Avansert selvhelbredende asfalt forsterket av grafenstrukturer: En atomistisk innsikt

Summary

Grafenmodifisert asfalt nanokompositt har vist en avansert selvhelbredende evne sammenlignet med ren asfalt. I denne protokollen har molekylære dynamikksimuleringer blitt brukt for å forstå grafenens rolle i selvhelbredelsesprosessen og for å utforske selvhelbredende mekanisme for asfaltkomponenter fra atomistisk nivå.

Abstract

Grafen kan forbedre de selvhelbredende egenskapene til asfalt med høy holdbarhet. Imidlertid er selvhelbredende oppførsel av grafenmodifisert asfalt nanokompositt og rollen som innlemmet grafen fortsatt uklar på dette stadiet. I denne studien undersøkes de selvhelbredende egenskapene til ren asfalt og grafenmodifisert asfalt gjennom molekylære dynamikksimuleringer. Asfaltmasser med to sprekkbredder og steder for grafen innføres, og molekylære interaksjoner mellom asfaltkomponenter og grafenarket analyseres. Resultatene viser at plasseringen av grafen påvirker asfaltens selvhelbredende oppførsel betydelig. Grafen nær sprekkoverflaten kan i stor grad akselerere selvhelbredelsesprosessen ved å samhandle med de aromatiske molekylene gjennom π-π stabling, mens grafen på det øverste området av sprekkspissen har en liten innvirkning på prosessen. Den selvhelbredende prosessen med asfalt går gjennom reorientering av asfalt, polar aromatisk og naftalen aromatiske molekyler, og brobygging av mettede molekyler mellom sprekkflater. Denne dyptgående forståelsen av selvhelbredende mekanismen bidrar til kunnskapen om forbedringen for selvhelbredende egenskaper, noe som vil bidra til å utvikle holdbare asfaltbelegg.

Introduction

Forverring under daglige kjøretøybelastninger og variantmiljøforhold, og aldring av asfalt under service resulterer i nedbrytning eller til og med strukturelle feil, det vil si sprekker og raveling, noe som ytterligere kan svekke holdbarheten til asfaltbelegg. Asfaltens iboende respons på å reparere mikrosprekker og hulrom hjelper den automatisk med å komme seg etter skader og gjenopprette styrke¹. Denne selvhelbredende evnen kan forlenge asfaltens levetid betydelig, spare kostnader ved vedlikehold og redusere utslipp av klimagasser ^2,3. Asfaltens selvhelbredende oppførsel avhenger generelt av flere påvirkningsfaktorer, inkludert dens kjemiske sammensetning, graden av skade og miljøforhold⁴. Den forbedrede selvhelbredende evnen til asfalt som fullt ut kan helbrede skade innen kort tid, er ønsket; Dette har vakt stor forskningsinteresse i bedre mekanisk ytelse og holdbarhet for asfaltbelegg innen byggteknikk.

Nye metoder for å forbedre asfaltens selvhelbredende evne inkluderer hovedsakelig tre tilnærminger – induserer oppvarming, innkapslingsheling og inkorporerer nanomaterialer – som kan brukes individuelt eller samtidig^5,6. Induserende oppvarming kan forbedre asfaltens mobilitet betydelig og aktivere sin selvhelbredelse for utvinning⁷. Asfaltens selvhelbredende teknologi ved å indusere oppvarming kan tilskrives den assisterte selvhelbredende teknikken, noe som indikerer at asfaltens selvhelbredende egenskaper forbedres av ytre stimuli. Målet med å legge til stålullfibrene er å forbedre den elektriske ledningsevnen for å øke den helbredende kapasiteten til asfaltbinderen.⁸. Tilnærmingen til å indusere varme er å eksponere disse elektrisk ledende fibrene til det høyfrekvente vekslende elektromagnetiske feltet, noe som kan indusere virvelstrømmer, og varmeenergien kan spre seg inn i asfaltbinderen av de ledende fibrene.⁹. Stålullfibrene forbedrer ikke bare den elektriske ledningsevnen, men også termisk ledningsevne, som begge kan påvirke asfaltens selvhelbredende egenskaper positivt. Det er imidlertid utfordrende å velge riktig blandetid for fibre¹⁰. Lengden på fibrene reduseres med økt blandetid og påvirker termisk ledningsevne, mens den reduserte blandingstiden fører til klynger av fibre og hindrer asfaltens mekaniske egenskaper.⁹. Innkapslingsmetoden kan levere lette komponenter i alderen asfalt som aromatiske stoffer og mette og oppdatere asfaltens selvhelbredende evne^11,12. Dette er imidlertid en engangsbehandling, og helbredende materialer kan ikke etterfylles etter utgivelsen. Med utviklingen av nanoteknologi har nanomaterialer blitt lovende modifikatorer for å forbedre asfaltbaserte materialer. Asfaltbindere inkorporert med nanomaterialer gir bedre termisk ledningsevne og mekaniske egenskaper¹³. Grafen med utmerket mekanisk ytelse og høy termisk ytelse anses som en utmerket kandidat til å forbedre asfaltens selvhelbredende evne^14,15,16,17. De økte helbredende egenskapene til grafenmodifisert asfalt kan tilskrives det faktum at grafen øker kapasiteten til asfaltbinderen som skal varmes opp og produserer varmeoverføring inne i asfaltbinderen, noe som betyr at grafenmodifisert asfalt kan oppvarmes raskere og nå opp til høyere temperatur enn ren asfalt.¹⁸. Den genererte varmen kan overføres gjennom den grafenmodifiserte asfalten med raskere hastighet enn gjennom ren asfalt. Sprekkområdet til asfaltbinderen kan påvirkes lett og helbredes raskere av varmestrømmen med høyere temperatur og høyere varmekapasitet. Den selvhelbredende reaksjonen vil begynne hvis energien som er lik eller større enn den helbredende aktiveringsenergien eksisterer på asfaltens sprekkoverflate¹⁹. Grafen kan forbedre den termiske aktiveringshelingsytelsen og akselerere helbredelseshastigheten til asfalt^19,20. Dessuten kan grafen spare oppvarmingsenergi opptil 50% under helbredelsesprosessen, noe som kan være til nytte for energieffektiviteten og redusere vedlikeholdskostnadene²¹. Som et mikrobølgeabsorberende materiale rapporteres grafen for å forbedre asfaltens helbredende evne i resten av mikrobølgeoppvarmingen.²². Det forventes at tilsetningen av grafen i asfalt vil forbedre ikke bare den mekaniske ytelsen, men også den selvhelbredende og energibesparende kapasiteten, noe som krever inngående kunnskap om selvhelbredelsesmekanismen.

Selvhelbredelse på nanoskala skyldes hovedsakelig fukting og diffusjon av asfaltmolekyler ved de oppsprukne ansiktene²³. Siden asfalt består av ulike polare og ikke-polare molekyler, er dens selvhelbredende evne sterkt knyttet til molekylære interaksjoner og bevegelser av asfaltmolekyler av forskjellige komponenter¹. Imidlertid er dagens forskning hovedsakelig avhengig av eksperimentelle teknikker for å kvantifisere makroskopiske mekaniske egenskaper, noe som forårsaker manglende informasjon i endring av mikrostrukturer og samspillet mellom asfaltmolekyler når du prøver å forstå helbredelsesmekanismen. Den forsterkende mekanismen til grafen i asfaltens selvhelbredende evne er også uklar på dette stadiet. Molekylære dynamikksimuleringer (MD) spiller en innflytelsesrik rolle i å undersøke molekylære interaksjoner og bevegelser av nanokomposittsystemer, og koble mikrostrukturell deformasjon med molekylære interaksjoner og bevegelser 24,25,26,27,28,29,30,31 . MD-simuleringer har blitt mer og mer populære for å analysere materiell atferd som ikke lett kan nås av eksperimenter ^32,33. Eksisterende studier har vist gjennomførbarhet og tilgjengelighet av MD-simuleringer i asfaltsystemer; sammenhengen, vedheft, aldring og termomekaniske egenskaper til asfalt- og asfaltkompositter kan utforskes av MD-simuleringer ^34,35,36,37. Den selvhelbredende oppførselen til asfalt kan også forutsies av MD-simuleringer 38,39,40. Derfor antas det at undersøkelsen ved hjelp av MD-simuleringer er en effektiv måte å forstå både selvhelbredende og forsterkende mekanismer.

Hensikten med denne studien er å undersøke selvhelbredende oppførsel av ren asfalt og grafenmodifiserte asfalt nanokompositter og å forstå grafenens rolle i å forbedre asfaltens helbredende kapasitet gjennom MD-simuleringer. De selvhelbredende simuleringene av ren asfalt og grafenmodifiserte asfaltkompositter utføres ved å introdusere sprekker i de opprinnelige strukturene. De selvhelbredende egenskapene er preget av konturen av atomtall, reorientering og sammenfiltring av molekyler i det oppsprukne ansiktet, og mobiliteten til asfaltkomponenter under selvhelbredende prosesser. Ved å undersøke den helbredende effektiviteten til grafen på forskjellige steder, avdukes den forsterkende mekanismen for grafen som bidrar til asfaltens selvhelbredende evner, noe som kan hjelpe med overvåking av nanofyllere på en optimal måte og dermed muliggjøre levetidsforlengelsen av asfaltbelegg. En undersøkelse av selvhelbredende kapasitet i atomistisk skala kan gi en effektiv måte å utvikle avanserte asfaltbaserte materialer for fremtidig forskning.

I henhold til asfaltkjemi består asfalt av ulike typer hydrokarboner og ikke-hydrokarboner med forskjellig polaritet og former, som hovedsakelig kan deles inn i de fire komponentene av asfalt, polar aromatikk, naftalen aromatikk og mettet^41,42. Asfaltmolekyler er relativt større og tyngre enn andre molekyler i asfalt, med en gjennomsnittlig atommasse på ca. 750 g/mol og en molekylær diameter i området 10-20 Å. Det har blitt allment akseptert at asfalt består av store aromatiske kjerner som inneholder heteroatomer og er omgitt av forskjellige lengder av alkylgruppe⁴³. Et modifisert asfaltmolekyl er konstruert, som vist i figur 1a. Molekylene av polar aromatikk og naftalen aromatikk er konstruert basert på polariteten og elementforholdet mellom asfaltmolekyler, med benzobisbenzothiophene (C₁₈H₁₀S₂) som representerer det polare aromatiske molekylet og 1,7-dimetylnaftalen (C₁₂H₁₂) valgt som det representative naftalen aromatiske molekylet, som vist i figur 1b. N-dokosan (n-C ₂₂H₄₆) er konstruert som vist i figur 1d. Parametrene som er oppført i tabell 1 for asfaltmolekyler, velges og brukes til å oppfylle de ønskede kriteriene, inkludert elementær massefraksjon, atomforholdet og det aromatiske/alifatiske forholdet, av ekte asfalt fra forsøk⁴¹. Det samme masseforholdet er definert i våre tidligere studier, og de andre termomekaniske egenskapene som tetthet, glassovergangstemperatur og viskositet er i god samsvar med eksperimentelle data fra ekte asfalt³⁶. Den molekylære strukturen av grafen som brukes i denne studien er vist i figur 1e. Det vedtatte grafenarket i denne studien har ingen feil og ingen fold i forhold til det virkelige tilfellet, mens det virkelige grafenarket vanligvis har flere feil som atomiske ledige stillinger og Stone-Wales-feil⁴⁴, og noen av grafenplatene kan brettes under blandingsprosessen i asfaltmatrisen⁴⁵. Disse ufullkomne situasjonene vurderes ikke i denne studien, siden vi fokuserer på effekten av grafenarkets sted på de selvhelbredende egenskapene og velger det som den eneste variabelen. Variablene av grafenark når det gjelder feil og brettede tilfeller vil være fokus for våre fremtidige studier. Masseforholdet mellom grafen og asfalt i denne studien er 4,75%, som er den normale situasjonen (<5%) for grafenmodifisert asfalt i forsøket^46,47.

Figur 1: Kjemisk struktur. De atomistiske modellene av (a) asfaltmolekyl (C₅₃H₅₅NOS), (b) naftalen aromatisk molekyl (C₁₂H₁₂), (c) polar aromatisk molekyl (C₁₈H₁₀S₂), (d) mettet molekyl (C₂₂H₄₆), (e) grafen og (f) ren asfalt. For den atomistiske asfaltmodellen vises karbon-, oksygen-, nitrogen-, svovel- og hydrogenatomer i henholdsvis grå, rød, blå, gul og hvit. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Asfaltmodell	Masse (g/mol)	Kjemisk formel	Antall molekyler	Total masse (g/mol)	Massebrøk (%)
Asfalt	754.04	C53H55NOS	43	32423.72	26
Naftalen aromatisk	156.22	C12H12	65	10154.3	8
Polar aromatisk	290.38	C18H10S2	74	21485.16	17
Mette	310.59	C22H46	205	63670.95	49
Asfaltperm			387	127734.13	100
Grafen	6369.28	C525H63	1	6369.28

Tabell 1: Generelle komponenter i ren asfaltmodell og grafenmodifisert asfaltmodell.

Når det gjelder protokollen beskrevet nedenfor, settes to typer kilelignende sprekker med forskjellige størrelser inn i midten av asfaltmodellen med en stump sprekkspiss og to parallelle sprekkflater, mens det midterste området av asfaltdelen forblir intakt. To sprekkbredder velges som 15 Å og 35 Å, som vist i figur 2a-b. Begrunnelsen for å velge 15 Å er at sprekkbredden skal være bredere enn avskjæringen på 12 Å for å unngå tidlig selvhelbredelse av asfaltmolekyler under likevektsprosessen mens man undersøker en ekstrem sak for en liten sprekk. Begrunnelsen for å velge 35 Å er at sprekkbredden skal være bredere enn lengden på metningsmolekylene på 34 Å for å hindre broeffekten. Sprekkens høyde er 35 Å, det samme som boksbredden, og sprekkdybden er 70 Å, det samme som bokslengden. I den virkelige situasjonen kan de observerte mikrosprekkstørrelsene varieres i området fra flere mikrometer til flere millimeter, noe som er langt større enn lengdeskalaen vi modellerer her. Normalt er lengdeskalaen i MD-simulering begrenset til skalaen på 100 nm, som fortsatt er flere størrelsesordener mindre enn den virkelige sprekkstørrelsen. Sprekkene starter imidlertid på nanoskalaen og vokser til makroskala sprekker med kontinuerlig deformasjon⁴⁸. Forståelsen av selvhelbredende mekanismen på nanoskalaen kan bidra til å forhindre vekst og videre forplantning av sprekken i makroskalaen. Selv om de valgte sprekkstørrelsene er innenfor rekkevidden av nanometer, kan resultatene fortsatt være innflytelsesrike og anvendelige for å utforske selvhelbredende oppførsel av asfaltmolekyler. Det er to steder for grafenplatene i sprekkområdene: den ene er på toppen av sprekkspissen og den andre er vinkelrett på venstre sprekkflate. Det har blitt funnet at disse er de vanligste posisjonene for grafen i grafenmodifiserte nanokompositter med sprekker⁴⁹.

Figur 2: Selvhelbredende ordninger for ren asfalt og grafenmodifisert asfalt. Den selvhelbredende modellen av ren asfalt med en sprekkbredde på (a) 15 Å og (b) 35 Å. Den selvhelbredende modellen av grafenmodifisert asfalt med grafenplaten ligger (c) øverst på sprekkspissen og (d) vinkelrett på sprekkoverflaten. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

I MD-simuleringer er de intramolekylære og intermolekylære interaksjonene i asfalt nanokomposittene beskrevet av Consistent Valence Forcefield (CVFF)⁵⁰, som fungerer godt med asfalt- og grafenbaserte materialer. Den funksjonelle formen for CVFF uttrykkes som følgende uttrykk:

1

Her består den totale _{energi-E-summen} av bindingsenergibetingelsene og de ikke-limte energibetingelsene. De limte interaksjonene består av den kovalente bindingsstrekkingen, bindingsvinkelbøyeenergien, torsjonsvinkelrotasjonen og feil energi som uttrykt i de fire første termene. Den ikke-limte energien inkluderer en LJ-12-6-funksjon for van der Waals (vdW)-begrepet og en Coulombic-funksjon for elektrostatiske interaksjoner. CVFF har vært mye brukt i å simulere asfaltmaterialer^51,52. De simulerte fysiske og mekaniske egenskapene som tetthet, viskositet og bulkmodul er i god samsvar med eksperimentelle data, noe som viser påliteligheten til CVFF⁵¹. CVFF er ikke bare egnet for uorganiske materialer, men det har også blitt brukt med hell i konstruksjoner som består av organiske og uorganiske faser som asfalt-silika⁵² og systemet med epoksy-grafen⁵³. I tillegg kan de interfaciale interaksjonene mellom grafen og asfalt karakteriseres av CVFF^36,54. Siden hoveddelen i valg av kraftfelt er å bestemme asfalt-grafengrensesnittet, er de ikke-bindede interaksjonene beskrevet av CVFF mer pålitelige, noe som også vurderes i vår forrige studie³⁶. Samlet sett er forcefield CVFF vedtatt i denne studien. De delvise ladningene for ulike typer atomer beregnes ved hjelp av den forcefield-tilordnede metoden.

Protocol

1. Bygg de atomistiske modellene Åpne Materials Studio-programvaren for å lage fem 3D-atomistiske dokumenter og gi nytt navn til disse dokumentene som henholdsvis grafen, asfalt, polar aromatikk, naftalen aromatikk og mettet. Bygg grafenmodellen ved å opprette enhetscellen for grafenarket i det 3D-atomistiske dokumentet ved hjelp av alternativet Skisse atom . Konstruer den endelige strukturen ved hjelp av Supercell-alternativet på Bygg > symmetri…

Representative Results

Konturen av atomnummerKonturene av atomnummeret til rene asfalt- og grafenmodifiserte asfaltmodeller i yz-planet er vist i figur 3, der fargelinjen fra blå til rød viser atomtall som varierer fra 0 til 28. Figur 3a-c illustrerer konturen av atomnummeret til strukturene med 15 Å sprekkbredde i ren asfalt og asfalt nanokompositter modifisert av grafen på sprekkspissen og sprekkoverflaten. For ren asfalt op…

Discussion

De kritiske trinnene i Protokoll-delen er som følger: trinn 1.4 – Bygg og pakk de fire typer asfaltmolekyler; trinn 1.5 – Bygg asfaltstrukturen med sprekken; trinn 2.3 – Oppnå likevekten; trinn 2.4 – Utfør selvhelbredelsesprosessen. Disse trinnene angir det mest sammenhengende og viktige innholdet i protokollen. For å lage de ønskede formene til den innsatte sprekken, endres pakkeprosessen sammenlignet med den vanlige pakkingen i Materials Studio. Sprekkformen opprettes og fylles inne i simuleringsboksen, og derette…

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.