Grafenle modifiye edilmiş asfalt kompozitlerin yurt içi ve yurt dışındaki mühendislik alanlarındaki araştırma durumu ve gelişme eğilimleri

Özel yapıya ve mükemmel performansa sahip iki boyutlu bir karbon nanomalzemesi olan grafenin inşaat mühendisliğine uygulanması, mühendislik malzemelerinin performansını kapsamlı bir şekilde artırabilir ve grafenin uygulama alanını genişletebilir. Grafen-asfalt kompozitlerinin inşaat mühendisliği alanında son yıllarda yurt içi ve yurt dışındaki araştırma durumu ve geliştirme eğilimleri incelenerek, grafenin asfalta dahil edilmesinin yol performansını arttırdığı, ancak grafen-asfalt yapısının ince karakterizasyonu gibi ilgili araştırmaların eksikliğinin olduğu, Grafen-asfaltın benzersiz davranışının mikroskobik etki mekanizması, grafen-asfalt ve asfalt karışımının temel davranış özelliklerinin değişim yasası ve grafen-asfalt kompozit malzeme sistemi. Grafen zift 70'e dahil edildi ve grafen zift karışımı ilk olarak hem makroskopik hem de mikroskobik araştırma yöntemleri kullanılarak araştırıldı. Araştırma sonuçları, grafenin asfalta afinitesi olduğunu ve grafen ile moleküller arası bir yapı oluşturmak için sıcak asfalt ile ara katılabileceğini veya eksfoliye edilebileceğini gösteriyor. bazal düzlem olarak tabakalar; Grafenin eklenmesi asfaltın davranışını, özellikle de düşük sıcaklık performansını önemli ölçüde artırır.

Grafen, C atomlarının sp2 elektron yörüngeleri ile hibridizasyonuyla oluşturulan bal peteği benzeri iki boyutlu bir nanomateryaldir. Son yıllarda grafen, benzersiz yapısı, mükemmel özellikleri ve geniş uygulama beklentileri nedeniyle elektronik, bilgi, enerji, malzeme, çevre koruma ve biyotıp alanlarında bir araştırma noktası haline gelmiştir [1−11]. Grafenin temel araştırma ve uygulama geliştirmesi için hammadde garantisi sağlayan grafen hazırlama teknolojisinde olumlu ilerleme kaydedilmiştir. İster teorik araştırmada ister mühendislik uygulamasında olsun, grafen ve ondan türetilen grafen kompozit malzemeleri büyük bilimsel önem ve uygulama göstermiştir. Çin'de, 1 ila 10 katman arasında karbon atomu katmanlarına sahip grafen ve ilgili türevler topluca grafen malzemeleri olarak anılır. Bunlar arasında grafen, basit karbon atomlarından oluşan yarı iki boyutlu bir yapıya sahiptir. Aynı zamanda, grafenin karbon tabakası -NH2, -COOH, -OH, -C=O ve -O- ile birleştirilebilir ve diğer fonksiyonel gruplar, şu anda esas olarak grafen oksit (GO) ve aminlenmiş grafeni (TNRGON) içeren işlevselleştirilmiş grafen oluşturur. Grafen malzemelerinin inşaat mühendisliği alanına uygulanması ve grafen-asfalt kompozit malzemeler üzerinde araştırmalar yapılması, farklı ortamlardaki mühendislik malzemelerinin daha iyi performans ve daha uzun ömür elde etmesini, servis maliyetlerini azaltmasını ve ayrıca grafen malzemeleri sağlamasını sağlayabilir. fonksiyonel özelliklere sahip. Kimyasal uygulamalar yeni bir gelişme yönü sağlamaktadır. Günümüzde, yurt içinde ve yurt dışında mühendislik alanında grafen kompozit modifiye asfalt malzemeleri üzerine yapılan araştırmalar henüz ön araştırma aşamasında olup, teorik ve pratik uygulamada acilen çözülmesi gereken birçok sorun bulunmaktadır.

1. Karbon nanomalzemelerinin ve grafen kompozit sahalarının araştırma durumu

1.1 Yabancı araştırmaların mevcut durumu

Karbon nanomalzemeyle modifiye edilmiş asfalt araştırması alanında MICHELL ve ark. [12] tek boyutlu karbon nanotüp ile modifiye edilmiş yol asfaltı üzerinde çalışmış ve karbon nanotüp kompozit asfaltın asfaltın yüksek sıcaklık performansını artırabileceğine inanmıştır.YAO ve ark. [13] asfaltın yüksek sıcaklık ve düşük sıcaklık performansını geliştirmek için çok katmanlı grafit nano tabakaları kullandılar; BRCIC [14], SHRP-PG sınıflandırması yoluyla grafit nano tabakalarının asfalt davranışı üzerindeki etkisini araştırmış ve modifiye asfaltın dayanıklılığının iyileştirildiğine ve elastik modülün iyileştirildiğine inanmıştır. [15–16], grafit nanotabakaların asfaltın sıcaklık hassasiyetini artırabileceğine, mukavemeti artırabileceğine, asfalt karışımlarının sıkıştırma sürecini önemli ölçüde kısaltabileceğine ve daha düşük sıcaklıktaki ortamlar için uygun olabileceğine inanmaktadır.ZHOU ve ark. [17], grafen/karbon nanotüp ile modifiye edilmiş asfaltın termomekanik özelliklerini değerlendirmek için moleküler simülasyonu kullandılar ve asfaltın termomekanik özelliklerinin, grafen veya karbon nanotüplerin eklenmesinden sonra önemli ölçüde arttığına inandılar; ZENG ve ark. [18] grafit oksit Grafenin farklı asfalt türlerinin yüksek sıcaklık, düşük sıcaklık ve yaşlanma karşıtı özelliklerini geliştirebileceğine inanıyordu; LAM [19], daha yüksek bir grafen oksit içeriğinin asfaltın mukavemetini, tutarlılığını, deformasyonunu ve yumuşama noktasını iyileştirebileceğine inanmaktadır. HABIB ve ark. [20] grafen oksit asfaltın kaplamanın deformasyon direncini artırmaya ve kaplamadaki tekerlek izlerini azaltmaya yardımcı olduğuna inanmaktadır. LIU ve ark. [21], grafen ve karbon fiber kompozitle modifiye edilmiş asfalt karışımının eklenmesinin, asfalt karışımının Marshall stabilitesinde, kalıntı stabilitesinde ve tekerlek izi stabilitesinde belirli bir dereceye kadar iyileşmeye yol açabileceğini ve asfalt betonunun gerilmeye karşı direncine faydalı olduğunu bulmuşlardır. kendi kendini izleme.LIU ve ark. [22], grafen oksitin, PG 64-22 asfaltın viskozitesini, yüksek sıcaklık elastikiyetini ve kalıcı deformasyon direncini önemli ölçüde iyileştirdiğini buldu. Asfaltı değiştirmek için grafen oksit, ılık karışım asfalt bağlayıcı ve atık pişirme yağı kullanıldığında, yüksek sıcaklık ve Mükemmel düşük sıcaklık performansı elde edilir. MORENO-NAVARRO ve ark.'nın araştırması. [23] grafenin asfalt bağlayıcıda daha etkili bir tepki ürettiğini ancak elastik toparlanma yeteneğinin diğer asfalt değiştiriciler kadar iyi olmadığını gösterdi. Ayrıca kompozit modifikasyonunda grafen, ısıl iletkenliği artırarak ısıl iletkenliği arttırabilir. Diğer yapıştırıcıların termal hassasiyetini azaltmak için geçirgenlik[24-25], oktadesilaminin (ODA), kovalent bağlanma yoluyla ODA-GNP kompleksleri oluşturmak için grafitik nano tabakaların (GNP'ler) yüzeyine aşılandığını ve ardından GSMH'ların ODA-GNP'lerle birleştirildiğini gösterdi. Bileşik modifiye SBS modifiye asfalt, ikincil modifiye asfaltın sünekliğini, yumuşama noktasını, geçirgenliğini, viskoelastisitesini, yüksek sıcaklıkta tekerlek izi direncini ve uyumluluğunu geliştirebilir. Grafit nano tabakaların yüzeyinde kompozitler (PS-GNP'ler) oluşturuldu ve SBS ile modifiye edilmiş asfalt, GSMH ve PS-GNP'ler ile modifiye edildi ve performans iyileştirildi. Wang ve ark. [26−28], kompozit modifiye asfalt malzemelerde pul grafit ve genişletilmiş grafit nano tabakalarının kullanılmasının, asfalt viskozitesinde bir artışa, aktivasyon enerjisinde bir azalmaya, absorbans ve termal iletkenlikte bir artışa yol açabileceğini ve asfalt karışımının kırılmadan iyileşmesini etkili bir şekilde artırabileceğini gösterdi. Enerji ve mukavemet kabiliyeti asfalt karışımının iyileştirme kabiliyetini arttırır ve grafitin artmasıyla iletkenlik artar. LI ve ark.'nın araştırması. [29], grafen oksitin asfalt bağlayıcı ile karıştırılması durumunda GO'nun CO2 gazı açığa çıkaracak şekilde ayrıştığını, asfalt bağlayıcı ile herhangi bir kimyasal reaksiyona girmediğini ve GO yapısının asfalt bağlayıcı içerisinde tamamen soyulup dağıldığını göstermiştir. tek katman.LIU ve ark. [30], eser miktarda grafen oksit eklemenin, değiştirilmemiş/SBS ile değiştirilmiş yapıştırıcıların asfaltlama sıcaklığı viskozitesini, yüksek sıcaklık elastikiyetini ve tekerlek izi direncini artırabildiğini göstermiştir. GO'nun modifiye edilmemiş yapıştırıcılar üzerindeki modifikasyon mekanizması kimyasal reaksiyona ve Fiziksel reaksiyona sahiptir, ancak SBS modifiyeli yapıştırıcılarda yalnızca fiziksel reaksiyon mevcuttur.GUO ve ark. [31], asfalt bağlayıcı olarak yüksek sıcaklıkta asfaltın mekanik özelliklerini geliştirebilecek karışık CNT grafit tozunu kullandı. YAO ve ark. [32] asfaltı modifiye etmek için grafit nano tabakaları kullanmış, bu da asfaltın aktivasyon enerjisini azaltmış ve yüksek sıcaklık ve düşük sıcaklık özelliklerini, karmaşık kayma modülünü ve asfalt karışımının tekerlek izi ve su hasarına karşı direncini geliştirmiştir.CHENG ve ark. [33] asfalt yüzeylerde büyük grafen tabakaları oluşturmak için bir teknik geliştirdi.LIU ve ark. [34], kimyasal buhar biriktirme yoluyla 3 boyutlu grafen ağlarını hazırlamak için ham madde olarak petrol ziftini kullanmış ve ziftin 3 boyutlu grafen için uygun karbon kaynaklarından biri olduğunu kanıtlamıştır.

1.2 Yurtiçi araştırma durumu

Asfalt son derece karmaşık bir polimer bileşiğidir. Polimer modifikasyonu (SBS gibi) ile karşılaştırıldığında, asfaltı değiştirmek için nanokompozit kullanmak daha iyi performans, daha kararlı ve dayanıklı asfalt bağlayıcı elde edebilir [35−36] .Sun Lu ve ark.'nın araştırması. [37−38], nanopartiküllerin yüzey modifikasyonunun asfalt performansı üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğunu göstermektedir ve nano-modifiye asfalt karışımının mükemmel kapsamlı yol performansına sahip olduğuna inanılmaktadır. Mayıs 2018'de Shen Peikang ekibi, Nanning Köprüsü'nün ana köprü tabliyesine grafen kompozit kauçukla modifiye edilmiş asfaltı başarıyla yerleştirdi ve köprü tabliye kaplamasının yüksek sıcaklık, düşük sıcaklık performansı, gürültü azaltma performansı ve bağlanma performansının iyileştirildiğine inandı [39], Bununla birlikte, kompozit modifikasyon mekanizması Grafen ve kauçuk asfalt arasındaki etkileşim hala belirsizdir.Huang Jinyu ve ark. [40], SBS değiştiriciyi ve grafeni taban asfaltına karıştırdılar ve grafenin, SBS ile değiştirilmiş asfaltın kıvamını arttırdığını ve asfaltın yüksek sıcaklık performansını iyileştirdiğini, ancak asfaltın düşük sıcaklık performansının kötüleştiğini buldular. Liu Yu ve ark. [41] grafenin akıllı yollarda kullanımını açıkladı. Grafen enerji toplama sistemi ve yol enerji sistemi uygulanarak trafik kazaları azaltılabilir ve gelecekteki akıllı yollar için geliştirme fikirleri ve çözümleri sağlanabilir. Li Qizhong [42], asfalta doğrudan nano-grafit eklemenin asfaltın sıcaklık hassasiyetini ve yüksek sıcaklık stabilitesini belirli bir dereceye kadar artırabileceğini buldu. Sonuç ve karar vermek için hangi endeksin kullanılacağına dair net bir araştırma sonucu yok. Han Shan [43], asfalt çatlaklarını onarmak için grafen kapsülleri kullanıldığında, onarım süresinin ve etkisinin asfaltın kendisinin onarma yeteneğinden daha iyi olduğunu buldu.

Nanning Köprüsü, dünyada ilk kez köprü tabliyesi kaplaması için grafen kompozit kauçukla modifiye edilmiş asfalt teknolojisini benimsiyor. Nanning Köprüsü 2009 yılında tamamlandı ve Guangxi'deki simge yapılardan biridir. Çelik kutu kirişli bir yapı olduğundan, yaklaşık 9 yıllık yoğun trafik işleminden sonra köprü tabliyesi büyük hastalıklara maruz kaldı. Bu yıl 27 Mart'ta, Nanning Belediye Mühendislik Yönetim Ofisi köprüde kapsamlı ve kapsamlı bir yenileme gerçekleştirmeye başladı. Bunlar arasında, Guangxi Üniversitesi'nden Profesör Shen Peikang ve Guangxi Zhenglu Machinery Technology Co., Ltd. ekibi tarafından ortaklaşa geliştirilen grafen kompozit kauçukla modifiye edilmiş asfalt teknolojisi, köprü tabliyesini gerçekleştirmek için kullanıldı. Kaldırım, çelik kutu kirişli köprü tabliyelerinde meydana gelebilecek birçok sorunu çözer.

Özetle ulaşım alanında yurt içi ve yurt dışında grafen (grafen olmayan oksit)/asfalt kompozit sistemi ile ilgili az sayıda araştırma bulunmaktadır. Ana nedenler şunlardır: 1) Mevcut az sayıdaki çalışmada grafit nanotabakaları kullanılmıştır veya grafen oksit, değiştiricinin hammaddesidir. İlki, grafenin tanım standardının gerektirdiği karbon katman sayısını (<10 katman) karşılayamaz. Grafenin benzersiz özelliklerini gösterin; aynı zamanda malzeme ince yapısal karakterizasyondan yoksundur (karbon katman sayısı, kalınlık dağılımı, düzlem boyutu, yapı vb.) ve grafen ölçeğinin asfaltın özellikleri üzerindeki etkisi elde edilememektedir.2) Asfalttaki grafen nanotabakalarının uzaysal dağılım durumu ve arayüzey etkileşim modu bilinmemektedir, grafen/asfalt yapısının hiçbir parametresi yoktur ve dispersiyon (dağılım) durumunun kompozit sistemin özellikleri (yapı-aktivite ilişkisi) üzerindeki etkisi net bir sonuca varmamaktadır. Grafen-ziftin mikroskobik etkileşim mekanizması derinlemesine çalışılmamıştır.3) Kompozit malzeme sisteminin davranış özellikleri üzerine yapılan araştırmalar sistematik ve kapsamlı değildir ve grafen zift ve asfalt karışımının temel davranış özelliklerinin değişim kurallarına hakim olunmamıştır ve davranış modeli oluşturulmamıştır. Bu nedenle mevcut araştırma hala makroskopik özelliklerle sınırlıdır ve deneysel araştırmaların ön aşamasındadır ve yüksek performansın teorik temeli, etki mekanizması, yapısal özellikleri, hazırlama yöntemleri ve davranışsal özellikleri gibi temel bilimsel konular yol grafen-asfalt kompozitleri net değildir. Dar anlamda, grafen/asfalt kompozit sisteminin sinerjistik geliştirme mekanizması, yapısal durumu, fizikokimyasal özellikleri ve davranışsal özelliklerinin daha derinlemesine ve sistematik olarak incelenmesi gerekmektedir.

2. Grafen modifiyeli asfalt üzerine ön çalışma

2.1 Grafen üzerinde ziftin eklenmesi ve pul pul dökülmesi

Literatürde [44-45], %2 genleştirilmiş grafit (asfalt kütle yüzdesi açısından dışarıdan eklenen) ve Zhonghai 70#A kalite asfalt karışımı, 180 °C sıcaklıkta ve 5000 dev/dak dönüş hızında 3 saat süreyle karıştırıldı. Mekanik kesme sonrasında, sıcak ziftteki genleşmiş grafit (örnek A) bir solvent ile ziftten ayrıştırılmış ve morfoloji değişiklikleri KYKY2800B taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile gözlemlenmiştir. Şekil 1, sıcak ziftten ayrıştırılmış genişletilmiş grafitin SEM morfoloji karşılaştırmasını göstermektedir. rastgele termal hareket ve gazlı bez şeklindedir. Levhaların kalınlığının birkaç katmandan düzinelerce katmana kadar olduğu tahmin edilmektedir. Grafen oluşur. Ortaya çıkan grafen tabakaları, asfaltta kısmen dağılmıştır; bu, literatürdeki kimyasal olarak hazırlanmış grafenin SEM yapısına ve morfolojisine benzerdir [46] (Şekil 1(b)'de gösterildiği gibi).

X-ışını kırınımı (XRD) deneylerini gerçekleştirmek için aynı grafen aralıklı karışım örnekleri kullanıldı. Bragg denklemi hesaplamasına göre, genişletilmiş grafit tabakaları arasına bazı adımlı moleküler zincirlerin yerleştirildiği, bunun da katmanlar arası aralığı genişlettiği ve ara katmanlı nanoyapılar oluşturduğu bulundu. (grafen levha). Şekil 2, malzemenin XRD desenini göstermektedir. Şekil 2(a)'da, sıcak asfaltın genişletilmiş grafit ile karıştırılması ve eritilip 3 saat süreyle kesilmesinden sonra, genleşmiş grafitin düzenli yapısının kısmen tahrip olduğu ve bazı levhaların, grafen levhalar arasında daha büyük bir aralıkla daha fazla ] (Şekil 2(b)) oluşturacak şekilde etkili bir şekilde grafen levhalar halinde pul pul döküldüğü görülebilir. Bunun nedeni, sıcak ziftteki bazı bileşenlerin pul pul dökülmüş grafen tabakaları arasına girmesi ve grafen tabakalarının ara katmanlaşmasını etkili bir şekilde önlemesidir. π-π arası kuvvet.

Yukarıdaki çalışmalar, grafenin asfalta karşı bir afiniteye sahip olduğunu ve sıcak asfalt ile birleşebileceğini veya eksfoliye edilebileceğini kanıtlamıştır; bu, malzeme kompozit modifikasyon teknolojisi yoluyla grafen asfaltın hazırlanmasını daha uygun hale getirir. Grafen asfaltta düzgün bir şekilde dağılırsa, asfaltın çeşitli özelliklerini büyük ölçüde değiştirmesi ve geliştirmesi muhtemeldir.

2.2 Asfaltenler ve grafit arasındaki etkileşimin ön moleküler dinamik simülasyonu

Moleküler dinamik yöntemleri, yoğun madde sistemlerini incelemek için güçlü araçlardır ve malzeme bilimi, biyofizik ve ilaç tasarımında yaygın olarak kullanılmaktadır. Materialstudio yazılımı kullanılarak asfalten modeli optimize edildi ve 2ns gevşeme süresi koşulunu simüle etmek için NPT sistemi kullanıldı ve asfalten ile grafit yüzeyi arasındaki etkileşimin moleküler dinamik hesaplaması gerçekleştirildi. Şekil 3, asfaltenlerin asfaltenlerle etkileşiminin moleküler dinamik (MD) hesaplamalı modelini göstermektedir. Sonuçlar, aynı simülasyon hesaplama koşulları altında, atom numarası 3000 olan adsorbe edilmiş malzeme sistemi için asfalten ve grafit yüzeyinin adsorpsiyon enerjisinin, epoksi reçine (E51) molekülünün adsorpsiyon enerjisinin eşdeğer olduğunu ve su molekülü ile grafit yüzeyinin adsorpsiyon enerjisi arasındaki fark olduğunu göstermektedir. Nitrojen metil pirolidon'un (NMP, yaygın olarak kullanılan bir grafen dispersiyon solventi) %94'üdür, bu da asfaltenler ve grafit levhalar arasında güçlü bir etkileşim olduğunu ve grafenin asfalt kolloidlerinin yapısı üzerinde bir etkiye sahip olduğunu gösterir. Asfaltın kendisi, dispersiyon olarak katı asfaltenlerin bulunduğu kolloidal bir yapıdır. Asfaltenler yoğunlaştırılmış aromatik hidrokarbonların pul benzeri yapıları olduğundan, bu pul molekülleri aromatik halkaların π-π etkileşimlerine sahiptir, bu da bazı asfaltenlerin katmanlar halinde istiflenmesine neden olur. Yapı mevcuttur. Şekil 4, asfaltenler ve grafitin etkileşimi ile oluşan supramoleküler yapının simülasyonunu göstermektedir. Hesaplamalı analiz yoluyla, asfalten tabakası ile dev grafen tabakası arasındaki etkileşimin (asfalten tabakasına göre) asfaltenin tek tek tabakaları arasındaki etkileşimden daha güçlü olduğu tahmin edilmektedir. Bu nedenle, asfaltenlerin tek katmanlı moleküllerini grafen yüzeyi üzerinde adsorbe ederek, asfaltenlerin istiflenmiş yapısını oluşturmak için ayırmak çok mümkündür. bazal düzlem olarak grafen tabakaları içeren supramoleküler bir yapı.

2.3 Grafen aralığının özelliklerine ilişkin ön çalışma

Orijinal asfalt referansı olarak Zhonghai No. 70 baz asfaltı alınarak, Deyang Carbon Technology Co., Ltd. tarafından üretilen grafen kullanılarak, tam olarak aynı test koşulları ayarlanarak, güçlü mekanik kesme yöntemi (5000 dev/dak, 160°C, 30 dakika) ve yüksek hızlı kesme kullanılarak Farklı grafen içeriğine sahip (%0,5, %1,0, %2,0 ve harici katkılı) grafen zift karışımları hazırlandı ve penetrasyon, dinamometrik 135°C'de süneklik, yumuşama noktası ve Brookfield viskozitesi test edildi [48-49]. Çoklu paralel deneyler yapıldı ve veriler, Tablo 1-3'te gösterildiği gibi normal analizden sonra özetlendi.

Tablo 1, grafen katılma kalitesinin ve test sıcaklığının, grafen zift karışımının penetrasyon ve yumuşama noktası üzerindeki etkisini göstermektedir. Tablo 1'den, grafen içeriğinin artmasıyla, grafen zift karışımının penetrasyonunun değişim yasasının 5 ila 25 °C arasında anlamlı olmadığı, ancak 30 °C'de karışımın penetrasyonunun aşağı doğru bir eğilim gösterdiği, grafenin asfalt karışımının sıcaklık daha yüksek olduğunda asfaltı sertleştirebildiğini gösterdiği görülebilir. Aynı zamanda, grafen-asfalt karışımının yumuşama noktası, temel asfaltınkinden daha yüksektir, bu da grafenin eklenmesinin asfaltın yüksek sıcaklık performansını artırabileceğini kanıtlamaktadır. Değişen yumuşama noktası yasasının daha fazla araştırılması gerekmektedir.

Tablo 2, grafen katılma kalitesinin ve test sıcaklığının, grafen-zift karışımlarının dinamometrik sünekliği üzerindeki etkilerini göstermektedir. Tablo 2'den, aynı sıcaklıkta, grafen katkısı miktarındaki artışla birlikte, karışımın çekme mukavemetinin sürekli olarak arttığı görülebilir; bu, grafenin, asfaltın deformasyona direnme yeteneğini büyük ölçüde artırabildiğini gösterir; test sıcaklığı 10~15 °C olduğunda, grafen adımı Karışımın sünekliği matris asfaltın sünekliğinden daha küçüktür, ancak çekme kuvveti artar, bu da grafenin eklenmesinin asfaltın viskoelastikliği üzerinde bir etkiye sahip olduğunu ve düzenliliğinin hala daha fazla araştırılması gerektiğini kanıtlar. Daha da önemlisi, sünekliği 5°C'de test ederken, matris adımı gevrek kırılma üretirken, süneklik ve çekme mukavemeti de artar. Grafen içeriğinin artmasıyla grafen-zift karışımı artar. %2,0 grafen eklendiğinde asfaltın sünekliği önemli ölçüde artar, süneklik 7,73 cm'ye ulaşır, bu da temel asfaltın 33,6 katıdır, maksimum çekme kuvveti taban asfaltınkinden 2,4 kat ve hatta SBS modifiye asfaltınkinden 1,5 kat daha fazladır [50] ve gerekli kırılma enerjisi en büyüğüdür. Çalışmalar grafenin asfaltın kırılma dayanıklılığını ve çekme mukavemetini büyük ölçüde artırabildiğini göstermiştir. Düşük sıcaklık ortamında ve asfaltın mekanik özellikleri üzerinde önemli bir iyileştirme etkisi vardır.

Tablo 3, grafen katılma kalitesinin, grafen zift karışımlarının Brookfield viskozitesi üzerindeki etkisini göstermektedir. Tablo 3'ten, grafen katılma kalitesinin artmasıyla karışımın viskozitesinin kademeli olarak arttığı görülebilmektedir; bu, grafenin katılmasının asfaltın viskoelastisitesinde değişikliklere yol açtığını ve bu da asfaltın yüksek sıcaklık performansını büyük ölçüde artırdığını bir kez daha kanıtlamaktadır.

Grafen-asfalt karışımının reolojik parametreleri dinamik kayma reolojik testi ile test edildi ve viskoelastisitenin değişim kuralı bulundu. İlgili test BohlinDSRI dinamik kayma reometresinde tamamlandı. Gerinim kontrol modu kullanıldı, gerinim %12'ye ayarlandı ve çap 25 mm büyük dönen şaft, 1000μm küçük aralıktı; test salınım hızı 10.0rad/s'dir ve farklı içeriklere sahip grafen zift karışımlarının SHRP-PG sınıflandırma test verileri Tablo 4'te gösterilmektedir.

Tablo 4'ten, SHRP yüksek sıcaklık PG sınıflandırmasının geniş sıcaklık aralığı nedeniyle, farklı grafen içeriğine ve matris aralığına sahip grafen-zift karışımının aynı sıcaklık seviyesinde olduğu ve yüksek sıcaklık seviyesinin PG64 olduğu ancak gerçek Grafen içeriği% 1.0 ve% 2.0 olduğunda, asfalt karışımının yüksek sıcaklık derecesinin PG70'e yakın olduğu durumlar olduğu görülebilir. Yani tekerlek izi önleme faktörü G*/sinδ, grafen içeriğinin artmasıyla önemli ölçüde artar; bu, asfaltın elastik toparlanma yeteneğinin ve tekerlek izi önleme yeteneğinin sürekli olarak arttığını ve yüksek sıcaklık performansının önemli ölçüde iyileştirildiğini gösterir.

Grafenin asfalt özellikleri üzerindeki etkisi, çok gerilimli tekrarlayan sürünme geri kazanım testi (MSCR) kullanılarak değerlendirilmeye devam edildi. Test, 0,1 ve 3,2 kPa gerilimler ve 64°C test sıcaklığı ile gerilim kontrol modunda bir BohlinDSRI dinamik kayma reometresi üzerinde gerçekleştirildi. Her sürünme döngüsü 1 saniye boyunca yüklenir ve 9 saniye boyunca boşaltılır ve tekrar sayısı 100'dür [52]. Test sonuçları Tablo 5'te gösterilmektedir.

Tablo 5'e göre, farklı birleşme niteliklerine sahip grafen zift karışımlarının deformasyon geri kazanımı açısından özellikleri önemli ölçüde ayırt edilebilir. Grafen içeriğinin artmasıyla birlikte, 0,1 ve 3,2 kPa stres altında kurtarılamayan sürünme uyumu azalma eğilimi gösterdi ve elastik geri kazanım oranı artan bir eğilim gösterdi, bu da grafen zift eklenmesinin ziftin reolojik özellikleri üzerinde büyük bir etkiye sahip olduğunu kanıtlıyor. Düşük stres altında, %0,5 grafen-asfalt karışımının elastik toparlanma yeteneği, matris asfaltınkinden önemli ölçüde daha yüksektir ve %1,0 ve %2,0 grafen-asfalt karışımının elastik toparlanma yeteneği çok önemlidir; yüksek Stres seviyesinde, üç dozajlı grafen-asfalt karışımlarının ortalama geri kazanım oranı yüksektir ve kurtarılamayan sürünme uyumu düşüktür; bu, grafenin eklenmesinin asfaltın elastik geri kazanım kabiliyetini iyi hale getirdiğini ve kalan kalıcı plastik deformasyonun küçük olduğunu kanıtlar.

Yukarıdaki analizden, grafenin eklenmesinin asfaltın davranışı üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğu ve asfaltın özelliklerini geliştirebildiği görülebilir. Ancak çalışmada kompozit malzemelerin hatalı hazırlanma yöntemi nedeniyle grafenin benzersiz özellikleri tam olarak ortaya konulamamakta ve grafen asfalt ortaya çıkarılamamaktadır. Malzeme kompozitlerinin etki mekanizması ve yüzey aktif maddelerin seçimi ve etkisi için yol gösterici teorilerin oluşturulması, kompozit malzemelerin homojenliğinin değerlendirilmesi, interkalasyon verimliliği, nano ölçekli değişikliklerin özellikleri, faktörlerin korelasyonu ve etkisi, davranışsal özellikler ve bunların değişen yasaları ve diğer önemli bilimsel konular Her ikisi de derinlemesine araştırma gerektirir.

3. Sonuç

1) İnşaat mühendisliği alanında yurt içi ve yurt dışında grafen modifiyeli asfalt bazlı kompozit malzemelerin araştırma durumu ve gelişme eğilimleri gözden geçirilmekte ve ilgili mevcut araştırmaların henüz keşif aşamasında olduğuna inanılmaktadır.

2) Grafen malzemeleri asfalt malzemelerinin çeşitli özelliklerini geliştirebilir; ancak materyal kompozisyon sistemi ve hazırlama yöntemi, sinerji ve teorik destek sisteminin çalışma mekanizması ve temel davranışsal özelliklerin değişim yasası gibi temel konuların daha fazla araştırılması gerekmektedir.

3) Grafen asfalta karşı bir afiniteye sahiptir ve grafen, bazal düzlem olarak grafen tabakaları ile moleküller üstü bir yapı oluşturmak için sıcak asfalt ile ara katmanlandırılabilir veya eksfoliye edilebilir ve karışımın davranışını önemli ölçüde iyileştirebilir.

4) Araştırma sonuçları, asfalt malzemeleri kapsamlı bir şekilde geliştirmek için grafenin kullanımına ilişkin bir araştırma temeli ve kanıt sağlar ve kompozit modifikasyon teknolojisi kullanılarak grafen asfaltın hazırlanması ve uygulanması konusunda aydınlatıcı ve teşvik edici etkilere sahiptir.

Zhang Xia, Huang Gang, Zhou Chao, Yuan Xiaoya, He Junxi, Feng Manman, Liu Zhao (Chongqing Jiaotong Üniversitesi Ulaştırma ve İnşaat Mühendisliği Malzemeleri için Ulusal ve Yerel Ortak Mühendislik Laboratuvarı, Chongqing, 400074)

Kaynak: Journal of Central South University (Natural Science Edition) Temmuz 2019

Yazar: Huang Gang, Ph.D., profesör, yol yapısı ve malzeme araştırmalarıyla ilgileniyor, E-posta: hg_2004 126.com