JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Ergebnisse
Discussion
Offenlegungen
Acknowledgements
Materials
Referenzen
Automatische Übersetzung
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Ingenieurwesen

الأسفلت المتقدم ذاتي الشفاء المعزز بهياكل الجرافين: رؤية ذرية

Published: May 31, 2022
doi:
10.3791/63303
, ,
1Department of Architecture and Civil Engineering,City University of Hong Kong

Summary

أظهر مركب الأسفلت النانوي المعدل بالجرافين قدرة متقدمة على الشفاء الذاتي مقارنة بالأسفلت النقي. في هذا البروتوكول ، تم تطبيق محاكاة الديناميكا الجزيئية من أجل فهم دور الجرافين في عملية الشفاء الذاتي واستكشاف آلية الشفاء الذاتي لمكونات الأسفلت من المستوى الذري.

Abstract

يمكن للجرافين تحسين خصائص الشفاء الذاتي للأسفلت مع متانة عالية. ومع ذلك ، فإن سلوكيات الشفاء الذاتي للمركب النانوي الأسفلتي المعدل بالجرافين ودور الجرافين المدمجين لا تزال غير واضحة في هذه المرحلة. في هذه الدراسة ، يتم التحقيق في خصائص الشفاء الذاتي للأسفلت النقي والأسفلت المعدل بالجرافين من خلال محاكاة الديناميكا الجزيئية. يتم إدخال كتل الأسفلت مع اثنين من عرض الشقوق ومواقع الجرافين ، ويتم تحليل التفاعلات الجزيئية بين مكونات الأسفلت وورقة الجرافين. أظهرت النتائج أن موقع الجرافين يؤثر بشكل كبير على سلوكيات الشفاء الذاتي للأسفلت. يمكن للجرافين بالقرب من سطح الكراك تسريع عملية الشفاء الذاتي بشكل كبير من خلال التفاعل مع الجزيئات العطرية من خلال التراص π π ، في حين أن الجرافين في المنطقة العليا من طرف الكراك له تأثير طفيف على العملية. تمر عملية الشفاء الذاتي للأسفلت من خلال إعادة توجيه جزيئات الأسفلتين والعطرية القطبية والنفثين العطرية ، وجسر جزيئات التشبع بين أسطح الشقوق. يساهم هذا الفهم المتعمق لآلية الشفاء الذاتي في معرفة تعزيز خصائص الشفاء الذاتي ، مما سيساعد على تطوير أرصفة أسفلتية دائمة.

Introduction

يؤدي التدهور تحت أحمال المركبات اليومية والظروف البيئية المتغيرة ، وتقادم الأسفلت أثناء الخدمة إلى تدهور أو حتى فشل هيكلي ، أي التكسير والتخريب ، مما قد يزيد من إضعاف متانة الأرصفة الأسفلتية. الاستجابة المتأصلة للأسفلت لإصلاح الشقوق والفراغات الدقيقة تساعده تلقائيا على التعافي من الأضرار واستعادة القوة1. يمكن لهذه القدرة على الشفاء الذاتي أن تطيل بشكل كبير من عمر خدمة الأسفلت ، وتوفر تكاليف الصيانة ، وتقلل من انبعاثات غازات الدفيئة 2,3. يعتمد سلوك الشفاء الذاتي للأسفلت بشكل عام على العديد من العوامل المؤثرة ، بما في ذلك تركيبته الكيميائية ، ودرجة الضرر ، والظروف البيئية4. ومن المرغوب فيه تحسين قدرة الأسفلت على الشفاء الذاتي التي يمكنها أن تشفي الضرر بالكامل في غضون فترة قصيرة؛ وقد اجتذب ذلك اهتماما بحثيا واسعا بأداء ميكانيكي أفضل ومتانة للأرصفة الأسفلتية في الهندسة المدنية.

تتضمن الطرق الجديدة لتحسين قدرة الشفاء الذاتي للأسفلت بشكل أساسي ثلاثة نهج – تحفيز التسخين ، وشفاء التغليف ، ودمج المواد النانوية – والتي يمكن تطبيقها بشكل فردي أو في وقت واحد5,6. يمكن للتدفئة المحفزة أن تحسن بشكل كبير من حركة الأسفلت وتنشط الشفاء الذاتي للتعافي7. يمكن أن تعزى تقنية الشفاء الذاتي للأسفلت عن طريق تحفيز التسخين إلى تقنية الشفاء الذاتي المساعدة ، مما يشير إلى أن خصائص الشفاء الذاتي للأسفلت يتم تحسينها بواسطة المحفزات الخارجية. الهدف من إضافة ألياف الصوف الصلب هو تعزيز الموصلية الكهربائية من أجل زيادة قدرة الشفاء من الموثق الأسفلتي8. يتمثل نهج تحفيز الحرارة في تعريض هذه الألياف الموصلة كهربائيا للمجال الكهرومغناطيسي المتناوب عالي التردد ، والذي يمكن أن يحفز تيارات الدوامة ، ويمكن أن تنتشر الطاقة الحرارية في الموثق الأسفلتي بواسطة الألياف الموصلة.9. لا تعزز ألياف الصوف الفولاذي الموصلية الكهربائية فحسب ، بل تعزز أيضا الموصلية الحرارية ، وكلاهما يمكن أن يؤثر بشكل إيجابي على خصائص الشفاء الذاتي للأسفلت. ومع ذلك ، من الصعب تحديد وقت الخلط المناسب للألياف10. يتناقص طول الألياف مع زيادة وقت الخلط ويؤثر على الموصلية الحرارية ، في حين أن انخفاض وقت الخلط يؤدي إلى مجموعات من الألياف ويعيق الخواص الميكانيكية للأسفلت9. يمكن لطريقة التغليف توفير المكونات الخفيفة للأسفلت القديم مثل العطريات والتشبع وتحديث قدرة الشفاء الذاتي للأسفلت11,12. ومع ذلك ، هذا علاج لمرة واحدة فقط ، ولا يمكن تجديد مواد الشفاء بعد الإفراج. مع تطور تكنولوجيا النانو ، أصبحت المواد النانوية معدلات واعدة لتعزيز المواد القائمة على الأسفلت. توفر روابط الأسفلت المدمجة مع المواد النانوية توصيلية حرارية وخصائص ميكانيكية أفضل13. يعتبر الجرافين ذو الأداء الميكانيكي الممتاز والأداء الحراري العالي مرشحا ممتازا لتحسين قدرة الشفاء الذاتي للأسفلت14,15,16,17. يمكن أن تعزى الخصائص العلاجية المتزايدة للأسفلت المعدل بالجرافين إلى حقيقة أن الجرافين يزيد من قدرة الموثق الأسفلتي على التسخين وينتج نقل الحرارة داخل الموثق الأسفلتي ، مما يعني أنه يمكن تسخين الأسفلت المعدل بالجرافين بسرعة أكبر والوصول إلى درجة حرارة أعلى من الأسفلت النقي18. يمكن نقل الحرارة المتولدة في جميع أنحاء الأسفلت المعدل بالجرافين بسرعة أكبر من تلك التي من خلال الأسفلت النقي. يمكن أن تتأثر منطقة الكراك في الموثق الأسفلتي بسهولة وتلتئم بشكل أسرع من خلال تدفق الحرارة مع درجة حرارة أعلى وقدرة تسخين أعلى. سيبدأ تفاعل الشفاء الذاتي إذا كانت الطاقة التي تساوي أو أكبر من طاقة تنشيط الشفاء موجودة على سطح التصدع في الأسفلت19. الجرافين يمكن أن يحسن أداء الشفاء بالتنشيط الحراري ويسرع معدل الشفاء من الأسفلت19,20. إلى جانب ذلك ، يمكن للجرافين توفير طاقة التدفئة بنسبة تصل إلى 50٪ أثناء عملية الشفاء ، مما قد يفيد كفاءة الطاقة ويقلل من تكاليف الصيانة.21. كمادة ماصة للميكروويف ، يقال إن الجرافين يحسن قدرة الشفاء للأسفلت خلال فترة الراحة من تسخين الميكروويف22. من المتوقع أن تؤدي إضافة الجرافين إلى الأسفلت إلى تحسين الأداء الميكانيكي فحسب ، بل أيضا القدرة على الشفاء الذاتي وتوفير الطاقة ، الأمر الذي يتطلب معرفة متعمقة بآلية الشفاء الذاتي.

يرجع الشفاء الذاتي على مقياس النانو بشكل رئيسي إلى ترطيب وانتشار جزيئات الأسفلت في الوجوه المكسورة23. نظرا لأن الأسفلت يتكون من جزيئات قطبية وغير قطبية مختلفة ، فإن قدرته على الشفاء الذاتي ترتبط ارتباطا وثيقا بالتفاعلات الجزيئية وحركات جزيئات الأسفلت المكونة من مكونات مختلفة1. ومع ذلك ، تعتمد الأبحاث الحالية بشكل أساسي على التقنيات التجريبية لتحديد الخواص الميكانيكية العيانية ، والتي تسبب معلومات مفقودة في تغيير الهياكل المجهرية والتفاعلات بين جزيئات الأسفلت عند محاولة فهم آلية الشفاء. آلية تعزيز الجرافين في قدرة الشفاء الذاتي للأسفلت غير واضحة أيضا في هذه المرحلة. تلعب محاكاة الديناميكا الجزيئية (MD) دورا مؤثرا في التحقيق في التفاعلات الجزيئية وحركات الأنظمة النانوية المركبة ، وتربط التشوه الهيكلي المجهري بالتفاعلات والحركات الجزيئية 24،25،26،27،28،29،30،31 . أصبحت محاكاة MD أكثر وأكثر شعبية لتحليل سلوكيات المواد التي لا يمكن الوصول إليها بسهولة عن طريق التجارب32,33. وقد أظهرت الدراسات القائمة جدوى وتوافر عمليات محاكاة MD في النظم الأسفلتية؛ يمكن استكشاف التماسك والالتصاق والشيخوخة والخواص الميكانيكية الحرارية لمركبات الأسفلت والأسفلت من خلال محاكاة MD34،35،36،37. يمكن أيضا التنبؤ بسلوكيات الشفاء الذاتي للأسفلت من خلال محاكاة MD38,39,40. لذلك ، يعتقد أن التحقيق باستخدام محاكاة MD هو وسيلة فعالة لفهم كل من آليات الشفاء الذاتي والتعزيز.

أهداف هذه الدراسة هي التحقيق في سلوكيات الشفاء الذاتي للأسفلت النقي والمركبات النانوية الأسفلتية المعدلة بالجرافين وفهم دور الجرافين في تحسين قدرة الشفاء للأسفلت من خلال محاكاة MD. يتم إجراء عمليات محاكاة الشفاء الذاتي للأسفلت النقي ومركبات الأسفلت المعدلة بالجرافين عن طريق إدخال الشقوق في الهياكل الأولية. تتميز قدرات الشفاء الذاتي بمحيط أعداد الذرات ، وإعادة توجيه وتشابك الجزيئات في الوجه المكسور ، وتنقل مكونات الأسفلت أثناء عمليات الشفاء الذاتي. من خلال التحقيق في كفاءة الشفاء من الجرافين في مواقع مختلفة ، يتم الكشف عن آلية تعزيز الجرافين التي تساهم في قدرات الشفاء الذاتي للأسفلت ، والتي يمكن أن تساعد في مراقبة الحشوات النانوية بطريقة مثلى وبالتالي تمكين تمديد عمر الأرصفة الأسفلتية. يمكن أن يوفر التحقيق في قدرة الشفاء الذاتي على النطاق الذري طريقة فعالة لتطوير مواد متقدمة قائمة على الأسفلت للبحوث المستقبلية.

وفقا لكيمياء الأسفلت ، يتكون الأسفلت من أنواع مختلفة من الهيدروكربونات وغير الهيدروكربونات ذات القطبية والأشكال المختلفة ، والتي يمكن تقسيمها بشكل أساسي إلى المكونات الأربعة للأسفلتين ، والعطريات القطبية ، وعطرات النفثين ، وتشبع41,42. جزيئات الأسفلتين أكبر وأثقل نسبيا من الجزيئات الأخرى في الأسفلت ، مع متوسط كتلة ذرية يبلغ حوالي 750 جم / مول وقطر جزيئي يتراوح بين 10-20 Å. من المقبول على نطاق واسع أن الأسفلتين يتكون من نوى عطرية كبيرة تحتوي على ذرات غير متجانسة وتحيط بها أطوال مختلفة من مجموعات الألكيل43. يتم بناء جزيء الأسفلتين المعدل ، كما هو موضح في الشكل 1 أ. يتم بناء جزيئات العطريات القطبية وعطريات النفثين على أساس القطبية ونسبة العناصر في جزيئات الأسفلت ، مع اختيار البنزوبيسبنزوثيوفين (C18H10S2) للجزيء العطري القطبي و 1,7-dimethylnaphthalene (C 12 H 12) كجزيء عطري ممثل للنفثين ، كما هو موضح في الشكل 1b-c. تم بناء N-docosane (n-C 22H46) كما هو موضح في الشكل 1d. يتم اختيار المعلمات المدرجة في الجدول 1 لجزيئات الأسفلت واستخدامها لتلبية المعايير المطلوبة ، بما في ذلك جزء الكتلة الأولية ، ونسبة الذرة ، والنسبة العطرية / الأليفاتية ، للأسفلت الحقيقي من التجارب41. تم تعريف نفس نسبة الكتلة في دراساتنا السابقة ، والخواص الحرارية الميكانيكية الأخرى مثل الكثافة ودرجة حرارة التزجج واللزوجة تتفق بشكل جيد مع البيانات التجريبية للأسفلت الحقيقي36. يظهر التركيب الجزيئي للجرافين المطبق في هذه الدراسة في الشكل 1e. ورقة الجرافين المعتمدة في هذه الدراسة ليس لها عيب ولا أضعاف مقارنة بورقة الحالة الحقيقية، في حين أن ورقة الجرافين الحقيقية عادة ما تحتوي على عدة عيوب مثل الشواغر الذرية وعيوب ستون ويلز44، ويمكن طي بعض صفائح الجرافين أثناء عملية الخلط في مصفوفة الأسفلت45. لا يتم النظر في هذه الحالات غير المثالية في هذه الدراسة ، لأننا نركز على تأثير موقع ورقة الجرافين على خصائص الشفاء الذاتي ونختارها كمتغير وحيد. ستكون متغيرات صفائح الجرافين من حيث العيوب والحالات المطوية محور دراساتنا المستقبلية. بلغت نسبة كتلة الجرافين إلى الأسفلت في هذه الدراسة 4.75٪، وهو الوضع الطبيعي (<5٪) للإسفلت المعدل بالجرافين في التجربة46,47.

Figure 1
الشكل 1: التركيب الكيميائي. النماذج الذرية ل (أ) جزيء الأسفلتين (C53 H 55NOS)، (ب) جزيء النفثين العطري (C 12 H 12) ، (ج) الجزيء العطري القطبي (C18 H10 S2) ، (د) جزيء المشبع (C22H46) ، (ه) الجرافين ، و (و) الأسفلت النقي. بالنسبة لنموذج الأسفلت الذري ، تظهر ذرات الكربون والأكسجين والنيتروجين والكبريت والهيدروجين باللون الرمادي والأحمر والأزرق والأصفر والأبيض ، على التوالي. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

نموذج الأسفلت الكتلة (جم/مول) الصيغة الكيميائية عدد الجزيئات الكتلة الكلية (جم/مول) الكسر الكتلي (٪)
الأسفلتين 754.04 C53H55NOS 43 32423.72 26
النفثين العطرية 156.22 ج 12 ح12 65 10154.3 8
العطرية القطبية 290.38 ج18ح10ق2 74 21485.16 17
تشبع 310.59 ج22ح46 205 63670.95 49
الموثق الأسفلتي 387 127734.13 100
الجرافين 6369.28 ج525ح63 1 6369.28

الجدول 1: المكونات الكلية لنموذج الأسفلت النقي ونموذج الأسفلت المعدل بالجرافين.

فيما يتعلق بالبروتوكول الموصوف أدناه ، يتم إدخال نوعين من الشقوق الشبيهة بالإسفين بأحجام مختلفة في منتصف نموذج الأسفلت بطرف صدع حاد وسطحين متوازيين من الشقوق ، بينما تظل المنطقة الوسطى العليا من الجزء الأكبر من الأسفلت سليمة. يتم اختيار عرضين للصدع على أنهما 15 Å و 35 Å ، كما هو موضح في الشكل 2a-b. سبب اختيار 15 Å هو أن عرض الكراك يجب أن يكون أوسع من قطع 12 Å لتجنب الشفاء الذاتي المبكر لجزيئات الأسفلت أثناء عملية التوازن أثناء التحقيق في حالة متطرفة لصدع صغير. سبب اختيار 35 Å هو أن عرض الكراك يجب أن يكون أوسع من طول جزيئات التشبع من 34 Å من أجل منع تأثير الجسر. يبلغ ارتفاع الكراك 35 Å ، وهو نفس عرض الصندوق ، وعمق الكراك هو 70 Å ، وهو نفس طول الصندوق. في الوضع الحقيقي ، يمكن أن تختلف أحجام الشقوق الدقيقة المرصودة في النطاق من عدة ميكرومترات إلى عدة ملليمترات ، وهو أكبر بكثير من مقياس الطول الذي نقوم بنمذجته هنا. عادة ، يقتصر مقياس الطول في محاكاة MD على مقياس 100 نانومتر ، والذي لا يزال أصغر بعدة أوامر من الحجم من حجم الكراك الحقيقي. ومع ذلك ، تبدأ الشقوق على مقياس النانو وتنمو لتصبح شقوقا كبيرة مع تشوه مستمر48. يمكن أن يساعد فهم آلية الشفاء الذاتي على مقياس النانو في منع نمو الكراك وزيادة انتشاره على المستوى الكلي. على الرغم من أن أحجام الشقوق المختارة تقع في نطاق النانومتر ، إلا أن النتائج لا تزال مؤثرة وقابلة للتطبيق لاستكشاف سلوكيات الشفاء الذاتي لجزيئات الأسفلت. هناك موقعان لصفائح الجرافين في مناطق الكراك: أحدهما أعلى طرف الكراك والآخر عمودي على سطح الكراك الأيسر. وقد وجد أن هذه هي المواقف الأكثر شيوعا للجرافين في المركبات النانوية المعدلة بالجرافين مع الشقوق49.

Figure 2
الشكل 2: مخططات الشفاء الذاتي للأسفلت النقي والأسفلت المعدل بالجرافين. نموذج الشفاء الذاتي للأسفلت النقي بعرض صدع يبلغ (أ) 15 Å و (ب) 35 Å. يقع نموذج الشفاء الذاتي للأسفلت المعدل بالجرافين مع ورقة الجرافين (ج) في الجزء العلوي من طرف الكراك و (د) عموديا على سطح الكراك. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

في محاكاة MD ، يتم وصف التفاعلات داخل الجزيئات وبين الجزيئات في المركبات النانوية الأسفلتية بواسطة Consistent Valence Forcefield (CVFF)50 ، والذي يعمل بشكل جيد مع المواد القائمة على الأسفلت والجرافين. يتم التعبير عن الشكل الوظيفي ل CVFF على النحو التالي:

Equation 1 1

هنا ، يتكون إجمالي الطاقة E من شروط الطاقة المستعبدة وشروط الطاقة غير المستعبدة. تتكون التفاعلات المستعبدة من تمدد الرابطة التساهمية ، وطاقة ثني زاوية الرابطة ، ودوران زاوية الالتواء ، والطاقات غير المناسبة كما هو معبر عنه في المصطلحات الأربعة الأولى. تتضمن الطاقة غير المستعبدة دالة LJ-12-6 لمصطلح فان دير فالز (vdW) ودالة كولومبية للتفاعلات الكهروستاتيكية. تم استخدام CVFF على نطاق واسع في محاكاة مواد الأسفلت51,52. تتوافق الخواص الفيزيائية والميكانيكية المحاكية مثل الكثافة واللزوجة ومعامل السائبة بشكل جيد مع البيانات التجريبية ، مما يدل على موثوقية CVFF51. CVFF ليست مناسبة فقط للمواد غير العضوية ، ولكن تم استخدامها بنجاح أيضا في الهياكل التي تتكون من مراحل عضوية وغير عضوية مثل الأسفلت والسيليكا52 ونظام الايبوكسي الجرافين53. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن تمييز التفاعلات البينية بين الجرافين والأسفلت بواسطة CVFF36,54. نظرا لأن الجزء الرئيسي في اختيار حقل القوة هو تحديد واجهة الأسفلت والجرافين ، فإن التفاعلات غير المستعبدة التي وصفها CVFF أكثر موثوقية ، والتي تم النظر فيها أيضا في دراستنا السابقة36. بشكل عام ، تم اعتماد CVFF forcefield في هذه الدراسة. يتم حساب الشحنات الجزئية لأنواع مختلفة من الذرات بالطريقة المخصصة لحقل القوة.

Protocol

1. بناء النماذج الذرية افتح برنامج Materials Studio لإنشاء خمس وثائق ذرية 3D وإعادة تسمية هذه المستندات على أنها جرافين ، أسفلتين ، عطريات قطبية ، عطريات النفثين ، وتشبع ، على التوالي. قم ببناء نموذج الجرافين عن طريق إنشاء خلية وحدة ورقة الجرافين في المستند الذري 3D باستخدام خيار…

Representative Results

محيط عدد الذراتيوضح الشكل 3 ملامح عدد ذرات نماذج الأسفلت النقي والأسفلت المعدل بالجرافين في مستوى yz ، حيث يعرض شريط اللون من الأزرق إلى الأحمر أرقام ذرات تتراوح من 0 إلى 28. يوضح الشكل 3a-c محيط عدد ذرات الهياكل بعرض صدع 15 Å في الأس?…

Discussion

والخطوات الحاسمة في إطار الجزء المتعلق بالبروتوكول هي كما يلي: الخطوة 1-4 – بناء وتعبئة الأنواع الأربعة من جزيئات الأسفلت؛ والخطوة 1-4 – بناء وتعبئة الأنواع الأربعة من جزيئات الأسفلت؛ والخطوة 1-4 – بناء وتعبئة الأنواع الأربعة من جزيئات الأسفلت؛ والخطوة 1-4 – بناء وتعبئة الأنواع الأربعة من جزيئا?…

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

المؤلفون ممتنون للدعم المقدم من منحة البحوث الاستراتيجية من جامعة مدينة هونغ كونغ مع المشروع رقم 7005547 ، والدعم المقدم من مجلس المنح البحثية (RGC) في منطقة هونغ كونغ الإدارية الخاصة ، الصين ، مع المشروع رقم. R5007-18 ، والدعم المقدم من لجنة شنتشن للعلوم والتكنولوجيا للابتكار في إطار المنحة JCYJ20170818103206501.

Materials

Atomistic models of asphalt and graphene/Materials Studio BIOVIA Materials Studio 8.0 The atomistic models are built for molecular dynamics simulations.
Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator Package Sandia National Laboratories lammps-stable20 The equilibrium is achieved under NPT ensemble, and the atomistic models get self-healed.
OVITO Materials Science Department of Technische Universität Darmstadt, Germany ovito-basic-3.1.0-win64 The self-healing behaviors of the atomistic models are visualized.
Origin OriginLab Origin 2018 64Bit The contours of the atom numbers of the trajectory are drawn and analyzed.
DOWNLOAD MATERIALS LIST

Referenzen

  1. Sun, D., et al. A comprehensive review on self-healing of asphalt materials: Mechanism, model, characterization and enhancement. Advances in Colloid and Interface Science. 256, 65-93 (2018).
  2. Hung, A. M., Mousavi, M., Fini, E. H. Implication of wax on hindering self-healing processes in bitumen. Applied Surface Science. 523, 146449 (2020).
  3. Lv, Q., et al. Investigating the asphalt binder/mastic bonding healing behavior using bitumen bonding strength test and X-ray Computed Tomography scan. Construction and Building Materials. 257, 119504 (2020).
  4. Liang, B., et al. Review on the self-healing of asphalt materials: Mechanism, affecting factors, assessments and improvements. Construction and Building Materials. 266, 120453 (2021).
  5. Xu, S., et al. Self-healing asphalt review: From idea to practice. Advanced Materials Interfaces. 5, 1800536 (2018).
  6. Tabaković, A., Schlangen, E. . Self-healing Materials, Advances in Polymer Science. , 285-306 (2015).
  7. García, &. #. 1. 9. 3. ;. Self-healing of open cracks in asphalt mastic. Fuel. 93, 264-272 (2012).
  8. Karimi, M. M., Amani, S., Jahanbakhsh, H., Jahangiri, B., Alavi, A. H. Induced heating-healing of conductive asphalt concrete as a sustainable repairing technique: A review. Cleaner Engineering and Technology. 4, (2021).
  9. Gulisano, F., Gallego, J. Microwave heating of asphalt paving materials: Principles, current status and next steps. Construction and Building Materials. 278, 121993 (2021).
  10. García, &. #. 1. 9. 3. ;., Schlangen, E., Ven, M. v. d., Bochove, G. v. Optimization of composition and mixing process of a self-healing porous asphalt. Construction and Building Materials. 30, 59-65 (2012).
  11. Aguirre, M. A., Hassan, M. M., Shirzad, S., Daly, W. H., Mohammad, L. N. Micro-encapsulation of asphalt rejuvenators using melamine-formaldehyde. Construction and Building Materials. 114, 29-39 (2016).
  12. Su, J. -. F., Qiu, J., Schlangen, E., Wang, Y. -. Y. Experimental investigation of self-healing behavior of bitumen/microcapsule composites by a modified beam on elastic foundation method. Materials and Structures. 48 (12), 4067-4076 (2014).
  13. Yoo, D. Y., Kim, S., Kim, M. J., Kim, D., Shin, H. O. Self-healing capability of asphalt concrete with carbon-based materials. Journal of Materials Research and Technology-Jmr&T. 8 (1), 827-839 (2019).
  14. Qin, Z., Jung, G. S., Kang, M. J., Min Jeong, M. J. The mechanics and design of a lightweight three-dimensional graphene assembly. Science Advances. 3 (1), 1601536 (2017).
  15. Jung, G. S., Yeo, J., Tian, Z., Qin, Z., Buehler, M. J. Unusually low and density-insensitive thermal conductivity of three-dimensional gyroid graphene. Nanoscale. 9 (36), 13477-13484 (2017).
  16. Campbell, P. G., Worsley, M. A., Hiszpanski, A. M., Baumann, T. F., Biener, J. Synthesis and functionalization of 3D nano-graphene materials: Graphene aerogels and graphene macro assemblies. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (105), e53235 (2015).
  17. Li, H., et al. Induction heating and healing behaviors of asphalt concretes doped with different conductive additives. Advances in Materials Science and Engineering. 2019, 1-10 (2019).
  18. Moreno-Navarro, F., Sol-Sánchez, M., Gámiz, F., Rubio-Gámez, M. C. Mechanical and thermal properties of graphene modified asphalt binders. Construction and Building Materials. 180, 265-274 (2018).
  19. Liu, J., Hao, P., Dou, Z., Wang, J., Ma, L. Rheological, healing and microstructural properties of unmodified and crumb rubber modified asphalt incorporated with graphene/carbon black composite. Construction and Building Materials. 305, 124512 (2021).
  20. Wang, R., Qi, Z., Li, R., Yue, J. Investigation of the effect of aging on the thermodynamic parameters and the intrinsic healing capability of graphene oxide modified asphalt binders. Construction and Building Materials. 230, 116984 (2020).
  21. Gulisano, F., Crucho, J., Gallego, J., Picado-Santos, L. Microwave healing performance of asphalt mixture containing Electric Arc Furnace (EAF) slag and Graphene Nanoplatelets (GNPs). Applied Sciences. 10 (4), 1428 (2020).
  22. Li, C., Wu, S., Chen, Z., Tao, G., Xiao, Y. Improved microwave heating and healing properties of bitumen by using nanometer microwave-absorbers. Construction and Building Materials. 189, 757-767 (2018).
  23. Varma, R., Balieu, R., Kringos, N. A state-of-the-art review on self-healing in asphalt materials: Mechanical testing and analysis approaches. Construction and Building Materials. 310, 125197 (2021).
  24. Lau, D., Jian, W., Yu, Z., Hui, D. Nano-engineering of construction materials using molecular dynamics simulations: Prospects and challenges. Composites Part B: Engineering. 143, 282-291 (2018).
  25. Jian, W., Lau, D. Creep performance of CNT-based nanocomposites: A parametric study. Carbon. 153, 745-756 (2019).
  26. Wang, X. Q., Jian, W., Buyukozturk, O., Leung, C. K. Y., Lau, D. Degradation of epoxy/glass interface in hygrothermal environment: An atomistic investigation. Composites Part B: Engineering. 206, 108534 (2021).
  27. Jian, W., Lau, D. Understanding the effect of functionalization in CNT-epoxy nanocomposite from molecular level. Composites Science and Technology. 191, 108076 (2020).
  28. Hao, H., Tam, L. -. h., Lu, Y., Lau, D. An atomistic study on the mechanical behavior of bamboo cell wall constituents. Composites Part B: Engineering. 151, 222-231 (2018).
  29. Qin, R., Zhou, A., Yu, Z., Wang, Q., Lau, D. Role of carbon nanotube in reinforcing cementitious materials: An experimental and coarse-grained molecular dynamics study. Cement and Concrete Research. 147, 106517 (2021).
  30. Jian, W., Wang, X., Lu, H., Lau, D. Molecular dynamics simulations of thermodynamics and shape memory effect in CNT-epoxy nanocomposites. Composites Science and Technology. 211, 108849 (2021).
  31. Jing, C., et al. Regenerated and rotation-induced cellulose-wrapped oriented CNT fibers for wearable multifunctional sensors. Nanoscale. 12 (30), 16305-16314 (2020).
  32. Yazdandoost, F., Mirzaeifar, R., Qin, Z., Buehler, M. J. Multiscale mechanics of the lateral pressure effect on enhancing the load transfer between polymer coated CNTs. Nanoscale. 9 (17), 5565-5576 (2017).
  33. Doblack, B. N., Allis, T., Davila, L. P. Novel 3D/VR interactive environment for MD simulations, visualization and analysis. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (94), (2014).
  34. Xu, M., et al. Improved chemical system for molecular simulations of asphalt. Energy & Fuels. 33 (4), 3187-3198 (2019).
  35. Xu, G., Wang, H. Molecular dynamics study of oxidative aging effect on asphalt binder properties. Fuel. 188, 1-10 (2017).
  36. Nie, F., Jian, W., Lau, D. An atomistic study on the thermomechanical properties of graphene and functionalized graphene sheets modified asphalt. Carbon. 182, 615-627 (2021).
  37. Cui, B., Gu, X., Hu, D., Dong, Q. A multiphysics evaluation of the rejuvenator effects on aged asphalt using molecular dynamics simulations. Journal of Cleaner Production. 259, (2020).
  38. Sun, W., Wang, H. Self-healing of asphalt binder with cohesive failure: Insights from molecular dynamics simulation. Construction and Building Materials. 262, 120538 (2020).
  39. He, L., et al. Self-healing behavior of asphalt system based on molecular dynamics simulation. Construction and Building Materials. 254, 119225 (2020).
  40. Sun, D., Lin, T., Zhu, X., Tian, Y., Liu, F. Indices for self-healing performance assessments based on molecular dynamics simulation of asphalt binders. Computational Materials Science. 114, 86-93 (2016).
  41. Li, D. D., Greenfield, M. L. Chemical compositions of improved model asphalt systems for molecular simulations. Fuel. 115, 347-356 (2014).
  42. Redelius, P., Soenen, H. Relation between bitumen chemistry and performance. Fuel. 140, 34-43 (2015).
  43. Schulze, M., Lechner, M. P., Stryker, J. M., Tykwinski, R. R. Aggregation of asphaltene model compounds using a porphyrin tethered to a carboxylic acid. Organic & Biomolecular Chemistry. 13 (25), 6984-6991 (2015).
  44. Robertson, A. W., Warner, J. H. Atomic resolution imaging of graphene by transmission electron microscopy. Nanoscale. 5 (10), 4079-4093 (2013).
  45. Yang, L., Zhou, D., Kang, Y. Rheological properties of graphene modified asphalt binders. Nanomaterials (Basel). 10 (11), 2197 (2020).
  46. Zeng, W. B., Wu, S. P., Pang, L., Sun, Y. H., Chen, Z. W. The utilization of graphene oxide in traditional construction materials: Asphalt. Materials. 10 (1), 48 (2017).
  47. Li, R., Xiao, F., Amirkhanian, S., You, Z., Huang, J. Developments of nano materials and technologies on asphalt materials – A review. Construction and Building Materials. 143, 633-648 (2017).
  48. Yu, T., Zhang, H., Wang, Y. Multi-gradient analysis of temperature self-healing of asphalt nano-cracks based on molecular simulation. Construction and Building Materials. 250, 118859 (2020).
  49. Gao, C., Liu, T., Shuai, C., Peng, S. Enhancement mechanisms of graphene in nano-58S bioactive glass scaffold: mechanical and biological performance. Scientific Reports. 4, 4712 (2014).
  50. Maple, J. R., Dinur, U., Hagler, A. T. Derivation of force fields for molecular mechanics and dynamics from ab initio energy surfaces. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 85 (15), 5350-5354 (1988).
  51. Xu, M., Yi, J., Feng, D., Huang, Y. Diffusion characteristics of asphalt rejuvenators based on molecular dynamics simulation. International Journal of Pavement Engineering. 20 (5), 615-627 (2019).
  52. Wang, H., Lin, E., Xu, G. Molecular dynamics simulation of asphalt-aggregate interface adhesion strength with moisture effect. International Journal of Pavement Engineering. 18 (5), 414-423 (2017).
  53. Yu, J., et al. Insights on the capillary transport mechanism in the sustainable cement hydrate impregnated with graphene oxide and epoxy composite. Composites Part B: Engineering. 173, (2019).
  54. Zhou, X., et al. Evaluation of thermo-mechanical properties of graphene/carbon-nanotubes modified asphalt with molecular simulation. Molecular Simulation. 43 (4), 312-319 (2017).
  55. Plimpton, S. Fast parallel algorithms for short-range molecular-dynamics. Journal of Computational Physics. 117 (1), 1-19 (1995).
  56. Stukowski, A. Visualization and analysis of atomistic simulation data with OVITO-the Open Visualization Tool. Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering. 18 (1), 015012 (2010).
  57. Chen, Z., Pei, J., Li, R., Xiao, F. Performance characteristics of asphalt materials based on molecular dynamics simulation-A review. Construction and Building Materials. 189, 695-710 (2018).
  58. Sun, D., Sun, G., Zhu, X., Ye, F., Xu, J. Intrinsic temperature sensitive self-healing character of asphalt binders based on molecular dynamics simulations. Fuel. 211, 609-620 (2018).

Tags

Keywords: Self-healing AsphaltGraphene StructuresAtomistic InsightsMolecular Dynamics SimulationsAsphalt CompositionCrack HealingAsphaltenePolar AromaticsNapthene AromaticsSaturatesSimulation BoxCrack WidthEquilibriumIsothermal Isobaric Ensemble
check_url/de/63303?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Diesen Artikel zitieren
Nie, F., Jian, W., Lau, D. Advanced Self-Healing Asphalt Reinforced by Graphene Structures: An Atomistic Insight. J. Vis. Exp. (183), e63303, doi:10.3791/63303 (2022).
Zitat herunterladen
Nachdrucke und Berechtigungen

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image