Technisch hergestellte Nanokomposite in Asphaltbindemitteln 2

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3.2 Dynamische viskoelastische Eigenschaften

Viskoelastische Eigenschaften von Bindemitteln wurden durch den DSR-Test analysiert. Der Phasenwinkel (δ) und der entsprechende komplexe Schermodul (G*) wurden über den Frequenzbereich (10 rad/s) und eine große Temperatur (von 20 bis 9{{17}) gemessen }} Grad ). Der Binderwiderstand gegen Verformung (Spurspuren)permanent (Plastik) wurde gemäß dem Parameter G*/sinδ Parameter【38】 untersucht. Die Ergebnisse sind in Abbildung 4a-c dargestellt. Der Verformungswiderstand des Asphaltbindemittels wird mit dem Phasenwinkel und dem komplexen Modul berücksichtigt, wobei die Belastungsfrequenz und Temperaturparameter den Haupteinfluss auf G* und δ【8】 haben. Die Probe mit CSNPs in einer Menge von 0,2 Gew.-% zeigt die höchste Verformungsbeständigkeit vor Alterung. Alterung führt zu einer Zunahme der Steifigkeit. Bei gealterten Basisproben wird immer die maximale Steifigkeit beobachtet, was mit einer Zunahme des elastischen Verhaltens [39] und nachteiligerweise mit einer Zunahme der Sprödigkeit verbunden ist [40]. Die komplexen Modulbedingungen ändern sich bei der Zugabe von NPs zum Asphaltbindemittel. Bei CSNP-modifizierten Proben ist die Zunahme der Steifigkeit bei Alterung aufgrund der verstärkenden Wirkung von NPs weniger ausgeprägt. Basierend auf den Ergebnissen dieser Studie ist die Zugabe von 0,2 und 0,3 Gew.-% von

NPS zum Asphaltbindemittel zeigt die höchste Beständigkeit gegen bleibende Verformung nach kurzzeitiger bzw. langfristiger Alterung. Der optimale Gehalt an CSNPs im Asphaltbindemittel kann bestimmt werden, um CSNP-modifizierte Bindemittel mit der höchsten Alterungsbeständigkeit zu erhalten.cistanche wirkungNach der PAV-Alterung waren der Phasenwinkel und die Rangordnung des komplexen Moduls 3,0 wt9 Prozent NPs<1.0wt%><2.0><0.0 wt9="" nps,="" and="" 0.0wt%="" nps="">2.0wt% NPs>1.0 wt% NPs>3. 0 Gewichtsprozent NPs.

In Abbildung 4d-g werden Brunftparameter vor und nach der Alterung angezeigt (bei 30 und 70 Grad C). Die Proben 6 und 12 zeigten die deutlichste Verbesserung nach kurzzeitiger bzw. langzeitiger Alterung. Die Ergebnisse zeigen die Beständigkeit gegen dauerhafte Verformung, die sich durch die Zugabe von CSNPs verbesserte.

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In dieser Untersuchung wird die Effizienz des Spurrinnenwiderstands mit der Schwellentemperatur des Spurrinnenfaktors betrachtet. Tabelle 1 zeigt eine Schwellentemperatur von 1,0 vor der Alterung und 2,2 kPa nach der Alterung (basierend auf dem SHRP-A-369-Standard [38]). Die Ergebnisse zeigen, dass CSNPs den Spurrinnenwiderstand vor der Alterung verringern. Nach der Alterung steigen die Schwellentemperatur und die Aushärtung von Basisproben, während das Gegenteil für CSNP-modifizierte Proben gemessen wird. Diese Beobachtungen bestätigen, dass CSNPs die Steifigkeit und Verhärtung durch Alterung verringern.Zitrus-BioflavonoideDarüber hinaus zeigten die Ergebnisse, dass {{0}},1 Gew.-% der CSNPs im Vergleich zu 0,2 Gew.-% eine höhere Leistung erbringen.

3.3 Thermische und spektroskopische Analyse Thermogravimetrie/Differentialthermoanalyse (TG/DTA) wurde durchgeführt, um die thermische Stabilität und das Muster der thermischen Zersetzung zu untersuchen. Abbildung 5 zeigt die Ergebnisse der thermogravimetrischen Analyse (TGA), bei der der Gewichtsverlust der Proben bei steigender Temperatur bis 900 Grad gemessen wird.

Bei der thermischen Zersetzung werden drei Hauptbereiche des Massenverlusts gezeigt: Temperaturbereiche von 200-360, 370-490 und 540 Grad. Über den Temperaturbereich von 480-580 Grad C werden Heteroatombindungen von Basenproben zersetzt und Harze oxidiert und dehydriert. In der nächsten Stufe produziert der Polymerisations-/Crackprozess Asphaltene, die den Gewichtsverlust des Bindemittels erhöhen [41,42].

Cistanche kann Anti-Aging

CSNP-modifizierte Bindemittelproben haben eine erhöhte thermische Stabilität.Cynomorium-VorteileDie endgültige Zersetzung in CSNP-modifizierten Bindemitteln erfolgte früher im Vergleich zu Basisproben, sodass dieses Thema möglicherweise mit pyrogenen Kieselsäure-NPs in Zusammenhang steht (Abbildung S4). Der Kohlenstoffrückstand von Basisproben erreicht bei 800 Grad Null (maximaler Massenverlust); jedoch gibt es einen Kohlenstoffrückstand von 20-43 Prozent in den CSNP-modifizierten Bindemitteln. Die CSNP-modifizierten Binder mit geringerem Gewichtsverlust haben eine höhere Hitzestabilität und eine geringere Verdunstung [43]. Der größte Teil des Masseverlusts bei CSNP-Bindemittelproben tritt bei Temperaturen über 200 Grad auf, was viel höher ist als die für Asphaltmischungen erforderliche Betriebstemperatur; daher hat dieses Nanokomposit eine akzeptable thermische Leistung in Asphaltbindemitteln.

Die Temperaturverteilung auf der Probenoberfläche während der 120 s zu verschiedenen Zeiten (unter Verwendung von Infrarot-Wärmebildern) – immer berechnet durch Auswahl von drei Punkten auf der Oberfläche [44,45] – ist in Abbildung 6 dargestellt. Temperaturänderungen werden durch die Farbänderung angezeigt in Asphaltbinderproben.WüstenhyazintheBei niedriger Temperatur (Abbildung 6a, e, i und m) ist die Wärmeverteilung gleichmäßig; jedoch steigt die Temperatur von 44,6 auf 136, 34,8 auf 95 und 33,7 auf 95 Grad für die Probe ohne WMA-Additiv, mit WMA-Additiv und mit WMA-Additiv plus CSNPs jeweils nach 120 s. Abbildung 6 zeigt, dass Additivproben ohne WMA lineare Erwärmungsraten und einen zunehmenden Oberflächentemperaturtrend aufweisen. Abbildung 6h und p zeigen, dass WMA-Proben gleichmäßig Wärme abgeben können; Basisproben erzeugen jedoch einen Hitzestau. Außerdem haben WMA-Proben bei a eine geeignetere Temperaturverteilung als Basisproben

niedrigere Hitzestufe. Abbildung 6a-d und il zeigen die freigesetzte Wärmerate von Proben ohne und mit CSNPs, die 0.63 bzw. 0.62 Grad/s betragen. Diese Zahlen zeigen, dass WMA-Additive mit und ohne CSNPs ähnliche thermische Mechanismen haben.

Der Vergleich der Temperaturverteilungen von Proben, die durch CSNPs und pyrogene Kieselsäure-NPs modifiziert wurden (Abbildung 6 und Abbildung S5), zeigt, dass die Wirkung von CSNPs auf WMA wirksamer ist als die von pyrogenen Kieselsäure-NPs. Darüber hinaus zeigt die ausreichende Leistung (Temperaturverteilung) von Proben, die mit Kieselsäure-NPs und Ton-NPS modifiziert wurden, das Selbstheilungsphänomen im Asphaltbindemittel an [46,47].

3.4 Kontaktwinkel von Asphaltbindemitteln

Abbildung 7 zeigt Kontaktwinkel (CAs; zwischen Wasser und Asphaltbindemitteloberfläche) für verschiedene Asphaltbindemittel vor und nach Alterung. CA-Werte über oder unter 90 Grad zeigen Hydrophobizität bzw. Hydrophilie der Proben. CSNP-modifizierte Proben sind hydrophober und daher werden weniger Wassermoleküle in der Bindemitteloberfläche eingeschlossen. Anders ausgedrückt: CSNPs reduzieren Restwassermoleküle in der Asphaltmischung erheblich und verändern die Benetzbarkeit von Asphaltbindemitteln. Dieses Phänomen weist darauf hin, dass CSNP-modifizierte Bindemittel im Vergleich zu den Basis-Bindemittelproben eine viel höhere Feuchtigkeitsanfälligkeit aufweisen. Videos 4-6 (siehe Ergänzende Materialien) vergleichen CAs von modifizierten Proben vor und nach der Alterung.

In Abbildung 7 ist die Zunahme des CA von 91 auf 97 Grad einer CSNP-modifizierten Probe gezeigt. Diese Beobachtung könnte mit der hydrophoben Natur von NPs aus pyrogener Kieselsäure zusammenhängen. Das Verhältnis von NPs aus pyrogener Kieselsäure im Asphaltbindemittel könnte eine Schlüsselrolle bei der Benetzbarkeit des Bindemittels spielen (CAs von NPs aus pyrogener Kieselsäure sind in Abbildung S6 dargestellt). Darüber hinaus zeigte die CA-Bildgebung, dass bei zunehmender Alterung eine leichte Zunahme (von 6 auf 79) der CA zu verzeichnen war Es wird eine langfristige Alterung beobachtet.

3.5 Mechanismus von CSNPs und Bitumen

Mehrere Mechanismen beeinflussen den Anti-Aging-Prozess von CSNPs modifiziertem Asphaltbindemittel. Bei dieser Wechselwirkung bewirkt eine Erhöhung der Oberflächenenergie eine Erhöhung der Hydroxylgruppenbindungen zwischen Silika-NPs und Bitumen [8,48]. Außerdem erhöht sich das hohe Verhältnis von Oberfläche zu Volumen von Ton-Nanoschichten, um Asphaltbindemittelmoleküle mit Tonschichten zu kombinieren [49]. Bitumenmoleküle könnten chemische Bindungen mit Silica-NPs bilden, und auch NPS unterstützt Komponenten von Bitumen durch physikalische Reaktionen (Van-der-Waals-Kraft)[50]. Asphalten spielt eine Schlüsselrolle bei den rheologischen Eigenschaften von Bitumen.Flavonoidextraktionsmethode pdfBasierend auf der kolloidalen Struktur des Bitumens (Abbildung 8) werden Öl und Asphalten in der Lösungsmittelphase dispergiert. Wie in Abbildung 8 gezeigt, werden sie aufgrund der geeigneten Größe der CSNPs (durchschnittliche Partikelgrößen von Silikapartikeln und Tonschichten betragen etwa 33 bzw. 12 nm) leicht zwischen diesen kolloidalen Dimensionen dispergiert und bedecken die Asphaltenmoleküle (durchschnittlicher Durchmesser, 0.5-40 nm [51);

daher können die mechanischen und thermischen Eigenschaften mit dieser molekularchemischen Verbesserung modifiziert werden. Darüber hinaus haben Nanoschichten aus Ton hervorragende Fähigkeiten, um die Eigenschaften auf der Bitumenoberfläche zu verändern. Ton-Nanoschichten sind in der kolloidalen Struktur von Bitumen dispergiert und verhindern das Eindringen von Sauerstoff in die Bitumenmatrix im Nanobereich [52]. Andere physikalische und chemische Eigenschaften von CSNPs wie Benetzbarkeitsänderung [53] und Ionenaustauschreaktionen verbessern die Stabilität von modifiziertem Bitumen und vermeiden eine Zersetzung der chemischen Struktur des Bitumens.

3.6 Fourier-Transformations-Infrarot- und Raman-Spektroskopie-Analyse

Um die chemischen Bindungen des Asphaltbindemittels zu untersuchen, wurde FTIR-Spektroskopie im Bereich von 650-4,000/cm verwendet (Abbildung 9a). Abbildung 9 zeigt die Änderungsrate (CR) von Sulfoxid- und Carbonylindex für kurz- und langfristige Alterung. Bei den UV-gealterten Proben stieg der Carbonylindex stärker an als beim Grundbindemittel. Der Sulfoxid- und Carbonylindex wurden für CSNP-modifizierte Asphaltbindemittel reduziert. Außerdem erhöht die Verlängerung der Alterungszeit den Sulfoxid- und Carbonylindex.

Die Gleichungen in den ergänzenden Materialien (siehe Tabelle S4) wurden verwendet, um chemische Bindungen zu untersuchen: Aromatisch (C=C), Ethylen (CH=CH), Carbonyl (C=O). ), aliphatische (CH von CH2), aliphatische (CH von -(CH)n-) und Sulfoxid (S=O)-Indizes [54,55].

Die Veränderung des Bandenverhältnisses ist in Abbildung 9b für alle Bindemittelproben dargestellt. Während des kurz- und langfristigen Alterungsprozesses stiegen die Carbonyl-, Sulfoxid- und Aromaten-Indizes; jedoch zeigen die Ergebnisse nach dem Altern, dass die Sulfoxid- und Carbonyl-Indizes für CSNP-modifizierte Bindemittel reduziert sind. Durch den Alterungsprozess wird Asphalten in die polyzyklischen aromatischen oder hydroaromatischen Kohlenwasserstoffe hydrogeneriert und führt zu einer Zunahme der aromatischen Verbindungen. Umgekehrt gab es nach dem Altern aufgrund des Gegensatzes zwischen aliphatischen und aromatischen Verbindungen eine Abnahme der aliphatischen Moleküle. Darüber hinaus stieg der Ethylen(CH=CH)-Index im CSNP-modifizierten Bindemittel nach der Alterung an, was darauf hindeutet, dass CSNP ein geeigneter Schutzschild ist, um oxidative und thermische Reaktionen zu verringern [54,56]. Mit anderen Worten, Partikel mit Nanodurchmesser können hervorragend als Anti-Aging-Schild verwendet werden [57].

Die durchschnittliche Größe der aromatischen Bitumenfolie wurde durch Raman-Spektroskopie bestimmt (Abbildung 10). Die Raman-Spektren jeder Probe bestehen aus D- und G-Banden, mit Ausnahme von frischem Bitumen [58,59]. Die G- und D-Banden zeigen die sp²-Streckschwingung der Kohlenstoffatome innerhalb der aromatischen Schicht von Hexagonal bzw. der Grenze einer geordneten Struktur von Asphalten [58]. Die Bandspitzenposition von G und D(Ic und I) in Abbildung 10 liegt bei 1,585-1,599 bzw. 1,264-1,377/cm (Abbildung S7)[59].

Obwohl es große Ähnlichkeiten zwischen den Raman-Spektren unter den Bitumenproben gibt, gibt es mehrere Hauptvariationen. Beispielsweise war der relative Anteil an aromatischen Ringen in der Langzeitalterungsprobe erheblich höher, verglichen mit weniger aromatischen kondensierten Ringen in den Basisproben. In Gegenwart von NPS kann die Veränderung der Peaks der G- und D-Bande auf die Fähigkeit des Nanopartikels selbst zurückgeführt werden, die Wechselwirkungen des aromatischen Rings in der Bitumenlösung zu verändern.

Bei näherer Betrachtung von Abbildung 10 verändert die Zugabe von NPs zu den Bitumenproben die Intensität der Asphaltenplatten. Dies ist auf die Wechselwirkungen zwischen NPs und aromatischen kondensierten Ringen zurückzuführen. Der intensivste Peak im D-Band findet sich in der Langzeitalterungsprobe, die auf der Schwingungsmode eines ungeordneten Graphitgitters mit Ag-Symmetrie basiert [60]. Umgekehrt zeigt Basisbitumen, dass die Moleküle des besetzten Aromaten im Vergleich zu anderen Proben aufgrund der geringen Größe der Asphaltenaromatenfolie extrem niedrig sind [61].

3.7 Tieftemperaturverhalten und Viskositätsalterung

Der BBR-Test wurde verwendet, um die Kriechrate (m-Wert) und die Kriechsteifigkeit (S) von Asphaltbindemitteln in Abhängigkeit von der Belastungszeit unter Tieftemperaturbedingungen zu berechnen [62]. S- und m-Wert sind Schlüsselparameter für das Niedertemperaturcracken von Asphaltmaterialien [63].

In dieser Studie wurden S- und m-Werte für NP-modifizierte Asphaltbindemittel bei drei verschiedenen Temperaturen bestimmt (Abbildung 1la und b). Die beobachteten Kriechsteifigkeitswerte von NP-modifizierten Asphaltbindemitteln waren signifikant reduziert. Daher verbessern CSNPs die Beständigkeit gegen Rissbildung bei niedriger Temperatur. Die Proben 7 und 11 mit 0,2 Gew.-% CSNPs zeigten die signifikantesten Verbesserungen nach kurz-/langfristiger Alterung. Die Kriechgeschwindigkeit (nach dem Alterungsprozess) nahm mit dem Alterungsgrad ab; Nanopartikelzusätze erhöhten jedoch die Kriechgeschwindigkeit signifikant. Pyrogene Silika-NPs verbesserten die Rissbeständigkeit von Asphalt. Dies ist der Tatsache geschuldet, dass das NPS die Oberflächen und Moleküle des Asphaltbindemittels fördert, wodurch die Alterung verringert wird und modifizierte Asphaltbindemittelproben wiederum bei niedrigen Temperaturen eine ausreichende Elastizität erhalten [16,64].

Abbildung 11c zeigt den Index der Viskositätsalterung (IVA) von Asphaltbindemittelproben nach kurz- und langfristiger Alterung. Der IVA wird verwendet, um die Alterungseigenschaften zu untersuchen (Tabelle S4 in Ergänzende Materialien).

Der IVA in den NP-modifizierten Proben nach kurzzeitiger Alterung ist kleiner als der IVA von Basisproben. So steigt mit der NPS-Modifizierung die Alterungsbeständigkeit des Asphaltbindemittels. Gemäß den in Abbildung 11c gezeigten Ergebnissen steht der IVA in direktem Zusammenhang mit der Alterung und steigt mit der Dauer der Alterung. Die mit 0,2 Gew.-% NPS modifizierte Asphaltbindemittelprobe hat nach kurzer Alterung angemessene ⅣA, und die mit 0,3 Gew.-% NPS modifizierte Probe hat nach langer Zeit den geringsten IVA-Wert -Term Alterung. Die Ergebnisse zeigen, dass die IVA mit zunehmender Konzentration von NPs abnimmt.

4. Fazit

Die Modifizierung von Asphaltbindemitteln durch NPS kann neue Perspektiven in der Asphaltbindemitteltechnologie eröffnen und könnte von großem Nutzen für die Entwicklung der nächsten Generation von Straßenasphaltmaterialien sein. Neuartige Nanokomposite könnten die technische Haltbarkeit und Nachhaltigkeit deutlich erhöhen und gleichzeitig umweltfreundlich und kostengünstig bleiben.

Diese Forschungsarbeit präsentiert die neuesten Erkenntnisse zu einem neuen Nanokomposit-Asphaltbindemittel, modifiziert durch CSNPs. Dieser neue Bindemitteltyp weist im Vergleich zu herkömmlichen Asphaltbindemitteln deutlich verbesserte thermische, chemische und mechanische Eigenschaften auf. Interessante Vorteile zeigen sich in einer verbesserten Alterungsbeständigkeit und Feuchtigkeitsbeständigkeit, einer Verringerung der Produktionstemperatur des Asphaltmischguts und einer verbesserten Langzeitleistung.

Die in dieser Forschungsarbeit präsentierten experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die Modifizierung des Bindemittels durch Verwendung von CSNPs die Benetzbarkeit vorteilhaft verändert und die hydrophoben Eigenschaften herkömmlicher Asphaltbindemittel verbessert. Unsere Ergebnisse zeigen ein großes Potenzial zur Lösung eines der schwierigsten Probleme in der WMA-Technologie, nämlich der Feuchtigkeitsanfälligkeit. Darüber hinaus weisen detaillierte chemische und rheologische Untersuchungen auf eine signifikante Verbesserung der Alterungsbeständigkeit von CSNP-modifizierten Asphaltbindemitteln hin.

Die Modifizierung von Asphaltbindemitteln durch CSNPs und WMA-Technologie kann als eine interessante, kostengünstige und umweltfreundliche Technik in der Asphaltbelagstechnik angesehen werden, die neue Perspektiven bei der Herstellung von Asphaltmaterialien bietet. Aus einer breiteren Perspektive werden unsere Erkenntnisse über molekulare Wechselwirkungen zwischen NPs und Asphaltbindemittel einen neuen Weg eröffnen, der eine Inspiration für das Nanotechnologiekonzept in Asphalt sein wird.

Dieser Artikel ist aus Nanotechnology Reviews 2022 entnommen; 11: 1047–1067