliv organického-Pal na styren-butadien-styrenem (SBS) modifikovaný asfalt studován jen zřídka. Aby bylo možné dále porozumět jeho účinku a zlepšit výkon asfaltu modifikovaného SBS, použila tato studie k přípravě směsného asfaltu modifikovaného SBS hvězdicový modifikátor SBS YH-801 a nanoorganický palygorskit (A-Pal). Lehká část asfaltu může být adsorbována Pal se silnou adsorpcí, takže lze změnit koloidní strukturu asfaltu a zlepšit teplotní stabilitu modifikovaného asfaltu [20].

2. Příprava materiálů a zkušební metoda

2.1. Materiály

Asfalt 70# (AH-70) byl vyroben společností Maoming Petrochemical Co., Ltd. (Guangzhou, Čína) s výsledky základních testů výkonnosti uvedenými v tabulce 1. Palygorskit pochází z Jiangsu, Čína. Základní výkonnostní parametry jsou uvedeny v tabulce 2. Hvězdicový styren-butadien-styrenový blokový kopolymer YH-801 (SBS4303) byl vyroben společností Yueyang Baling Petrochemical (Hunan, Čína) s blokovým poměrem 30/70.

2.2. Příprava asfaltu modifikovaného SBS s příměsí A-Pal

Na základě našeho předchozího výzkumu [19,21] byl Pal ošetřen 1 mol/l roztokem HCl při 60 ◦C po dobu 1 hodiny, aby se odstranily některé velké částice a kationty mimo surovinu, poté byl promyt do neutrální a sušené. Upravený Pal a -aminopropyltriethoxysilan (APTES) byly dispergovány v xylenovém roztoku a metoda kondenzačního refluxu byla použita pro magnetické míchání po dobu 10 hodin, poté několikrát promyta filtrátem, vysušena a rozdrcena, aby se získal A-Pal pro zvýšení kompatibility s asfaltová matrice. Množství 0 % hmotn., 1 % hmotn., 3 % hmotn. a 5 % hmotn. A-Pal, které složilo 5 % hmotn. asfaltu modifikovaného SBS, bylo připraveno metodou míšení taveniny (označenou AH-70 plus 5Y, AH-70 plus 5Y plus 1A, AH-70 plus 5Y plus 3A, respektive AH-70 plus 5Y plus 5A).

2.3. Charakterizace

K popisu fázové morfologie modifikovaného asfaltu s krátkovlnným modrofialovým světlem (λ=420} nm) excitací (DM3000, Leica) byl použit fluorescenční mikroskop (FM). Fázová morfologie fluorescenční složky v asfaltu byla pozorována optickou mikroskopií pro další studium korelace mezi mikrostrukturou a makroskopickými vlastnostmi [22].

2.4. Vysokoteplotní reologické hodnocení

Vysokoteplotní výkonnost asfaltu se vztahuje ke schopnosti asfaltu odolávat trvalé deformaci při zatížení, která byla hodnocena dynamickým smykovým reometrem (DSR, MCR 301, Anton Paar, Rakousko) pro snímání teploty a frekvence. skenovací testy. Test teplotního skenování provedl AASHTO T315-05 [23] ke studiu vlivu změny teploty na komplexní modul smyku G* a fázový úhel δ asfaltu modifikovaného SBS s příměsí A-Pal, s rychlost ohřevu 2 ◦C/min a teplota 40~90 ◦C. Většina asfaltu pod pracovní teplotou vozovky patří do pseudoplastické nenewtonské kapaliny a viskozita asfaltu klesá s rostoucí smykovou rychlostí. Když byla smyková rychlost extrémně vysoká nebo velmi malá, viskozita pseudoplastické nenewtonské tekutiny se blížila konstantě a oblast, kde se viskozita asfaltu neměnila s rychlostí smyku, se nazývala první newtonská oblast toku a druhá oblast newtonského proudění. Viskozita pseudoplastické nenewtonské kapaliny byla v první oblasti a dosáhla maxima, když byla konstantní, což se nazývá viskozita při nulovém smyku (ZSV) [24]. Viskozita pseudoplastické nenewtonské tekutiny byla ve druhé oblasti a dosáhla minima, když byla konstantní, což se nazývá mezifázová smyková viskozita (ISV). Výsledky testu byly proloženy Carreauovým modelem a výpočtem ZSV [25]. Test při teplotě 60 ◦C podle AASHTO T315-05, 25 mm oscilační desky a tloušťce filmu 1 mm byl použit pro test frekvenčního skenování v rozsahu 0,01–100 Hz a křivka byla skenována exponenciálním růstem.

2.5. Hodnocení stability vody

Kontaktní úhly vzorků asfaltu modifikovaného SBS se směsí A-Pal byly měřeny přístrojem pro měření kontaktního úhlu (DSA100, Kruss, Německo). Metoda přisedlé kapky byla provedena s čistou vodou, formamidem a ethylenglykolem. Povrchová volná energie byla vypočtena metodou Owens–Wendt–Rabel–Kaelble (OWRK) [26] a vztah mezi těmito třemi byl vyjádřen metodou OWRK následovně.

kde sl je povrchová volná energie pevné fáze, l je povrchová volná energie kapaliny, s je povrchová volná energie pevné látky, ld je disperzní složka kapaliny, sd je disperzní složka pevná látka, lp je polární složka kapaliny a sp je polární složka pevné látky.

Na základě analýzy dat o volné energii povrchu tří běžných minerálních materiálů byla vypočtena práce adheze (Was) pro asfalt na povrchu minerálního materiálu, jak ukazuje rovnice (3) [27,28].

Přeneste rovnici (1) do rovnice (2), abyste získali:

kde ad je disperzní složka asfaltu, sd je disperzní složka minerálního materiálu, p a je polární složka asfaltu a p s je polární složka minerálního materiálu.

Změnu Gibbsovy volné energie (∆Gaws) v každé fázi poškození odlupováním lze vyjádřit prací exfoliace [29] a výpočtem takto:

Přeneste rovnici (1) do výše uvedené rovnice a získáte:

kde w je povrchová volná energie vody, dw je disperzní složka vody a pw je polární složka vody.

2.6. Hodnocení výkonu stárnutí

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) byl testován z teplotní únavové zkoušky, jako index pro hodnocení únavové odolnosti asfaltu.

2.7. Nízkoteplotní reologické hodnocení

Výkon asfaltu při nízkých teplotách se týká schopnosti asfaltu odolávat praskání při zatížení. Odolnost modifikovaného asfaltu proti vzniku trhlin při nízkých teplotách po stárnutí TFOT plus PAV byla hodnocena pomocí ohybového reometru (BBR), podle specifikace AASHTO T313-12 [31]. Podle specifikace byl zkušební rozsah 6 ◦C, dokud výkon asfaltu nesplňoval požadavky. Tuhost při tečení v ohybu a hodnota m byly testovány při teplotách 0, −6, −12, −18 a −24 ◦C se zatížením {{10}},980 ± 0,05 N po dobu 240 s.

3. Výsledky a diskuse

3.1. Morfologické charakteristiky

FM byla provedena za účelem pozorování distribuce a struktury SBS a A-Pal v modifikovaném asfaltu [32]. Aby se zlepšilo rozlišení mezi asfaltem a modifikátory, asfaltová část obrazu je zobrazena jako černá a polymerová část je zobrazena jako zelené světlé body úpravou jasu, jak je znázorněno na obrázku 1. Asfalt je zobrazen jako spojitá fáze a rozptýlená -fázový SBS byl rozptýlen ve formě ostrůvku v rozteči matrice [33]. Obrázek 1b ukazuje velké množství malých kvádrových příčných vazeb SBS v asfaltu, což představuje malý podíl a rozptýlené rozložení asfaltu bez A-Pal. SBS se vyznačuje nízkou schopností absorbovat měkké asfaltény z asfaltu, což má za následek nízkou kompatibilitu. Po přidání 1 % hmotn. A-Pal (obr. 1c) se podíl fluorescenčních látek mírně zvýšil a disperze byla v asfaltu stále nerovnoměrně distribuována. Schopnost SBS polymeru absorbovat měkké asfaltény po přidání A-Pal se mírně zvýšila, což vede k objemové expanzi SBS polymeru a zvýšení stupně bobtnání [22]. S přidáním A-Pal (obrázek 1d,e) se podíl fluorescenčních látek dále zvyšuje a stupeň disperze je stále jednotnější. Po přidání A-Pal se kompatibilita SBS polymeru s asfaltem do určité míry zlepšila; měly by se zlepšit vlastnosti modifikovaného asfaltu při nízkých teplotách a únavě [19].

3.2. Vysokoteplotní výkon asfaltu modifikovaného SBS s příměsí A-Pal

Vysokoteplotní stabilita je důležitým ukazatelem asfaltu. Změna faktoru vyježdění získaná testem teplotního skenování je znázorněna na obrázku 2. Je vidět, že přidání SBS a A-Pal přispívá ke zlepšení faktoru vyježdění a odolnosti proti vyježdění. Poté, co byl do asfaltu přidán SBS, faktor vyjíždění asfaltu vykazoval velký nárůst a lepší odolnost proti vyježdění. Faktor vyjíždění se dále zvyšoval přidáním A-Pal k dalšímu zvýšení odolnosti proti vyjíždění. Ve srovnání s předchozí studií je konzistentní a nezměnil se kvůli různým typům SBS [18,19]. Vzorek s obsahem A-Pal 5 % hmotn. měl nejvyšší faktor vyjíždění a nejsilnější schopnost proti vyježdění, což ukazuje, že začlenění A-Pal může zlepšit teplotní stabilitu asfaltu modifikovaného SBS. Hodnota faktoru vyježdění klesá s rostoucí teplotou a rychlost byla stejná, což ukazuje, že všechny vzorky modifikovaného asfaltu mají stejné reologické vlastnosti.

Kritická teplota faktoru vyježdění je odpovídající teplotní faktor G*/sin δ {{0}}.0 kPa v testu faktoru vyježdění ve Strategic Highway Research Program (SHRP). Kritická teplota každého vzorku je uvedena v tabulce 3. SBS může zvýšit kritickou teplotu o 7,2 ◦C ve srovnání s AH-70. Po přidání A-Pal se kritická teplota vyjížďkového faktoru neustále zvyšovala a maximální teplota se zvýšila na 75,7 ◦C, což bylo o 20 procent více než u matricového asfaltu.

ZSV modifikovaného asfaltu se zvyšuje s nárůstem obsahu A-Pal, který byl podobný výsledku testu faktoru vyježdění (tab. 4). ZSV asfaltové matrice se přidáním SBS zvýšilo o 296 procent. Po přidání 1 % hm. A-Pal se ZSV modifikovaného asfaltu zvýšil na 949,4 Pa·s, což bylo vyšší než u modifikovaného asfaltu pouze s SBS. S rostoucím obsahem A-Pal se hodnota ZSV dále zvyšuje a hodnota ZSV 5 % hmotnostních směsného asfaltu modifikovaného SBS se zvyšuje na 1291,8 Pa·s, což bylo o 423 procent více než u asfaltové matrice. Ukázalo se, že metoda míchání byla účinná při zlepšování stability asfaltového pojiva při vysokých teplotách.

【Další informace:george.deng@wecistanche.com / WhatApp:{0}}】