Efecto de sinergia de la paligorskita nanoorgánica sobre las propiedades del asfalto modificado con SBS en forma de estrella, parte 1

Abstracto: Con el rápido desarrollo de la construcción económica, el asfalto modificado con estireno-butadieno-estireno (SBS) se usa cada vez más en la ingeniería de carreteras, pero todavía hay muchas deficiencias en el proceso de su uso. Para mejorar aún más su rendimiento para el uso, se combinaron nano paligorskita orgánica (A-Pal) y SBS en forma de estrella para obtener asfalto modificado en este estudio. La estabilidad a alta temperatura del asfalto modificado con SBS mejoró después de la incorporación con A-Pal para la prueba de estabilidad a alta temperatura mediante un reómetro de corte dinámico. El A-Pal debería mejorar la energía libre superficial y la adhesión del asfalto modificado con SBS mediante el análisis de la prueba de estabilidad del agua. La prueba de envejecimiento muestra que A-Pal puede reducir la descomposición térmica del oxígeno del SBS y mejorar el rendimiento antienvejecimiento y la resistencia a la fatiga del asfalto modificado con SBS. A-Pal tiene cierto efecto de mejora en el rendimiento a baja temperatura del asfalto modificado con SBS, como lo demuestra una prueba de resistencia al agrietamiento a baja temperatura. El asfalto modificado con SBS compuesto con A-Pal presenta una buena estabilidad de almacenamiento a temperaturas normales con la temperatura de compatibilidad crítica más baja.

Haga clic en ¿Dónde puedo comprar Cistanche?

【Para más información:george.deng@wecistanche.com / WhatApp:86 13632399501】

Palabras clave: paligorskita; SBS; asfalto modificado; propiedades reológicas

1. Introducción

En los últimos años, los nanomateriales y la nanotecnología se han aplicado con mayor frecuencia en el campo de los materiales de tráfico de pavimentos, y el asfalto nanomodificado se ha convertido en uno de los temas candentes de investigación [1–4]. En la actualidad, los materiales de silicato en nanocapas se aplican generalmente a los materiales asfálticos debido a su gran rendimiento y buen rendimiento [5–7]. El silicato en nanocapas con una estructura cristalina especial, que hace que las moléculas de asfalto entren en la estructura en capas, puede aumentar el espacio entre capas, mejorando la estructura de pelado de la forma, lo que evita que el oxígeno penetre en el asfalto y retrase su envejecimiento. Por lo tanto, el asfalto nanomodificado tiene buenas propiedades anti-ahuellamiento y anti-envejecimiento [8-10]. Al mismo tiempo, los nanomateriales modificados orgánicamente también pueden mejorar el grado de dispersión del polímero en el asfalto, lo que brinda amplias perspectivas de desarrollo para el asfalto modificado en el futuro.

La paligorskita (Pal), también conocida como atapulgita, es una cadena en capas de minerales arcillosos de silicato de aluminio y magnesio ricos en agua. Tiene una reputación como "el rey de la tierra" por su amplia gama de aplicaciones. La estructura cristalina de Pal se caracteriza por las láminas tetraédricas de Si-O de doble capa que están conectadas con las láminas de octaedro de una sola capa (Mg, Al)-O, y las capas unitarias están conectadas por oxígeno para formar un cristal similar a un poro. estructura [11]. Los poros se llenan con agua de zeolita y agua cristalina para formar un monocristal fibroso. La fibra individual tiene una longitud de aproximadamente 0.5 a 1.0 µm, algunas incluso hasta 1 cm, y un diámetro de aproximadamente 20 a 30 µm [12]. Pal ha sido ampliamente utilizado en los campos de materiales de revestimiento [13], cemento [14], asfalto y otros materiales de construcción debido a su buena reología, capacidad de adsorción y menor costo [15–17].

Varios estudios muestran que la presencia de Pal nano-orgánico puede mejorar efectivamente la resistencia al envejecimiento del asfalto y la compatibilidad entre el polímero y el asfalto. Zhang et al. [10] sintetizaron Organic-Pal bajo irradiación de microondas y lo aplicaron a asfalto modificado con caucho de estireno butadieno (SBR). Encontraron que organic-Pal mejoró la compatibilidad y la estabilidad de almacenamiento del asfalto modificado con SBR. Luego, estudiaron las propiedades reológicas y morfológicas del asfalto modificado con SBR con Organic-Pal y encontraron que Organic-Pal tiene un efecto positivo en la mejora de la viscoelasticidad y las propiedades anti-ahuellamiento del asfalto modificado con SBR [18]. sol et al. [15] aplicó Pal al asfalto epoxi y descubrió que tiene un buen efecto sobre las propiedades de tracción y adherencia. Jin et al. [19] aplicaron Organic-Pal al asfalto y descubrieron que la resistencia al envejecimiento del asfalto mejoraba considerablemente. En la actualidad, el efecto de Organic-Pal sobre el asfalto modificado con estireno-butadieno-estireno (SBS) rara vez se estudia. Para comprender mejor su efecto y mejorar el rendimiento del asfalto modificado con SBS, este estudio utilizó el modificador de SBS en forma de estrella YH-801 y la paligorskita nanoorgánica (A-Pal) para preparar compuestos de asfalto modificado con SBS. La parte ligera del asfalto puede ser absorbida por el Pal con una fuerte adsorción, de modo que la estructura coloidal del asfalto puede cambiarse y la estabilidad de la temperatura del asfalto modificado puede mejorarse [20].

2. Preparación de materiales y método de prueba

2.1. Materiales

El asfalto 70# (AH-70) fue producido por Maoming Petrochemical Co., Ltd. (Guangzhou, China) con los resultados de las pruebas de rendimiento básico que se muestran en la Tabla 1. La paligorskita se originó en Jiangsu, China. Los parámetros básicos de rendimiento se muestran en la Tabla 2. El copolímero de bloque de estireno-butadieno-estireno en forma de estrella YH-801 (SBS4303) fue producido por Yueyang Baling Petrochemical (Hunan, China) con una relación de bloques de 30/70.

2.2. Preparación de asfalto modificado con SBS compuesto con A-Pal

Con base en nuestra investigación previa [19,21], Pal se trató con una solución de HCl de 1 mol/L a 60 ◦C durante 1 h para eliminar algunas partículas grandes y catiónicos fuera de la materia prima, luego se lavó hasta neutralidad y seco. El Pal tratado y -aminopropiltrietoxisilano (APTES) se dispersaron en una solución de xileno, y se utilizó el método de reflujo de condensación para agitación magnética durante 10 h, luego se lavó varias veces con el filtrado, se secó y se trituró para obtener A-Pal para mejorar la compatibilidad con la matriz asfáltica. Las cantidades de 0 por ciento en peso, 1 por ciento en peso, 3 por ciento en peso y 5 por ciento en peso de A-Pal, que componían el 5 por ciento en peso del asfalto modificado con SBS, se prepararon mediante el método de mezcla en fundido (denominado AH-70 más 5Y, AH-70 más 5Y más 1A, AH-70 más 5Y más 3A y AH-70 más 5Y más 5A, respectivamente).

2.3. Caracterización

Se utilizó un microscopio de fluorescencia (FM) para describir la morfología de fase del asfalto modificado con excitación de luz azul-púrpura de onda corta (λ=420 nm) (DM3000, Leica). La morfología de fase del componente fluorescente en el asfalto se observó mediante microscopía óptica para estudiar más a fondo la correlación entre la microestructura y las propiedades macroscópicas [22].

2.4. Evaluación reológica de alta temperatura

El rendimiento del asfalto a alta temperatura se refiere a la capacidad del asfalto para resistir la deformación permanente bajo carga, que se evaluó mediante un reómetro de corte dinámico (DSR, MCR 301, Anton Paar, Austria) para escanear la temperatura y la frecuencia. pruebas de escaneo. La prueba de escaneo de temperatura fue realizada por AASHTO T315-05 [23] para estudiar el efecto del cambio de temperatura en el módulo de corte complejo G* y el ángulo de fase δ del asfalto modificado con SBS compuesto con A-Pal, con un velocidad de calentamiento de 2 ◦C/min y una temperatura de 40~90 ◦C. La mayor parte del asfalto bajo la temperatura de trabajo del pavimento pertenece al fluido pseudoplástico no newtoniano, y la viscosidad del asfalto disminuye con el aumento de la velocidad de corte. Cuando la velocidad de corte era extremadamente alta o muy pequeña, la viscosidad del fluido pseudoplástico no newtoniano se acercaba a una constante, y la región donde la viscosidad del asfalto no cambiaba con la velocidad de corte se denominó primera región de flujo newtoniano y segunda región de flujo newtoniano. La viscosidad del fluido pseudoplástico no newtoniano se encontraba en la primera región y alcanzaba un máximo cuando era constante, lo que se denomina viscosidad de cizallamiento cero (ZSV) [24]. La viscosidad del fluido pseudoplástico no newtoniano estaba en la segunda región y alcanzaba un mínimo cuando era constante, lo que se denomina viscosidad de corte interfacial (ISV). Los resultados de la prueba fueron ajustados por el modelo de Carreau y el cálculo de ZSV [25]. El ensayo a una temperatura de 60 ◦C según AASHTO T315-05, 25 mm de placa oscilante y un espesor de película de 1 mm se utilizó para el ensayo de barrido de frecuencia en el rango de 0,01–100 Hz, y la curva fue escaneada por crecimiento exponencial.

2.5. Evaluación de la estabilidad del agua

Los ángulos de contacto de las muestras de asfalto modificado con SBS compuesto con A-Pal se midieron mediante el instrumento de medición de ángulos de contacto (DSA100, Kruss, Alemania). El método de gota sésil se llevó a cabo con agua pura, formamida y etilenglicol. La energía libre superficial se calculó mediante el método Owens-Wendt-Rabel-Kaelble (OWRK) [26], y la relación entre las tres se expresó mediante el método OWRK de la siguiente manera.

donde sl es la energía libre superficial de la fase sólido-líquido, l es la energía libre superficial del líquido, s es la energía libre superficial del sólido, ld es el componente de dispersión del líquido, sd es el componente de dispersión del sólido, lp es el componente polar del líquido y sp es el componente polar del sólido.

Con base en el análisis de datos de energía libre superficial de tres materiales minerales comunes, se calculó el trabajo de adhesión (Was) del asfalto sobre la superficie del material mineral como se muestra en la Ecuación (3) [27,28].

Traiga la Ecuación (1) a la Ecuación (2) para obtener:

donde ad es el componente de dispersión del asfalto, sd es el componente de dispersión del material mineral, p a es el componente polar del asfalto y p s es el componente polar del material mineral.

El cambio de la energía libre de Gibbs (∆Gaws) en cada etapa del daño por desconchado se puede expresar mediante el trabajo de exfoliación [29] y la expresión de cálculo de la siguiente manera:

Lleve la ecuación (1) a la ecuación anterior para obtener:

donde w es la energía libre superficial del agua, dw es el componente de dispersión del agua y pw es el componente polar del agua.

2.6. Evaluación de rendimiento de envejecimiento

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) a partir del ensayo de fatiga por temperatura, como índice para evaluar la resistencia a la fatiga del asfalto.

2.7. Evaluación reológica a baja temperatura

El rendimiento a baja temperatura del asfalto se refiere a la capacidad del asfalto para resistir el agrietamiento bajo carga. La resistencia al agrietamiento a baja temperatura del asfalto modificado después del envejecimiento TFOT más PAV se evaluó mediante un reómetro de haz de flexión (BBR), según la especificación AASHTO T313-12 [31]. De acuerdo con la especificación, 6 ◦C fue el rango de prueba hasta que el rendimiento del asfalto no cumplió con los requisitos. La rigidez de fluencia a la flexión y el valor m se probaron a las temperaturas 0, −6, −12, −18 y −24 ◦C con una carga de {{10}},980 ± 0,05 N durante 240 s.

3. Resultados y discusión

3.1. Características morfológicas

FM se llevó a cabo para observar la distribución y estructura de SBS y A-Pal en el asfalto modificado [32]. Para mejorar la discriminación entre asfalto y modificadores, la parte de asfalto de la imagen se muestra en negro y la parte de polímero se muestra como puntos verdes brillantes ajustando el brillo que se muestra en la Figura 1. El asfalto se muestra como la fase continua y la fase dispersa -fase SBS se dispersó en forma de isla en el tono de la matriz [33]. La figura 1b muestra una gran cantidad de pequeños enlaces cruzados de SBS en bloques en el asfalto, lo que representa una pequeña proporción y la distribución dispersa del asfalto sin A-Pal. SBS presenta una baja capacidad para absorber asfaltenos blandos del asfalto, lo que resulta en una baja compatibilidad. Después de agregar 1 por ciento en peso de A-Pal (Figura 1c), la proporción de sustancias fluorescentes aumentó ligeramente y la dispersión aún se distribuía de manera desigual en el asfalto. La capacidad del polímero SBS para absorber asfaltenos blandos después de agregar A-Pal tuvo un cierto aumento, lo que conduce a la expansión del volumen del polímero SBS y al aumento en el grado de hinchamiento [22]. Con la adición de A-Pal (Figura 1d,e), la proporción de sustancias fluorescentes continúa aumentando y el grado de dispersión se vuelve cada vez más uniforme. Después de agregar A-Pal, la compatibilidad del polímero SBS con el asfalto mejoró hasta cierto punto; el rendimiento a baja temperatura y fatiga del asfalto modificado debería mejorar [19].

3.2. Rendimiento a alta temperatura del asfalto modificado con SBS compuesto A-Pal

La estabilidad a alta temperatura es un indicador importante del asfalto. La variación del factor de ahuellamiento obtenido por la prueba de barrido de temperatura se muestra en la Figura 2. Se puede ver que la adición de SBS y A-Pal contribuye a la mejora del factor de ahuellamiento y la resistencia a la formación de ahuellamiento. Después de agregar SBS al asfalto, el factor de formación de surcos del asfalto mostró un gran aumento y una mayor resistencia a la formación de surcos. El factor de formación de surcos continuó aumentando con la incorporación de A-Pal para aumentar aún más la resistencia a la formación de surcos. En comparación con el estudio anterior, es consistente y no ha cambiado debido a los diferentes tipos de SBS [18,19]. La muestra con un contenido de A-Pal del 5 por ciento en peso tuvo el mayor factor de formación de surcos y la mayor capacidad anti-ahuellamiento, lo que indica que la incorporación de A-Pal puede mejorar la estabilidad de temperatura del asfalto modificado con SBS. El valor del factor de formación de surcos disminuye con el aumento de la temperatura, y la tasa fue la misma, lo que indica que todas las muestras de asfalto modificado tienen las mismas propiedades reológicas.

La temperatura crítica del factor de ahuellamiento es el factor de temperatura correspondiente de G*/sen δ {{0}}.0 kPa en la prueba del factor de ahuellamiento en el Programa de Investigación de Carreteras Estratégicas (SHRP). La temperatura crítica de cada muestra se muestra en la Tabla 3. SBS podría elevar la temperatura crítica en 7,2 ◦C, en comparación con AH-70. Después de agregar A-Pal, la temperatura crítica del factor de formación de surcos aumentó continuamente y la temperatura máxima aumentó a 75,7 ◦C, que fue un 20 por ciento más alta que la matriz de asfalto.

La ZSV del asfalto modificado aumenta con el aumento del contenido de A-Pal, que fue similar al resultado de la prueba del factor de formación de surcos (Cuadro 4). El ZSV de la matriz asfáltica aumentó en un 296 por ciento con la adición de SBS. Después de agregar 1 por ciento en peso de A-Pal, la ZSV del asfalto modificado aumentó a 949,4 Pa·s, que fue mayor que la del asfalto modificado con solo SBS. Con el aumento del contenido de A-Pal, el valor de ZSV continúa aumentando, y el valor de ZSV del compuesto de asfalto modificado con SBS al 5 por ciento en peso aumenta a 1291,8 Pa·s, que fue un 423 por ciento más alto que el de la matriz de asfalto. Mostró que el método de composición fue efectivo para mejorar la estabilidad a alta temperatura del aglomerante asfáltico.

【Para más información:george.deng@wecistanche.com / WhatApp:86 13632399501】