Asfalto auto-riparante avanzato rinforzato da strutture di grafene: un'intuizione atomistica

Riepilogo

Il nanocomposito di asfalto modificato con grafene ha mostrato una capacità avanzata di auto-guarigione rispetto all'asfalto puro. In questo protocollo, sono state applicate simulazioni di dinamica molecolare al fine di comprendere il ruolo del grafene nel processo di auto-guarigione e di esplorare il meccanismo di auto-guarigione dei componenti dell'asfalto dal livello atomistico.

Abstract

Il grafene può migliorare le proprietà di auto-guarigione dell'asfalto con un'elevata durata. Tuttavia, i comportamenti di auto-guarigione del nanocomposito di asfalto modificato con grafene e il ruolo del grafene incorporato non sono ancora chiari in questa fase. In questo studio, le proprietà di auto-guarigione dell'asfalto puro e dell'asfalto modificato con grafene sono studiate attraverso simulazioni di dinamica molecolare. Vengono introdotte le rinfuse di asfalto con due larghezze di fessura e posizioni per il grafene e vengono analizzate le interazioni molecolari tra i componenti dell'asfalto e il foglio di grafene. I risultati mostrano che la posizione del grafene influisce in modo significativo sui comportamenti di auto-guarigione dell'asfalto. Il grafene vicino alla superficie della fessura può accelerare notevolmente il processo di auto-guarigione interagendo con le molecole aromatiche attraverso l'impilamento π-π, mentre il grafene nella zona superiore della punta della fessura ha un impatto minore sul processo. Il processo di auto-guarigione dell'asfalto passa attraverso il riorientamento delle molecole aromatiche di asfaltene, aromatiche polari e naftene e il ponte di molecole sature tra le superfici delle fessure. Questa comprensione approfondita del meccanismo di auto-guarigione contribuisce alla conoscenza del miglioramento delle proprietà di auto-guarigione, che aiuterà a sviluppare pavimentazioni in asfalto durevoli.

Introduzione

Il deterioramento sotto carichi giornalieri del veicolo e le condizioni ambientali varianti e l'invecchiamento dell'asfalto durante il servizio provocano degrado o addirittura cedimenti strutturali, ad esempio fessurazioni e raveling, che possono indebolire ulteriormente la durata delle pavimentazioni in asfalto. La risposta intrinseca dell'asfalto alla riparazione di micro-crepe e vuoti lo aiuta automaticamente a riprendersi dai danni e ripristinare la forza¹. Questa capacità di auto-guarigione può prolungare considerevolmente la durata dell'asfalto, risparmiare sui costi di manutenzione e ridurre l'emissione di gas serra

Protocollo

1. Costruisci i modelli atomistici

1. Aprire il software Materials Studio per creare cinque documenti atomistici 3D e rinominare questi documenti rispettivamente come grafene, asfaltene, aromatici polari, nafteni aromatici e saturi.
2. Compilate il modello di grafene creando la cella unitaria del foglio di grafene nel documento atomistico 3D utilizzando l'opzione Sketch Atom .
3. Costruite la struttura finale utilizzando l'opzione Supercell (Supercell) del menu Costruisci > simmetria (Build > Symmetry ). Definire la dimensione del foglio di grafene come 40 Å x 40 Å, che è più grande delle catene d....

Risultati

Il contorno del numero di atomi
I contorni del numero di atomi dei modelli di asfalto puro e asfalto modificato con grafene nel piano yz sono mostrati nella Figura 3, dove la barra dei colori dal blu al rosso mostra numeri di atomi che variano da 0 a 28. La figura 3a-c illustra il contorno del numero di atomi delle strutture con larghezza di fessura di 15 Å in nanocompositi di asfalto puro e asfalto modifica.......

Discussione

I passaggi critici all'interno della parte protocollo sono i seguenti: fase 1.4 - Costruire e imballare i quattro tipi di molecole di asfalto; passo 1.5 - Costruire la struttura dell'asfalto con la fessura; passo 2.3 - Raggiungere l'equilibrio; passo 2.4 - Eseguire il processo di auto-guarigione. Questi passaggi indicano i contenuti più coesi e importanti del protocollo. Per creare le forme desiderate della fessura inserita, il processo di imballaggio viene modificato rispetto al normale imballaggio in Materials Studio........

Materiali

Name	Company	Catalog Number	Comments
Atomistic models of asphalt and graphene/Materials Studio	BIOVIA	Materials Studio 8.0	The atomistic models are built for molecular dynamics simulations.
Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator Package	Sandia National Laboratories	lammps-stable20	The equilibrium is achieved under NPT ensemble, and the atomistic models get self-healed.
OVITO	Materials Science Department of Technische Universität Darmstadt, Germany	ovito-basic-3.1.0-win64	The self-healing behaviors of the atomistic models are visualized.
Origin	OriginLab	Origin 2018 64Bit	The contours of the atom numbers of the trajectory are drawn and analyzed.