Forschungsstand und Entwicklungstrends von graphenmodifizierten Asphaltverbundwerkstoffen in technischen Bereichen im In- und Ausland

Die Anwendung von Graphen, einem zweidimensionalen Kohlenstoff-Nanomaterial mit besonderer Struktur und hervorragender Leistung, im Bauwesen kann die Leistung technischer Materialien umfassend verbessern und das Anwendungsgebiet von Graphen erweitern. Bei der Überprüfung des Forschungsstands und der Entwicklungstrends von Graphen-Asphalt-Verbundwerkstoffen im Bereich des Bauingenieurwesens im In- und Ausland in den letzten Jahren wurde festgestellt, dass der Einbau von Graphen in Asphalt die Straßenleistung verbessert, es jedoch an relevanter Forschung, wie beispielsweise einer Feincharakterisierung, mangelt Graphen-Asphalt-Struktur, Der mikroskopische Wirkungsmechanismus des einzigartigen Verhaltens von Graphen-Asphalt, das Änderungsgesetz der wichtigsten Verhaltensmerkmale von Graphen-Asphalt und Asphaltmischung sowie das Graphen-Asphalt-Verbundmaterialsystem. Graphen wurde in Pech 70 eingearbeitet, und die Graphen-Pechmischung wurde zunächst sowohl mit makroskopischen als auch mikroskopischen Forschungsmethoden untersucht. Die Forschungsergebnisse zeigen, dass Graphen eine Affinität zu Asphalt hat und interkaliert werden kann oder durch heißen Asphalt abgeblättert, um eine supramolekulare Struktur mit Graphenschichten als Basisebene zu bilden; Der Einbau von Graphen verbessert das Verhalten von Asphalt, insbesondere die Leistung bei niedrigen Temperaturen, erheblich.

Graphen ist ein wabenartiges zweidimensionales Nanomaterial, das durch Hybridisierung von C-Atomen mit sp2-Elektronenorbitalen entsteht. In den letzten Jahren hat sich Graphen aufgrund seiner einzigartigen Struktur, hervorragenden Eigenschaften und breiten Anwendungsaussichten zu einem Forschungsschwerpunkt in den Bereichen Elektronik, Information, Energie, Materialien, Umweltschutz und Biomedizin entwickelt [1–11]. Positive Fortschritte wurden in der Technologie zur Herstellung von Graphen erzielt, die eine Rohstoffgarantie für die Grundlagenforschung und Anwendungsentwicklung von Graphen bietet. Ob in der theoretischen Forschung oder in der technischen Anwendung, Graphen und daraus abgeleitete Graphen-Verbundmaterialien haben große wissenschaftliche Bedeutung und Anwendung gezeigt. Potenzial. In China werden Graphen und verwandte Derivate mit Kohlenstoffatomschichten zwischen 1 und 10 Schichten zusammenfassend als Graphenmaterialien bezeichnet. Unter ihnen hat Graphen eine quasi-zweidimensionale Struktur, die aus einfachen Kohlenstoffatomen besteht. Gleichzeitig kann die Kohlenstoffschicht von Graphen mit -NH2, -COOH, -OH, -C=O und -O- und anderen funktionellen Gruppen kombiniert werden, um funktionalisiertes Graphen zu bilden, zu dem derzeit hauptsächlich Graphenoxid (GO) und aminiertes Graphen (TNRGON) gehören verleihen Graphenmaterialien auch funktionelle Eigenschaften. Chemische Anwendungen bieten eine neue Entwicklungsrichtung. Derzeit befindet sich die Forschung zu mit Graphen-Verbundwerkstoffen modifizierten Asphaltmaterialien im Ingenieurbereich im In- und Ausland noch im vorläufigen Erkundungsstadium, und es gibt viele Probleme in Theorie und praktischer Anwendung, die dringend gelöst werden müssen. In diesem Artikel werden der Forschungsstand und die Entwicklungstrends von Graphen-modifizierten Asphaltmaterialien in Ingenieurbereichen im In- und Ausland in den letzten Jahren erörtert und die Graphen-modifizierten Asphalt-Verbundmaterialien diskutiert.

1. Forschungsstand von Kohlenstoffnanomaterialien und Graphen-Verbundpechen

1.1 Aktueller Stand der Auslandsforschung

Auf dem Gebiet der Forschung zu kohlenstoffnanomaterialmodifiziertem Asphalt haben MICHELL et al. [12] untersuchten eindimensionalen mit Kohlenstoffnanoröhren modifizierten Straßenasphalt und glaubten, dass Kohlenstoffnanoröhren-Verbundasphalt die Hochtemperaturleistung von Asphalt verbessern könnte.YAO et al. [13] verwendeten mehrschichtige Graphit-Nanoblätter, um die Leistung von Asphalt bei hohen und niedrigen Temperaturen zu verbessern; BRCIC [14] untersuchte die Wirkung von Graphit-Nanoblättern auf das Asphaltverhalten anhand der SHRP-PG-Klassifizierung und ging davon aus, dass die Haltbarkeit von modifiziertem Asphalt und der Elastizitätsmodul verbessert wurden. [15–16] glaubten, dass Graphit-Nanoblätter die Temperaturempfindlichkeit von Asphalt verbessern, die Festigkeit erhöhen, den Verdichtungsprozess von Asphaltmischungen erheblich verkürzen und für Umgebungen mit niedrigeren Temperaturen geeignet sein können.ZHOU et al. [17] verwendeten molekulare Simulationen, um die thermomechanischen Eigenschaften von mit Graphen/Kohlenstoffnanoröhren modifiziertem Asphalt zu bewerten, und glaubten, dass die thermomechanischen Eigenschaften des Asphalts nach der Zugabe von Graphen oder Kohlenstoffnanoröhren deutlich verbessert wurden; ZENG et al. [18] glaubten, dass Graphitoxid Graphen die Hochtemperatur-, Niedertemperatur- und Alterungsschutzeigenschaften verschiedener Asphaltarten verbessern kann; LAM [19] glaubt, dass ein höherer Gehalt an Graphenoxid die Festigkeit, Konsistenz, Verformung und den Erweichungspunkt von Asphalt verbessern kann.HABIB et al. [20] glauben, dass Graphenoxidasphalt dazu beiträgt, den Verformungswiderstand der Fahrbahn zu verbessern und Spurrillen in der Fahrbahn zu reduzieren.LIU et al. [21] fanden heraus, dass die Zugabe einer mit Graphen und Kohlefaserverbundwerkstoffen modifizierten Asphaltmischung zu einer gewissen Verbesserung der Marshall-Stabilität, der Reststabilität und der Spurrillenstabilität der Asphaltmischung führen kann und sich positiv auf die Dehnungsbeständigkeit von Asphaltbeton auswirkt. Selbstüberwachung.LIU et al. [22] fanden heraus, dass Graphenoxid die Viskosität, Hochtemperaturelastizität und dauerhafte Verformungsbeständigkeit von PG 64-22-Asphalt deutlich verbesserte. Bei der Verwendung von Graphenoxid, einer warmen Mischung aus Asphaltbindemittel und Altspeiseöl zur Modifizierung von Asphalt ist die Leistung bei hohen und niedrigen Temperaturen ausgezeichnet. Die Forschung von MORENO-NAVARRO et al. [23] zeigten, dass Graphen im Asphaltbindemittel eine effektivere Reaktion hervorruft, sein elastisches Erholungsvermögen jedoch nicht so gut war wie das anderer Asphaltmodifikatoren. Darüber hinaus könnte Graphen in der Verbundmodifikation die Wärmeleitfähigkeit erhöhen, indem es die Wärmeleitfähigkeit erhöht. Durchlässigkeit zur Verringerung der thermischen Empfindlichkeit anderer Klebstoffe.[24–25] zeigte, dass Octadecylamin (ODA) auf die Oberfläche von graphitischen Nanoblättern (GNPs) gepfropft wurde, um durch kovalente Bindung ODA-GNPs-Komplexe zu erzeugen, und anschließend wurden GNPs mit ODA-GNPs kombiniert. Der verbindungsmodifizierte SBS-modifizierte Asphalt kann die Duktilität, den Erweichungspunkt, die Durchlässigkeit, die Viskoelastizität, die Beständigkeit gegen Spurrillen bei hohen Temperaturen und die Kompatibilität des sekundär modifizierten Asphalts verbessern. Auf der Oberfläche von Graphit-Nanoblättern wurden Verbundwerkstoffe (PS-GNPs) gebildet, und SBS-modifizierter Asphalt wurde mit GNP und PS-GNPs modifiziert und die Leistung wurde verbessert. Die Forschung von Wang et al. [26–28] zeigten, dass die Verwendung von Flockengraphit und expandierten Graphit-Nanoblättern als Verbundwerkstoff für modifizierte Asphaltmaterialien zu einer Erhöhung der Asphaltviskosität, einer Verringerung der Aktivierungsenergie, einer Erhöhung der Absorption und Wärmeleitfähigkeit führen und die Wiederherstellung der Asphaltmischung nach dem Bruch effektiv verbessern kann. Die Energie- und Kraftfähigkeit verbessert die Heilungsfähigkeit der Asphaltmischung und die Leitfähigkeit nimmt mit der Zunahme des Graphits zu. Die Forschung von LI et al. [29] zeigten, dass sich GO beim Mischen von Graphenoxid mit Asphaltbindemittel unter Freisetzung von CO2-Gas zersetzte, keine chemische Reaktion mit dem Asphaltbindemittel stattfand und die GO-Struktur vollständig abgelöst und im Asphaltbindemittel dispergiert wurde. Einzelschicht.LIU et al. [30] haben gezeigt, dass die Zugabe einer Spurenmenge von Graphenoxid die Temperaturviskosität des Straßenbelags, die Hochtemperaturelastizität und die Spurrillenbeständigkeit von unmodifizierten/SBS-modifizierten Klebstoffen verbessern kann. Der Modifikationsmechanismus von GO bei unmodifizierten Klebstoffen besteht aus einer chemischen Reaktion und einer physikalischen Reaktion, bei SBS-modifizierten Klebstoffen gibt es jedoch nur eine physikalische Reaktion. GUO et al. [31] verwendeten gemischtes CNT-Graphitpulver als Asphaltbindemittel, das die mechanischen Eigenschaften von Asphalt bei hohen Temperaturen verbessern könnte. YAO et al. [32] verwendeten Graphit-Nanoblätter zur Modifizierung von Asphalt, was die Aktivierungsenergie von Asphalt reduzierte und die Hoch- und Tieftemperatureigenschaften, den komplexen Schermodul und die Beständigkeit der Asphaltmischung gegen Spurrillen und Wasserschäden verbesserte. CHENG et al. [33] entwickelten eine Technik zur Erzeugung großer Graphenschichten auf Asphaltoberflächen.LIU et al. [34] verwendeten Erdölpech als Rohmaterial zur Herstellung von 3D-Graphennetzwerken durch chemische Gasphasenabscheidung und bewiesen, dass Pech eine der geeigneten Kohlenstoffquellen für 3D-Graphen ist.

1.2 Inländischer Forschungsstatus

Asphalt ist eine äußerst komplexe Polymerverbindung. Im Vergleich zur Polymermodifikation (wie SBS) kann die Verwendung von Nanokompositen zur Modifizierung von Asphalt eine bessere Leistung sowie ein stabileres und haltbareres Asphaltbindemittel erzielen [35–36]. Die Forschung von Sun Lu et al. [37–38] zeigt, dass die Oberflächenmodifikation von Nanopartikeln einen erheblichen Einfluss auf die Asphaltleistung hat, und es wird angenommen, dass die nanomodifizierte Asphaltmischung eine hervorragende Gesamtleistung auf der Straße aufweist. Im Mai 2018 installierte das Team von Shen Peikang erfolgreich mit Graphen-Verbundgummi modifizierten Asphalt auf dem Hauptbrückendeck der Nanning-Brücke und ging davon aus, dass die Hochtemperatur-, Niedertemperaturleistung, Lärmreduzierungsleistung und Klebeleistung des Brückendeckbelags verbessert wurden [39], Der Verbundwerkstoff jedoch Der Modifikationsmechanismus der Wechselwirkung zwischen Graphen und Gummiasphalt ist noch unklar. Huang Jinyu et al. [40] mischte SBS-Modifikator und Graphen in den Basisasphalt und stellte fest, dass Graphen die Konsistenz von SBS-modifiziertem Asphalt erhöhte und die Hochtemperaturleistung von Asphalt verbesserte, die Niedertemperaturleistung von Asphalt jedoch verschlechtert wurde.Liu Yu et al. [41] erläuterten die Anwendung von Graphen in intelligenten Straßen. Durch den Einsatz von Graphen-Energiegewinnungssystemen und Straßenenergiesystemen können Verkehrsunfälle reduziert und Entwicklungsideen und Lösungen für zukünftige intelligente Straßen bereitgestellt werden. Li Qizhong [42] stellte fest, dass die direkte Zugabe von Nanographit zu Asphalt die Temperaturempfindlichkeit und Hochtemperaturstabilität von Asphalt bis zu einem gewissen Grad verbessern kann. Schlussfolgerung, und es gibt keine klare Forschungsschlussfolgerung darüber, welcher Index zur Beurteilung verwendet werden soll.Han Shan [43] stellte fest, dass bei der Verwendung von Graphenkapseln zur Reparatur von Asphaltrissen die Reparaturzeit und -wirkung besser sind als die Reparaturfähigkeit des Asphalts selbst.

Die Nanning-Brücke nutzt die mit Graphen-Verbundgummi modifizierte Asphalttechnologie für den Brückenbelag, was weltweit das erste Mal ist. Die Nanning-Brücke wurde 2009 fertiggestellt und ist eines der Wahrzeichen von Guangxi. Da es sich um eine Kastenträgerkonstruktion aus Stahl handelt, ist das Brückendeck nach fast 9 Jahren starkem Verkehrsbetrieb schwer erkrankt. Am 27. März dieses Jahres begann das städtische Ingenieurbüro von Nanning mit der Durchführung einer umfassenden umfassenden Renovierung der Brücke. Unter anderem wurde die vom Team von Professor Shen Peikang von der Guangxi-Universität und Guangxi Zhenglu Machinery Technology Co., Ltd. gemeinsam entwickelte Technologie für mit Graphen-Verbundkautschuk modifizierten Asphalt zur Herstellung des Brückendecks verwendet. Pflaster löst viele Probleme, die auf Stahlhohlkastenbrückendecks auftreten können.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es im Transportbereich im In- und Ausland nur wenige entsprechende Untersuchungen zum Verbundsystem Graphen (Nicht-Graphenoxid)/Asphalt gibt. Die Hauptgründe sind: 1) In den wenigen vorhandenen Studien wurden Graphit-Nanoblätter verwendet. Oder Graphenoxid ist das Rohmaterial des Modifikators. Ersteres kann nicht die Anzahl der Kohlenstoffschichten (<10 Schichten) erfüllen, die der Definitionsstandard von Graphen erfordert. Demonstrieren Sie die einzigartigen Eigenschaften von Graphen; Gleichzeitig mangelt es dem Material an einer genauen strukturellen Charakterisierung (Anzahl der Kohlenstoffschichten, Dickenverteilung, Ebenengröße, Struktur usw.) und der Einfluss der Graphenskala auf die Eigenschaften von Asphalt kann nicht ermittelt werden.2) Der räumliche Verteilungszustand und die Grenzflächenwechselwirkungsart von Graphen-Nanoblättern in Asphalt sind unbekannt, die Graphen/Asphalt-Struktur weist keine Parameter auf und die Auswirkung des Dispersionszustands (Verteilungszustands) auf die Eigenschaften des Verbundsystems (Struktur-Aktivitäts-Beziehung) lässt keine eindeutige Schlussfolgerung zu. Der mikroskopische Wechselwirkungsmechanismus von Graphenpech wurde nicht eingehend untersucht.3) Die Forschung zu den Verhaltensmerkmalen des Verbundmaterialsystems ist nicht systematisch und umfassend, und die Änderungsregeln der wichtigsten Verhaltensmerkmale von Graphenpech und Asphaltmischung wurden nicht beherrscht, und das Verhaltensmodell wurde noch nicht etabliert. Daher beschränkt sich die aktuelle Forschung noch auf makroskopische Eigenschaften und befindet sich im Vorstadium der experimentellen Erforschung sowie der wichtigsten wissenschaftlichen Fragen wie der theoretischen Grundlage, dem Wirkmechanismus, den strukturellen Merkmalen, den Herstellungsmethoden und den Verhaltensmerkmalen von Hochleistungs-Graphen-Asphalt-Verbundwerkstoffen für den Straßenverkehr sind nicht klar. Im engeren Sinne müssen der synergistische Verstärkungsmechanismus, der Strukturzustand, die physikalisch-chemischen Eigenschaften und die Verhaltenseigenschaften des Graphen/Asphalt-Verbundsystems weiter eingehend und systematisch untersucht werden.

2. Vorstudie zu graphenmodifiziertem Asphalt

2.1 Interkalation und Exfoliation von Pech auf Graphen

In der Literatur [44–45] wurde die Mischung aus 2 % expandiertem Graphit (extern hinzugefügt, ausgedrückt als Asphaltmassenprozentsatz) und Asphalt der Sorte Zhonghai 70#A bei einer Temperatur von 180 °C und einer Rotationsgeschwindigkeit von 5000 U/min 3 Stunden lang gemischt. Nach mechanischer Scherung wurde der expandierte Graphit im heißen Pech (Probe A) mit einem Lösungsmittel aus dem Pech eluiert, und die Morphologieänderungen wurden mit dem Rasterelektronenmikroskop (REM) KYKY2800B beobachtet. Abbildung 1 zeigt den SEM-Morphologievergleich von expandiertem Graphit, der aus heißem Pech eluiert wurde. Aus Abbildung 1(a) ist ersichtlich, dass die Graphitschichten vom Asphalt eingelagert und abgelöst wurden und die expandierten Graphitschichten faltig sind und aufgrund zufälliger thermischer Bewegung gewellt und haben die Form von Gaze. Die Dicke der Bleche wird auf mehrere bis Dutzende Schichten geschätzt. Es entsteht Graphen. Die resultierenden Graphenschichten wurden teilweise im Asphalt dispergiert, was der SEM-Struktur und Morphologie des chemisch hergestellten Graphens in der Literatur ähnelt [46] (wie in Abb. 1(b) gezeigt).

Die gleichen Graphen-Pech-Mischungsproben wurden zur Durchführung von Röntgenbeugungsexperimenten (XRD) verwendet. Gemäß der Berechnung der Bragg-Gleichung wurde festgestellt, dass einige Pechmolekülketten zwischen die Blähungen aus expandiertem Graphit eingefügt wurden, was den Zwischenschichtabstand vergrößerte und interkalierte Nanostrukturen bildete. (Graphenschicht). Abbildung 2 zeigt das XRD-Muster des Materials. Aus Abbildung 2(a) ist ersichtlich, dass nach dem Mischen des heißen Asphalts mit expandiertem Graphit und dem Schmelzen und Scheren für 3 Stunden die geordnete Struktur des expandierten Graphits teilweise zerstört wurde und einige der Schichten effektiv in Graphenschichten abgeblättert wurden, wodurch sich ein größerer Abstand (Abb. 2(b)) mit einem größeren Abstand zwischen den Graphenschichten bildete. Dies liegt daran, dass einige Komponenten im heißen Pech zwischen die abgeblätterten Graphenschichten gelangen, wodurch die Einlagerung der Graphenschichten effektiv verhindert wird. Inter-π-π-Kraft.

Die oben genannten Studien haben gezeigt, dass Graphen eine Affinität zu Asphalt hat und von heißem Asphalt interkaliert oder abgeblättert werden kann, was die Herstellung von Graphenasphalt durch Materialverbundmodifikationstechnologie einfacher macht. Wenn Graphen gleichmäßig im Asphalt verteilt ist, ist es sehr wahrscheinlich, dass es verschiedene Eigenschaften von Asphalt stark verändert und verbessert.

2.2 Vorläufige molekulardynamische Simulation der Wechselwirkung zwischen Asphaltenen und Graphit

Methoden der Molekulardynamik sind leistungsstarke Werkzeuge zur Untersuchung von Systemen kondensierter Materie und werden häufig in den Materialwissenschaften, der Biophysik und dem Arzneimitteldesign eingesetzt. Mithilfe der Materialsstudio-Software wurde das Asphaltenmodell optimiert, das NPT-System zur Simulation der 2-ns-Relaxationszeitbedingung verwendet und die molekulardynamische Berechnung der Wechselwirkung zwischen Asphalten und der Graphitoberfläche durchgeführt. Abbildung 3 zeigt das molekulardynamische (MD) Rechenmodell der Wechselwirkung von Asphaltenen mit dem Graphit Oberfläche. Die Ergebnisse zeigen, dass unter den gleichen Simulationsberechnungsbedingungen für das adsorbierte Materialsystem mit einer Ordnungszahl von 3000 die Adsorptionsenergie von Asphalten und der Graphitoberfläche der des Epoxidharzmoleküls (E51) entspricht und die Differenz zwischen der Adsorptionsenergie des Wassermoleküls und der Graphitoberfläche darstellt. Es beträgt 94 % des Wertes von Stickstoffmethylpyrrolidon (NMP, einem häufig verwendeten Graphendispersionslösungsmittel), was darauf hinweist, dass eine starke Wechselwirkung zwischen Asphaltenen und Graphitschichten besteht und Graphen einen Einfluss auf die Struktur von Asphaltkolloiden hat. Asphalt selbst ist eine kolloidale Struktur mit festen Asphaltenen als Dispersionen. Da Asphaltene flockenartige Strukturen kondensierter aromatischer Kohlenwasserstoffe sind, weisen diese Flockenmoleküle π-π-Wechselwirkungen aromatischer Ringe auf, was dazu führt, dass einige Asphaltene auch in Schichten gestapelt sind. Struktur vorhanden. Abbildung 4 zeigt die Simulation der supramolekularen Struktur, die durch die Wechselwirkung von Asphaltenen und Graphit entsteht. Durch rechnerische Analyse wird spekuliert, dass die Wechselwirkung zwischen der Asphaltenschicht und der riesigen Graphenschicht (im Verhältnis zur Asphaltenschicht) stärker ist als die Wechselwirkung zwischen den einzelnen Schichten des Asphaltens selbst. Daher ist es durch Adsorption der Monoschichtmoleküle von Asphaltenen auf der Graphenoberfläche sehr gut möglich, die gestapelte Struktur zu trennen von Asphaltenen, um eine supramolekulare Struktur mit Graphenschichten als Basisebene zu bilden.

2.3 Vorstudie zu den Eigenschaften von Graphenpech

Unter Verwendung des Zhonghai-Basisasphalts Nr. 70 als ursprüngliche Asphaltreferenz, unter Verwendung von Graphen, hergestellt von Deyang Carbon Technology Co., Ltd., unter Einhaltung der exakt gleichen Testbedingungen, unter Verwendung einer starken mechanischen Schermethode (5000 U/min, 160 °C, 30 Min.), Hochgeschwindigkeitsscherung, wurden Graphenpechmischungen mit unterschiedlichem Graphengehalt (0,5 %, 1,0 %, 2,0 % und externe Dotierung) hergestellt und die Penetration durchgeführt. Dynamometrische Duktilität, Erweichungspunkt und Brookfield-Viskosität bei 135 °C wurden getestet [48–49]. Es wurden mehrere parallele Experimente durchgeführt und die Daten nach normaler Analyse zusammengefasst, wie in den Tabellen 1–3 gezeigt.

Tabelle 1 zeigt die Auswirkung der Qualität des Grapheneinbaus und der Testtemperatur auf die Penetration und den Erweichungspunkt der Graphenpechmischung. Aus Tabelle 1 ist ersichtlich, dass mit zunehmendem Graphengehalt das Änderungsgesetz der Penetration der Graphenpechmischung zwischen 5 und 25 °C nicht signifikant ist, bei 30 °C zeigt die Penetration der Mischung jedoch einen Abwärtstrend, was darauf hinweist, dass Graphen die Asphaltmischung den Asphalt härten kann, wenn die Temperatur höher ist. Gleichzeitig ist der Erweichungspunkt der Graphen-Asphalt-Mischung höher als der des Basisasphalts, was beweist, dass der Einbau von Graphen die Hochtemperaturleistung des Asphalts verbessern kann. Das sich ändernde Gesetz des Erweichungspunkts muss weiter untersucht werden.

Tabelle 2 zeigt die Auswirkungen der Qualität des Grapheneinbaus und der Testtemperatur auf die dynamometrische Duktilität von Graphen-Pech-Mischungen. Aus Tabelle 2 ist ersichtlich, dass bei derselben Temperatur mit zunehmender Menge der Graphendotierung die Zugfestigkeit der Mischung kontinuierlich zunimmt, was darauf hinweist, dass Graphen die Fähigkeit des Asphalts, Verformungen zu widerstehen, erheblich verbessern kann; Wenn die Testtemperatur 10 bis 15 ° C beträgt, ist die Graphen-Pech-Duktilität der Mischung geringer als die Duktilität des Matrixasphalts, aber die Zugkraft nimmt zu, was beweist, dass der Einbau von Graphen einen Einfluss auf die Viskoelastizität des Asphalts hat und seine Regelmäßigkeit noch weiter untersucht werden muss. Noch wichtiger ist, dass beim Testen der Duktilität bei 5 ° C die Matrix-Pech einen Sprödbruch erzeugt, während die Duktilität und Zugfestigkeit von Die Graphen-Pech-Mischung nimmt mit zunehmendem Graphengehalt zu. Bei Zugabe von 2,0 % Graphen erhöht sich die Duktilität von Asphalt deutlich, die Duktilität erreicht 7,73 cm, was dem 33,6-fachen des Basisasphalts entspricht, die maximale Zugkraft beträgt das 2,4-fache des Basisasphalts und sogar mehr als das 1,5-fache des SBS-modifizierten Asphalts [50] und die erforderliche Bruchenergie ist am größten.Studien haben gezeigt, dass Graphen die Bruchzähigkeit und Zugfestigkeit von Asphalt bei niedrigen Temperaturen erheblich verbessern kann Umwelt und hat einen erheblichen Verbesserungseffekt auf die mechanischen Eigenschaften von Asphalt.

Tabelle 3 zeigt die Auswirkung der Qualität des Grapheneinbaus auf die Brookfield-Viskosität von Graphenpechmischungen. Aus Tabelle 3 ist ersichtlich, dass mit zunehmender Qualität des Grapheneinbaus die Viskosität der Mischung allmählich zunimmt, was erneut beweist, dass der Einbau von Graphen zu Änderungen in der Viskoelastizität des Asphalts führt, was die Hochtemperaturleistung des Asphalts erheblich verbessert.

Die rheologischen Parameter der Graphen-Asphalt-Mischung wurden durch einen dynamischen rheologischen Schertest getestet und die Änderungsregel der Viskoelastizität wurde gefunden. Der entsprechende Test wurde mit dem dynamischen Scherrheometer BohlinDSRI durchgeführt. Der Dehnungskontrollmodus wurde verwendet, die Dehnung wurde auf 12 % eingestellt und der Durchmesser betrug 25 mm große rotierende Welle, 1000 μm kleiner Spalt; Die Testschwingungsgeschwindigkeit beträgt 10,0 rad/s und die SHRP-PG-Klassifizierungstestdaten von Graphenpechmischungen mit unterschiedlichen Inhalten sind in Tabelle 4 aufgeführt.

Aus Tabelle 4 ist ersichtlich, dass es aufgrund des großen Temperaturbereichs der SHRP-Hochtemperatur-PG-Klassifizierung Fälle gibt, in denen sich die Graphen-Pech-Mischung mit unterschiedlichem Graphengehalt und der Matrixteilung auf dem gleichen Temperaturniveau befindet und das Hochtemperaturniveau PG64 beträgt, der tatsächliche Wert jedoch bei 1,0 % und 2,0 % liegt G*/sinδ steigt mit zunehmendem Graphengehalt deutlich an, was darauf hinweist, dass die elastische Erholungsfähigkeit und die Anti-Routing-Fähigkeit von Asphalt kontinuierlich verbessert werden und die Hochtemperaturleistung deutlich verbessert wurde.

Die Wirkung von Graphen auf die Asphalteigenschaften wurde weiterhin mithilfe eines Multi-Stress-Repetitive-Cree-Recovery-Tests (MSCR) bewertet. Der Test wurde auf einem dynamischen Scherrheometer BohlinDSRI im Spannungskontrollmodus mit Spannungen von 0,1 und 3,2 kPa und einer Testtemperatur von 64 °C durchgeführt. Jeder Kriechzyklus wird 1 s lang belastet und 9 s lang entlastet, und die Anzahl der Wiederholungen beträgt 100 [52]. Die Testergebnisse sind in Tabelle 5 aufgeführt.

Gemäß Tabelle 5 können die Eigenschaften von Graphenpechmischungen mit unterschiedlichen Einarbeitungsqualitäten hinsichtlich der Deformationserholung deutlich unterschieden werden. Mit zunehmendem Graphengehalt zeigte die nicht wiederherstellbare Kriechnachgiebigkeit unter einer Belastung von 0,1 und 3,2 kPa einen abnehmenden Trend und die elastische Erholungsrate zeigte einen zunehmenden Trend, was beweist, dass der Einbau von Graphenpech einen großen Einfluss auf die rheologischen Eigenschaften von Pech hat. .Unter geringer Belastung ist die elastische Erholungsfähigkeit der 0,5 % Graphen-Asphalt-Mischung deutlich höher als die des Matrixasphalts, und die elastische Erholungsfähigkeit der 1,0 % und 2,0 % Graphen-Asphalt-Mischung ist sehr signifikant; Bei hohem Spannungsniveau ist die durchschnittliche Erholungsrate der Graphen-Asphalt-Mischungen mit drei Dosierungen hoch und die nicht wiederherstellbare Kriechnachgiebigkeit niedrig, was beweist, dass der Einbau von Graphen die elastische Erholungsfähigkeit des Asphalts gut macht und die bleibende bleibende plastische Verformung gering ist.

Aus der obigen Analyse ist ersichtlich, dass der Einbau von Graphen einen erheblichen Einfluss auf das Verhalten von Asphalt hat und die Eigenschaften von Asphalt verbessern kann. Aufgrund der unvollständigen Herstellungsmethode der Verbundmaterialien in der Studie können die einzigartigen Eigenschaften von Graphen jedoch nicht vollständig nachgewiesen und Graphenasphalt nicht offenbart werden. Der Wirkungsmechanismus von Materialverbunden und die Etablierung leitender Theorien für die Auswahl und Wirkung von Tensiden, die Bewertung der Homogenität von Verbundwerkstoffen, die Interkalationseffizienz, die Eigenschaften nanoskaliger Veränderungen, die Korrelation und den Einfluss von Faktoren, Verhaltensmerkmale und deren sich ändernde Gesetze sowie andere wichtige wissenschaftliche Fragen. Beides erfordert eingehende Forschung.

3. Fazit

1) Der Forschungsstand und die Entwicklungstrends von Verbundwerkstoffen auf Graphen-modifizierter Asphaltbasis im Bereich des Bauingenieurwesens im In- und Ausland werden überprüft, und es wird davon ausgegangen, dass sich die aktuelle diesbezügliche Forschung noch in einem frühen Forschungsstadium befindet.

2) Graphenmaterialien können verschiedene Eigenschaften von Asphaltmaterialien verbessern; Schlüsselthemen wie das Materialzusammensetzungssystem und die Zubereitungsmethode, der Wirkungsmechanismus der Synergie und des theoretischen Unterstützungssystems sowie das Änderungsgesetz wichtiger Verhaltensmerkmale müssen jedoch weiter untersucht werden.

3) Graphen hat eine Affinität zu Asphalt, und Graphen kann durch heißen Asphalt interkaliert oder abgeblättert werden, um eine supramolekulare Struktur mit Graphenschichten als Basisebene zu bilden und das Verhalten der Mischung erheblich zu verbessern.

4) Die Forschungsergebnisse liefern eine Forschungsgrundlage und Beweise für die Verwendung von Graphen zur umfassenden Verbesserung von Asphaltmaterialien und haben aufschlussreiche und fördernde Auswirkungen auf die Herstellung und Anwendung von Graphenasphalt mithilfe der Verbundmodifikationstechnologie.

Zhang Xia, Huang Gang, Zhou Chao, Yuan Xiaoya, He Junxi, Feng Manman, Liu Zhao (Nationales und lokales gemeinsames Ingenieurlabor für Transport- und Bauingenieurmaterialien der Chongqing Jiaotong-Universität, Chongqing, 400074)

Quelle: Journal of Central South University (Natural Science Edition), Juli 2019

Autor: Huang Gang, Ph.D., Professor, beschäftigt sich mit Straßenstruktur- und Materialforschung, E-Mail: hg_2004 126.com