Synergie-effect van nano-organisch palygorskiet op de eigenschappen van stervormig SBS-gemodificeerd asfalt Deel 1

Abstract: Met de snelle ontwikkeling van economische constructie wordt styreen-butadieen-styreen (SBS)-gemodificeerd asfalt steeds meer gebruikt in snelwegtechniek, maar er zijn nog steeds veel tekortkomingen in het gebruik ervan. Om de gebruiksprestaties verder te verbeteren, werden in dit onderzoek nano-organisch palygorskiet (A-Pal) en stervormig SBS samengesteld om gemodificeerd asfalt te verkrijgen. De stabiliteit bij hoge temperatuur van SBS-gemodificeerd asfalt werd verbeterd na integratie met A-Pal voor de stabiliteitstest bij hoge temperatuur door een dynamische afschuifreometer. De A-Pal zou de oppervlaktevrije energie en adhesie van SBS-gemodificeerd asfalt moeten verbeteren door de waterstabiliteitstestanalyse. De verouderingstest toont aan dat A-Pal de thermische zuurstofafbraak van SBS kan verminderen en de antiverouderingsprestaties en vermoeidheidsweerstand van SBS-gemodificeerd asfalt kan verbeteren. A-Pal heeft een zeker verbeterend effect op de prestaties bij lage temperatuur van SBS-gemodificeerd asfalt, zoals blijkt uit een scheurweerstandstest bij lage temperatuur. A-Pal samengesteld SBS-gemodificeerd asfalt heeft een goede opslagstabiliteit bij normale temperaturen met de laagste kritische compatibiliteitstemperatuur.

Klik op Waar kan ik Cistanche kopen

【Voor meer informatie:george.deng@wecistanche.com / WhatApp:86 13632399501】

Trefwoorden: palygorskiet; SBS; gemodificeerd asfalt; rheologische eigenschappen

1. Inleiding

Nanomaterialen en nanotechnologie worden de laatste jaren steeds vaker toegepast op het gebied van wegdekmaterialen en nano-gemodificeerd asfalt is een van de hot topics van onderzoek geworden [1–4]. Op dit moment worden nanogelaagde silicaatmaterialen over het algemeen toegepast op asfaltmaterialen vanwege hun grote output en goede prestaties [5-7]. Het nano-gelaagde silicaat met een speciale kristalstructuur, waardoor asfaltmoleculen de gelaagde structuur binnendringen, kan de laagafstand vergroten, waardoor de vormschilstructuur wordt verbeterd, waardoor wordt voorkomen dat zuurstof het asfalt binnendringt en de veroudering ervan wordt vertraagd. Daarom heeft nano-gemodificeerd asfalt goede eigenschappen tegen spoorvorming en veroudering [8–10]. Tegelijkertijd kunnen organisch gemodificeerde nanomaterialen ook de dispersiegraad van polymeer in asfalt verbeteren, wat brede ontwikkelingsperspectieven biedt voor gemodificeerd asfalt in de toekomst.

Palygorskiet (Pal), ook bekend als attapulgiet, is een gelaagde keten van waterrijke magnesium-aluminiumsilicaatkleimineralen. Het heeft een reputatie als "de koning van de aarde" vanwege zijn brede scala aan toepassingen. De kristalstructuur van Pal wordt gekenmerkt door de dubbellaagse Si-O tetraëdrische platen die zijn verbonden met de enkellaagse (Mg, Al)-O octaëdervellen, en de eenheidslagen zijn verbonden door zuurstof om een ​​porie-achtig kristal te vormen structuur [11]. De poriën zijn gevuld met zeolietwater en kristalwater om een ​​vezelachtig enkel kristal te vormen. De enkele vezel heeft een lengte van ongeveer 0.5 tot 1.0 µm, sommige zelfs tot 1 cm, en een diameter van ongeveer 20 tot 30 µm [12]. Pal wordt veel gebruikt op het gebied van coatingmaterialen [13], cement [14], asfalt en andere bouwmaterialen vanwege de goede reologie, adsorbeerbaarheid en lagere kosten [15-17].

Verschillende onderzoeken tonen aan dat de aanwezigheid van nano-organisch Pal de verouderingsweerstand van asfalt en de compatibiliteit tussen polymeer en asfalt effectief kan verbeteren. Zhang et al. [10] synthetiseerde organisch-Pal onder microgolfbestraling en bracht het aan op met styreen-butadieenrubber (SBR) gemodificeerd asfalt. Ze ontdekten dat Organic-Pal de compatibiliteit en opslagstabiliteit van SBR-gemodificeerd asfalt verbeterde. Vervolgens bestudeerden ze de reologische en morfologische eigenschappen van SBR-gemodificeerd asfalt met organisch-Pal en ontdekten dat organisch-Pal een positief effect heeft op het verbeteren van de visco-elasticiteit en anti-spooreigenschappen van SBR-gemodificeerd asfalt [18]. Zon et al. [15] bracht Pal aan op epoxyasfalt en ontdekte dat het een goed effect heeft op de trek- en kleefeigenschappen. Jin et al. [19] bracht Organic-Pal aan op asfalt en ontdekte dat de verouderingsbestendigheid van asfalt sterk verbeterd was. Op dit moment wordt het effect van organisch-Pal op styreen-butadieen-styreen (SBS)-gemodificeerd asfalt zelden bestudeerd. Om het effect ervan beter te begrijpen en de prestaties van SBS-gemodificeerd asfalt te verbeteren, gebruikte deze studie de stervormige SBS-modificator YH-801 en het nano-organische palygorskiet (A-Pal) om samengesteld SBS-gemodificeerd asfalt te bereiden. Het lichte deel van het asfalt kan door de Pal met sterke adsorptie worden geadsorbeerd, waardoor de colloïdale structuur van het asfalt kan worden veranderd en de temperatuurstabiliteit van het gemodificeerde asfalt kan worden verbeterd [20].

2. Materiaalvoorbereiding en testmethode

2.1. Materialen

Het 70#-asfalt (AH-70) werd geproduceerd door Maoming Petrochemical Co., Ltd. (Guangzhou, China) met de basisprestatietestresultaten weergegeven in tabel 1. Het palygorskiet is afkomstig uit Jiangsu, China. De basisprestatieparameters worden getoond in tabel 2. Het stervormige styreen-butadieen-styreen blokcopolymeer YH-801 (SBS4303) werd geproduceerd door Yueyang Baling Petrochemical (Hunan, China) met een blokverhouding van 30/70.

2.2. Bereiding van A-Pal-samengesteld SBS-gemodificeerd asfalt

Op basis van ons eerdere onderzoek [19,21] werd Pal behandeld met 1 mol/L HCl-oplossing bij 60 ◦C gedurende 1 uur om enkele grote deeltjes en kationen buiten de grondstof te verwijderen, vervolgens gewassen tot neutraal en droog. Het behandelde Pal en -aminopropyltriethoxysilaan (APTES) werden gedispergeerd in een xyleenoplossing, en de condensatie-refluxmethode werd gebruikt voor magnetisch roeren gedurende 10 uur, vervolgens verschillende keren gewassen met het filtraat, gedroogd en fijngemaakt om A-Pal te verkrijgen om de compatibiliteit met de asfaltmatrix. De hoeveelheden van 0 gew.% , 1 gew.% , 3 gew.% en 5 gew.% A-Pal, die 5 gew.% van het met SBS gemodificeerde asfalt samenstelden, werden bereid door middel van de smeltmengmethode (genaamd AH-70 plus 5Y, AH-70 plus 5Y plus 1A, AH-70 plus 5Y plus 3A, en AH-70 plus 5Y plus 5A respectievelijk).

2.3. Karakteriseren

Een fluorescentiemicroscoop (FM) werd gebruikt om de fasemorfologie van gemodificeerd asfalt met excitatie met kortgolvig blauwpaars licht (λ=420 nm) te beschrijven (DM3000, Leica). De fasemorfologie van de fluorescerende component in het asfalt werd waargenomen met optische microscopie om de correlatie tussen microstructuur en macroscopische eigenschappen verder te bestuderen [22].

2.4. Reologische evaluatie bij hoge temperatuur

De prestaties van asfalt bij hoge temperaturen verwijzen naar het vermogen van asfalt om weerstand te bieden aan permanente vervorming onder belasting, die werd geëvalueerd door een dynamische afschuifreometer (DSR, MCR 301, Anton Paar, Oostenrijk) voor temperatuurscanning en frequentie scanning testen. De temperatuurscantest werd uitgevoerd door de AASHTO T315-05 [23] om het effect van temperatuurverandering op de complexe afschuifmodulus G* en fasehoek δ van met A-Pal samengesteld SBS-gemodificeerd asfalt te bestuderen, met een verwarmingssnelheid van 2 ◦C/min en een temperatuur van 40~90 ◦C. Het meeste asfalt onder de werktemperatuur van bestrating behoort tot de pseudo-plastische niet-Newtoniaanse vloeistof en de viscositeit van asfalt neemt af met toenemende afschuifsnelheid. Wanneer de afschuifsnelheid extreem hoog of erg klein was, benaderde de viscositeit van de pseudo-plastische niet-Newtoniaanse vloeistof een constante, en het gebied waar de viscositeit van asfalt niet veranderde met de afschuifsnelheid werd het eerste Newtoniaanse stroomgebied genoemd en de tweede Newtoniaanse stromingsgebied. De viscositeit van de pseudo-plastische niet-Newtoniaanse vloeistof lag in het eerste gebied en bereikte een maximum wanneer deze constant was, wat nul afschuifviscositeit (ZSV) wordt genoemd [24]. De viscositeit van de pseudo-plastische niet-Newtoniaanse vloeistof lag in het tweede gebied en bereikte een minimum wanneer deze constant was, wat de grensvlakafschuifviscositeit (ISV) wordt genoemd. De testresultaten zijn gefit door het Carreau-model en de berekening van ZSV [25]. De test bij een temperatuur van 60 ◦C volgens de AASHTO T315-05, 25 mm van de oscillerende plaat en een filmdikte van 1 mm werd gebruikt voor de frequentiescantest in het bereik van 0,01–100 Hz, en de curve werd gescand door exponentiële groei.

2.5. Evaluatie van de waterstabiliteit

De contacthoeken van de met A-Pal samengestelde SBS-gemodificeerde asfaltmonsters werden gemeten met het contacthoekmeetinstrument (DSA100, Kruss, Duitsland). De sessiele druppelmethode werd uitgevoerd met zuiver water, formamide en ethyleenglycol. De vrije oppervlakte-energie werd berekend met de Owens-Wendt-Rabel-Kaelble (OWRK)-methode [26], en de relatie tussen de drie werd als volgt uitgedrukt met de OWRK-methode.

waarbij sl de vrije oppervlakte-energie is van de vaste-vloeistoffase, l de vrije oppervlakte-energie van de vloeistof, s de vrije oppervlakte-energie van de vaste stof, ld de dispersiecomponent van de vloeistof, sd de dispersiecomponent van de vast, lp is de polaire component van de vloeistof en sp is de polaire component van de vaste stof.

Op basis van de oppervlakte-vrije-energiegegevensanalyse van drie veel voorkomende minerale materialen, werd het adhesiewerk (Was) voor het asfalt op het oppervlak van het minerale materiaal berekend zoals weergegeven in vergelijking (3) [27,28].

Breng vergelijking (1) in vergelijking (2) om te krijgen:

waarin ad de dispersiecomponent van het asfalt is, sd de dispersiecomponent van het minerale materiaal, p a de polaire component van het asfalt en ps de polaire component van het minerale materiaal.

De verandering van de vrije energie van Gibbs (∆Gaws) in elk stadium van afbladderende schade kan als volgt worden uitgedrukt door het werk van afschilfering [29] en de berekeningsuitdrukking:

Breng vergelijking (1) in de bovenstaande vergelijking om te krijgen:

waarbij w de oppervlakte-vrije energie van het water is, dw de dispersiecomponent van het water is en pw de polaire component van het water is.

2.6. Evaluatie van verouderingsprestaties

The aging performance of A-Pal-compounded SBS-modified asphalt was evaluated by the short-term aging, long-term aging, and fatigue factor. The mass loss rate (MLR),  softening point increment index (∆S), rutting factor aging index (RAI), and zero shear viscosity aging index (ZSVAI) of asphalt samples were analyzed after aging treatment in the rolling thin film oven test (TFOT) and pressure aging vessel (PAV) to simulate the short-term and long-term aging of asphalt by AASHTO R28-09 [30]. The critical temperature (fatigue limit temperature) grade corresponding to the fatigue factor (G* × sinδ >5000 kPa) werd getest uit de temperatuurvermoeiingstest, als een index voor het evalueren van de vermoeiingsweerstand van asfalt.

2.7. Reologische evaluatie bij lage temperatuur

De prestaties van asfalt bij lage temperaturen verwijzen naar het vermogen van asfalt om scheuren onder belasting te weerstaan. De scheurweerstand bij lage temperatuur van het gemodificeerde asfalt na TFOT plus PAV-veroudering werd geëvalueerd door een buigstraalreometer (BBR), volgens de specificatie AASHTO T313-12 [31]. Volgens de specificatie was 6 ◦C het testbereik totdat de prestaties van het asfalt niet voldeden aan de eisen. De buigstijfheid en m-waarde zijn getest onder de temperaturen 0, −6, −12, −18 en −24 ◦C met een belasting van {{10}}.980 ± 0.05 N gedurende 240 seconden.

3. Resultaten en discussie

3.1. Morfologische kenmerken

FM werd uitgevoerd om de verdeling en structuur van SBS en A-Pal in het gemodificeerde asfalt te observeren [32]. Om de discriminatie tussen asfalt en modificatoren te verbeteren, wordt het asfaltgedeelte van de afbeelding weergegeven als zwart en het polymeergedeelte wordt weergegeven als groene heldere vlekken door de helderheid aan te passen die wordt weergegeven in figuur 1. Asfalt wordt weergegeven als de continue fase en het verspreide -fase SBS werd verspreid als de vorm van een eiland in de matrixafstand [33]. Figuur 1b toont een grote hoeveelheid kleine blokkerige SBS-vernettingen in het asfalt, die een klein deel en de verspreide verdeling van het asfalt zonder A-Pal verklaren. SBS heeft een laag vermogen om zachte asfaltenen uit asfalt te absorberen, wat resulteert in een lage compatibiliteit. Na toevoeging van 1 gew.% A-Pal (Figuur 1c) was het aandeel fluorescerende stoffen iets verhoogd en was de dispersie nog ongelijk verdeeld in het asfalt. Het vermogen van SBS-polymeer om zachte asfaltenen te absorberen nadat A-Pal was toegevoegd, nam een ​​zekere toe, wat leidt tot de volume-expansie van SBS-polymeer en de toename van de zwellingsgraad [22]. Met de toevoeging van A-Pal (figuur 1d, e) blijft het aandeel fluorescerende stoffen toenemen en wordt de mate van dispersie steeds uniformer. Na toevoeging van A-Pal was de compatibiliteit van SBS-polymeer met asfalt enigszins verbeterd; de prestaties bij lage temperatuur en vermoeiing van gemodificeerd asfalt zouden moeten verbeteren [19].

3.2. Prestaties bij hoge temperaturen van A-Pal-samengesteld SBS-gemodificeerd asfalt

De stabiliteit bij hoge temperaturen is een belangrijke indicator van asfalt. De variatie van de spoorvormingsfactor verkregen door de temperatuurscanningtest is weergegeven in figuur 2. Te zien is dat de toevoeging van SBS en A-Pal bijdraagt ​​aan de verbetering van de spoorvormingsfactor en de spoorvormingsweerstand. Nadat SBS aan asfalt was toegevoegd, vertoonde de spoorvormingsfactor van asfalt een grote toename en verbeterde weerstand tegen spoorvorming. De spoorvormingsfactor bleef toenemen met de incorporatie van A-Pal om de spoorvormingsweerstand verder te verhogen. Vergeleken met de vorige studie is het consistent en niet veranderd vanwege de verschillende soorten SBS [18,19]. Het monster met een A-Pal-gehalte van 5 gew.% had de hoogste spoorvormingsfactor en het sterkste anti-spoorvormingsvermogen, wat aangeeft dat de opname van A-Pal de temperatuurstabiliteit van SBS-gemodificeerd asfalt kan verbeteren. De waarde van de spoorvormingsfactor neemt af met toenemende temperatuur en de snelheid was hetzelfde, wat aangeeft dat alle gemodificeerde asfaltmonsters dezelfde reologische eigenschappen hebben.

De kritische temperatuur van de spoorvormingsfactor is de overeenkomstige temperatuurfactor van G*/sin δ {{0}.0 kPa in de spoorvormingsfactortest in het Strategic Highway Research Program (SHRP). De kritische temperatuur van elk monster wordt getoond in Tabel 3. SBS zou de kritische temperatuur kunnen verhogen met 7,2 ◦C, vergeleken met AH-70. Na toevoeging van A-Pal nam de kritische temperatuur van de spoorvormingsfactor voortdurend toe en de maximale temperatuur steeg tot 75,7 ◦C, wat 20 procent hoger was dan het matrixasfalt.

De ZSV van het gemodificeerde asfalt neemt toe met de toename van het A-Pal-gehalte, wat vergelijkbaar was met het testresultaat van de spoorvormingsfactor (Tabel 4). De ZSV van de asfaltmatrix steeg met 296 procent door toevoeging van SBS. Na toevoeging van 1 gew.% A-Pal nam de ZSV van het gemodificeerde asfalt toe tot 949,4 Pa·s, wat hoger was dan die van het gemodificeerde asfalt met alleen SBS. Met het toenemende A-Pal-gehalte blijft de waarde van ZSV toenemen, en de ZSV-waarde van het 5 gew.% samengestelde SBS-gemodificeerde asfalt neemt toe tot 1291,8 Pa·s, wat 423 procent hoger was dan die van de asfaltmatrix. Het toonde aan dat de compounderingsmethode effectief was in het verbeteren van de stabiliteit bij hoge temperaturen van het asfaltbindmiddel.

【Voor meer informatie:george.deng@wecistanche.com / WhatApp:86 13632399501】