Avancerad självläkande asfalt förstärkt av grafenstrukturer: En atomistisk insikt

Summary

Grafenmodifierad asfaltnanokomposit har visat en avancerad självläkande förmåga jämfört med ren asfalt. I detta protokoll har molekylära dynamiksimuleringar tillämpats för att förstå grafens roll i den självläkande processen och för att utforska den självläkande mekanismen hos asfaltkomponenter från atomistisk nivå.

Abstract

Grafen kan förbättra asfaltens självläkande egenskaper med hög hållbarhet. De självläkande beteendena hos grafenmodifierad asfaltnanokomposit och rollen som införlivad grafen är emellertid fortfarande oklara i detta skede. I denna studie undersöks de självläkande egenskaperna hos ren asfalt och grafenmodifierad asfalt genom molekyldynamiksimuleringar. Asfaltbulk med två sprickbredder och platser för grafen introduceras, och de molekylära interaktionerna mellan asfaltkomponenter och grafenarket analyseras. Resultaten visar att placeringen av grafen signifikant påverkar asfaltens självläkande beteenden. Grafen nära sprickytan kan kraftigt påskynda den självläkande processen genom att interagera med de aromatiska molekylerna genom π-π stapling, medan grafen i det övre området av sprickspetsen har en mindre inverkan på processen. Den självläkande processen för asfalt går igenom omorientering av asfalten, polära aromatiska och naftenaromatiska molekyler och överbryggning av mättade molekyler mellan sprickytor. Denna fördjupade förståelse av den självläkande mekanismen bidrar till kunskapen om förbättringen för självläkande egenskaper, vilket kommer att bidra till att utveckla hållbara asfaltbeläggningar.

Introduction

Försämring vid daglig fordonslastning och variantmiljöförhållanden och åldrande av asfalt under drift leder till nedbrytning eller till och med strukturella fel, dvs. sprickbildning och raveling, vilket ytterligare kan försvaga asfaltbeläggningarnas hållbarhet. Asfaltens inneboende svar på att reparera mikrosprickor och hålrum hjälper den automatiskt att återhämta sig från skador och återställa styrkan¹. Denna självläkande förmåga kan avsevärt förlänga asfaltens livslängd, spara kostnader för underhåll och minska utsläppen av växthusgaser ^2,3. Asfaltens självläkande beteende beror i allmänhet på flera påverkande faktorer, inklusive dess kemiska sammansättning, graden av skada och miljöförhållanden⁴. Den förbättrade självläkande förmågan hos asfalt som helt kan läka skador inom en kort period önskas; Detta har väckt ett omfattande forskningsintresse för bättre mekanisk prestanda och hållbarhet för asfaltbeläggningar inom anläggningsarbeten.

Nya metoder för att förbättra asfaltens självläkande förmåga omfattar huvudsakligen tre tillvägagångssätt – inducera uppvärmning, inkapslingsläkning och införlivande av nanomaterial – som kan appliceras individuellt eller samtidigt^5,6. Inducerande uppvärmning kan avsevärt förbättra asfaltens rörlighet och aktivera dess självläkning för återhämtning⁷. Den självläkande tekniken för asfalt genom att inducera uppvärmning kan tillskrivas den assisterade självläkande tekniken, vilket indikerar att asfaltens självläkande egenskaper förbättras av yttre stimuli. Målet med att tillsätta stålullsfibrerna är att förbättra den elektriska ledningsförmågan för att öka asfaltbindemedlets läkningsförmåga⁸. Tillvägagångssättet för att inducera värme är att utsätta dessa elektriskt ledande fibrer för det högfrekventa alternerande elektromagnetiska fältet, vilket kan inducera virvelströmmar, och värmeenergin kan diffundera in i asfaltbindemedlet av de ledande fibrerna⁹. Stålullsfibrerna förbättrar inte bara den elektriska ledningsförmågan utan också värmeledningsförmågan, som båda kan påverka asfaltens självläkande egenskaper positivt. Det är dock utmanande att välja rätt blandningstid för fibrer¹⁰. Fibrernas längd minskar med ökad blandningstid och påverkar värmeledningsförmågan, medan den minskade blandningstiden leder till kluster av fibrer och hindrar asfaltens mekaniska egenskaper⁹. Inkapslingsmetoden kan leverera lätta komponenter i åldrad asfalt som aromater och mättade och uppdatera asfaltens självläkande förmåga^11,12. Detta är emellertid en enda behandling, och de helande materialen kan inte fyllas på efter frisläppandet. Med utvecklingen av nanoteknik har nanomaterial blivit lovande modifierare för att förbättra asfaltbaserade material. Asfaltbindemedel som ingår i nanomaterial har bättre värmeledningsförmåga och mekaniska egenskaper¹³. Grafen med utmärkt mekanisk prestanda och hög termisk prestanda anses vara en utmärkt kandidat för att förbättra asfaltens självläkande förmåga^14,15,16,17. De ökade läkningsegenskaperna hos grafenmodifierad asfalt kan hänföras till det faktum att grafen ökar kapaciteten hos asfaltbindemedlet som ska värmas upp och producera värmeöverföring inuti asfaltbindemedlet, vilket innebär att grafenmodifierad asfalt kan värmas upp snabbare och nå upp till högre temperatur än ren asfalt¹⁸. Den genererade värmen kan överföras genom den grafenmodifierade asfalten med en snabbare hastighet än den genom ren asfalt. Sprickområdet i asfaltbindemedlet kan lätt påverkas och läkas snabbare av värmeflödet med högre temperatur och högre värmekapacitet. Den självläkande reaktionen börjar om den energi som är lika med eller större än den helande aktiveringsenergin finns vid asfaltens sprickyta¹⁹. Grafen kan förbättra den termiska aktiveringsläkningsprestandan och påskynda läkningshastigheten för asfalt^19,20. Dessutom kan grafen spara uppvärmningsenergi upp till 50% under läkningsprocessen, vilket kan gynna energieffektiviteten och minska underhållskostnaderna²¹. Som ett mikrovågsabsorberande material rapporteras grafen förbättra asfaltens läkningsförmåga under resten av mikrovågsuppvärmningen²². Det förväntas att tillsatsen av grafen i asfalt kommer att förbättra inte bara den mekaniska prestandan utan också den självläkande och energibesparande kapaciteten, vilket kräver fördjupad kunskap om den självläkande mekanismen.

Självläkning i nanoskala beror främst på vätning och diffusion av asfaltmolekyler vid de spruckna ytorna²³. Eftersom asfalt består av olika polära och icke-polära molekyler är dess självläkande förmåga starkt relaterad till molekylära interaktioner och rörelser av asfaltmolekyler av olika komponenter¹. Aktuell forskning bygger emellertid huvudsakligen på experimentella tekniker för att kvantifiera makroskopiska mekaniska egenskaper, vilket orsakar saknad information i förändringen av mikrostrukturer och interaktionerna mellan asfaltmolekyler när man försöker förstå läkningsmekanismen. Den förstärkande mekanismen för grafen i asfaltens självläkande förmåga är också oklar i detta skede. Molekylär dynamik (MD) simuleringar spelar en inflytelserik roll för att undersöka molekylära interaktioner och rörelser hos nanokompositsystem och kopplar mikrostrukturell deformation med molekylära interaktioner och rörelser 24,25,26,27,28,29,30,31 . MD-simuleringar har blivit mer och mer populära för att analysera materialbeteenden som inte lätt kan nås genom experiment ^32,33. Befintliga studier har visat genomförbarheten och tillgängligheten av MD-simuleringar i asfaltsystem. sammanhållning, vidhäftning, åldrande och termomekaniska egenskaper hos asfalt- och asfaltkompositer kan utforskas av MD-simuleringar 34,35,36,37. Asfaltens självläkande beteenden kan också förutsägas av MD-simuleringar 38,39,40. Därför tror man att undersökningen med MD-simuleringar är ett effektivt sätt att förstå både självläkande och förstärkande mekanismer.

Syftet med denna studie är att undersöka de självläkande beteendena hos ren asfalt och grafenmodifierade asfaltnanokompositer och att förstå grafens roll för att förbättra asfaltens läkningsförmåga genom MD-simuleringar. De självläkande simuleringarna av ren asfalt och grafenmodifierade asfaltkompositer utförs genom att införa sprickor i de ursprungliga strukturerna. De självläkande förmågorna kännetecknas av konturen av atomnummer, omorientering och intrassling av molekyler vid det brutna ansiktet och rörligheten hos asfaltkomponenter under de självläkande processerna. Genom att undersöka grafenets läkningseffektivitet på olika platser avslöjas den förstärkande mekanismen för grafen som bidrar till asfaltens självläkande förmågor, vilket kan hjälpa till med övervakning av nanofyllare på ett optimalt sätt och därmed möjliggöra livslängdsförlängning av asfaltbeläggningar. En undersökning av den självläkande kapaciteten i atomistisk skala kan ge ett effektivt sätt att utveckla avancerade asfaltbaserade material för framtida forskning.

Enligt asfaltkemi består asfalt av olika typer av kolväten och icke-kolväten med olika polaritet och former, som huvudsakligen kan delas in i de fyra komponenterna asfalt, polära aromater, naftenaromater och mättar^41,42. Asfaltenmolekyler är relativt större och tyngre än andra molekyler i asfalt, med en genomsnittlig atommassa på ungefär 750 g / mol och en molekyldiameter i intervallet 10-20 Å. Det har varit allmänt accepterat att asfalten består av stora aromatiska kärnor som innehåller heteroatomer och omges av olika längder av alkylgrupper⁴³. En modifierad asfaltmolekyl är konstruerad, som visas i figur 1a. Molekylerna av polära aromater och naftenaromater är konstruerade baserat på polariteten och elementförhållandet mellan asfaltmolekyler, där bensobisbensotiofen (_C18H10S2) representerar den polära aromatiska molekylen och 1,7-dimetylnaftalen (_C12H12) väljs som representativ naften aromatisk molekyl, såsom visas i figur 1b-c. N-dokosan (n-C _22H46) är konstruerad enligt figur 1d. De parametrar som anges i tabell 1 för asfaltmolekyler väljs ut och används för att uppfylla de önskade kriterierna, inklusive elementmassfraktionen, atomförhållandet och det aromatiska/alifatiska förhållandet för verklig asfalt från experiment⁴¹. Samma massförhållande har definierats i våra tidigare studier, och de andra termomekaniska egenskaperna som densitet, glasövergångstemperatur och viskositet är i god överensstämmelse med experimentella data om verklig asfalt³⁶. Den molekylära strukturen hos grafen som tillämpas i denna studie visas i figur 1e. Det antagna grafenarket i denna studie har ingen defekt och ingen vikning jämfört med det verkliga fallet, medan det verkliga grafenarket vanligtvis har flera defekter såsom atomvakanser och Stone-Wales-defekter⁴⁴, och några av grafenarken kan vikas under blandningsprocessen i asfaltmatrisen⁴⁵. Dessa ofullkomliga situationer beaktas inte i denna studie, eftersom vi fokuserar på effekten av grafenarkets plats på de självläkande egenskaperna och väljer den som den enda variabeln. Variablerna för grafenark när det gäller defekter och vikta fall kommer att vara i fokus för våra framtida studier. Massförhållandet mellan grafen och asfalt i denna studie är 4,75%, vilket är den normala situationen (<5%) för grafenmodifierad asfalt i experimentet^46,47.

Figur 1: Kemisk struktur. De atomistiska modellerna av (a) asfaltenmolekyl (_C53H55NOS), (b) naften aromatisk molekyl (_C12H12), (c) polär aromatisk molekyl (_C18H10S2),(d) mättad molekyl (_C22H46), (e) grafen och (f) ren asfalt. För den atomistiska asfaltmodellen visas kol-, syre-, kväve-, svavel- och väteatomerna i grått, rött, blått, gult respektive vitt. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Asfalt modell	Vikt (g/mol)	Kemisk formel	Antal molekyler	Total massa (g/mol)	Massfraktion (%)
Asfalt	754.04	C53H55NOS	43	32423.72	26
Naften aromatisk	156.22	C12H12	65	10154.3	8
Polär aromatisk	290.38	C18H10S2	74	21485.16	17
Mätta	310.59	C22H46	205	63670.95	49
Asfaltbindemedel			387	127734.13	100
Grafen	6369.28	C525H63	1	6369.28

Tabell 1: Övergripande komponenter i ren asfaltmodell och grafenmodifierad asfaltmodell.

Med avseende på protokollet som beskrivs nedan sätts två typer av killiknande sprickor med olika storlekar in i mitten av asfaltmodellen med en trubbig sprickspets och två parallella sprickytor, medan asfaltbulkbulens mittyta förblir intakt. Två sprickbredder väljs som 15 Å och 35 Å, som visas i figur 2a-b. Anledningen till att välja 15 Å är att sprickbredden ska vara bredare än cutoffen på 12 Å för att undvika tidig självläkning av asfaltmolekyler under jämviktsprocessen samtidigt som man undersöker ett extremfall för en liten spricka. Anledningen till att välja 35 Å är att sprickbredden ska vara bredare än längden på mättnadsmolekylerna på 34 Å för att förhindra överbryggningseffekten. Sprickans höjd är 35 Å, samma som lådbredden, och sprickans djup är 70 Å, samma som lådans längd. I den verkliga situationen kan de observerade mikrosprickstorlekarna varieras i intervallet från flera mikrometer till flera millimeter, vilket är mycket större än längdskalan vi modellerar här. Normalt är längdskalan i MD-simulering begränsad till skalan 100 nm, vilket fortfarande är flera storleksordningar mindre än den verkliga sprickstorleken. Sprickorna initieras dock i nanoskala och växer till makroskala sprickor med kontinuerlig deformation⁴⁸. Förståelsen av den självläkande mekanismen i nanoskala kan bidra till att förhindra tillväxt och ytterligare förökning av sprickan på makroskala. Även om de valda sprickstorlekarna ligger i intervallet nanometer, kan resultaten fortfarande vara inflytelserika och tillämpliga för att utforska de självläkande beteendena hos asfaltmolekyler. Det finns två platser för grafenarken i sprickområdena: en är ovanpå sprickspetsen och den andra är vinkelrätt mot vänster sprickyta. Det har visat sig att dessa är de vanligaste positionerna för grafen i grafenmodifierade nanokompositer med sprickor⁴⁹.

Figur 2: De självläkande systemen för ren asfalt och grafenmodifierad asfalt. Den självläkande modellen av ren asfalt med en sprickbredd på (a) 15 Å och (b) 35 Å. Den självläkande modellen av grafenmodifierad asfalt med grafenarket är belägen (c) på toppen av sprickspetsen och (d) vinkelrätt mot sprickytan. Klicka här för att se en större version av denna figur.

I MD-simuleringar beskrivs de intramolekylära och intermolekylära interaktionerna i asfaltnanokompositerna av Consistent Valence Forcefield (CVFF)⁵⁰, som fungerar bra med asfalt- och grafenbaserade material. Den funktionella formen av CVFF uttrycks som följande uttryck:

1

Här består den totala energin E_totalt av de bundna energivillkoren och de icke-bundna energivillkoren. De bundna interaktionerna består av den kovalenta bindningssträckningen, bindningsvinkelns böjningsenergi, torsionsvinkelrotationen och de felaktiga energierna som uttrycks i de fyra första termerna. Den icke-bundna energin innefattar en LJ-12-6-funktion för van der Waals (vdW) -termen och en coulombisk funktion för de elektrostatiska interaktionerna. CVFF har använts i stor utsträckning för att simulera asfaltmaterial^51,52. De simulerade fysikaliska och mekaniska egenskaperna såsom densitet, viskositet och bulkmodul är i god överensstämmelse med experimentella data, vilket visar tillförlitligheten hos CVFF⁵¹. CVFF är inte bara lämpligt för oorganiska material, men det har också framgångsrikt använts i strukturer som består av organiska och oorganiska faser som asfalt-kiseldioxid⁵² och systemet med epoxigrafen⁵³. Dessutom kan gränssnittsinteraktionerna mellan grafen och asfalt karakteriseras av CVFF^36,54. Eftersom den största delen i valet av kraftfält är att bestämma asfalt-grafengränssnittet, är de icke-bundna interaktionerna som beskrivs av CVFF mer tillförlitliga, vilket också beaktas i vår tidigare studie³⁶. Sammantaget antas kraftfältet CVFF i denna studie. De partiella laddningarna för olika typer av atomer beräknas med den kraftfältstilldelade metoden.

Protocol

1. Bygg de atomistiska modellerna Öppna programvaran Materials Studio för att skapa fem 3D-atomistiska dokument och byt namn på dessa dokument som grafen, asfalten, polära aromater, naftenaromater respektive mättade ämnen. Bygg grafenmodellen genom att skapa enhetscellen i grafenarket i det atomistiska 3D-dokumentet med alternativet Sketch Atom . Konstruera den slutliga strukturen med alternativet Supercell i menyn Bygg > symmetri . De…

Representative Results

Konturen av atomnummerKonturerna av atomantalet för rena asfalt- och grafenmodifierade asfaltmodeller i yz-planet visas i figur 3, där färgfältet från blått till rött uppvisar atomnummer som varierar från 0 till 28. Figur 3a-c illustrerar konturen av atomnumret för strukturerna med 15 Å sprickbredd i ren asfalt och asfaltnanokompositer modifierade av grafen vid sprickspetsen och sprickytan. För re…

Discussion

De kritiska stegen i protokolldelen är följande: steg 1.4 – Bygg och packa de fyra typerna av asfaltmolekyler; steg 1.5 – Bygg asfaltstrukturen med sprickan; steg 2.3 – Uppnå jämvikten; steg 2.4 – Utför självläkningsprocessen. Dessa steg anger det mest sammanhängande och viktiga innehållet i protokollet. För att skapa önskade former av den infogade sprickan modifieras förpackningsprocessen jämfört med den normala förpackningen i Materials Studio. Sprickformen skapas och fylls inuti simuleringslådan, och s…

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.