Advanced Self-Healing Asphalt Reinforced by Graphene Structures: An Atomistic Insight

Fenghua Nie; Wei Jian; Denvid Lau

doi:10.3791/63303

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Engineering

그래핀 구조에 의해 강화 된 고급 자기 치유 아스팔트 : 원자 론적 통찰력

Published: May 31, 2022

doi:

10.3791/63303

Fenghua Nie*¹, Wei Jian*¹, Denvid Lau¹

¹Department of Architecture and Civil Engineering,City University of Hong Kong

Summary

그래핀 변성 아스팔트 나노복합체는 순수 아스팔트에 비해 진보된 자기치유능을 나타내었다. 이 프로토콜에서는 자기 치유 과정에서 그래핀의 역할을 이해하고 원자 수준에서 아스팔트 성분의 자기 치유 메커니즘을 탐구하기 위해 분자 역학 시뮬레이션이 적용되었습니다.

Abstract

그래 핀은 높은 내구성으로 아스팔트의 자체 치유 특성을 향상시킬 수 있습니다. 그러나, 그래핀 개질된 아스팔트 나노복합체의 자가 치유 거동과 혼입된 그래핀의 역할은 이 단계에서 여전히 불분명하다. 이 연구에서는 순수 아스팔트와 그래핀 개질 아스팔트의 자가 치유 특성을 분자 역학 시뮬레이션을 통해 조사합니다. 그래핀에 대한 두 개의 균열 폭과 위치를 가진 아스팔트 벌크가 도입되고 아스팔트 성분과 그래핀 시트 간의 분자 상호 작용이 분석됩니다. 결과는 그래핀의 위치가 아스팔트의 자기 치유 행동에 유의한 영향을 미친다는 것을 보여줍니다. 균열 표면 근처의 그래핀은 π-π 스태킹을 통해 방향족 분자와 상호 작용하여 자기 치유 과정을 크게 가속화 할 수 있지만 균열 팁의 상단 영역에있는 그래핀은 공정에 작은 영향을 미칩니다. 아스팔트의 자체 치유 과정은 아스팔텐, 극성 방향족 및 나프텐 방향족 분자의 재방향과 균열 표면 사이의 포화 분자의 가교를 거칩니다. 자가 치유 메커니즘에 대한 이러한 심층적 인 이해는 내구성있는 아스팔트 포장 도로를 개발하는 데 도움이되는 자기 치유 특성 향상에 대한 지식에 기여합니다.

Introduction

일상적인 차량 적재 및 변형 환경 조건 하에서의 열화와 서비스 중 아스팔트의 노화는 열화 또는 구조적 고장, 즉 균열 및 까마귀를 초래하여 아스팔트 포장의 내구성을 더욱 약화시킬 수 있습니다. 미세 균열과 공극을 자동으로 수리하는 아스팔트의 고유 한 반응은 손상으로부터 회복하고 강도를 회복하는 데 도움이됩니다¹. 이 자가 치유 기능은 아스팔트의 수명을 상당히 연장하고 유지 보수 비용을 절감하며 온실 가스 배출을 줄일 수 있습니다 ^2,3. 아스팔트의 자기 치유 거동은 일반적으로 화학 성분, 손상 정도 및 환경 조건을 포함한 몇 가지 영향 요인에 달려 있습니다⁴. 단기간 내에 손상을 완전히 치유 할 수있는 아스팔트의 향상된 자기 치유 능력이 필요합니다. 이것은 토목 공학 내에서 아스팔트 포장에 대한 더 나은 기계적 성능과 내구성에 대한 광범위한 연구 관심을 끌었습니다.

아스팔트의 자기 치유 능력을 향상시키는 새로운 방법에는 주로 개별적으로 또는 동시에 적용 할 수있는 가열 유도, 캡슐화 치유 및 나노 물질 통합의 세 가지 접근법이 포함됩니다.⁵^,⁶. 가열을 유도하면 아스팔트의 이동성을 크게 향상시키고 회복을위한 자체 치유를 활성화 할 수 있습니다.⁷. 가열을 유도하여 아스팔트의 자기 치유 기술은 보조 자기 치유 기술에 기인 할 수 있으며, 이는 아스팔트의 자기 치유 특성이 외부 자극에 의해 향상되었음을 나타냅니다. 스틸 울 섬유를 추가하는 목적은 아스팔트 바인더의 치유력을 증가시키도록 전기 전도도를 향상시키는 것입니다.⁸. 열을 유도하는 접근법은 이러한 전기 전도성 섬유를 고주파 교류 전자기장에 노출시켜 와류를 유도 할 수 있으며 열 에너지는 전도성 섬유에 의해 아스팔트 바인더로 확산 될 수 있습니다.⁹. 강철 울 섬유는 전기 전도성뿐만 아니라 열 전도성도 향상 시키며, 둘 다 아스팔트의 자체 치유 특성에 긍정적 인 영향을 줄 수 있습니다. 그러나 섬유에 대한 적절한 혼합 시간을 선택하는 것은 어렵습니다.¹⁰. 섬유의 길이는 혼합 시간이 증가하면 감소하고 열전도율에 영향을 미치는 반면, 혼합 시간이 감소하면 섬유 클러스터가 생기고 아스팔트의 기계적 특성이 저해됩니다.⁹. 캡슐화 방법은 방향족제와 같은 노화 된 아스팔트의 가벼운 구성 요소를 공급하고 포화시키고 아스팔트의 자체 치유 능력을 새로 고칠 수 있습니다.¹¹^,¹². 그러나 이것은 한 번만 치료되며 치유 물질은 방출 후 보충 될 수 없습니다. 나노 기술의 발달과 함께, 나노 물질은 아스팔트 기반 재료를 향상시키기위한 유망한 개질제가되었습니다. 나노 물질과 결합 된 아스팔트 바인더는 더 나은 열전도율과 기계적 특성을 나타냅니다.¹³. 우수한 기계적 성능과 높은 열성능을 가진 그래핀은 아스팔트의 자가 치유능을 향상시키는 우수한 후보로 평가받고 있습니다.¹⁴^,¹⁵^,¹⁶^,¹⁷. 그래핀 개질 아스팔트의 치유 특성 증가는 그래핀이 아스팔트 바인더 내부에서 가열되고 열 전달을 생성하는 아스팔트 바인더의 용량을 증가시킨다는 사실에 기인 할 수 있으며, 이는 그래핀 개질 아스팔트가 순수 아스팔트보다 더 빠르게 가열되고 더 높은 온도까지 도달 할 수 있음을 의미합니다.¹⁸. 생성 된 열은 순수한 아스팔트를 통해 그것보다 빠른 속도로 그래핀 개질 아스팔트 전체에 전달 될 수 있습니다. 아스팔트 바인더의 균열 영역은 쉽게 영향을받을 수 있으며 더 높은 온도와 더 높은 가열 용량을 가진 열 흐름에 의해 더 빨리 치유 될 수 있습니다. 치유 활성화 에너지와 같거나 큰 에너지가 아스팔트의 균열 표면에 존재하는 경우 자체 치유 반응이 시작됩니다.¹⁹. 그래 핀은 열 활성화 치유 성능을 향상시키고 아스팔트의 치유율을 가속화 할 수 있습니다.¹⁹^,²⁰. 게다가, 그래 핀은 치유 과정에서 가열 에너지를 최대 50 %까지 절약 할 수있어 에너지 효율을 높이고 유지 보수 비용을 절감 할 수 있습니다.²¹. 마이크로파 흡수성 물질로서, 그래핀은 마이크로파 가열의 나머지 기간 동안 아스팔트의 치유 능력을 향상시키는 것으로 보고되고 있다.²². 아스팔트에 그래핀을 첨가하면 기계적 성능뿐만 아니라 자가 치유 메커니즘에 대한 심층적 인 지식이 필요한 자체 치유 및 에너지 절약 능력이 향상 될 것으로 예상됩니다.

나노 규모에서의 자가 치유는 주로 파쇄 된 얼굴(²³)에서 아스팔트 분자의 습윤 및 확산에 기인한다. 아스팔트는 다양한 극성 및 비극성 분자로 구성되어 있기 때문에 자체 치유 능력은 다른 구성 요소¹의 아스팔트 분자의 분자 상호 작용 및 움직임과 밀접한 관련이 있습니다. 그러나 현재의 연구는 주로 거시적 인 기계적 특성을 정량화하기위한 실험 기술에 의존하고 있으며, 이는 치유 메커니즘을 이해하려고 할 때 미세 구조의 변화와 아스팔트 분자 간의 상호 작용에 누락 된 정보를 유발합니다. 아스팔트의 자기 치유 능력에서 그래핀의 강화 메커니즘도이 단계에서 불분명하다. 분자 역학 (MD) 시뮬레이션은 나노 복합 시스템의 분자 상호 작용 및 움직임을 조사하고 미세 구조 변형을 분자 상호 작용 및 움직임과 연결하는 데 중요한 역할을합니다 24,25,26,27,28,29,30,31 . MD 시뮬레이션은 실험^32,33에 의해 쉽게 접근 할 수없는 물질적 행동을 분석하는 데 점점 더 인기를 ^얻고 있습니다. 기존 연구는 아스팔트 시스템에서 MD 시뮬레이션의 실현 가능성과 가용성을 보여주었습니다. 아스팔트 및 아스팔트 복합재의 응집력, 접착력, 노화 및 열역학적 특성은 MD 시뮬레이션^34,35,36,37에 의해 탐구 될 수 있습니다. 아스팔트의 자기 치유 거동은 MD 시뮬레이션^38,39,40에 의해서도 예측할 수 있다. 따라서 MD 시뮬레이션을 사용한 조사는 자기 치유 및 강화 메커니즘을 모두 이해하는 효과적인 방법이라고 믿어집니다.

이 연구의 목적은 순수 아스팔트 및 그래핀 개질 아스팔트 나노 복합체의 자기 치유 거동을 조사하고 MD 시뮬레이션을 통해 아스팔트의 치유 능력을 향상시키는 그래핀의 역할을 이해하는 것입니다. 순수 아스팔트 및 그래핀 개질 아스팔트 복합 재료의 자체 치유 시뮬레이션은 초기 구조물에 균열을 도입하여 수행됩니다. 자가 치유 능력은 원자 수의 윤곽선, 골절 된 얼굴에서 분자의 재 방향 및 얽힘, 자기 치유 과정에서 아스팔트 구성 요소의 이동성을 특징으로합니다. 다른 사이트에서 그래핀의 치유 효율을 조사함으로써 아스팔트의 자체 치유 능력에 기여하는 그래핀의 강화 메커니즘이 공개되어 최적의 방법으로 나노 필러를 모니터링하여 아스팔트 포장의 수명 연장을 가능하게합니다. 원자 적 규모에서의 자체 치유 능력에 대한 조사는 향후 연구를위한 고급 아스팔트 기반 재료를 개발하는 효율적인 방법을 제공 할 수 있습니다.

아스팔트 화학에 따르면, 아스팔트는 다양한 극성과 모양을 가진 다양한 유형의 탄화수소와 비 탄화수소로 구성되며, 주로 아스팔텐, 극성 방향족제, 나프텐 방향족제 및 포화도^41,42의 네 가지 구성 요소로 나눌 수 있습니다. 아스팔텐 분자는 아스팔트의 다른 분자보다 상대적으로 크고 무겁으며 평균 원자 질량은 약 750 g / mol이고 분자 직경은 10-20 Å 범위입니다. 아스팔텐은 헤테로 원자를 포함하고 알킬 기⁴³의 다른 길이로 둘러싸인 큰 방향족 코어로 구성되어 있다는 것이 널리 받아 들여지고 있습니다. 변형된 아스팔텐 분자는 도 1a에 도시된 바와 같이 구성된다. 극성 방향족제와 나프텐 방향족제의 분자는 아스팔트 분자의 극성과 원소비에 기초하여 구성되며, 극성 방향족 분자를 나타내는 벤조비스벤조티오펜(_C18H10S2)과 도 1b-c에 도시된 바와 같이 대표적인 나프텐 방향족 분자로 선택된 1,7–디메틸나프탈렌₍_C12H12)이 있다. N-도코산(n-C22H46)은 도 1d에 도시된 바와 같이 구성된다. 아스팔트 분자에 대한 표 1에 열거된 파라미터는 실험⁴¹로부터의 실제 아스팔트의 원소 질량 분율, 원자 비율 및 방향족/지방족 비율을 포함하는 원하는 기준을 충족하기 위해 선택되고 사용된다. 이전 연구에서 동일한 질량비가 정의되었으며, 밀도, 유리 전이 온도 및 점도와 같은 다른 열역학적 특성은 실제 아스팔트³⁶의 실험 데이터와 잘 일치합니다. 본 연구에 적용된 그래핀의 분자구조는 도 1e에 나타내었다. 본 연구에서 채택된 그래핀 시트는 실제 케이스에 비해 결함 및 폴드가 없는 반면, 실제 그래핀 시트는 일반적으로 원자 공석 및 스톤-웨일즈 결함(⁴⁴)과 같은 몇 가지 결함을 가지며, 일부 그래핀 시트는 아스팔트 매트릭스(⁴⁵)에서의 혼합 공정 동안 접힐 수 있다. 이러한 불완전한 상황은 그래핀 시트 부위가 자기 치유 특성에 미치는 영향에 초점을 맞추고 유일한 변수로 선택하기 때문에이 연구에서 고려되지 않습니다. 결함과 접힌 경우의 관점에서 그래 핀 시트의 변수는 우리의 미래 연구의 초점이 될 것입니다. 본 연구에서 그래핀 대 아스팔트의 질량비는 4.75%이며, 이는 실험^46,47에서 그래핀 개질 아스팔트에 대한 정상적인 상황(<5%)이다.

그림 1: 화학 구조. 원자론적 모델은 (a) 아스팔텐 분자 (_C53H55NOS), (b) 나프텐 방향족 분자 (C12H12), (c) 극성방향족 분자 (_C18H10S2), (d)포화 분자 (_C22H46), (e) 그래핀, 및 (f) 순수한 아스팔트이다. 원자 아스팔트 모델의 경우, 탄소, 산소, 질소, 황 및 수소 원자는 각각 회색, 빨간색, 파란색, 노란색 및 흰색으로 표시됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

아스팔트 모델	질량 (g / 몰)	화학식	분자의 수	총 질량 (g / 몰)	질량분율(%)
아스팔텐	754.04	C₅₃H₅₅NOS	43	32423.72	26
나프텐 아로마	156.22	_C12H₁₂	65	10154.3	8
극성 방향족	290.38	C₁₈H₁₀S₂	74	21485.16	17
포화	310.59	C₂₂H₄₆	205	63670.95	49
아스팔트 바인더			387	127734.13	100
그래핀	6369.28	C₅₂₅H₆₃	1	6369.28

표 1 : 순수 아스팔트 모델 및 그래핀 개질 아스팔트 모델의 전체 구성 요소.

아래에 설명 된 프로토콜과 관련하여 크기가 다른 두 가지 유형의 쐐기 모양의 균열이 무딘 균열 팁과 두 개의 평행 한 균열 표면이있는 아스팔트 모델의 중간에 삽입되지만 아스팔트 벌크의 중간 상단 영역은 그대로 유지됩니다. 두 개의 균열 폭은 그림 2a-b와 같이 15 Å 및 35 Å로 선택됩니다. 15 Å를 선택하는 이유는 작은 균열에 대한 극단적 인 경우를 조사하면서 평형 과정에서 아스팔트 분자의 초기 자체 치유를 피하기 위해 균열 폭이 12 Å의 컷오프보다 넓어야한다는 것입니다. 35 Å를 선택하는 이유는 가교 효과를 방지하기 위해 균열 폭이 34 Å의 포화 분자의 길이보다 넓어야하기 때문입니다. 균열의 높이는 상자 너비와 동일한 35 Å이며 균열의 깊이는 상자 길이와 동일한 70 Å입니다. 실제 상황에서 관찰 된 마이크로 크랙 크기는 수 마이크로 미터에서 수 밀리미터까지 다양 할 수 있으며, 이는 우리가 여기서 모델링하는 길이 스케일보다 훨씬 큽니다. 일반적으로 MD 시뮬레이션의 길이 스케일은 100nm의 스케일로 제한되며, 이는 여전히 실제 크랙 크기보다 몇 배 더 작습니다. 그러나, 크랙은 나노스케일에서 시작되어 연속적인 변형(⁴⁸)을 갖는 매크로스케일 크랙으로 성장한다. 나노 스케일에서의 자기 치유 메커니즘에 대한 이해는 거대 규모에서 균열의 성장 및 추가 전파를 방지하는 데 도움이 될 수 있습니다. 선택한 균열 크기가 나노 미터 범위에 있더라도 결과는 여전히 아스팔트 분자의 자체 치유 행동을 탐구하는 데 영향을 미치고 적용 할 수 있습니다. 균열 영역에는 그래핀 시트에 대한 두 가지 위치가 있습니다 : 하나는 균열 팁 위에 있고 다른 하나는 왼쪽 균열 표면에 수직입니다. 이들은 균열⁴⁹를 갖는 그래핀 개질된 나노복합체에서 그래핀에 대한 가장 일반적인 위치라는 것이 밝혀졌다.

그림 2 : 순수한 아스팔트와 그래핀 변형 아스팔트에 대한 자체 치유 계획. 균열 폭이 (a) 15 Å 및 (b) 35 Å 인 순수한 아스팔트의 자체 치유 모델. 그래핀 시트를 사용한 그래핀 개질 아스팔트의 자가 치유 모델은 (c) 크랙 팁의 상부에 위치하고, (d) 크랙 표면에 수직이다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

MD 시뮬레이션에서 아스팔트 나노 복합체의 분자 내 및 분자 간 상호 작용은 아스팔트 및 그래핀 기반 재료와 잘 작동하는 CVFF (Consistent Valence Forcefield)⁵⁰에 의해 설명됩니다. CVFF의 기능적 형태는 다음 표현식으로 표현됩니다.

1

여기서, 총 에너지 E_총계는 접합 에너지 용어와 비결합 에너지 용어로 구성된다. 결합 된 상호 작용은 공유 결합 스트레칭, 결합 각도 굽힘 에너지, 비틀림 각도 회전 및 처음 네 가지 용어로 표현 된 부적절한 에너지로 구성됩니다. 비결합 에너지는 vdW(van der Waals) 용어에 대한 LJ-12-6 함수와 정전기적 상호작용을 위한 쿨롱 함수를 포함한다. CVFF는 아스팔트 재료^51,52를 시뮬레이션하는 데 널리 사용되었습니다. 밀도, 점도 및 벌크 모듈러스와 같은 시뮬레이션된 물리적 및 기계적 특성은 CVFF⁵¹의 신뢰성을 입증하는 실험 데이터와 잘 일치합니다. CVFF는 무기 재료에 적합 할뿐만 아니라 아스팔트 – 실리카 (⁵²) 및 에폭시 그래핀 (⁵³) 시스템과 같은 유기 및 무기 상으로 구성된 구조에도 성공적으로 채택되었습니다. 또한, 그래핀과 아스팔트 사이의 계면 상호작용은 CVFF^36,54로 특징지어질 수 있다. 포스필드를 선택하는 데 있어서 중요한 부분은 아스팔트-그래핀 계면을 결정하는 것이기 때문에, CVFF에 의해 기술된 비접합된 상호작용은 더 신뢰할 수 있으며, 이는 우리의 이전 연구(³⁶)에서도 고려된다. 전반적으로, 포스필드 CVFF는 이 연구에서 채택된다. 다른 종류의 원자에 대한 부분 전하는 포스필드 할당 방법에 의해 계산됩니다.

Protocol

1. 원자 모델 구축 Materials Studio 소프트웨어를 열어 다섯 개의 3D 원자 문서를 만들고 이러한 문서의 이름을 각각 그래핀, 아스팔텐, 극성 방향족, 나프텐 방향족제 및 포화로 바꿉니다. 스케치 원자( Sketch Atom ) 옵션을 사용하여 3D 원자 문서에서 그래핀 시트의 단위 셀을 생성하여 그래핀 모델을 빌드합니다. 빌드 > 대칭 메뉴의 Supercell 옵?…

Representative Results

원자 수의 윤곽선yz 평면에서 순수 아스팔트 및 그래핀 개질 아스팔트 모델의 원자 수의 윤곽선은 그림 3에 나와 있으며, 파란색에서 빨간색으로 변하는 색상 막대는 0에서 28까지 다양한 원자 번호를 나타냅니다. 도 3a-c는 균열 팁과 균열 표면에서 그래핀에 의해 개질된 순수 아스팔트 및 아스팔트 나노복합체에…

Discussion

프로토콜 부분 내의 중요한 단계는 다음과 같습니다 : 단계 1.4 – 아스팔트 분자의 네 가지 유형을 구축하고 포장; 단계 1.5 – 균열이있는 아스팔트 구조물을 건설하십시오. 단계 2.3 – 평형을 달성; 단계 2.4 – 자기 치유 과정을 수행하십시오. 이 단계는 프로토콜의 가장 응집력 있고 중요한 내용을 나타냅니다. 삽입된 균열의 원하는 모양을 만들기 위해 Materials Studio의 일반 포장과 비교하여 포장 공정?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

저자들은 프로젝트 번호 7005547와 함께 홍콩 시립 대학 전략 연구 보조금의 지원, 중국 홍콩 특별 행정 구역의 연구 보조금위원회 (RGC)의 지원, 프로젝트 No. R5007-18 및 보조금 JCYJ20170818103206501에 따라 심천 과학 기술 혁신위원회의 지원.

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.

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Nie, F., Jian, W., Lau, D. Advanced Self-Healing Asphalt Reinforced by Graphene Structures: An Atomistic Insight. J. Vis. Exp. (183), e63303, doi:10.3791/63303 (2022).

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