Asfalt bog'lovchilarida ishlab chiqarilgan nanokompozitlar

Iltimos, murojaat qilingoscar.xiao@wecistanche.comqo'shimcha ma'lumot uchun

Annotatsiya:So‘nggi paytlarda yo‘l qoplamasi sohasida nanotexnologiyadan samarali foydalanilmoqda. Asfaltning oksidlanishi va qarishi yo'l qoplamalarining yomonlashishiga olib keladi va asfalt bilan bog'liq chiqindilarni oshiradi. Biz ishlab chiqarilgan loy/tumanli silika nanokompozitlari yordamida asfaltning buzilishini to'xtatish uchun qarishga qarshi strategiyani taklif qilamiz. Ushbu tadqiqotda nano-modifikatsiyalangan asfalt biriktiruvchi moddalarning morfologik, kimyoviy, termal, mexanik va reologik xususiyatlari turli sharoitlarda sinchkovlik bilan tahlil qilinadi. Tajriba natijalari shuni ko'rsatdiki, bu kompozitsion aralashmadagi kimyoviy oksidlanish va parchalanishni samarali ravishda buzadi va qarish tezligini pasaytiradi. Shunisi e'tiborga loyiqki, asfalt bog'lovchi reologiyasi bo'yicha tajribalar shuni ko'rsatdiki, 0.2-0, og'irligi 3,3% nano-mustahkamlangan materiallar qisqa va uzoq muddatli qarishdan keyin ularning reologik qarshiligini maksimal darajada oshirdi. Bundan tashqari, nanozarrachalar namlikka chidamlilik samaradorligini oshiradi va o'z navbatida past ishlab chiqarish haroratida namlikning muhim muammosini yengib chiqadi.

Kalit so‘zlar:nano gil, modifikatsiyalangan bitum, termal oksidlanish qarishi, nano-modifikatsiya, nanokompozitlar

1.Kirish

Bitum odatda tegishli reologik xususiyatlari tufayli yo'l asfalt aralashmalarida elim sifatida ishlatiladi [1-3]. Biroq, bitumning modifikatsiyasi, asosan, qayta ishlangan asfalt qoplamasidan qayta foydalanish bilan bog'liq holda, asfalt aralashmasi ishlab chiqarish uchun kam energiya kontseptsiyalari va bitumni hech bo'lmaganda qisman ko'proq yo'llar bilan almashtirish istagi ortib borayotganligi bilan bog'liq holda, yo'l materiallari texnologiyasida rivojlanayotgan sohani rivojlantirdi. barqaror va bio-asosli bog'lovchilar. Eng mos bitum modifikatorlarini aniqlashda muhim masala ularning qarish qarshiligini o'rganishdir. Yo'l asfalt materiallari aralashmani ishlab chiqarish jarayonida nafaqat issiq haroratga, balki kuchli quyosh nurlanishiga, kislorod va boshqa radikallarga ham ta'sir qilishi sababli, butun xizmat muddati davomida [4-7] bog'lovchining qarishiga yordam beradi, asfalt bog'lovchilarning chidamliligi qarish qarshiligi nuqtai nazaridan muhim moddiy xususiyatdir. Birlashtiruvchi qarish ultrabinafsha, termal uzoq muddatli qarish va termo oksidlovchi qisqa muddatli qarishni o'z ichiga oladi. Asfalt bog'lovchining ishlashiga ta'sir qilish uchun bitumga polimerlar, tolalar, qayta ishlangan materiallar va nanomateriallar kabi juda ko'p turli xil qo'shimchalar qo'shilishi mumkin [8,9]. Ushbu tadqiqot nanomateriallarga qaratilgan. Ushbu materiallar orasida, odatda, nanomateriallar kimyoviy bog'lovchi xususiyatlarini va natijada mexanik reologik ishlash xususiyatlarini sezilarli darajada o'zgartiradi. Nanokompozitlarning noyob va an'anaviy materiallardan farq qiladigan fizik xususiyatlarini keltirib chiqaradigan nanopartikullarni (NPS) tavsiflovchi eng muhim parametrlar orasida ularning sirt maydonining hajmga, shakliga, kimyoviy tarkibiga nisbati va faza interfeyslarida o'zaro ta'sirni oshirish qobiliyati kiradi [10] ,11]. Metall oksidi, noorganik, nanotolalar va nanokompozitlar, ayniqsa, asfalt aralashmasida asfalten biriktiruvchi moddalarni o'zgartirish uchun ishlatiladigan nanomateriallarning asosiy sinfidir [12,13]. Rux oksidi (ZnO) va titan dioksidi (TiO) kabi metall oksidi NPlari asfalt aralashmasining yorilish va yorilishga chidamliligini oshiradi [13,14].cistanche poyasiSilika (SiO), uglerod nanotubalari (CNTs) va nano-gil kabi noorganik NPlar asfalt materiallarini mustahkamlash va ularning chidamliligini oshirishda ajoyib salohiyatga ega ekanligi ko'rsatilgan [15,16]. Bitumning reologik ko'rsatkichlari va shunga mos ravishda asfalt aralashmasining ishlashi SiO va NP qo'shilishi orqali muvaffaqiyatli yaxshilandi. Asfalt aralashmasining termal va mexanik barqarorligi, shuningdek, loy NPlarini qo'shish orqali yaxshilandi [17,18]. Bizning ma'lumotlarga ko'ra, loy va kremniy oilalari qarishga qarshi biriktiruvchi qarshilikni yaxshilash uchun eng ko'p ishlatiladigan noorganik NPS hisoblanadi [{{ 7}}]. Gil va silika oilalari bog'lovchi qarish xususiyatlarini yaxshilashda ajoyib noorganik NPlar ekanligi haqida xabar berilgan. Turli hisobotlar natijalariga ko‘ra, nano-kremniy bilan o‘zgartirilgan asfalt bog‘lovchilar yopishqoqlik va murakkab modulni biroz pasaytirgan, shu bilan birga qisqa muddatli qarishdan so‘ng charchoq va parchalanishga chidamliligini oshirgan [19-21]. Bundan tashqari, ayrim tadqiqotlar shuni ko‘rsatdiki, nano -kremniy oksidi bilan o'zgartirilgan bog'lovchi termal qarishga nisbatan yuqori qarshilikka ega, natijada asfalt qoplamalarining mustahkamligini oshiradi [21,22]. SiO va NP lar asfalt aralashmalarida foydalanish uchun hal qiluvchi ahamiyatga ega bo'lgan fotokatalitik bo'lmagan, noorganik ekranlash va toksik bo'lmagan kabi afzalliklarga ega. Biroq, gazlangan SiO va NPlar keng miqyosda foydalanish uchun ekologik toza va iqtisodiy asosga ega bo'lgan sintetik nanomateriallarning bir sinfidir. Fumed kremniy dioksidi katta sirt maydoni va nano-o'lchamli shkalaga ega bo'lgan sintetik amorf struktura nanomaterialidir [25]. Shu sababli, ushbu tadqiqot loy/tumanli silika nanozarrachalariga (CSNPs) qaratilgan.

Iltimos, ko'proq bilish uchun shu yerni bosing

An'anaviy usul bilan solishtirganda, iliq asfalt (WMA) texnologiyasi samarali ekologik jihatdan qulay ishlaydi. Bunday holda, asfalt taxminan 30-60 daraja S haroratda ishlab chiqariladi, bu odatdagidan pastroqdir. Bu texnologiya zararli bugʻlar emissiyasini kamaytiradi va issiqxona gazlari emissiyasi va energiya sarfini mos ravishda 20-35 va 35 foizga kamaytirishga olib keladi [13,26]. Biroq, namlikka sezgirlik WMA texnologiyasining umumiy kamchiligi bo'lib, uning ishlashining pasayishiga olib keladi [27,28].

Ushbu tadqiqotning maqsadi CSNP ning WMA texnologiyasi tomonidan ishlab chiqarilgan yo'l asfalt aralashmalari uchun ishlatiladigan yo'l asfalt bog'lovchilarining qarish qarshiligiga potentsial ta'sirini aniqlashdir. Batafsil ravishda, CSNP bilan o'zgartirilgan asfalt bog'lovchilarining morfologik, kimyoviy, termal, reologik va mexanik xususiyatlari turli sharoitlarda sinchkovlik bilan tahlil qilinadi. Termal qarish tufayli mexanik va reologik bog'lovchi xususiyatlardagi potentsial o'zgarishlarni qo'shimcha tushunish uchun yangi tushunchalar taqdim etiladi. 1-rasmda ushbu tadqiqotda qo'llaniladigan eksperimental usullar sxematik tarzda ko'rsatilgan.

2 Materiallar va usullar

2.1 Materiallar

CSNP sintez jarayoni muallifning oldingi tadqiqotiga ko'ra tanlangan (S1-rasmda ko'rsatilganidek)[29]. Nano-fumed silika (Aerosil A300, Degussa Co, Germaniya), natriy bentonit (Sigma Aldrich Ltd., Germaniya; S1-jadvalga qarang) va Bitum 50/70 (Total Co., Fransiya) ishlatilgan. bu tadqiqot. Materiallarning zarracha o'lchamini tahlil qilish dinamik yorug'lik tarqalishi (DLS) (Malvern ZEN 3600, Buyuk Britaniya), rentgen nurlari difraksiyasi (XRD) tahlili esa rentgen nurlari diffraktsiyasi (Philips PW 1730, Niderlandiya; rasm) yordamida amalga oshirildi. S2). Ushbu tadqiqotda WMA aralashmasini tayyorlash uchun Fisher-Tropsch (FT) mumining yangi formulasi (Sasol, Janubiy Afrika; Evonik, Germaniya; Sigma-Aldrich, Germaniya) sintez qilindi. Ishlatishdan oldin nanokompozitlar pechda 110 daraja C haroratda 3 soat davomida quritilgan. Birinchi bosqichda namunalar oldingi ish tartibiga muvofiq tayyorlangan [18]. Keyinchalik, nanokompozitlar bitumga turli miqdorda qo'shildi (0,1,2 va og'irligi 3%). Ushbu tadqiqotda bitum 3 foizli WMA qo'shimchasi yordamida o'zgartirildi.cistanche tubulosa foydalari va yon ta'siriBu qiymat oldingi tadqiqotda [13] bildirilgan WMA aralashmalarida ishlatiladigan keng tarqalgan ishlatiladigan mum tarkibi asosida tanlangan.

2.2 Qarish jarayoni

Yupqa plyonkali duxovkani sinovdan o'tkazish (RTFOT), ASTM D1754 ga muvofiq, namunalar yupqa plyonkali pechda 163 daraja C da saqlangan (RTFOT8, ISL modeli, Frantsiya). Bosim bilan qarish idishi (PAV) standart protsedurasiga asoslanib, namunalar PAVda uzoq muddatli qarishdan keyin (20 soat davomida 300psi va 100 daraja bilan) tekshirildi. Biz uchta shartda namunalar tayyorladik: S1-S4: o'tkazilmagan namunalar, S5-S8: qisqa muddatli qari namunalar va S9-S12: uzoq muddatli qari namunalar. Barcha namunalar S2-jadvalda keltirilgan (Qo'shimcha materiallar).

2.3 Xarakterlash usullari

Dinamik siljish reometri (DSR) qurilmasi (Malvern Kinexus Pro plus, Buyuk Britaniya) reologik xususiyatlarni 10 rad/s chastotada va 20 dan 70 gradusgacha bo'lgan haroratda baholash uchun qo'llanildi. Faza burchagi va murakkab siljish moduli (G*) ) asosiy asfalt, bog'lovchi va eskirgan namunalar AASHTO T 315 standartiga muvofiq o'lchandi. Bu usul odatda chiziqli viskoelastik diapazonda asfalt bog'lovchi xususiyatlarini tavsiflash uchun ishlatiladi. Kimyoviy xususiyatlar Fourier transform infraqizil (FTIR; Thermo ilmiy Nicolet iS10, AQSh) va TG/DTA (SDT Q600, TA Ins., AQSH) yordamida sinovdan o'tkazildi. Kimyoviy bog'lanish va aromatik qatlam hajmini o'rganish uchun argon lazer manbai (633 nm) bo'lgan Renishaw inViatM konfokal Raman mikroskopi (Renishaw plc, Miskin, Pontyclun, Buyuk Britaniya) ishlatilgan, u zaryad bilan bog'langan qurilma detektori (4/sm) bilan jihozlangan. spektral o'lchamlari, 90 daraja tarqalish geometriyasi). Tadqiqot spektrlari xona haroratida 500 dan 3,000/sm gacha (50× uzoq ish masofasi maqsadi) qayd etilgan. Atom kuch mikroskoplari (AFM; Nanowizard, JPK Ins., Germaniya) teginish rejimida konsollari (RTESP, Bruker, AQSH) va dala emissiyasini skanerlash elektron mikroskopi (FE-SEM; TE-SCAN, MIRA II, Chexiya Respublikasi) ishlatilgan. mikro va nano o'lchovlardagi bog'lovchi namunalarning morfologiyasi va tuzilishini o'rganish. 1-2 kvadrat/s va oʻrnatilgan z nuqtasidagi pürüzlülük va qalinlik xaritasi tasvirlari tahlil qilindi va natijalar ochiq kodli Gwyddion dasturi yordamida baholandi [30]. Morfologiyalar bog'lovchi namunalar yuzasiga elektron nurni qaratish bilan tavsiflangan. Termal infraqizil kamera (FLIR-T440, AQSh) biriktiruvchi namunalardan ma'lum vaqt bosqichlarida termografik tasvirlarni yozib oldi. Past haroratlarda egiluvchan o'rmalanish xususiyatlari termoelektrik eguvchi nur reometri (TE-BBR; Cannon Ins., AQSH) yordamida tahlil qilindi. Ushbu tadqiqotda biz yumshatilish nuqtasi (PKA5, Germaniya), avtomatik penetrometr (PNR 12, Germaniya) va egiluvchanlik sinovi (infraqizil, 20-2356, Germaniya) uchun Petrotestdan foydalandik. Xulosa

Ushbu tadqiqotda ishlatiladigan asfalt bog'lovchining fizik xususiyatlari S3-jadvalda (qo'shimcha materiallar) keltirilgan.

3 Natijalar va muhokama

3.1 Yuzaki morfologiya

FE-SEM asfalt biriktiruvchi matritsadagi CSNP bilan o'zgartirilgan asfalt bog'lovchi namunalarining sirt morfologiyasini kuzatish uchun o'tkazildi (2a-rasm). FE-SEM tasvirlari asfalt biriktiruvchi matritsada CSNPlarning bir xil tarqalishini (zarrachalarning o'rtacha hajmi ~ 45 nm) aks ettiradi. Asfalt biriktiruvchi matritsadagi CSNP ning noyob nanolayer shakllari qarish jarayoniga sezilarli darajada ta'sir qiladi: qalqon kabi. Bunday holda, CSNPlar radiatsiya [8] orqali yuqori strukturani yo'q qilishning oldini oladi va bir vaqtning o'zida uchuvchi birikmalarni ushlab turadi va asfalt bog'lovchidan bug'lanishni oldini oladi.

Cistanche qarishga qarshi bo'lishi mumkin

Katta sirt maydoni tufayli loy nanolayerlari va tutunli silika NPlari keng maydonni qoplaydi. Ushbu xususiyatdan foydalanish uchun asfalt bog'lovchida CSNPlarning mos ravishda tarqalishi juda muhimdir. Energiya dispersiv spektroskopiya (EDS) yordamida taqsimotni tahlil qilish mumkin (S3-rasmga qarang). Alyuminiy, silika, temir va titan elementlarni aniqlash va asosiy bog'lovchilarda CSNP larning tarqalishini aniqlash uchun ishlatilishi mumkin. Birlashtiruvchi sirtdagi gil qatlamlari odatda titan dioksidi (o'rtacha zarracha hajmi 1 mkm) orqali aniqlanadi. Titan elementlar xaritasi bitumdagi zarrachalarning tarqalishi bir xil ekanligini ko'rsatadi.

CSNPlar tomonidan yaratilgan nanostruktura oksidlanish va termal yo'q qilishga qarshi nano-qalqon vazifasini bajaradi. Gil qatlamlari yuqori issiqlik qarshiligiga ega va kimyoviy bog'lanishlarning parchalanishini oldini oladi va shu bilan bog'lovchi qarishini kechiktiradi [8]. Shakl 2b va c mos ravishda asfalt bog'lovchilarida (yashil rang) va CSNPlarning zich massalarida (qizil rang) qisman bir xil CSNP qoplamini ko'rsatadi. Polarlik va kimyoviy bog'lanish [31,32] nano qatlamlarning bir-biriga adsorbsiyasiga olib keladigan va asfalt bog'lovchilarida bu katta hajmli komponentlarni hosil qiluvchi muhim parametrlardir.

CSNPlarning bog'lovchiga ta'sirini yanada tushunish uchun morfologik xususiyatlar AFM testi orqali tahlil qilindi. Qarish natijasida bog'lovchi mikrostrukturaning o'zgarishini aniqlash qiziqish uyg'otadi, chunki u o'zgaruvchan molekulyar o'zaro ta'sirlarni va kimyoviy birikmalarni ko'rsatadi [33,34].cistanche tubulosa ekstraktiCSNPlar tomonidan o'zgartirilgan biriktiruvchi namunalarning mikro tuzilmalari 3-rasmda ko'rsatilgan.

3-rasmda uchta katana, Peri va Para fazalari ko'rsatilgan bo'lib, ular mos ravishda asalarilarga o'xshash tuzilmalarni, dispers fazani va silliq matritsa fazalarini ko'rsatadi. Katana va matritsa fazalari bog'lovchining mikro tuzilma xususiyatlari sifatida ko'rib chiqiladi [35]. Asalarilarga o'xshash tuzilmalar sovutish paytida kristallanadigan mikrokristalli mumlar, aromatik tuzilmalar va asfaltenlardagi alkilning uzun zanjirlari bilan bog'liq [36].cistanche tubulosa sharhlariAFM tasvirlaridagi asalarilarga o'xshash tuzilmalar asfalt tarkibiy qismlarining mavjudligini ko'rsatadi (3b-d-rasm).Cistanche Buyuk BritaniyaAsfaltenlar va kolloidlar miqdori to'g'ridan-to'g'ri ari tarkibidagi asalarilarga o'xshash tuzilish hajmiga bog'liq.

asfalt qoplamasi; strukturasi qanchalik katta bo'lsa, asfalten va kolloidlar soni shunchalik ko'p bo'ladi [37]. Mikrotuzilma morfologiyasi va qisqa va uzoq muddatli qarish bog'lovchi namunalarining alohida bosqichlari 3e-g-rasmda keltirilgan. Uzoq muddatli qarigan va bokira namunalarning AFM tasvirlarini taqqoslash nanostrukturaning yo'qolib borayotganini va asalarilarga o'xshash tuzilmalarning ko'payishini ko'rsatadi. Xuddi shu jarayonni AFM o'lchovlari paytida qayd etilgan 1-3 videolarida (Qo'shimcha materiallarga qarang) kuzatish mumkin, ular bog'lovchi qarishning keyingi tarkibiy o'zgarishini ko'rsatadi. Asfalt bog'lovchiga CSNP qo'shilishi bog'lovchi morfologiyasi va mikro tuzilishida sezilarli o'zgarishlarga olib keladi. Ushbu o'zgarishlar CSNP ning bog'lovchi qarish uchun qalqon sifatidagi rolini tushuntiradi.

Ushbu maqola Nanotexnologiya sharhlari 2022 dan olingan; 11: 1047–1067