Fortschrittlicher selbstheilender Asphalt, verstärkt durch Graphenstrukturen: eine atomistische Erkenntnis

Die Verschlechterung unter täglichen Fahrzeugbelastungen und varianten Umgebungsbedingungen sowie die Alterung des Asphalts während des Betriebs führen zu Verschlechterungen oder sogar strukturellen Ausfällen, d. H. Rissbildung und Raveling, die die Haltbarkeit von Asphaltbelägen weiter schwächen können. Die inhärente Reaktion von Asphalt auf die Reparatur von Mikrorissen und Hohlräumen hilft ihm automatisch, sich von Schäden zu erholen und die Festigkeit wiederherzustellen¹. Diese Selbstheilungsfähigkeit kann die Lebensdauer von Asphalt erheblich verlängern, Wartungskosten einsparen und den Ausstoß von Treibhausgasen reduzieren ^2,3. Das Selbstheilungsverhalten von Asphalt hängt im Allgemeinen von mehreren Einflussfaktoren ab, einschließlich seiner chemischen Zusammensetzung, dem Grad der Schädigung und den Umgebungsbedingungen⁴. Die verbesserte Selbstheilungsfähigkeit von Asphalt, der Schäden innerhalb kurzer Zeit vollständig heilen kann, ist erwünscht; Dies hat ein umfangreiches Forschungsinteresse an einer besseren mechanischen Leistung und Haltbarkeit für Asphaltbeläge im Tiefbau geweckt.

Neuartige Methoden zur Verbesserung der Selbstheilungsfähigkeit von Asphalt umfassen hauptsächlich drei Ansätze – Induktion von Erwärmung, Verkapselungsheilung und Einbeziehung von Nanomaterialien -, die einzeln oder gleichzeitig angewendet werden können.^5,6. Die Induktion einer Erwärmung kann die Beweglichkeit von Asphalt erheblich verbessern und seine Selbstheilung für die Erholung aktivieren⁷. Die Selbstheilungstechnologie von Asphalt durch Induktion der Erwärmung kann der assistierten Selbstheilungstechnik zugeschrieben werden, die darauf hinweist, dass die Selbstheilungseigenschaften von Asphalt durch äußere Reize verbessert werden. Ziel der Zugabe der Stahlwollefasern ist es, die elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen, um die Heilungsfähigkeit des Asphaltbindemittels zu erhöhen⁸. Der Ansatz zur Induktion von Wärme besteht darin, diese elektrisch leitfähigen Fasern dem hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeld auszusetzen, das Wirbelströme induzieren kann, und die Wärmeenergie kann durch die leitfähigen Fasern in das Asphaltbindemittel diffundieren⁹. Die Stahlwollefasern verbessern nicht nur die elektrische Leitfähigkeit, sondern auch die Wärmeleitfähigkeit, was sich positiv auf die Selbstheilungseigenschaften von Asphalt auswirken kann. Es ist jedoch schwierig, den richtigen Mischzeitpunkt für Fasern auszuwählen.¹⁰. Die Länge der Fasern nimmt mit zunehmender Mischzeit ab und beeinflusst die Wärmeleitfähigkeit, während die verringerte Mischzeit zu Faserclustern führt und die mechanischen Eigenschaften von Asphalt behindert⁹. Die Verkapselungsmethode kann leichte Bestandteile von gealtertem Asphalt wie Aromaten und gesättigte Fettsäuren liefern und die Selbstheilungsfähigkeit von Asphalt auffrischen.^11,12. Dies ist jedoch eine einmalige Behandlung, und die Heilmaterialien können nach der Freisetzung nicht wieder aufgefüllt werden. Mit der Entwicklung der Nanotechnologie sind Nanomaterialien zu vielversprechenden Modifikatoren für die Verbesserung asphaltbasierter Materialien geworden. Asphaltbindemittel, die mit Nanomaterialien eingearbeitet sind, weisen eine bessere Wärmeleitfähigkeit und mechanische Eigenschaften auf¹³. Graphen mit ausgezeichneter mechanischer Leistung und hoher thermischer Leistung gilt als ausgezeichneter Kandidat zur Verbesserung der Selbstheilungsfähigkeit von Asphalt^14,15,16,17. Die erhöhten heilenden Eigenschaften von graphenmodifiziertem Asphalt können darauf zurückgeführt werden, dass Graphen die Kapazität des Asphaltbindemittels erhöht, erhitzt zu werden und Wärmeübertragung im Asphaltbindemittel zu erzeugen, was bedeutet, dass graphenmodifizierter Asphalt schneller erhitzt werden kann und bis zu einer höheren Temperatur als reiner Asphalt erreicht werden kann.¹⁸. Die erzeugte Wärme kann schneller als durch reinen Asphalt durch den graphenmodifizierten Asphalt übertragen werden. Der Rissbereich des Asphaltbindemittels kann durch den Wärmestrom mit höherer Temperatur und höherer Heizleistung leicht beeinflusst und schneller abgeheilt werden. Die Selbstheilungsreaktion beginnt, wenn die Energie, die gleich oder größer als die heilende Aktivierungsenergie ist, an der Rissoberfläche des Asphalts existiert¹⁹. Graphen kann die Heilungsleistung der thermischen Aktivierung verbessern und die Heilungsrate von Asphalt beschleunigen^19,20. Außerdem kann Graphen während des Heilungsprozesses bis zu 50% Heizenergie sparen, was der Energieeffizienz zugute kommen und die Wartungskosten senken kann.²¹. Als mikrowellenabsorbierendes Material soll Graphen die Heilungsfähigkeit von Asphalt während der Ruhezeit der Mikrowellenerwärmung verbessern.²². Es wird erwartet, dass die Zugabe von Graphen in Asphalt nicht nur die mechanische Leistung, sondern auch die Selbstheilungs- und Energiesparkapazität verbessert, was ein fundiertes Wissen über den Selbstheilungsmechanismus erfordert.

Die Selbstheilung auf der Nanoskala ist hauptsächlich auf die Benetzung und Diffusion von Asphaltmolekülen an den gebrochenen Flächen^{zurückzuführen 23}. Da Asphalt aus verschiedenen polaren und unpolaren Molekülen besteht, hängt seine Selbstheilungsfähigkeit stark mit molekularen Wechselwirkungen und Bewegungen von Asphaltmolekülen verschiedener Komponenten^{zusammen 1}. Die aktuelle Forschung stützt sich jedoch hauptsächlich auf experimentelle Techniken zur Quantifizierung makroskopischer mechanischer Eigenschaften, die zu fehlenden Informationen bei der Veränderung von Mikrostrukturen und den Wechselwirkungen zwischen Asphaltmolekülen führen, wenn versucht wird, den Heilungsmechanismus zu verstehen. Der Verstärkungsmechanismus von Graphen in der Selbstheilungsfähigkeit von Asphalt ist zu diesem Zeitpunkt ebenfalls unklar. Molekulardynamik-Simulationen (MD) spielen eine einflussreiche Rolle bei der Untersuchung molekularer Wechselwirkungen und Bewegungen von Nanokompositsystemen und verknüpfen mikrostrukturelle Verformung mit molekularen Wechselwirkungen und Bewegungen 24,25,26,27,28,29,30,31 . MD-Simulationen sind immer beliebter geworden, um Materialverhalten zu analysieren, auf das Experimente nicht leicht zugreifen können^32,33. Bestehende Studien haben die Machbarkeit und Verfügbarkeit von MD-Simulationen in Asphaltsystemen gezeigt; Die Kohäsions-, Adhäsions-, Alterungs- und thermomechanischen Eigenschaften von Asphalt und Asphaltverbundwerkstoffen können durch MD-Simulationen^34,35,36,37 untersucht werden. Das Selbstheilungsverhalten von Asphalt kann auch durch MD-Simulationen^38,39,40 vorhergesagt werden. Daher wird angenommen, dass die Untersuchung mit MD-Simulationen ein effektiver Weg ist, um sowohl die Selbstheilungs- als auch die Verstärkungsmechanismen zu verstehen.

Ziel dieser Studie ist es, das Selbstheilungsverhalten von reinem Asphalt und graphenmodifizierten Asphalt-Nanokompositen zu untersuchen und die Rolle von Graphen bei der Verbesserung der Heilungsfähigkeit von Asphalt durch MD-Simulationen zu verstehen. Die selbstheilenden Simulationen von reinem Asphalt und graphenmodifizierten Asphaltverbundwerkstoffen werden durchgeführt, indem Risse in die Ausgangsstrukturen eingebracht werden. Die Selbstheilungsfähigkeiten sind gekennzeichnet durch die Kontur der Atomzahlen, die Neuorientierung und Verschränkung von Molekülen an der gebrochenen Fläche und die Beweglichkeit von Asphaltkomponenten während der Selbstheilungsprozesse. Durch die Untersuchung der Heilwirkung von Graphen an verschiedenen Stellen wird der Verstärkungsmechanismus von Graphen aufgedeckt, der zu den Selbstheilungsfähigkeiten von Asphalt beiträgt, was bei der Überwachung von Nanofüllstoffen optimal helfen und somit die Lebensdauer von Asphaltbelägen ermöglichen kann. Eine Untersuchung der Selbstheilungsfähigkeit auf atomarer Ebene kann eine effiziente Möglichkeit bieten, fortschrittliche Materialien auf Asphaltbasis für die zukünftige Forschung zu entwickeln.

Nach der Asphaltchemie besteht Asphalt aus verschiedenen Arten von Kohlenwasserstoffen und Nicht-Kohlenwasserstoffen mit unterschiedlicher Polarität und Form, die hauptsächlich in die vier Komponenten Asphalten, polare Aromaten, Naphthenaromaten und gesättigte Fettsäuren^{unterteilt werden können 41,42}. Asphaltenmoleküle sind relativ größer und schwerer als andere Moleküle in Asphalt, mit einer mittleren Atommasse von etwa 750 g / mol und einem Moleküldurchmesser im Bereich von 10-20 Å. Es wurde allgemein akzeptiert, dass Asphalten aus großen aromatischen Kernen besteht, die Heteroatome enthalten und von unterschiedlichen Längen von Alkylgruppen⁴³ umgeben sind. Es wird ein modifiziertes Asphaltenmolekül konstruiert, wie in Abbildung 1a gezeigt. Die Moleküle der polaren Aromaten und Naphthenaromaten werden basierend auf der Polarität und dem Elementverhältnis der Asphaltmoleküle konstruiert, wobei Benzobizbenzothiophen (C 18 H 10 S 2) das polare aromatische Molekül und 1,7-Dimethylnaphthalin (C₁₂H₁₂) als repräsentatives naphthenaromatisches Molekül ausgewählt werden, wie in Abbildung 1b-c gezeigt. N-Docosan (n-C ₂₂H₄₆) ist wie in Abbildung 1d dargestellt aufgebaut. Die in Tabelle 1 für Asphaltmoleküle aufgeführten Parameter werden ausgewählt und verwendet, um die gewünschten Kriterien zu erfüllen, einschließlich des elementaren Massenanteils, des Atomverhältnisses und des aromatischen/aliphatischen Verhältnisses von echtem Asphalt aus Experimenten⁴¹. Das gleiche Massenverhältnis wurde in unseren früheren Studien definiert, und die anderen thermomechanischen Eigenschaften wie Dichte, Glasübergangstemperatur und Viskosität stimmen gut mit den experimentellen Daten von echtem Asphalt³⁶ überein. Die molekulare Struktur von Graphen, das in dieser Studie angewendet wird, ist in Abbildung 1e dargestellt. Die in dieser Studie angenommene Graphenplatte hat keinen Defekt und keine Faltung im Vergleich zu der des realen Falls, während die echte Graphenplatte normalerweise mehrere Defekte wie atomare Leerstände und Stone-Wales-Defekte⁴⁴ aufweist und einige der Graphenplatten während des Mischprozesses in der Asphaltmatrix⁴⁵ gefaltet werden können. Diese unvollkommenen Situationen werden in dieser Studie nicht berücksichtigt, da wir uns auf die Wirkung der Stelle des Graphenblattes auf die Selbstheilungseigenschaften konzentrieren und sie als einzige Variable wählen. Die Variablen von Graphenplatten in Bezug auf die Defekte und gefalteten Gehäuse werden im Mittelpunkt unserer zukünftigen Studien stehen. Das Massenverhältnis von Graphen zu Asphalt in dieser Studie beträgt 4,75%, was die Normalsituation (<5%) für graphenmodifizierten Asphalt im Experiment^46,47 ist.

Abbildung 1: Chemische Struktur. Die atomistischen Modelle von (a) Asphaltenmolekül (C₅₃H₅₅NOS), (b) naphthenaromatisches Molekül (C₁₂H 12), (c) polares aromatisches Molekül (C₁₈H₁₀S₂), (d) gesättigtes Molekül (C₂₂ H₄₆), (e) Graphen und (f) reiner Asphalt. Für das atomistische Asphaltmodell werden die Kohlenstoff-, Sauerstoff-, Stickstoff-, Schwefel- und Wasserstoffatome in Grau, Rot, Blau, Gelb und Weiß dargestellt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Tabelle 1: Gesamtbestandteile des reinen Asphaltmodells und des graphenmodifizierten Asphaltmodells

In Bezug auf das unten beschriebene Protokoll werden zwei Arten von keilartigen Rissen unterschiedlicher Größe mit einer stumpfen Rissspitze und zwei parallelen Rissflächen in die Mitte des Asphaltmodells eingefügt, während der mittlere obere Bereich des Asphaltvolumens intakt bleibt. Zwei Rissbreiten werden als 15 Å und 35 Å gewählt, wie in Abbildung 2a-b dargestellt. Der Grund für die Auswahl von 15 Å ist, dass die Rissbreite breiter als der Grenzwert von 12 Å sein sollte, um die frühe Selbstheilung von Asphaltmolekülen während des Gleichgewichtsprozesses zu vermeiden, während ein extremer Fall für einen kleinen Riss untersucht wird. Der Grund für die Auswahl von 35 Å ist, dass die Rissbreite breiter sein sollte als die Länge der gesättigten Moleküle von 34 Å, um den Überbrückungseffekt zu verhindern. Die Höhe des Risses beträgt 35 Å, die gleiche wie die Kastenbreite, und die Tiefe des Risses beträgt 70 Å, die gleiche wie die Kastenlänge. In der realen Situation können die beobachteten Mikrorissgrößen im Bereich von mehreren Mikrometern bis zu mehreren Millimetern variiert werden, was weit größer ist als die Längenskala, die wir hier modellieren. Normalerweise ist die Längenskala in der MD-Simulation auf die Skala von 100 nm beschränkt, die immer noch einige Größenordnungen kleiner ist als die tatsächliche Rissgröße. Die Risse beginnen jedoch auf der Nanoskala und wachsen mit kontinuierlicher Verformung zu makroskaligen Rissen^{heran 48}. Das Verständnis des Selbstheilungsmechanismus auf der Nanoskala kann helfen, das Wachstum und die weitere Ausbreitung des Risses auf der Makroskala zu verhindern. Auch wenn die ausgewählten Rissgrößen im Nanometerbereich liegen, können die Ergebnisse dennoch einflussreich und anwendbar sein, um das Selbstheilungsverhalten von Asphaltmolekülen zu erforschen. Es gibt zwei Positionen für die Graphenschichten in den Rissbereichen: eine befindet sich oben auf der Rissspitze und die andere ist senkrecht zur linken Rissoberfläche. Es wurde festgestellt, dass dies die häufigsten Positionen für Graphen in graphenmodifizierten Nanokompositen mit Rissen⁴⁹ sind.

Abbildung 2: Die Selbstheilungsschemata für reinen Asphalt und graphenmodifizierten Asphalt. Das selbstheilende Modell von reinem Asphalt mit einer Rissbreite von (a) 15 Å und (b) 35 Å. Das selbstheilende Modell von graphenmodifiziertem Asphalt mit der Graphenplatte befindet sich (c) oben an der Rissspitze und (d) senkrecht zur Rissoberfläche. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

In MD-Simulationen werden die intramolekularen und intermolekularen Wechselwirkungen in den Asphalt-Nanokompositen durch das Consistent Valence Forcefield (CVFF)⁵⁰ beschrieben, das gut mit asphalt- und graphenbasierten Materialien funktioniert. Die funktionale Form von CVFF wird wie folgt ausgedrückt:

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Hier setzt sich die Gesamtenergiesumme E aus den gebundenen Energietermen und den nicht gebundenen Energietermen zusammen. Die gebundenen Wechselwirkungen bestehen aus der kovalenten Bindungsdehnung, der Bindungswinkelbiegeenergie, der Torsionswinkelrotation und den falschen Energien, wie sie in den ersten vier Termen ausgedrückt werden. Die ungebundene Energie umfasst eine LJ-12-6-Funktion für den van der Waals (vdW) -Term und eine Coulomb-Funktion für die elektrostatischen Wechselwirkungen. CVFF wurde häufig bei der Simulation von Asphaltmaterialien^{eingesetzt 51,52}. Die simulierten physikalischen und mechanischen Eigenschaften wie Dichte, Viskosität und Volumenmodul stimmen gut mit den experimentellen Daten überein, die die Zuverlässigkeit von CVFF⁵¹ belegen. CVFF eignet sich nicht nur für anorganische Materialien, sondern wurde auch erfolgreich in Strukturen eingesetzt, die aus organischen und anorganischen Phasen wie Asphalt-Siliciumdioxid 52 und dem System von^{Epoxid-Graphen 53} bestehen. Darüber hinaus können die Grenzflächenwechselwirkungen zwischen Graphen und Asphalt durch CVFF^36,54 charakterisiert werden. Da der Hauptteil bei der Auswahl des Kraftfeldes darin besteht, die Asphalt-Graphen-Schnittstelle zu bestimmen, sind die von CVFF beschriebenen ungebundenen Wechselwirkungen zuverlässiger, was auch in unserer vorherigen Studie³⁶ berücksichtigt wird. Insgesamt wird das Kraftfeld CVFF in dieser Studie berücksichtigt. Die Teilladungen für verschiedene Arten von Atomen werden nach der Kraftfeld-zugewiesenen Methode berechnet.