الأسفلت المتقدم ذاتي الشفاء المعزز بهياكل الجرافين: رؤية ذرية

يؤدي التدهور تحت أحمال المركبات اليومية والظروف البيئية المتغيرة ، وتقادم الأسفلت أثناء الخدمة إلى تدهور أو حتى فشل هيكلي ، أي التكسير والتخريب ، مما قد يزيد من إضعاف متانة الأرصفة الأسفلتية. الاستجابة المتأصلة للأسفلت لإصلاح الشقوق والفراغات الدقيقة تساعده تلقائيا على التعافي من الأضرار واستعادة القوة¹. يمكن لهذه القدرة على الشفاء الذاتي أن تطيل بشكل كبير من عمر خدمة الأسفلت ، وتوفر تكاليف الصيانة ، وتقلل من انبعاثات غازات الدفيئة ^2,3. يعتمد سلوك الشفاء الذاتي للأسفلت بشكل عام على العديد من العوامل المؤثرة ، بما في ذلك تركيبته الكيميائية ، ودرجة الضرر ، والظروف البيئية⁴. ومن المرغوب فيه تحسين قدرة الأسفلت على الشفاء الذاتي التي يمكنها أن تشفي الضرر بالكامل في غضون فترة قصيرة؛ وقد اجتذب ذلك اهتماما بحثيا واسعا بأداء ميكانيكي أفضل ومتانة للأرصفة الأسفلتية في الهندسة المدنية.

تتضمن الطرق الجديدة لتحسين قدرة الشفاء الذاتي للأسفلت بشكل أساسي ثلاثة نهج – تحفيز التسخين ، وشفاء التغليف ، ودمج المواد النانوية – والتي يمكن تطبيقها بشكل فردي أو في وقت واحد^5,6. يمكن للتدفئة المحفزة أن تحسن بشكل كبير من حركة الأسفلت وتنشط الشفاء الذاتي للتعافي⁷. يمكن أن تعزى تقنية الشفاء الذاتي للأسفلت عن طريق تحفيز التسخين إلى تقنية الشفاء الذاتي المساعدة ، مما يشير إلى أن خصائص الشفاء الذاتي للأسفلت يتم تحسينها بواسطة المحفزات الخارجية. الهدف من إضافة ألياف الصوف الصلب هو تعزيز الموصلية الكهربائية من أجل زيادة قدرة الشفاء من الموثق الأسفلتي⁸. يتمثل نهج تحفيز الحرارة في تعريض هذه الألياف الموصلة كهربائيا للمجال الكهرومغناطيسي المتناوب عالي التردد ، والذي يمكن أن يحفز تيارات الدوامة ، ويمكن أن تنتشر الطاقة الحرارية في الموثق الأسفلتي بواسطة الألياف الموصلة.⁹. لا تعزز ألياف الصوف الفولاذي الموصلية الكهربائية فحسب ، بل تعزز أيضا الموصلية الحرارية ، وكلاهما يمكن أن يؤثر بشكل إيجابي على خصائص الشفاء الذاتي للأسفلت. ومع ذلك ، من الصعب تحديد وقت الخلط المناسب للألياف¹⁰. يتناقص طول الألياف مع زيادة وقت الخلط ويؤثر على الموصلية الحرارية ، في حين أن انخفاض وقت الخلط يؤدي إلى مجموعات من الألياف ويعيق الخواص الميكانيكية للأسفلت⁹. يمكن لطريقة التغليف توفير المكونات الخفيفة للأسفلت القديم مثل العطريات والتشبع وتحديث قدرة الشفاء الذاتي للأسفلت^11,12. ومع ذلك ، هذا علاج لمرة واحدة فقط ، ولا يمكن تجديد مواد الشفاء بعد الإفراج. مع تطور تكنولوجيا النانو ، أصبحت المواد النانوية معدلات واعدة لتعزيز المواد القائمة على الأسفلت. توفر روابط الأسفلت المدمجة مع المواد النانوية توصيلية حرارية وخصائص ميكانيكية أفضل¹³. يعتبر الجرافين ذو الأداء الميكانيكي الممتاز والأداء الحراري العالي مرشحا ممتازا لتحسين قدرة الشفاء الذاتي للأسفلت^14,15,16,17. يمكن أن تعزى الخصائص العلاجية المتزايدة للأسفلت المعدل بالجرافين إلى حقيقة أن الجرافين يزيد من قدرة الموثق الأسفلتي على التسخين وينتج نقل الحرارة داخل الموثق الأسفلتي ، مما يعني أنه يمكن تسخين الأسفلت المعدل بالجرافين بسرعة أكبر والوصول إلى درجة حرارة أعلى من الأسفلت النقي¹⁸. يمكن نقل الحرارة المتولدة في جميع أنحاء الأسفلت المعدل بالجرافين بسرعة أكبر من تلك التي من خلال الأسفلت النقي. يمكن أن تتأثر منطقة الكراك في الموثق الأسفلتي بسهولة وتلتئم بشكل أسرع من خلال تدفق الحرارة مع درجة حرارة أعلى وقدرة تسخين أعلى. سيبدأ تفاعل الشفاء الذاتي إذا كانت الطاقة التي تساوي أو أكبر من طاقة تنشيط الشفاء موجودة على سطح التصدع في الأسفلت¹⁹. الجرافين يمكن أن يحسن أداء الشفاء بالتنشيط الحراري ويسرع معدل الشفاء من الأسفلت^19,20. إلى جانب ذلك ، يمكن للجرافين توفير طاقة التدفئة بنسبة تصل إلى 50٪ أثناء عملية الشفاء ، مما قد يفيد كفاءة الطاقة ويقلل من تكاليف الصيانة.²¹. كمادة ماصة للميكروويف ، يقال إن الجرافين يحسن قدرة الشفاء للأسفلت خلال فترة الراحة من تسخين الميكروويف²². من المتوقع أن تؤدي إضافة الجرافين إلى الأسفلت إلى تحسين الأداء الميكانيكي فحسب ، بل أيضا القدرة على الشفاء الذاتي وتوفير الطاقة ، الأمر الذي يتطلب معرفة متعمقة بآلية الشفاء الذاتي.

يرجع الشفاء الذاتي على مقياس النانو بشكل رئيسي إلى ترطيب وانتشار جزيئات الأسفلت في الوجوه المكسورة²³. نظرا لأن الأسفلت يتكون من جزيئات قطبية وغير قطبية مختلفة ، فإن قدرته على الشفاء الذاتي ترتبط ارتباطا وثيقا بالتفاعلات الجزيئية وحركات جزيئات الأسفلت المكونة من مكونات مختلفة¹. ومع ذلك ، تعتمد الأبحاث الحالية بشكل أساسي على التقنيات التجريبية لتحديد الخواص الميكانيكية العيانية ، والتي تسبب معلومات مفقودة في تغيير الهياكل المجهرية والتفاعلات بين جزيئات الأسفلت عند محاولة فهم آلية الشفاء. آلية تعزيز الجرافين في قدرة الشفاء الذاتي للأسفلت غير واضحة أيضا في هذه المرحلة. تلعب محاكاة الديناميكا الجزيئية (MD) دورا مؤثرا في التحقيق في التفاعلات الجزيئية وحركات الأنظمة النانوية المركبة ، وتربط التشوه الهيكلي المجهري بالتفاعلات والحركات الجزيئية 24،25،^26،27،²⁸،²⁹،^30،31 . أصبحت محاكاة MD أكثر وأكثر شعبية لتحليل سلوكيات المواد التي لا يمكن الوصول إليها بسهولة عن طريق التجارب^32,33. وقد أظهرت الدراسات القائمة جدوى وتوافر عمليات محاكاة MD في النظم الأسفلتية؛ يمكن استكشاف التماسك والالتصاق والشيخوخة والخواص الميكانيكية الحرارية لمركبات الأسفلت والأسفلت من خلال محاكاة MD³⁴،^35،36،37. يمكن أيضا التنبؤ بسلوكيات الشفاء الذاتي للأسفلت من خلال محاكاة MD^38,39,40. لذلك ، يعتقد أن التحقيق باستخدام محاكاة MD هو وسيلة فعالة لفهم كل من آليات الشفاء الذاتي والتعزيز.

أهداف هذه الدراسة هي التحقيق في سلوكيات الشفاء الذاتي للأسفلت النقي والمركبات النانوية الأسفلتية المعدلة بالجرافين وفهم دور الجرافين في تحسين قدرة الشفاء للأسفلت من خلال محاكاة MD. يتم إجراء عمليات محاكاة الشفاء الذاتي للأسفلت النقي ومركبات الأسفلت المعدلة بالجرافين عن طريق إدخال الشقوق في الهياكل الأولية. تتميز قدرات الشفاء الذاتي بمحيط أعداد الذرات ، وإعادة توجيه وتشابك الجزيئات في الوجه المكسور ، وتنقل مكونات الأسفلت أثناء عمليات الشفاء الذاتي. من خلال التحقيق في كفاءة الشفاء من الجرافين في مواقع مختلفة ، يتم الكشف عن آلية تعزيز الجرافين التي تساهم في قدرات الشفاء الذاتي للأسفلت ، والتي يمكن أن تساعد في مراقبة الحشوات النانوية بطريقة مثلى وبالتالي تمكين تمديد عمر الأرصفة الأسفلتية. يمكن أن يوفر التحقيق في قدرة الشفاء الذاتي على النطاق الذري طريقة فعالة لتطوير مواد متقدمة قائمة على الأسفلت للبحوث المستقبلية.

وفقا لكيمياء الأسفلت ، يتكون الأسفلت من أنواع مختلفة من الهيدروكربونات وغير الهيدروكربونات ذات القطبية والأشكال المختلفة ، والتي يمكن تقسيمها بشكل أساسي إلى المكونات الأربعة للأسفلتين ، والعطريات القطبية ، وعطرات النفثين ، وتشبع^41,42. جزيئات الأسفلتين أكبر وأثقل نسبيا من الجزيئات الأخرى في الأسفلت ، مع متوسط كتلة ذرية يبلغ حوالي 750 جم / مول وقطر جزيئي يتراوح بين 10-20 Å. من المقبول على نطاق واسع أن الأسفلتين يتكون من نوى عطرية كبيرة تحتوي على ذرات غير متجانسة وتحيط بها أطوال مختلفة من مجموعات الألكيل⁴³. يتم بناء جزيء الأسفلتين المعدل ، كما هو موضح في الشكل 1 أ. يتم بناء جزيئات العطريات القطبية وعطريات النفثين على أساس القطبية ونسبة العناصر في جزيئات الأسفلت ، مع اختيار البنزوبيسبنزوثيوفين (C₁₈H₁₀S₂) للجزيء العطري القطبي و 1,7-dimethylnaphthalene (C 12 H 12) كجزيء عطري ممثل للنفثين ، كما هو موضح في الشكل 1b-c. تم بناء N-docosane (n-C ₂₂H₄₆) كما هو موضح في الشكل 1d. يتم اختيار المعلمات المدرجة في الجدول 1 لجزيئات الأسفلت واستخدامها لتلبية المعايير المطلوبة ، بما في ذلك جزء الكتلة الأولية ، ونسبة الذرة ، والنسبة العطرية / الأليفاتية ، للأسفلت الحقيقي من التجارب⁴¹. تم تعريف نفس نسبة الكتلة في دراساتنا السابقة ، والخواص الحرارية الميكانيكية الأخرى مثل الكثافة ودرجة حرارة التزجج واللزوجة تتفق بشكل جيد مع البيانات التجريبية للأسفلت الحقيقي³⁶. يظهر التركيب الجزيئي للجرافين المطبق في هذه الدراسة في الشكل 1e. ورقة الجرافين المعتمدة في هذه الدراسة ليس لها عيب ولا أضعاف مقارنة بورقة الحالة الحقيقية، في حين أن ورقة الجرافين الحقيقية عادة ما تحتوي على عدة عيوب مثل الشواغر الذرية وعيوب ستون ويلز⁴⁴، ويمكن طي بعض صفائح الجرافين أثناء عملية الخلط في مصفوفة الأسفلت⁴⁵. لا يتم النظر في هذه الحالات غير المثالية في هذه الدراسة ، لأننا نركز على تأثير موقع ورقة الجرافين على خصائص الشفاء الذاتي ونختارها كمتغير وحيد. ستكون متغيرات صفائح الجرافين من حيث العيوب والحالات المطوية محور دراساتنا المستقبلية. بلغت نسبة كتلة الجرافين إلى الأسفلت في هذه الدراسة 4.75٪، وهو الوضع الطبيعي (<5٪) للإسفلت المعدل بالجرافين في التجربة^46,47.

الشكل 1: التركيب الكيميائي. النماذج الذرية ل (أ) جزيء الأسفلتين (C_{53 H 55}NOS)، (ب) جزيء النفثين العطري (C 12 H 12) ، (ج) الجزيء العطري القطبي (C_{18 H10} S₂) ، (د) جزيء المشبع (C₂₂H₄₆) ، (ه) الجرافين ، و (و) الأسفلت النقي. بالنسبة لنموذج الأسفلت الذري ، تظهر ذرات الكربون والأكسجين والنيتروجين والكبريت والهيدروجين باللون الرمادي والأحمر والأزرق والأصفر والأبيض ، على التوالي. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الجدول 1: المكونات الكلية لنموذج الأسفلت النقي ونموذج الأسفلت المعدل بالجرافين.

فيما يتعلق بالبروتوكول الموصوف أدناه ، يتم إدخال نوعين من الشقوق الشبيهة بالإسفين بأحجام مختلفة في منتصف نموذج الأسفلت بطرف صدع حاد وسطحين متوازيين من الشقوق ، بينما تظل المنطقة الوسطى العليا من الجزء الأكبر من الأسفلت سليمة. يتم اختيار عرضين للصدع على أنهما 15 Å و 35 Å ، كما هو موضح في الشكل 2a-b. سبب اختيار 15 Å هو أن عرض الكراك يجب أن يكون أوسع من قطع 12 Å لتجنب الشفاء الذاتي المبكر لجزيئات الأسفلت أثناء عملية التوازن أثناء التحقيق في حالة متطرفة لصدع صغير. سبب اختيار 35 Å هو أن عرض الكراك يجب أن يكون أوسع من طول جزيئات التشبع من 34 Å من أجل منع تأثير الجسر. يبلغ ارتفاع الكراك 35 Å ، وهو نفس عرض الصندوق ، وعمق الكراك هو 70 Å ، وهو نفس طول الصندوق. في الوضع الحقيقي ، يمكن أن تختلف أحجام الشقوق الدقيقة المرصودة في النطاق من عدة ميكرومترات إلى عدة ملليمترات ، وهو أكبر بكثير من مقياس الطول الذي نقوم بنمذجته هنا. عادة ، يقتصر مقياس الطول في محاكاة MD على مقياس 100 نانومتر ، والذي لا يزال أصغر بعدة أوامر من الحجم من حجم الكراك الحقيقي. ومع ذلك ، تبدأ الشقوق على مقياس النانو وتنمو لتصبح شقوقا كبيرة مع تشوه مستمر⁴⁸. يمكن أن يساعد فهم آلية الشفاء الذاتي على مقياس النانو في منع نمو الكراك وزيادة انتشاره على المستوى الكلي. على الرغم من أن أحجام الشقوق المختارة تقع في نطاق النانومتر ، إلا أن النتائج لا تزال مؤثرة وقابلة للتطبيق لاستكشاف سلوكيات الشفاء الذاتي لجزيئات الأسفلت. هناك موقعان لصفائح الجرافين في مناطق الكراك: أحدهما أعلى طرف الكراك والآخر عمودي على سطح الكراك الأيسر. وقد وجد أن هذه هي المواقف الأكثر شيوعا للجرافين في المركبات النانوية المعدلة بالجرافين مع الشقوق⁴⁹.

الشكل 2: مخططات الشفاء الذاتي للأسفلت النقي والأسفلت المعدل بالجرافين. نموذج الشفاء الذاتي للأسفلت النقي بعرض صدع يبلغ (أ) 15 Å و (ب) 35 Å. يقع نموذج الشفاء الذاتي للأسفلت المعدل بالجرافين مع ورقة الجرافين (ج) في الجزء العلوي من طرف الكراك و (د) عموديا على سطح الكراك. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

في محاكاة MD ، يتم وصف التفاعلات داخل الجزيئات وبين الجزيئات في المركبات النانوية الأسفلتية بواسطة Consistent Valence Forcefield (CVFF)⁵⁰ ، والذي يعمل بشكل جيد مع المواد القائمة على الأسفلت والجرافين. يتم التعبير عن الشكل الوظيفي ل CVFF على النحو التالي:

1

هنا ، يتكون إجمالي الطاقة E من شروط الطاقة المستعبدة وشروط الطاقة غير المستعبدة. تتكون التفاعلات المستعبدة من تمدد الرابطة التساهمية ، وطاقة ثني زاوية الرابطة ، ودوران زاوية الالتواء ، والطاقات غير المناسبة كما هو معبر عنه في المصطلحات الأربعة الأولى. تتضمن الطاقة غير المستعبدة دالة LJ-12-6 لمصطلح فان دير فالز (vdW) ودالة كولومبية للتفاعلات الكهروستاتيكية. تم استخدام CVFF على نطاق واسع في محاكاة مواد الأسفلت^51,52. تتوافق الخواص الفيزيائية والميكانيكية المحاكية مثل الكثافة واللزوجة ومعامل السائبة بشكل جيد مع البيانات التجريبية ، مما يدل على موثوقية CVFF⁵¹. CVFF ليست مناسبة فقط للمواد غير العضوية ، ولكن تم استخدامها بنجاح أيضا في الهياكل التي تتكون من مراحل عضوية وغير عضوية مثل الأسفلت والسيليكا⁵² ونظام الايبوكسي الجرافين⁵³. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن تمييز التفاعلات البينية بين الجرافين والأسفلت بواسطة CVFF^36,54. نظرا لأن الجزء الرئيسي في اختيار حقل القوة هو تحديد واجهة الأسفلت والجرافين ، فإن التفاعلات غير المستعبدة التي وصفها CVFF أكثر موثوقية ، والتي تم النظر فيها أيضا في دراستنا السابقة³⁶. بشكل عام ، تم اعتماد CVFF forcefield في هذه الدراسة. يتم حساب الشحنات الجزئية لأنواع مختلفة من الذرات بالطريقة المخصصة لحقل القوة.