สถานะการวิจัยและแนวโน้มการพัฒนาของคอมโพสิตแอสฟัลต์ดัดแปลงด้วยกราฟีนในสาขาวิศวกรรมทั้งในและต่างประเทศ

การใช้กราฟีนซึ่งเป็นวัสดุนาโนคาร์บอนสองมิติที่มีโครงสร้างพิเศษและประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมกับวิศวกรรมโยธาสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของวัสดุทางวิศวกรรมได้อย่างครอบคลุมและขยายขอบเขตการใช้งานของกราฟีน โดยการทบทวนสถานะการวิจัยและแนวโน้มการพัฒนาของคอมโพสิตกราฟีน-แอสฟัลต์ในสาขาวิศวกรรมโยธาที่บ้านและต่างประเทศในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา พบว่าการรวมตัวของกราฟีนเข้ากับแอสฟัลต์ช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการทำงานของถนน แต่ยังขาดการวิจัยที่เกี่ยวข้อง เช่น ลักษณะเฉพาะของโครงสร้างกราฟีน-แอสฟัลต์ กลไกการออกฤทธิ์ด้วยกล้องจุลทรรศน์ของพฤติกรรมเฉพาะตัวของกราฟีน-แอสฟัลต์ กฎการเปลี่ยนแปลงของลักษณะพฤติกรรมที่สำคัญของส่วนผสมของกราฟีน-แอสฟัลต์และแอสฟัลต์ และระบบวัสดุผสมกราฟีน-แอสฟัลต์ กราฟีนถูกรวมเข้ากับระดับพิทช์ 70 และในตอนแรกมีการสำรวจส่วนผสมของกราฟีนพิทช์โดยใช้วิธีการวิจัยทั้งแบบมหภาคและด้วยกล้องจุลทรรศน์ ผลการวิจัยแสดงให้เห็นว่ากราฟีนมีความสัมพันธ์กับแอสฟัลต์และสามารถแทรกซึมหรือขัดผิวด้วยแอสฟัลต์ร้อนเพื่อสร้างโครงสร้างโมเลกุลเหนือด้วย แผ่นกราฟีนเป็นระนาบฐาน การรวมตัวของกราฟีนช่วยปรับปรุงพฤติกรรมของแอสฟัลต์ได้อย่างมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งประสิทธิภาพที่อุณหภูมิต่ำ

กราฟีนเป็นวัสดุนาโนสองมิติที่มีลักษณะคล้ายรวงผึ้งซึ่งเกิดจากการผสมพันธุ์ของอะตอม C กับวงโคจรอิเล็กตรอน sp2 ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา กราฟีนได้กลายเป็นจุดสนใจในการวิจัยในสาขาอิเล็กทรอนิกส์ ข้อมูล พลังงาน วัสดุ การคุ้มครองสิ่งแวดล้อม และชีวการแพทย์ เนื่องจากมีโครงสร้างที่เป็นเอกลักษณ์ คุณสมบัติที่ยอดเยี่ยม และโอกาสในการใช้งานในวงกว้าง [1−11] มีความก้าวหน้าเชิงบวกในเทคโนโลยีการเตรียมกราฟีน ซึ่งให้การรับประกันวัตถุดิบสำหรับการวิจัยขั้นพื้นฐานและการพัฒนาแอปพลิเคชันของกราฟีน ไม่ว่าจะเป็นในการวิจัยทางทฤษฎีหรือการประยุกต์ใช้ทางวิศวกรรม กราฟีนและวัสดุคอมโพสิตกราฟีนที่ได้มาจากกราฟีนได้แสดงให้เห็นถึงความสำคัญและการประยุกต์ทางวิทยาศาสตร์อย่างมาก ศักยภาพ ในประเทศจีน กราฟีนและอนุพันธ์ที่เกี่ยวข้องกับชั้นอะตอมของคาร์บอนระหว่าง 1 ถึง 10 ชั้น เรียกรวมกันว่าวัสดุกราฟีน ในหมู่พวกเขากราฟีนมีโครงสร้างกึ่งสองมิติที่เกิดจากอะตอมคาร์บอนอย่างง่าย ในเวลาเดียวกัน ชั้นคาร์บอนของกราฟีนสามารถรวมกับ -NH2, -COOH , -OH, -C=O และ -O- และกลุ่มการทำงานอื่นๆ ก่อให้เกิดกราฟีนเชิงฟังก์ชัน ซึ่งปัจจุบันส่วนใหญ่ประกอบด้วยกราฟีนออกไซด์ (GO) และกราฟีนอะมิเนต (TNRGON) การใช้วัสดุกราฟีนในสาขาวิศวกรรมโยธาและการดำเนินการวิจัยเกี่ยวกับวัสดุคอมโพสิตกราฟีน-แอสฟัลต์สามารถช่วยให้วัสดุทางวิศวกรรมในสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกันเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพที่ดีขึ้นและอายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้น ลดต้นทุนการบริการ และยังช่วยให้ วัสดุกราฟีนที่มีคุณสมบัติเชิงหน้าที่ การใช้งานทางเคมีเป็นแนวทางการพัฒนาใหม่ ปัจจุบันการวิจัยเกี่ยวกับวัสดุแอสฟัลต์ดัดแปลงคอมโพสิตกราฟีนในสาขาวิศวกรรมทั้งในประเทศและต่างประเทศยังอยู่ในขั้นตอนการสำรวจเบื้องต้น และมีปัญหามากมายในทางทฤษฎีและการประยุกต์ใช้ในทางปฏิบัติที่ต้องแก้ไขอย่างเร่งด่วน ในบทความนี้ สถานะการวิจัยและแนวโน้มการพัฒนาของวัสดุแอสฟัลต์ดัดแปลงกราฟีนในสาขาวิศวกรรมทั้งในประเทศและต่างประเทศในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาได้มีการหารือกัน และจะมีการหารือถึงวัสดุคอมโพสิตแอสฟัลต์ดัดแปลงด้วยกราฟีน

1. สถานะการวิจัยของวัสดุนาโนคาร์บอนและสนามคอมโพสิตกราฟีน

1.1 สถานะปัจจุบันของการวิจัยในต่างประเทศ

ในสาขาการวิจัยแอสฟัลต์ดัดแปลงวัสดุนาโนคาร์บอน MICHELL และคณะ [12] ศึกษาแอสฟัลต์ถนนแบบดัดแปลงด้วยท่อนาโนคาร์บอนหนึ่งมิติ และเชื่อว่าแอสฟัลต์คอมโพสิตแบบคาร์บอนนาโนทิวบ์สามารถปรับปรุงสมรรถนะที่อุณหภูมิสูงของแอสฟัลต์ได้ YAO และคณะ [13] ใช้แผ่นนาโนกราไฟท์หลายชั้นเพื่อปรับปรุงสมรรถนะของแอสฟัลต์ที่อุณหภูมิสูงและอุณหภูมิต่ำ BRCIC [14] ศึกษาผลกระทบของแผ่นนาโนกราไฟท์ต่อพฤติกรรมของแอสฟัลต์ผ่านการจำแนกประเภท SHRP-PG และเชื่อว่าความทนทานของแอสฟัลต์ดัดแปลงได้รับการปรับปรุง และโมดูลัสยืดหยุ่นได้รับการปรับปรุง [15–16] เชื่อว่าแผ่นนาโนกราไฟท์สามารถปรับปรุงความไวต่ออุณหภูมิของแอสฟัลต์ เพิ่มความแข็งแรง ลดขั้นตอนการบดอัดของส่วนผสมแอสฟัลต์ลงอย่างมาก และเหมาะสำหรับสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิต่ำ ZHOU และคณะ [17] ใช้การจำลองระดับโมเลกุลเพื่อประเมินคุณสมบัติทางความร้อนเชิงกลของแอสฟัลต์ดัดแปลงกราฟีน/ท่อนาโนคาร์บอน และเชื่อว่าคุณสมบัติทางความร้อนเชิงกลของแอสฟัลต์ได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญหลังจากเพิ่มกราฟีนหรือท่อนาโนคาร์บอน เซง และคณะ [18] เชื่อว่ากราไฟท์ออกไซด์กราฟีนสามารถปรับปรุงอุณหภูมิสูง อุณหภูมิต่ำ และคุณสมบัติการต่อต้านริ้วรอยของยางมะตอยประเภทต่างๆ ได้ LAM [19] เชื่อว่าปริมาณกราฟีนออกไซด์ในปริมาณที่สูงขึ้นสามารถปรับปรุงความแข็งแรง ความสม่ำเสมอ การเสียรูป และจุดอ่อนตัวของแอสฟัลต์ได้ HABIB และคณะ [20] เชื่อว่าแอสฟัลต์กราฟีนออกไซด์ช่วยเพิ่มความต้านทานการเสียรูปของทางเท้าและลดการเกิดร่องบนทางเท้า หลิวและคณะ [21] พบว่าการเติมกราฟีนและส่วนผสมของแอสฟัลต์ดัดแปลงคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์สามารถนำไปสู่การปรับปรุงในระดับหนึ่งในด้านความเสถียรของมาร์แชล ความเสถียรของสารตกค้าง และความเสถียรของร่องของส่วนผสมของแอสฟัลต์ และจะเป็นประโยชน์ต่อความต้านทานของแอสฟัลต์คอนกรีตต่อความเครียด การตรวจสอบตนเอง LIU และคณะ [22] พบว่ากราฟีนออกไซด์ปรับปรุงความหนืด ความยืดหยุ่นที่อุณหภูมิสูง และความต้านทานการเปลี่ยนรูปถาวรของแอสฟัลต์ PG 64-22 อย่างมีนัยสำคัญ เมื่อใช้กราฟีนออกไซด์ สารยึดเกาะแอสฟัลต์ผสมอุ่น และน้ำมันปรุงอาหารที่ใช้แล้วในการปรับเปลี่ยนแอสฟัลต์ อุณหภูมิสูงและประสิทธิภาพอุณหภูมิต่ำที่ดีเยี่ยม การวิจัยของ MORENO-NAVARRO และคณะ [23] แสดงให้เห็นว่ากราฟีนจะสร้างการตอบสนองที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นในสารยึดเกาะแอสฟัลต์ แต่ความสามารถในการคืนสภาพแบบยืดหยุ่นของมันไม่ดีเท่ากับตัวดัดแปลงแอสฟัลต์อื่นๆ นอกจากนี้ ในการดัดแปลงคอมโพสิต กราฟีนสามารถเพิ่มการนำความร้อนโดยการเพิ่มการนำความร้อน ความสามารถในการส่งผ่านเพื่อลดความไวต่อความร้อนของกาวอื่นๆ [24–25] แสดงให้เห็นว่าออคตาเดซิลามีน (ODA) ถูกกราฟต์ลงบนพื้นผิวของแผ่นนาโนกราไฟต์ (GNP) เพื่อสร้างสารประกอบเชิงซ้อน ODA-GNP ผ่านพันธะโควาเลนต์ จากนั้น GNP ถูกรวมเข้ากับ ODA-GNP แอสฟัลต์ดัดแปลง SBS ที่ดัดแปลงด้วยสารประกอบสามารถปรับปรุงความเหนียว จุดอ่อน การซึมผ่าน ความยืดหยุ่นความหนืด ความต้านทานการกัดร่องที่อุณหภูมิสูง และความเข้ากันได้ของแอสฟัลต์ดัดแปลงรอง บนพื้นผิวของแผ่นนาโนกราไฟท์ จะเกิดคอมโพสิต (PS-GNP) และแอสฟัลต์ที่ดัดแปลงด้วย SBS ได้รับการแก้ไขด้วย GNP และ PS-GNP และประสิทธิภาพได้รับการปรับปรุงให้ดีขึ้น การวิจัยของ Wang และคณะ [26−28] แสดงให้เห็นว่าการใช้กราไฟท์เกล็ดและนาโนชีตกราไฟท์แบบขยายกับวัสดุแอสฟัลต์ดัดแปลงแบบผสมสามารถนำไปสู่การเพิ่มขึ้นของความหนืดของแอสฟัลต์ พลังงานกระตุ้นที่ลดลง การดูดกลืนแสงและการนำความร้อนที่เพิ่มขึ้น และสามารถเพิ่มการฟื้นตัวของส่วนผสมแอสฟัลต์จากการแตกหักได้อย่างมีประสิทธิภาพ ความสามารถของพลังงานและความแข็งแรงช่วยเพิ่มความสามารถในการบำบัดของส่วนผสมแอสฟัลต์ และค่าการนำไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้นตามการเพิ่มขึ้นของกราไฟท์ การวิจัยของ LI และคณะ [29] แสดงให้เห็นว่าเมื่อกราฟีนออกไซด์ผสมกับสารยึดเกาะแอสฟัลต์ GO สลายตัวเพื่อปล่อยก๊าซ CO2 ไม่มีปฏิกิริยาทางเคมีกับสารยึดเกาะแอสฟัลต์ และโครงสร้าง GO ถูกลอกออกจนหมดและกระจายตัวไปในสารยึดเกาะแอสฟัลต์ ชั้นเดียว LIU และคณะ [30] ได้แสดงให้เห็นว่าการเพิ่มกราฟีนออกไซด์ในปริมาณเล็กน้อยสามารถปรับปรุงความหนืดของอุณหภูมิการปู ความยืดหยุ่นที่อุณหภูมิสูง และความต้านทานการร่องของกาวที่ไม่มีการดัดแปลง/SBS ที่ดัดแปลง กลไกการปรับเปลี่ยน GO บนกาวที่ไม่มีการดัดแปลงมีปฏิกิริยาทางเคมีและปฏิกิริยาทางกายภาพ แต่มีเพียงปฏิกิริยาทางกายภาพเท่านั้นที่มีอยู่ในกาวดัดแปลง SBSGUO และคณะ [31] ใช้ผงกราไฟท์ CNT ผสมเป็นสารยึดเกาะแอสฟัลต์ ซึ่งสามารถปรับปรุงคุณสมบัติทางกลของแอสฟัลต์ที่อุณหภูมิสูงได้ YAO และคณะ [32] ใช้แผ่นนาโนกราไฟท์เพื่อปรับเปลี่ยนแอสฟัลต์ ซึ่งลดพลังงานกระตุ้นของแอสฟัลต์ และปรับปรุงคุณสมบัติอุณหภูมิสูงและอุณหภูมิต่ำ โมดูลัสแรงเฉือนที่ซับซ้อน และความต้านทานของส่วนผสมแอสฟัลต์ต่อการสึกกร่อนและความเสียหายจากน้ำ CHENG และคณะ [33] พัฒนาเทคนิคในการสร้างกราฟีนแผ่นใหญ่บนพื้นผิวแอสฟัลต์ LIU และคณะ [34] ใช้พิทช์ปิโตรเลียมเป็นวัตถุดิบในการเตรียมเครือข่ายกราฟีน 3 มิติโดยการสะสมไอสารเคมี และพิสูจน์ว่าพิทช์เป็นหนึ่งในแหล่งคาร์บอนที่เหมาะสมสำหรับกราฟีน 3 มิติ

1.2 สถานะการวิจัยในประเทศ

แอสฟัลต์เป็นสารประกอบโพลีเมอร์ที่ซับซ้อนมาก เมื่อเปรียบเทียบกับการดัดแปลงโพลีเมอร์ (เช่น SBS) การใช้นาโนคอมโพสิตในการปรับเปลี่ยนแอสฟัลต์จะได้รับประสิทธิภาพที่ดีกว่า สารยึดเกาะแอสฟัลต์ที่มีความเสถียรและทนทานมากกว่า [35−36] การวิจัยของ Sun Lu et al. [37−38] แสดงให้เห็นว่าการปรับเปลี่ยนพื้นผิวของอนุภาคนาโนมีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อประสิทธิภาพของแอสฟัลต์ และเชื่อกันว่าส่วนผสมของแอสฟัลต์ดัดแปลงนาโนมีสมรรถนะถนนที่ครอบคลุมที่ยอดเยี่ยม ในเดือนพฤษภาคม พ.ศ. 2561 ทีมงานของ Shen Peikang ประสบความสำเร็จในการติดตั้งแอสฟัลต์ดัดแปลงยางคอมโพสิตกราฟีนบนดาดฟ้าหลักของสะพานหนานหนิง และเชื่อว่าอุณหภูมิสูง ประสิทธิภาพอุณหภูมิต่ำ ประสิทธิภาพการลดเสียงรบกวน และประสิทธิภาพการยึดเกาะของผิวทางดาดฟ้าสะพานได้รับการปรับปรุง [39] อย่างไรก็ตาม กลไกการปรับเปลี่ยนคอมโพสิตของ ปฏิสัมพันธ์ระหว่างกราฟีนและแอสฟัลต์ยางยังไม่ชัดเจน Huang Jinyu และคณะ [40] ผสมตัวดัดแปลง SBS และกราฟีนลงในแอสฟัลต์ฐาน และพบว่ากราฟีนเพิ่มความสม่ำเสมอของแอสฟัลต์ดัดแปลง SBS และปรับปรุงสมรรถนะที่อุณหภูมิสูงของแอสฟัลต์ แต่สมรรถนะที่อุณหภูมิต่ำของแอสฟัลต์กลับแย่ลง Liu Yu et al. [41] อธิบายการประยุกต์ใช้กราฟีนในถนนอัจฉริยะ ด้วยการใช้ระบบการเก็บเกี่ยวพลังงานกราฟีนและระบบพลังงานถนน อุบัติเหตุจราจรจะลดลง และสามารถนำเสนอแนวคิดและแนวทางการพัฒนาสำหรับถนนอัจฉริยะในอนาคตได้ Li Qizhong [42] พบว่าการเพิ่มนาโนกราไฟท์ลงในแอสฟัลต์โดยตรงสามารถปรับปรุงความไวต่ออุณหภูมิและความเสถียรที่อุณหภูมิสูงของแอสฟัลต์ได้ในระดับหนึ่ง สรุปและไม่มีข้อสรุปการวิจัยที่ชัดเจนว่าจะใช้ดัชนีใดในการตัดสิน Han Shan [43] พบว่าเมื่อใช้แคปซูลกราฟีนในการซ่อมแซมรอยแตกร้าวของยางมะตอย เวลาและผลในการซ่อมแซมจะดีกว่าความสามารถในการซ่อมแซมของแอสฟัลต์เอง

สะพานหนานหนิงใช้เทคโนโลยีแอสฟัลต์ดัดแปลงยางคอมโพสิตกราฟีนสำหรับทางเท้าบนดาดฟ้าสะพาน ซึ่งเป็นครั้งแรกในโลก สะพานหนานหนิงสร้างเสร็จในปี 2552 และเป็นหนึ่งในอาคารสำคัญในกวางสี เนื่องจากเป็นโครงสร้างคานกล่องเหล็ก หลังจากใช้งานการจราจรหนาแน่นมาเกือบ 9 ปี ดาดฟ้าสะพานก็ประสบปัญหาโรคร้ายแรง เมื่อวันที่ 27 มีนาคมปีนี้ สำนักงานจัดการวิศวกรรมเทศบาลหนานหนิงเริ่มดำเนินการปรับปรุงสะพานอย่างครอบคลุม ในจำนวนนี้ เทคโนโลยีแอสฟัลต์ดัดแปลงยางคอมโพสิตกราฟีน ซึ่งพัฒนาร่วมกันโดยทีมงานของศาสตราจารย์ Shen Peikang จากมหาวิทยาลัย Guangxi และ Guangxi Zhenglu Machinery Technology Co., Ltd. ได้ถูกนำมาใช้ในการดำเนินการดาดฟ้าสะพาน ทางเท้าช่วยแก้ปัญหาต่างๆ มากมายที่อาจเกิดขึ้นบนดาดฟ้าสะพานคานกล่องเหล็ก

โดยสรุป ในด้านการขนส่ง มีงานวิจัยที่เกี่ยวข้องเพียงไม่กี่ชิ้นเกี่ยวกับระบบคอมโพสิตกราฟีน (ไม่ใช่กราฟีนออกไซด์)/แอสฟัลต์ทั้งในและต่างประเทศ สาเหตุหลักคือ: 1) การศึกษาที่มีอยู่บางส่วนได้ใช้กราไฟท์นาโนชีต หรือกราฟีนออกไซด์เป็นวัตถุดิบของตัวดัดแปลง แบบแรกไม่สามารถตอบสนองจำนวนชั้นคาร์บอน (<10 ชั้น) ที่กำหนดโดยมาตรฐานคำจำกัดความของกราฟีน สาธิตคุณสมบัติเฉพาะของกราฟีน ในเวลาเดียวกันวัสดุขาดคุณสมบัติโครงสร้างที่ดี (จำนวนชั้นคาร์บอน การกระจายความหนา ขนาดระนาบ โครงสร้าง ฯลฯ ) และไม่สามารถรับอิทธิพลของสเกลกราฟีนต่อคุณสมบัติของแอสฟัลต์ได้ 2) ไม่ทราบสถานะการกระจายเชิงพื้นที่และโหมดปฏิสัมพันธ์ระหว่างผิวของกราฟีนนาโนชีตในแอสฟัลต์ โครงสร้างกราฟีน/แอสฟัลต์ไม่มีพารามิเตอร์ และผลกระทบของสถานะการกระจาย (การกระจาย) ต่อคุณสมบัติของระบบคอมโพสิต (ความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างและกิจกรรม) ไม่มีข้อสรุปที่ชัดเจน กลไกการทำงานร่วมกันด้วยกล้องจุลทรรศน์ของกราฟีน-พิตช์ยังไม่ได้รับการศึกษาอย่างลึกซึ้ง 3) การวิจัยเกี่ยวกับลักษณะพฤติกรรมของระบบวัสดุคอมโพสิตไม่ได้เป็นระบบและครอบคลุม และกฎการเปลี่ยนแปลงของลักษณะพฤติกรรมที่สำคัญของกราฟีนพิทช์และส่วนผสมแอสฟัลต์ยังไม่ได้รับการเรียนรู้ และยังไม่ได้สร้างแบบจำลองพฤติกรรม ดังนั้น การวิจัยในปัจจุบันยังคงจำกัดอยู่เพียงคุณสมบัติมหภาคและอยู่ในขั้นตอนเบื้องต้นของการสำรวจทดลอง และประเด็นทางวิทยาศาสตร์ที่สำคัญ เช่น พื้นฐานทางทฤษฎี กลไกการออกฤทธิ์ โครงสร้าง ลักษณะ วิธีการเตรียม และลักษณะพฤติกรรมของคอมโพสิตกราฟีน-แอสฟัลต์บนถนนประสิทธิภาพสูงยังไม่ชัดเจน ในความหมายที่เข้มงวด กลไกการเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานร่วมกัน สถานะโครงสร้าง คุณสมบัติทางเคมีกายภาพ และคุณสมบัติเชิงพฤติกรรมของระบบคอมโพสิตกราฟีน/แอสฟัลต์ จำเป็นต้องได้รับการศึกษาเพิ่มเติมในเชิงลึกและเป็นระบบ

2. การศึกษาเบื้องต้นเกี่ยวกับแอสฟัลต์ดัดแปลงกราฟีน

2.1 การแทรกและการขัดผิวของสนามบนกราฟีน

ในเอกสาร [44-45] การผสมของกราไฟท์ขยายตัว 2% (เติมภายนอกในแง่ของมวลแอสฟัลต์) และแอสฟัลต์เกรด Zhonghai 70#A ถูกผสมที่อุณหภูมิ 180 °C และความเร็วการหมุน 5,000 รอบ/นาที เป็นเวลา 3 ชั่วโมง หลังจากการตัดเฉือนเชิงกล กราไฟท์ที่ขยายออกในสนามร้อน (ตัวอย่าง A) จะถูกชะออกจากสนามด้วยตัวทำละลาย และการเปลี่ยนแปลงทางสัณฐานวิทยาถูกสังเกตด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด KYKY2800B (SEM) รูปที่ 1 แสดงการเปรียบเทียบทางสัณฐานวิทยาของ SEM ของกราไฟท์ที่ขยายออกที่ชะออกจากสนามร้อน ดังจะเห็นได้จากรูปที่ 1 (a) ว่าแผ่นกราไฟท์ถูกแทรกและลอกออกด้วยแอสฟัลต์ และแผ่นกราไฟท์ที่ขยายออกจะมีรอยย่นและ โค้งงอเนื่องจากการเคลื่อนที่ของความร้อนแบบสุ่ม และอยู่ในรูปของผ้ากอซ ความหนาของแผ่นประมาณว่าจะอยู่ระหว่างหลายชั้นถึงหลายสิบชั้น กราฟีนถูกสร้างขึ้น แผ่นกราฟีนที่ได้จะถูกกระจายออกไปบางส่วนในแอสฟัลต์ ซึ่งคล้ายกับโครงสร้าง SEM และสัณฐานวิทยาของกราฟีนที่เตรียมทางเคมีในวรรณกรรม [46] (ดังแสดงในรูปที่ 1(b))

ตัวอย่างผสมกราฟีน-พิตช์เดียวกันถูกใช้เพื่อทำการทดลองการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ (XRD) จากการคำนวณสมการแบรกก์ พบว่ามีสายโซ่โมเลกุลระดับพิทช์บางเส้นสอดอยู่ระหว่างแผ่นกราไฟท์แบบขยาย ซึ่งขยายระยะห่างระหว่างชั้นและสร้างโครงสร้างนาโนแบบอินเทอร์คาเลต (แผ่นกราฟีน) รูปที่ 2 แสดงรูปแบบ XRD ของวัสดุ จะเห็นได้จากรูปที่ 2 (a) หลังจากที่แอสฟัลต์ร้อนผสมกับกราไฟท์ขยายตัว แล้วละลายและตัดเป็นเวลา 3 ชั่วโมง โครงสร้างที่ได้รับคำสั่งของกราไฟท์ที่ขยายตัวจะถูกทำลายบางส่วน และแผ่นบางแผ่นถูกขัดผิวอย่างมีประสิทธิภาพเป็นแผ่นกราฟีน โดยก่อตัวเป็น ] (รูปที่ 2 (b)) มากขึ้น โดยมีระยะห่างระหว่างแผ่นกราฟีนมากขึ้น เนื่องจากส่วนประกอบบางอย่างในสนามความร้อนจะเข้าไปอยู่ระหว่างแผ่นกราฟีนที่ถูกขัดผิว ซึ่งป้องกันแผ่นกราฟีนผ่านการแทรกซึมได้อย่างมีประสิทธิภาพ แรงระหว่างπ-π

การศึกษาข้างต้นได้พิสูจน์แล้วว่ากราฟีนมีความสัมพันธ์กับแอสฟัลต์และสามารถแทรกแซงหรือขัดผิวด้วยแอสฟัลต์ร้อน ซึ่งทำให้เป็นไปได้มากขึ้นในการเตรียมแอสฟัลต์กราฟีนผ่านเทคโนโลยีการปรับเปลี่ยนวัสดุคอมโพสิต หากกราฟีนกระจายตัวสม่ำเสมอในแอสฟัลต์ ก็มีแนวโน้มอย่างมากที่จะเปลี่ยนแปลงและปรับปรุงคุณสมบัติต่างๆ ของแอสฟัลต์อย่างมาก

2.2 การจำลองพลศาสตร์โมเลกุลเบื้องต้นของอันตรกิริยาระหว่างแอสฟัลต์ทีนและกราไฟต์

วิธีพลศาสตร์ระดับโมเลกุลเป็นเครื่องมืออันทรงพลังสำหรับการศึกษาระบบสสารควบแน่นและใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านวัสดุศาสตร์ ชีวฟิสิกส์ และการออกแบบยา การใช้ซอฟต์แวร์ Materialsstudio ทำให้แบบจำลองแอสฟัลต์ทีนได้รับการปรับปรุงให้เหมาะสม และใช้ระบบ NPT เพื่อจำลองเงื่อนไขเวลาผ่อนคลาย 2ns และทำการคำนวณพลวัตของโมเลกุลของอันตรกิริยาระหว่างแอสฟัลต์ทีนและพื้นผิวกราไฟต์ รูปที่ 3 แสดงแบบจำลองการคำนวณเชิงโมเลกุล (MD) ของอันตรกิริยาของแอสฟัลต์ทีนกับกราไฟต์ พื้นผิว ผลการวิจัยพบว่าภายใต้เงื่อนไขการคำนวณการจำลองเดียวกัน สำหรับระบบวัสดุดูดซับที่มีเลขอะตอม 3000 พลังงานการดูดซับของแอสฟัลต์ทีนและพื้นผิวกราไฟต์เทียบเท่ากับพลังงานการดูดซับของโมเลกุลอีพอกซีเรซิน (E51) และคือความแตกต่างระหว่างพลังงานการดูดซับของโมเลกุลน้ำและพื้นผิวกราไฟท์ คิดเป็น 94% ของไนโตรเจนเมทิลไพโรลิโดน (NMP ซึ่งเป็นตัวทำละลายการกระจายตัวของกราฟีนที่ใช้กันทั่วไป) ซึ่งบ่งชี้ว่ามีปฏิกิริยาที่รุนแรงระหว่างแอสฟัลต์ทีนและแผ่นกราไฟต์ และกราฟีนมีผลกระทบต่อโครงสร้างของแอสฟัลต์คอลลอยด์ แอสฟัลต์เองเป็นโครงสร้างคอลลอยด์ที่มีแอสฟัลต์ทีนแข็งเป็นการกระจายตัว เนื่องจากแอสฟัลทีนเป็นโครงสร้างคล้ายเกล็ดของอะโรมาติกไฮโดรคาร์บอนควบแน่น โมเลกุลของเกล็ดเหล่านี้จึงมีปฏิกิริยาระหว่างวงแหวนอะโรมาติก π-π ส่งผลให้แอสฟัลทีนบางส่วนซ้อนกันเป็นชั้นๆ เช่นกัน มีโครงสร้างอยู่ รูปที่ 4 แสดงการจำลองโครงสร้างซูปราโมเลกุลที่เกิดจากอันตรกิริยาของแอสฟัลต์ทีนและกราไฟต์ จากการวิเคราะห์ทางคอมพิวเตอร์ สันนิษฐานว่าอันตรกิริยาระหว่างแผ่นแอสฟัลต์ทีนกับแผ่นกราฟีนขนาดยักษ์ (สัมพันธ์กับแผ่นแอสฟัลต์ทีน) มีความแข็งแรงมากกว่าอันตรกิริยาระหว่างแผ่นแอสฟัลต์ทีนแต่ละแผ่น ดังนั้น โดยการดูดซับโมเลกุลชั้นเดียวของแอสฟัลต์ทีนบนพื้นผิวกราฟีน จึงเป็นไปได้มากที่จะแยกโครงสร้างที่ซ้อนกันของแอสฟัลต์ทีนออก เพื่อสร้างโครงสร้างซูปราโมเลกุลโดยมีแผ่นกราฟีนเป็นระนาบฐาน

2.3 การศึกษาเบื้องต้นเกี่ยวกับคุณสมบัติของกราฟีนพิทช์

นำแอสฟัลต์ฐาน Zhonghai No. 70 เป็นข้อมูลอ้างอิงแอสฟัลต์ดั้งเดิม โดยใช้กราฟีนที่ผลิตโดย Deyang Carbon Technology Co., Ltd. โดยตั้งค่าเงื่อนไขการทดสอบเดียวกันทุกประการ โดยใช้วิธีการตัดเฉือนเชิงกลที่แข็งแกร่ง (5,000r/นาที, 160°C, 30 นาที) เตรียมส่วนผสมของระยะพิตช์กราฟีนสำหรับการตัดความเร็วสูงที่มีปริมาณกราฟีนที่แตกต่างกัน (0.5%, 1.0%, 2.0% และการเติมสารภายนอก) และการเจาะทะลุ ไดนาโมเมตริก ทดสอบความเหนียว จุดอ่อนตัว และความหนืดของ Brookfield ที่อุณหภูมิ 135°C [48–49] ทำการทดลองแบบขนานหลายครั้ง และข้อมูลถูกสรุปหลังการวิเคราะห์ตามปกติ ดังแสดงในตารางที่ 1-3

ตารางที่ 1 แสดงผลของคุณภาพการรวมตัวของกราฟีนและอุณหภูมิการทดสอบต่อการแทรกซึมและจุดอ่อนตัวของส่วนผสมระยะพิตช์กราฟีน จะเห็นได้จากตารางที่ 1 ว่าด้วยการเพิ่มขึ้นของปริมาณกราฟีน กฎการเปลี่ยนแปลงของการแทรกซึมของส่วนผสมพิตช์กราฟีนไม่มีนัยสำคัญระหว่าง 5 ถึง 25 °C แต่ที่อุณหภูมิ 30 °C การแทรกซึมของส่วนผสมแสดงแนวโน้มลดลง บ่งชี้ว่ากราฟีน ส่วนผสมแอสฟัลต์สามารถทำให้แอสฟัลต์แข็งตัวได้เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ในเวลาเดียวกัน จุดอ่อนตัวของส่วนผสมกราฟีน-แอสฟัลต์จะสูงกว่าจุดอ่อนของแอสฟัลต์พื้นฐาน ซึ่งพิสูจน์ว่าการรวมตัวของกราฟีนสามารถปรับปรุงสมรรถนะที่อุณหภูมิสูงของแอสฟัลต์ได้ กฎการเปลี่ยนแปลงของจุดอ่อนตัวจำเป็นต้องศึกษาเพิ่มเติม

ตารางที่ 2 แสดงผลกระทบของคุณภาพการรวมตัวของกราฟีนและอุณหภูมิการทดสอบต่อความเหนียวไดนาโมเมตริกของส่วนผสมระหว่างระยะพิทช์ระหว่างกราฟีน จะเห็นได้จากตารางที่ 2 ว่าที่อุณหภูมิเดียวกัน เมื่อปริมาณการเติมกราฟีนเพิ่มขึ้น ความต้านทานแรงดึงของส่วนผสมจะเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง บ่งชี้ว่ากราฟีนสามารถปรับปรุงความสามารถของแอสฟัลต์ในการต้านทานการเสียรูปได้อย่างมาก เมื่ออุณหภูมิทดสอบอยู่ที่ 10~15 °C ระยะพิตช์ของกราฟีน ความเหนียวของส่วนผสมจะน้อยกว่าความเหนียวของแอสฟัลต์เมทริกซ์ แต่แรงดึงเพิ่มขึ้น ซึ่งพิสูจน์ได้ว่าการรวมตัวของกราฟีนมีผลกระทบต่อความหนืดของแอสฟัลต์ และยังต้องมีการศึกษาความสม่ำเสมอเพิ่มเติม ที่สำคัญกว่านั้น เมื่อทดสอบความเหนียวที่ 5°C ระยะพิตช์เมทริกซ์ทำให้เกิดการแตกหักแบบเปราะ ในขณะที่ความเหนียวและความต้านทานแรงดึงของ ส่วนผสมของกราฟีน-พิตช์จะเพิ่มขึ้นตามการเพิ่มขึ้นของปริมาณกราฟีน เมื่อเติมกราฟีน 2.0% ความเหนียวของแอสฟัลต์จะเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ โดยความเหนียวจะสูงถึง 7.73 ซม. ซึ่งเท่ากับ 33.6 เท่าของแอสฟัลต์ฐาน แรงดึงสูงสุดคือ 2.4 เท่าของแอสฟัลต์ฐาน และมากกว่า 1.5 เท่าของแอสฟัลต์ดัดแปลง SBS [50] และพลังงานการแตกหักที่ต้องการนั้นใหญ่ที่สุด การศึกษาแสดงให้เห็นว่ากราฟีนสามารถปรับปรุงความเหนียวของการแตกหักและความต้านทานแรงดึงของแอสฟัลต์ได้อย่างมากภายใต้ สภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิต่ำ และมีผลการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญต่อคุณสมบัติทางกลของแอสฟัลต์

ตารางที่ 3 แสดงผลกระทบของคุณภาพการรวมตัวของกราฟีนต่อความหนืดของส่วนผสมที่มีระยะพิทช์ของกราฟีนใน Brookfield จะเห็นได้จากตารางที่ 3 ว่าด้วยการเพิ่มคุณภาพการรวมตัวของกราฟีน ความหนืดของส่วนผสมจะค่อยๆ เพิ่มขึ้น ซึ่งพิสูจน์อีกครั้งว่าการรวมตัวของกราฟีนทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงความหนืดของแอสฟัลต์ ซึ่งช่วยปรับปรุงสมรรถนะที่อุณหภูมิสูงของแอสฟัลต์ได้อย่างมาก

พารามิเตอร์ทางรีโอโลยีของส่วนผสมกราฟีน-แอสฟัลต์ได้รับการทดสอบโดยการทดสอบรีโอโลยีแบบเฉือนแบบไดนามิก และพบกฎการเปลี่ยนแปลงของความหนืด การทดสอบที่เกี่ยวข้องเสร็จสมบูรณ์ด้วยรีโอมิเตอร์แรงเฉือนแบบไดนามิก BohlinDSRI มีการใช้โหมดควบคุมความเครียด ตั้งค่าความเครียดไว้ที่ 12% และเส้นผ่านศูนย์กลางคือเพลาหมุนขนาดใหญ่ 25 มม. มีช่องว่างเล็ก ๆ 1,000μm ความเร็วในการทดสอบการสั่นคือ 10.0rad/s และข้อมูลการทดสอบการจำแนกประเภท SHRP-PG ของส่วนผสมของกราฟีนพิทช์ที่มีเนื้อหาต่างกันจะแสดงในตารางที่ 4

จะเห็นได้จากตารางที่ 4 ว่าเนื่องจากช่วงอุณหภูมิที่กว้างของการจำแนกประเภท PG ที่อุณหภูมิสูงของ SHRP จึงมีกรณีที่ส่วนผสมของกราฟีน-พิตช์ที่มีเนื้อหากราฟีนที่แตกต่างกันและระยะพิตช์เมทริกซ์อยู่ที่ระดับอุณหภูมิเดียวกัน และระดับอุณหภูมิสูงคือ PG64 แต่ตามจริง เมื่อปริมาณกราฟีนอยู่ที่ 1.0% และ 2.0% เกรดอุณหภูมิสูงของส่วนผสมแอสฟัลต์จะใกล้เคียงกับ PG70 นั่นคือปัจจัยป้องกันการร่อง G*/sinδ เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญตามการเพิ่มขึ้นของปริมาณกราฟีน ซึ่งบ่งชี้ว่าความสามารถในการคืนตัวแบบยืดหยุ่นและความสามารถในการป้องกันการสึกกร่อนของแอสฟัลต์ได้รับการปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง และประสิทธิภาพที่อุณหภูมิสูงได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญ

ผลของกราฟีนต่อคุณสมบัติของแอสฟัลต์ยังคงได้รับการประเมินโดยใช้การทดสอบการกู้คืนการคืบซ้ำแบบหลายความเครียด (MSCR) การทดสอบดำเนินการกับรีโอมิเตอร์แรงเฉือนแบบไดนามิก BohlinDSRI ในโหมดควบคุมความเครียดด้วยความเค้น 0.1 และ 3.2 kPa และอุณหภูมิทดสอบ 64°C แต่ละรอบการคืบจะถูกโหลดเป็นเวลา 1 วินาทีและยกเลิกการโหลดเป็นเวลา 9 วินาที และจำนวนการทำซ้ำคือ 100 [52] ผลการทดสอบแสดงไว้ในตารางที่ 5

ตามตารางที่ 5 คุณสมบัติของส่วนผสมของกราฟีนพิทช์ที่มีคุณสมบัติการรวมตัวที่แตกต่างกันในแง่ของการกู้คืนการเสียรูปสามารถแยกแยะได้อย่างมีนัยสำคัญ ด้วยการเพิ่มขึ้นของเนื้อหากราฟีน การปฏิบัติตามการคืบที่ไม่สามารถกู้คืนได้ภายใต้ความเครียด 0.1 และ 3.2 kPa มีแนวโน้มลดลง และอัตราการฟื้นตัวแบบยืดหยุ่นแสดงแนวโน้มที่เพิ่มขึ้น ซึ่งพิสูจน์ว่าการรวมตัวของระยะพิตช์กราฟีนมีอิทธิพลอย่างมากต่อคุณสมบัติทางรีโอโลยีของพิตช์ ภายใต้ความเครียดต่ำ ความสามารถในการคืนตัวแบบยืดหยุ่นของส่วนผสมกราฟีนแอสฟัลต์ 0.5% จะสูงกว่าเมทริกซ์แอสฟัลต์อย่างมีนัยสำคัญ และความสามารถในการคืนตัวแบบยืดหยุ่นของส่วนผสมกราฟีนแอสฟัลต์ 1.0% และ 2.0% นั้นมีความสำคัญมาก ที่ระดับความเครียด อัตราการคืนสภาพโดยเฉลี่ยของส่วนผสมกราฟีน-แอสฟัลต์สามปริมาณจะสูง และการเป็นไปตามข้อกำหนดของการคืบที่ไม่สามารถคืนสภาพได้นั้นต่ำ ซึ่งพิสูจน์ได้ว่าการรวมตัวของกราฟีนทำให้ความสามารถในการคืนตัวแบบยืดหยุ่นของแอสฟัลต์ดี และการเสียรูปพลาสติกถาวรที่ตกค้างมีน้อย

จากการวิเคราะห์ข้างต้น จะเห็นได้ว่าการรวมตัวของกราฟีนมีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อพฤติกรรมของแอสฟัลต์ และสามารถปรับปรุงลักษณะของแอสฟัลต์ได้ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากวิธีการเตรียมวัสดุคอมโพสิตที่ไม่สมบูรณ์ในการศึกษา จึงไม่สามารถแสดงคุณสมบัติเฉพาะของกราฟีนได้อย่างสมบูรณ์ และไม่สามารถเปิดเผยแอสฟัลต์กราฟีนได้ กลไกการออกฤทธิ์ของวัสดุคอมโพสิตและการสร้างทฤษฎีชี้นำสำหรับการเลือกและการกระทำของสารลดแรงตึงผิว การประเมินความเป็นเนื้อเดียวกันของวัสดุคอมโพสิต ประสิทธิภาพการแทรกแซง คุณลักษณะของการเปลี่ยนแปลงระดับนาโน ความสัมพันธ์และอิทธิพลของปัจจัย ลักษณะพฤติกรรม และกฎที่เปลี่ยนแปลงและประเด็นทางวิทยาศาสตร์ที่สำคัญอื่น ๆ ทั้งสองต้องการการวิจัยเชิงลึก

3. บทสรุป

1) สถานะการวิจัยและแนวโน้มการพัฒนาของวัสดุคอมโพสิตที่ใช้แอสฟัลต์ดัดแปลงด้วยกราฟีนในสาขาวิศวกรรมโยธาทั้งในและต่างประเทศได้รับการทบทวน และเชื่อว่าการวิจัยที่เกี่ยวข้องในปัจจุบันยังอยู่ในช่วงเริ่มต้นของการสำรวจ

2) วัสดุกราฟีนสามารถปรับปรุงคุณสมบัติต่างๆของวัสดุแอสฟัลต์ได้ อย่างไรก็ตาม ประเด็นสำคัญ เช่น ระบบองค์ประกอบของวัสดุและวิธีการเตรียมการ กลไกการทำงานของการทำงานร่วมกันและระบบสนับสนุนทางทฤษฎี และกฎการเปลี่ยนแปลงของลักษณะพฤติกรรมที่สำคัญ จำเป็นต้องได้รับการศึกษาเพิ่มเติม

3) กราฟีนมีความสัมพันธ์กับแอสฟัลต์ และกราฟีนสามารถแทรกแซงหรือขัดผิวด้วยแอสฟัลต์ร้อนเพื่อสร้างโครงสร้างซูปราโมเลกุลโดยมีแผ่นกราฟีนเป็นระนาบฐาน และปรับปรุงพฤติกรรมของส่วนผสมได้อย่างมีนัยสำคัญ

4) ผลการวิจัยเป็นพื้นฐานการวิจัยและหลักฐานสำหรับการใช้กราฟีนเพื่อปรับปรุงวัสดุแอสฟัลต์อย่างครอบคลุม และมีผลการตรัสรู้และการส่งเสริมในการเตรียมและการใช้กราฟีนแอสฟัลต์โดยใช้เทคโนโลยีการปรับเปลี่ยนคอมโพสิต

Zhang Xia, Huang Gang, Zhou Chao, Yuan Xiaoya, He Junxi, Feng Manman, Liu Zhao (ห้องปฏิบัติการวิศวกรรมร่วมระดับชาติและท้องถิ่นเพื่อการขนส่งและวัสดุวิศวกรรมโยธาของมหาวิทยาลัย Chongqing Jiaotong, Chongqing, 400074)

ที่มา: วารสาร Central South University (ฉบับวิทยาศาสตร์ธรรมชาติ) กรกฎาคม 2019

ผู้แต่ง: Huang Gang, Ph.D., ศาสตราจารย์, มีส่วนร่วมในการวิจัยโครงสร้างถนนและวัสดุ, E-mail: hg_2004 126.com