Asphalte auto-cicatrisant avancé renforcé par des structures en graphène: un aperçu atomistique

La détérioration sous les charges quotidiennes des véhicules et les conditions environnementales variables, ainsi que le vieillissement de l’asphalte pendant le service entraînent une dégradation ou même des défaillances structurelles, c’est-à-dire des fissures et des éclatements, ce qui peut affaiblir davantage la durabilité des chaussées en asphalte. La réponse inhérente de l’asphalte pour réparer les microfissures et les vides l’aide automatiquement à se remettre des dommages et à rétablir la résistance¹. Cette capacité d’auto-guérison peut prolonger considérablement la durée de vie de l’asphalte, réduire les coûts d’entretien et réduire les émissions de gaz à effet de serre ^2,3. Le comportement d’auto-guérison de l’asphalte dépend généralement de plusieurs facteurs d’influence, notamment sa composition chimique, le degré de dommage et les conditions environnementales⁴. L’amélioration de la capacité d’auto-guérison de l’asphalte qui peut guérir complètement les dommages en peu de temps est souhaitée; cela a suscité un intérêt de recherche approfondi pour l’amélioration des performances mécaniques et de la durabilité des chaussées en asphalte dans le génie civil.

Les nouvelles méthodes pour améliorer la capacité d’auto-guérison de l’asphalte comprennent principalement trois approches – induire le chauffage, la guérison par encapsulation et incorporer des nanomatériaux – qui peuvent être appliquées individuellement ou simultanément^5,6. L’induction du chauffage peut améliorer considérablement la mobilité de l’asphalte et activer son auto-guérison pour la récupération⁷. La technologie d’auto-guérison de l’asphalte en induisant le chauffage peut être attribuée à la technique d’auto-guérison assistée, ce qui indique que les propriétés d’auto-guérison de l’asphalte sont améliorées par des stimuli externes. L’objectif de l’ajout des fibres de laine d’acier est d’améliorer la conductivité électrique afin d’augmenter la capacité de guérison du liant d’asphalte⁸. L’approche pour induire la chaleur consiste à exposer ces fibres électriquement conductrices au champ électromagnétique alternatif à haute fréquence, ce qui peut induire des courants de Foucault, et l’énergie thermique peut diffuser dans le liant d’asphalte par les fibres conductrices⁹. Les fibres de laine d’acier améliorent non seulement la conductivité électrique, mais aussi la conductivité thermique, ce qui peut avoir un effet positif sur les propriétés d’auto-guérison de l’asphalte. Cependant, il est difficile de sélectionner le bon temps de mélange pour les fibres¹⁰. La longueur des fibres diminue avec l’augmentation du temps de mélange et influence la conductivité thermique, tandis que la diminution du temps de mélange conduit à des grappes de fibres et entrave les propriétés mécaniques de l’asphalte⁹. La méthode d’encapsulation peut fournir des composants légers de l’asphalte vieilli tels que les aromatiques et les saturés et rafraîchir la capacité d’auto-guérison de l’asphalte^11,12. Cependant, il s’agit d’un traitement unique et les matériaux de guérison ne peuvent pas être reconstitués après la libération. Avec le développement de la nanotechnologie, les nanomatériaux sont devenus des modificateurs prometteurs pour améliorer les matériaux à base d’asphalte. Les liants d’asphalte incorporés à des nanomatériaux présentent une meilleure conductivité thermique et de meilleures propriétés mécaniques¹³. Le graphène avec d’excellentes performances mécaniques et des performances thermiques élevées est considéré comme un excellent candidat pour améliorer la capacité d’auto-guérison de l’asphalte^14,15,16,17. Les propriétés curatives accrues de l’asphalte modifié au graphène peuvent être attribuées au fait que le graphène augmente la capacité du liant d’asphalte à être chauffé et à produire un transfert de chaleur à l’intérieur du liant d’asphalte, ce qui signifie que l’asphalte modifié au graphène peut être chauffé plus rapidement et atteindre une température plus élevée que l’asphalte pur.¹⁸. La chaleur générée peut être transférée dans l’asphalte modifié au graphène à une vitesse plus rapide que celle de l’asphalte pur. La région de fissure du liant d’asphalte peut être facilement influencée et guérie plus rapidement par le flux de chaleur avec une température plus élevée et une capacité de chauffage plus élevée. La réaction d’auto-guérison commencera si l’énergie égale ou supérieure à l’énergie d’activation de guérison existe à la surface de la fissure de l’asphalte.¹⁹. Le graphène peut améliorer les performances de guérison par activation thermique et accélérer le taux de guérison de l’asphalte^19,20. En outre, le graphène peut économiser de l’énergie de chauffage jusqu’à 50% pendant le processus de guérison, ce qui peut améliorer l’efficacité énergétique et réduire les coûts de maintenance.²¹. En tant que matériau absorbant les micro-ondes, le graphène améliorerait la capacité de guérison de l’asphalte pendant la période de repos du chauffage par micro-ondes.²². On s’attend à ce que l’ajout de graphène dans l’asphalte améliore non seulement les performances mécaniques, mais aussi la capacité d’auto-guérison et d’économie d’énergie, ce qui nécessite une connaissance approfondie du mécanisme d’auto-guérison.

L’auto-guérison à l’échelle nanométrique est principalement due au mouillage et à la diffusion des molécules d’asphalte au niveau des faces fracturées²³. Comme l’asphalte se compose de diverses molécules polaires et non polaires, sa capacité d’auto-guérison est fortement liée aux interactions moléculaires et aux mouvements des molécules d’asphalte de différents composants¹. Cependant, la recherche actuelle s’appuie principalement sur des techniques expérimentales pour quantifier les propriétés mécaniques macroscopiques, ce qui entraîne des informations manquantes dans le changement de microstructures et les interactions entre les molécules d’asphalte lorsqu’il s’agit de comprendre le mécanisme de guérison. Le mécanisme de renforcement du graphène dans la capacité d’auto-guérison de l’asphalte n’est pas non plus clair à ce stade. Les simulations de dynamique moléculaire (DM) jouent un rôle influent dans l’étude des interactions moléculaires et des mouvements des systèmes nanocomposites, et relient la déformation microstructurale aux interactions et mouvements moléculaires 24,25,26,27,28,29,30,31 . Les simulations MD sont devenues de plus en plus populaires pour analyser les comportements des matériaux qui ne sont pas facilement accessibles par les expériences^32,33. Les études existantes ont montré la faisabilité et la disponibilité des simulations md dans les systèmes d’asphalte; la cohésion, l’adhérence, le vieillissement et les propriétés thermomécaniques de l’asphalte et des composites d’asphalte peuvent être explorés par les simulations MD ^34,35,36,37. Les comportements d’auto-guérison de l’asphalte peuvent également être prédits par des simulations MD 38,39,40. Par conséquent, on croit que l’enquête utilisant des simulations MD est un moyen efficace de comprendre à la fois les mécanismes d’auto-guérison et de renforcement.

Les objectifs de cette étude sont d’étudier les comportements d’auto-guérison de l’asphalte pur et des nanocomposites d’asphalte modifié au graphène et de comprendre le rôle du graphène dans l’amélioration de la capacité de guérison de l’asphalte grâce à des simulations MD. Les simulations d’auto-guérison de composites d’asphalte pur et d’asphalte modifié au graphène sont réalisées en introduisant des fissures dans les structures initiales. Les capacités d’auto-guérison sont caractérisées par le contour du nombre d’atomes, la réorientation et l’intrication des molécules à la face fracturée et la mobilité des composants de l’asphalte au cours des processus d’auto-guérison. En étudiant l’efficacité de guérison du graphène sur différents sites, le mécanisme de renforcement du graphène contribuant aux capacités d’auto-guérison de l’asphalte est dévoilé, ce qui peut aider à la surveillance des nanocharges de manière optimale et permettre ainsi la prolongation de la durée de vie des chaussées en asphalte. Une étude de la capacité d’auto-guérison à l’échelle atomistique peut fournir un moyen efficace de développer des matériaux avancés à base d’asphalte pour les recherches futures.

Selon la chimie de l’asphalte, l’asphalte se compose de divers types d’hydrocarbures et de non-hydrocarbures de polarité et de formes différentes, qui peuvent principalement être divisés en quatre composants de l’asphaltène, des aromatiques polaires, des aromatiques de naphtène et des saturés^41,42. Les molécules d’asphaltène sont relativement plus grandes et plus lourdes que les autres molécules de l’asphalte, avec une masse atomique moyenne d’environ 750 g/mol et un diamètre moléculaire compris entre 10 et 20 Å. Il a été largement admis que l’asphaltène est composé de grands noyaux aromatiques qui contiennent des hétéroatomes et sont entourés de différentes longueurs de groupes alkyles⁴³. Une molécule d’asphaltène modifiée est construite, comme le montre la figure 1a. Les molécules d’aromatiques polaires et d’aromatiques de naphtène sont construites en fonction de la polarité et du rapport d’éléments des molécules d’asphalte, le benzobisbenzothiophène (_C18H_10S2) représentant la molécule aromatique polaire et le 1,7-diméthylnaphtalène (_C12H12) étant choisi comme molécule aromatique représentative du naphtène, comme le montre la figure 1b-c. Le n-docosane (n-C ₂₂H₄₆) est construit comme le montre la figure 1d. Les paramètres énumérés dans le tableau 1 pour les molécules d’asphalte sont sélectionnés et utilisés pour répondre aux critères souhaités, y compris la fraction massique élémentaire, le rapport d’atomes et le rapport aromatique/aliphatique, de l’asphalte réel des expériences⁴¹. Le même rapport de masse a été défini dans nos études précédentes, et les autres propriétés thermomécaniques telles que la densité, la température de transition vitreuse et la viscosité sont en bon accord avec les données expérimentales de l’asphalte réel³⁶. La structure moléculaire du graphène appliquée dans cette étude est illustrée à la figure 1e. La feuille de graphène adoptée dans cette étude n’a aucun défaut et aucun pli par rapport à celui du cas réel, tandis que la feuille de graphène réelle présente généralement plusieurs défauts tels que des vides atomiques et des défauts stone-wales⁴⁴, et certaines des feuilles de graphène peuvent être pliées pendant le processus de mélange dans la matrice d’asphalte⁴⁵. Ces situations imparfaites ne sont pas prises en compte dans cette étude, puisque nous nous concentrons sur l’effet du site de la feuille de graphène sur les propriétés d’auto-guérison et le choisissons comme seule variable. Les variables des feuilles de graphène en termes de défauts et de boîtiers pliés seront au centre de nos futures études. Le rapport massique du graphène à l’asphalte dans cette étude est de 4,75%, ce qui est la situation normale (<5%) pour l’asphalte modifié au graphène dans l’expérience^46,47.

Figure 1 : Structure chimique. Les modèles atomistiques de (a) molécule d’asphaltène (C₅₃H₅₅NOS), (b) molécule aromatique de naphtène (_C12H₁₂), (c) molécule aromatique polaire (C₁₈H₁₀S₂), (d) molécule saturée (C₂₂H₄₆), (e) graphène et (f) asphalte pur. Pour le modèle atomistique de l’asphalte, les atomes de carbone, d’oxygène, d’azote, de soufre et d’hydrogène sont représentés en gris, rouge, bleu, jaune et blanc, respectivement. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Tableau 1 : Composantes globales du modèle d’asphalte pur et du modèle d’asphalte modifié au graphène.

En ce qui concerne le protocole décrit ci-dessous, deux types de fissures en forme de coin de différentes tailles sont insérés au milieu du modèle d’asphalte avec une pointe de fissure émoussée et deux surfaces de fissure parallèles, tandis que la zone supérieure médiane du vrac d’asphalte reste intacte. Deux largeurs de fissure sont choisies comme 15 Å et 35 Å, comme le montre la figure 2a-b. La raison du choix de 15 Å est que la largeur de la fissure doit être plus large que la coupure de 12 Å pour éviter l’auto-guérison précoce des molécules d’asphalte pendant le processus d’équilibre tout en étudiant un cas extrême pour une petite fissure. La raison du choix de 35 Å est que la largeur de la fissure doit être plus large que la longueur des molécules saturées de 34 Å afin d’éviter l’effet de pontage. La hauteur de la fissure est de 35 Å, la même que la largeur de la boîte, et la profondeur de la fissure est de 70 Å, la même que la longueur de la boîte. Dans la situation réelle, les tailles de microfissures observées peuvent varier de plusieurs micromètres à plusieurs millimètres, ce qui est beaucoup plus grand que l’échelle de longueur que nous modélisons ici. Normalement, l’échelle de longueur dans la simulation MD est limitée à l’échelle de 100 nm, ce qui est encore plusieurs ordres de grandeur plus petit que la taille réelle de la fissure. Cependant, les fissures commencent à l’échelle nanométrique et se transforment en fissures à l’échelle macro avec une déformation continue⁴⁸. La compréhension du mécanisme d’auto-guérison à l’échelle nanométrique peut aider à prévenir la croissance et la propagation ultérieure de la fissure à l’échelle macro. Même si les tailles de fissures sélectionnées sont de l’ordre du nanomètre, les résultats peuvent toujours être influents et applicables pour explorer les comportements d’auto-guérison des molécules d’asphalte. Il y a deux emplacements pour les feuilles de graphène dans les zones de fissure: l’un est au-dessus de la pointe de la fissure et l’autre est perpendiculaire à la surface de la fissure gauche. Il a été constaté que ce sont les positions les plus courantes pour le graphène dans les nanocomposites modifiés par le graphène avec des fissures⁴⁹.

Figure 2 : Schémas d’auto-guérison de l’asphalte pur et de l’asphalte modifié au graphène. Le modèle auto-cicatrisant d’asphalte pur avec une largeur de fissure de (a) 15 Å et (b) 35 Å. Le modèle auto-cicatrisant d’asphalte modifié au graphène avec la feuille de graphène est situé (c) au sommet de la pointe de la fissure et (d) perpendiculairement à la surface de la fissure. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Dans les simulations MD, les interactions intramoléculaires et intermoléculaires dans les nanocomposites d’asphalte sont décrites par le champ de force de valence cohérent (CVFF)⁵⁰, qui fonctionne bien avec les matériaux à base d’asphalte et de graphène. La forme fonctionnelle du CVFF est exprimée comme l’expression suivante :

1

Ici, le _total d’énergie totale E est composé des termes d’énergie liée et des termes d’énergie non liée. Les interactions liées comprennent l’étirement de la liaison covalente, l’énergie de flexion de l’angle de liaison, la rotation de l’angle de torsion et les énergies incorrectes exprimées dans les quatre premiers termes. L’énergie non liée comprend une fonction LJ-12-6 pour le terme van der Waals (vdW) et une fonction coulombique pour les interactions électrostatiques. CVFF a été largement utilisé pour simuler des matériaux d’asphalte^51,52. Les propriétés physiques et mécaniques simulées telles que la densité, la viscosité et le module en vrac sont en bon accord avec les données expérimentales, qui démontrent la fiabilité du CVFF⁵¹. Le CVFF convient non seulement aux matériaux inorganiques, mais il a également été utilisé avec succès dans des structures constituées de phases organiques et inorganiques telles que l’asphalte-silice⁵² et le système d’époxy-graphène⁵³. De plus, les interactions interfaciales entre le graphène et l’asphalte peuvent être caractérisées par CVFF^36,54. Étant donné que la majeure partie de la sélection du champ de force consiste à déterminer l’interface asphalte-graphène, les interactions non liées décrites par CVFF sont plus fiables, ce qui est également pris en compte dans notre étude précédente³⁶. Dans l’ensemble, le CVFF de champ de force est adopté dans cette étude. Les charges partielles pour différents types d’atomes sont calculées par la méthode assignée au champ de force.