Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Усовершенствованный самовосстанавливающийся асфальт, усиленный графеновыми структурами: атомистическое понимание

Published: May 31, 2022 doi: 10.3791/63303
Automatic Translation
*1, *1, 1
1Department of Architecture and Civil Engineering, City University of Hong Kong
* These authors contributed equally

Summary

Нанокомпозит асфальта, модифицированный графеном, показал продвинутую способность к самовосстановлению по сравнению с чистым асфальтом. В этом протоколе моделирование молекулярной динамики было применено для того, чтобы понять роль графена в процессе самовосстановления и исследовать механизм самовосстановления компонентов асфальта с атомистического уровня.

Abstract

Графен может улучшить самовосстанавливающиеся свойства асфальта с высокой прочностью. Тем не менее, самовосстанавливающееся поведение нанокомпозита, модифицированного графеном асфальта, и роль инкорпорированного графена все еще неясны на данном этапе. В этом исследовании самовосстанавливающиеся свойства чистого асфальта и графен-модифицированного асфальта исследуются с помощью моделирования молекулярной динамики. Вводятся асфальтовые насыпи с двумя ширинами трещин и местами расположения графена, анализируются молекулярные взаимодействия между компонентами асфальта и графеновым листом. Результаты показывают, что расположение графена значительно влияет на самовосстанавливающееся поведение асфальта. Графен вблизи поверхности трещины может значительно ускорить процесс самовосстановления, взаимодействуя с ароматическими молекулами посредством укладки π-π, в то время как графен в верхней области кончика трещины оказывает незначительное влияние на процесс. Процесс самовосстановления асфальта проходит через переориентацию асфальтена, полярных ароматических и нафтеновых ароматических молекул и мост насыщенных молекул между поверхностями трещин. Это глубокое понимание механизма самовосстановления способствует познанию усиливающихся свойств самовосстановления, что поможет разработать прочные асфальтовые покрытия.

Introduction

Износ при ежедневных нагрузках транспортных средств и различных условиях окружающей среды, а также старение асфальта во время эксплуатации приводят к деградации или даже структурным сбоям, т. е. растрескиванию и растрескиванию, что может еще больше ослабить долговечность асфальтовых покрытий. Присущая асфальту реакция на ремонт микротрещин и пустот автоматически помогает ему восстановиться после повреждений и восстановить прочность1. Эта способность к самовосстановлению может значительно продлить срок службы асфальта, сэкономить затраты на техническое обслуживание и сократить выбросы парниковых газов 2,3. Самовосстанавливающееся поведение асфальта обычно зависит от нескольких влияющих факторов, включая его химический состав, степень повреждения и условия окружающей среды4. Желательна улучшенная способность асфальта к самовосстановлению, которая может полностью залечить повреждения в течение короткого периода; это привлекло обширный исследовательский интерес к улучшению механических характеристик и долговечности асфальтовых покрытий в гражданском строительстве.

Новые методы улучшения способности асфальта к самовосстановлению в основном включают в себя три подхода - индуцирование нагрева, инкапсуляционное заживление и включение наноматериалов - которые могут применяться индивидуально или одновременно.5,6. Индуцирующий нагрев может значительно улучшить подвижность асфальта и активировать его самовосстановление для восстановления7. Технологию самовосстановления асфальта путем индуцирования нагрева можно отнести к вспомогательной технике самовосстановления, которая указывает на то, что самовосстанавливающиеся свойства асфальта улучшаются внешними раздражителями. Целью добавления волокон стальной ваты является повышение электропроводности, чтобы увеличить заживляющую способность асфальтового связующего8. Подход к индуцированию тепла заключается в том, чтобы подвергать эти электропроводящие волокна воздействию высокочастотного переменного электромагнитного поля, которое может индуцировать вихревые токи, а тепловая энергия может диффундировать в асфальтовое связующее с помощью проводящих волокон.9. Волокна стальной ваты улучшают не только электропроводность, но и теплопроводность, что может положительно повлиять на самовосстанавливающиеся свойства асфальта. Тем не менее, трудно выбрать правильное время смешивания для волокон.10. Длина волокон уменьшается с увеличением времени перемешивания и влияет на теплопроводность, в то время как уменьшение времени перемешивания приводит к скоплениям волокон и затрудняет механические свойства асфальта.9. Метод инкапсуляции может поставлять легкие компоненты состаренного асфальта, такие как ароматические вещества и насыщенные вещества, и освежать способность асфальта к самовосстановлению11,12. Тем не менее, это одноразовое лечение, и целебные материалы не могут быть пополнены после выпуска. С развитием нанотехнологий наноматериалы стали перспективными модификаторами для улучшения материалов на основе асфальта. Асфальтовые связующие, включенные в состав наноматериалов, обеспечивают лучшую теплопроводность и механические свойства13. Графен с отличными механическими характеристиками и высокими тепловыми характеристиками рассматривается как отличный кандидат для улучшения самовосстанавливающейся способности асфальта к самовосстановлению14,15,16,17. Повышенные целебные свойства графен-модифицированного асфальта можно объяснить тем фактом, что графен увеличивает способность асфальтового вяжущего нагреваться и производить теплопередачу внутри асфальтового связующего, что означает, что графен-модифицированный асфальт может нагреваться быстрее и достигать более высокой температуры, чем чистый асфальт.18. Генерируемое тепло может передаваться по всему асфальту, модифицированному графеном, с большей скоростью, чем через чистый асфальт. Область трещины асфальтового связующего может легко воздействовать и быстрее заживать тепловым потоком с более высокой температурой и более высокой теплоемкостью. Реакция самовосстановления начнется, если энергия, равная или превышающая энергию активации исцеления, существует на поверхности трещины асфальта.19. Графен может улучшить эффективность заживления тепловой активации и ускорить скорость заживления асфальта19,20. Кроме того, графен может экономить энергию нагрева до 50% во время процесса заживления, что может повысить энергоэффективность и снизить затраты на техническое обслуживание.21. Как микроволново-абсорбирующий материал, графен, как сообщается, улучшает заживляющую способность асфальта в период покоя микроволнового нагрева22. Ожидается, что добавление графена в асфальт улучшит не только механические характеристики, но и способность к самовосстановлению и энергосбережению, что требует глубоких знаний механизма самовосстановления.

Самовосстановление на наноуровне происходит главным образом за счет смачивания и диффузии молекул асфальта на трещиноватых гранях23. Асфальт состоит из различных полярных и неполярных молекул, его способность к самовосстановлению тесно связана с молекулярными взаимодействиями и движениями молекул асфальта различных компонентов1. Тем не менее, текущие исследования в основном опираются на экспериментальные методы количественной оценки макроскопических механических свойств, что приводит к отсутствию информации при изменении микроструктур и взаимодействиях между молекулами асфальта при попытке понять механизм заживления. Механизм армирования графена в способности к самовосстановлению асфальта также неясен на данном этапе. Моделирование молекулярной динамики (MD) играет важную роль в исследовании молекулярных взаимодействий и движений нанокомпозитных систем и связывает микроструктурную деформацию с молекулярными взаимодействиями и движениями 24,25,26,27,28,29,30,31 . Моделирование MD становится все более и более популярным для анализа поведения материала, к которому нельзя легко получить доступ с помощью экспериментов32,33. Существующие исследования показали осуществимость и доступность моделирования MD в асфальтовых системах; сцепление, адгезия, старение и термомеханические свойства асфальта и асфальтовых композитов могут быть изучены с помощью моделирования MD 34,35,36,37. Самовосстанавливающееся поведение асфальта также может быть предсказано с помощью моделирования MD 38,39,40. Поэтому считается, что исследование с использованием моделирования MD является эффективным способом понять как самовосстанавливающиеся, так и укрепляющие механизмы.

Целью этого исследования является изучение самовосстанавливающегося поведения чистого асфальта и модифицированных графеном асфальтовых нанокомпозитов и понимание роли графена в улучшении заживляющей способности асфальта с помощью моделирования MD. Моделирование самовосстановления чистого асфальта и графен-модифицированных асфальтовых композитов осуществляется путем введения трещин в исходные структуры. Возможности самовосстановления характеризуются контуром чисел атомов, переориентацией и запутанностью молекул на разрушенной поверхности, подвижностью компонентов асфальта в процессе самовосстановления. Исследуя эффективность заживления графена на различных участках, раскрывается механизм армирования графена, способствующий самовосстанавливающимся способностям асфальта, который может помочь в мониторинге нанонаполнителей оптимальным образом и, таким образом, обеспечить продление срока службы асфальтовых покрытий. Исследование способности к самовосстановлению в атомистическом масштабе может обеспечить эффективный способ разработки передовых материалов на основе асфальта для будущих исследований.

Согласно химии асфальта, асфальт состоит из различных видов углеводородов и неуглеводородов с различной полярностью и формами, которые в основном можно разделить на четыре компонента: асфальтен, полярные ароматические вещества, ароматические вещества нафтена инасыщенные 41,42. Молекулы асфальтена относительно больше и тяжелее, чем другие молекулы асфальта, со средней атомной массой примерно 750 г/моль и молекулярным диаметром в диапазоне 10-20 Å. Широко признано, что асфальтен состоит из крупных ароматических ядер, которые содержат гетероатомы и окружены различными длинами алкильных групп43. Конструируется модифицированная молекула асфальтена, как показано на рисунке 1а. Молекулы полярных ароматических и нафтеновых ароматических соединений построены на основе полярности и соотношения элементов молекул асфальта, причем бензобисбензотиофен (C18H10S2) представляет собой полярную ароматическую молекулу, а 1,7-диметилнафталин (C12H12) выбран в качестве репрезентативной ароматической молекулы нафтена, как показано на фиг.1b-c. N-докозан (n-C 22H46) построен так, как показано на рисунке 1d. Параметры, перечисленные в таблице 1 для молекул асфальта, выбраны и использованы для удовлетворения желаемых критериев, включая элементную массовую долю, соотношение атомов и ароматическое/алифатическое соотношение реального асфальта из экспериментов41. Такое же массовое соотношение было определено в наших предыдущих исследованиях, а другие термомеханические свойства, такие как плотность, температура стеклования и вязкость, хорошо согласуются с экспериментальными данными реального асфальта36. Молекулярная структура графена, примененного в этом исследовании, показана на рисунке 1e. Принятый графеновый лист в этом исследовании не имеет дефекта и складки по сравнению с реальным случаем, в то время как реальный графеновый лист обычно имеет несколько дефектов, таких как атомные вакансии и дефектыСтоуна-Уэльса 44, и некоторые из графеновых листов могут быть сложены во время процесса смешивания в асфальтовой матрице45. Эти несовершенные ситуации не рассматриваются в данном исследовании, так как мы ориентируемся на влияние участка графенового листа на самовосстанавливающиеся свойства и выбираем его в качестве единственной переменной. Переменные графеновых листов с точки зрения дефектов и сложенных корпусов будут в центре внимания наших будущих исследований. Массовое отношение графена к асфальту в данном исследовании составляет 4,75%, что является нормальной ситуацией (<5%) для графен-модифицированного асфальта в эксперименте46,47.

Figure 1
Рисунок 1: Химическая структура. Атомистические модели (а) молекулы асфальтена (C53H55NOS), (b) ароматической молекулы нафтена (C12H12), (c) полярной ароматической молекулы (C18H10S2), (d) насыщенной молекулы (C22H46), (e) графена и (f) чистого асфальта. Для атомистической модели асфальта атомы углерода, кислорода, азота, серы и водорода показаны серым, красным, синим, желтым и белым соответственно. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Асфальтовая модель Масса (г/моль) Химическая формула Количество молекул Общая масса (г/моль) Массовая доля (%)
Асфальтен 754.04 C53Ч55НОС 43 32423.72 26
Нафтен ароматический 156.22 C12Ч12 65 10154.3 8
Полярный ароматический 290.38 C18Ч10С2 74 21485.16 17
Насыщать 310.59 C22Ч46 205 63670.95 49
Асфальтовое вяжущее 387 127734.13 100
Графен 6369.28 C525Ч63 1 6369.28

Таблица 1: Общие компоненты модели чистого асфальта и модели асфальта, модифицированной графеном.

Что касается протокола, описанного ниже, то два типа клиноподобных трещин с различными размерами вставляются в середину асфальтовой модели тупым наконечником трещины и двумя параллельными поверхностями трещин, в то время как средняя верхняя часть асфальтовой массы остается неповрежденной. Две ширины трещин выбираются как 15 Å и 35 Å, как показано на рисунке 2a-b. Причина выбора 15 Å заключается в том, что ширина трещины должна быть шире, чем отсечение 12 Å, чтобы избежать раннего самовосстановления молекул асфальта во время процесса равновесия при исследовании крайнего случая для небольшой трещины. Причина выбора 35 Å заключается в том, что ширина трещины должна быть шире, чем длина насыщенных молекул 34 Å, чтобы предотвратить эффект моста. Высота трещины составляет 35 Å, такая же, как ширина коробки, а глубина трещины равна 70 Å, такая же, как длина коробки. В реальной ситуации наблюдаемые размеры микротрещин могут варьироваться в диапазоне от нескольких микрометров до нескольких миллиметров, что намного больше, чем шкала длины, которую мы здесь моделируем. Обычно шкала длины в моделировании MD ограничена масштабом 100 нм, что все еще на несколько порядков меньше реального размера трещины. Однако трещины инициируются на наноуровне и превращаются в макромасштабные трещины с непрерывной деформацией48. Понимание механизма самовосстановления на наноуровне может помочь предотвратить рост и дальнейшее распространение трещины на макроуровне. Несмотря на то, что выбранные размеры трещин находятся в диапазоне нанометров, результаты все еще могут быть влиятельными и применимыми для изучения самовосстанавливающегося поведения молекул асфальта. Существует два места для графеновых листов в областях трещины: одно находится поверх кончика трещины, а другое перпендикулярно левой поверхности трещины. Было обнаружено, что это наиболее распространенные позиции для графена в графен-модифицированных нанокомпозитах с трещинами49.

Figure 2
Рисунок 2: Схемы самовосстановления для чистого асфальта и графен-модифицированного асфальта. Самовосстанавливающаяся модель чистого асфальта с шириной трещины (a) 15 Å и (b) 35 Å. Самовосстанавливающаяся модель графен-модифицированного асфальта с графеновым листом расположена (c) в верхней части кончика трещины и (d) перпендикулярна поверхности трещины. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

В моделировании MD внутримолекулярные и межмолекулярные взаимодействия в нанокомпозитах асфальта описываются последовательным валентным силовым полем (CVFF)50, которое хорошо работает с материалами на основе асфальта и графена. Функциональная форма CVFF выражается следующим выражением:

Equation 1 1

Здесь общая энергия Eсостоит из связанных энергетических терминов и несвязанных энергетических терминов. Связанные взаимодействия состоят из растяжения ковалентной связи, энергии изгиба угла связи, поворота угла кручения и неправильных энергий, выраженных в первых четырех членах. Несвязанная энергия включает функцию LJ-12-6 для термина Ван-дер-Ваальса (vdW) и кулоновскую функцию для электростатических взаимодействий. CVFF широко используется в моделировании асфальтовых материалов51,52. Смоделированные физико-механические свойства, такие как плотность, вязкость и объемный модуль, хорошо согласуются с экспериментальными данными, которые демонстрируют надежность CVFF51. CVFF не только подходит для неорганических материалов, но также успешно используется в структурах, состоящих из органических и неорганических фаз, таких как асфальт-кремнезем52 и система эпоксидно-графен53. Кроме того, межфазные взаимодействия между графеном и асфальтом могут быть охарактеризованы CVFF36,54. Поскольку основной частью выбора силового поля является определение границы раздела асфальт-графен, несвязанные взаимодействия, описанные CVFF, являются более надежными, что также рассматривается в нашем предыдущем исследовании36. В целом, силовое поле CVFF принято в этом исследовании. Частичные заряды для различных видов атомов вычисляются методом, назначенным силовым полем.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Построение атомистических моделей

  1. Откройте программное обеспечение Materials Studio для создания пяти 3D-атомистических документов и переименуйте эти документы в графен, асфальтен, полярные ароматические вещества, ароматические нафтены и насыщенные соответственно.
  2. Постройте графеновую модель, создав единичную ячейку графенового листа в 3D-атомистическом документе с помощью параметра Sketch Atom .
  3. Создайте окончательную структуру с помощью опции Supercell в меню Build > Symmetry . Определите размер графенового листа как 40 Å x 40 Å, что больше, чем асфальтовые цепи и ширина трещины.
  4. Постройте и упакуйте четыре типа молекул асфальта.
    1. Используйте опцию Sketch Atom , чтобы нарисовать молекулярные структуры асфальтена, полярных ароматических веществ, ароматических соединений нафтена и насыщенных веществ отдельно.
    2. Упакуйте четыре вида молекул асфальта в поле моделирования, используя опцию «Расчет» в меню «Модули > аморфная ячейка ».
  5. Постройте асфальтовую конструкцию с трещиной.
    1. Установите высоту зоны трещины в измерении x такой же, как высота коробки 70 Å, а глубина зоны трещины в измерении y составляет половину высоты коробки как 35 Å.
    2. Установите два случая ширины трещины в размер z 15 Å и 35 Å. Удалите избыточные молекулы в зонах трещин средней нижней части асфальтовой массы с помощью опции «Удалить » и сохраните асфальтовую матрицу в средней области без изменений.
  6. Постройте графен-модифицированную асфальтовую структуру с трещиной. Внесите графеновый лист в верхнюю область кончика трещины и левую поверхность трещины отдельно перед этапом упаковки с помощью команды Copy + Paste .
  7. Упакуйте молекулы асфальта в поле моделирования на основе окончательных составов, перечисленных в таблице 1 , для построения графен-модифицированной асфальтовой структуры.
  8. Преобразуйте файл структуры в файл данных. Сохраните структурные файлы как файлы молекул с информацией о структуре (*.car и *.mdf) из Materials Studio. Преобразуйте файлы молекул (*.car и *.mdf) в файлы данных с помощью инструмента msi2lmp в крупномасштабном атомно-молекулярном массово-параллельном симуляторе (LAMMPS)55 . Считайте файл данных с помощью команды read_data в LAMMPS.

2. Выполните моделирование

  1. Определите параметры моделирования.
    1. Установите временной шаг как 1 fs во входном файле, учитывая баланс точности и эффективности проведенных симуляций.
    2. Установите расстояние отсечения несвязанных взаимодействий равным 12 Å, что составляет менее половины длины поля моделирования с учетом периодического граничного условия и расчетной эффективности.
    3. Используйте алгоритм частица-частица-сетка (PPPM) для описания кулонбических взаимодействий на большие расстояния и установите относительную погрешность в силах на атом, рассчитанную дальнобойным решателем, как 10-5 для высокой точности.
  2. Зафиксируйте профиль трещины. Выберите молекулы асфальта в профиле с помощью команды «Групповые молекулы» в LAMMPS. Применяйте ограничения к молекулам асфальта с помощью команды Fix Spring/Self в LAMMPS, чтобы избежать движения молекул асфальта.
  3. Достижение равновесия
    1. Держите весь блок моделирования полностью расслабленным после 500 пс под изотермически-изобарическим (NPT) ансамблем с температурой 300 К и давлением 1 атм.
    2. Сделайте асфальт насыпным уравновешенным до желаемого значения плотности экспериментальных измерений41 0,95-1,05 г/см3 путем непрерывного изучения температуры, давления, плотности и энергетических значений с помощью тепловой команды.
    3. Проверьте сходимость потенциальной энергии и среднеквадратичного смещения (MSD) во всей системе для достижения полностью расслабленного состояния.
  4. Выполните процесс самовосстановления.
    1. Установите весь блок моделирования под ансамбль ДНЯО с температурой 300 К и давлением 1 атм.
    2. Снимите ограничение молекул асфальта на контуре зоны трещины.
    3. Отслеживайте и записывайте размер блока моделирования и координаты атомов, а также используйте команду Dump для постобработки.
    4. Усредните результаты моделирования в процессе самовосстановления по трем независимым конфигурациям с тремя различными начальными скоростями семян, чтобы уменьшить случайные ошибки.

3. Постобработка

  1. Визуализируйте поведение самовосстановления. Откройте инструмент open Visualization Tool OVITO56 для визуализации хода моделирования, а затем откройте файлы траектории в формате lammpstrj, сгенерированном LAMMPS55. Записывайте снимки процесса самовосстановления и отслеживайте пути молекул асфальта с помощью команды Render .
  2. Проанализируйте контур числа атома. Экспортируйте координаты атомов в программное обеспечение для анализа данных и построения графиков из файлов траекторий, выведенных из LAMMPS. Проецируйте координаты атомов во всей системе на плоскость yz. Записывайте числа атомов в разных областях плоскости yz и стройте контур разными цветами.
  3. Проанализируйте подвижность атомов и относительное положение.
    1. Анализируйте подвижность атомов различных компонентов асфальта по среднеквадратичному смещению (MSD) с помощью команды Compute msd .
    2. Рассчитайте относительные положения между молекулами графена и асфальта по кривым радиальных функций распределения (RDF) для системы графен-модифицированных асфальтовых систем с шириной трещин 15 Å и 35 Å с помощью команды Compute rdf в LAMMPS.
    3. Нарисуйте кривые RDF, чтобы проверить, как плотность асфальта изменяется в зависимости от расстояния от графенового листа.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Контур числа атома
Контуры числа атомов моделей чистого асфальта и графен-модифицированного асфальта в плоскости yz показаны на рисунке 3, где цветовая полоса от синего до красного показывает номера атомов, варьирующиеся от 0 до 28. Фиг.3а-с иллюстрирует контур атомного числа структур шириной трещины 15 Å в чистом асфальте и асфальтовых нанокомпозитах, модифицированных графеном на кончике трещины и поверхности трещины. Для чистого асфальта полное заживление происходит примерно через 300 пс. Поведение самовосстановления начинается с области кончика трещины, так как область вокруг кончика трещины становится расплавленной тупой формой с синим цветом после 50 пс, а несколько молекул асфальта соединяют две поверхности трещины в середине кончика трещины. Зеленый цвет в контуре представляет собой объемный асфальт, который является стадией получения зоны трещины полного самовосстановления. При отметке 100 пс зона трещины почти закрывается с небольшой пустотой, а цвета начальных поверхностей трещин меняются на зеленые, что указывает на то, что в этих областях завершается процесс самовосстановления; тем не менее, все еще есть некоторые синие и белые области, которые еще предстоит самовосстановить. Примерно через 300 пс большая часть цвета зоны трещины изменилась на зеленый, который такой же, как и у асфальтовой массы, что указывает на то, что процесс самовосстановления завершен. Как показано на рисунке 3b, процесс самовосстановления существенно не изменяется после добавления графенового листа в верхнюю часть трещины. Процесс самовосстановления занимает около 500 пс, а зона трещин резко уменьшается при 50 пс и почти исчезает при 200 пс. Графеновый лист в верхней части кончика трещины, по-видимому, мало влияет на процесс самовосстановления поверхности трещины. Однако вставка графена в левую часть поверхности трещины может значительно ускорить процесс самовосстановления, как показано на рисунке 3c, где красной линией в контуре является графеновый лист. Период самовосстановления сокращается примерно до 200 л.с., что вдвое меньше, чем у чистого асфальта. Ширина трещины значительно уменьшается при 20 пс, а молекулы асфальта из объема стремятся переместиться в область графена и заполнить область трещины. Зона трещин почти исчезает при отметке 150 пс, хотя некоторые участки внизу остаются синими. Еще через 50 пс процесса самовосстановления область трещины заполняется синим цветом, что указывает на окончание процесса.

Процесс самовосстановления моделей с шириной трещины 35 Å занимает почти в два раза больше времени, чем у моделей с шириной трещины 15 Å, в то время как процесс самовосстановления чистого асфальта длится около 1000 л.с. Самовосстанавливающееся поведение начинается в области кончика трещины, и форма трещины становится сморщенной и неправильной при 100 пс. Большая часть зоны трещины заживает на 500 пс, с небольшой пустотой, оставшейся в середине зоны трещины. После выполнения процесса самовосстановления еще на 500 пс зона трещины заполняется молекулами асфальта до завершения процесса самовосстановления. Графеновый лист расположен в верхней части кончика трещины, как показано красной линией рисунка 3e. Период самовосстановления составляет около 1 100 пс, что близко к периоду чистого асфальта. Однако форма трещины меняется по-разному. Есть некоторые молекулы асфальта, которые соединяют область трещины на уровне около 400 л.с., что может продвинуть процесс самовосстановления. Как показано на рисунке 3f, поведение самовосстановления может быть значительно улучшено, когда графеновый лист расположен на левой поверхности трещины. Можно наблюдать явление, аналогичное модели с шириной трещины 15 Å: некоторые молекулы асфальта в асфальтовой массе имеют тенденцию перемещаться в область графена и оборачиваться вокруг графенового листа, что может значительно уменьшить площадь трещины и помочь процессу самовосстановления. Ширина трещины уменьшается примерно до половины первоначальной ширины трещины всего на 50 пс, и большая часть области трещины заживает примерно на 300 пс. Весь процесс самовосстановления длится около 600 пс и большая часть зоны трещины исчезает; это занимает лишь половину времени, затрачиваемого на чистый асфальт.

Figure 3
Рисунок 3: Контур числа атома в процессе самовосстановления. Контур числа атома в процессе самовосстановления для моделей с шириной трещины 15 Å для (a) чистого асфальта, (b) графена на кончике трещины и (c) графена на левой поверхности кончика трещины, а также моделей с шириной трещины 35 Å для (d) чистого асфальта, (e) графена на кончике трещины, и f) графен на левой поверхности кончика трещины. Пунктирные черные ящики относятся к местоположениям графена. Цветовая полоса от синего до красного обозначает числа атомов, варьирующиеся от 0 до 28 в контуре. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Молекулярные взаимодействия
Чтобы исследовать разницу в самовосстанавливающемся поведении между чистым асфальтом и графен-модифицированными асфальтовыми композитами, молекулярные взаимодействия и движение во время процесса самовосстановления фиксируются и анализируются, как показано на рисунке 4. Из рисунка 4а можно заметить, что ароматические молекулы, такие как асфальтен, полярные ароматические вещества и ароматические вещества нафтена, притягиваются графеновым листом через π-π укладку, когда графен помещается в верхнюю область кончика трещины. Эти молекулы асфальта плотно захватываются графеновым листом и не могут легко диффундировать в окрестности зоны трещины или заполнять трещину, что в определенной степени препятствует процессу самовосстановления. Тем не менее, поведение самовосстановления в основном возникает из-за молекул асфальта вблизи поверхности трещины, и влияние этих молекул в верхней области требует дальнейшего изучения. На рисунке 4b видно, что полярная ароматическая молекула на поверхности трещины притягивается графеновым листом на другой поверхности трещины, что может еще больше увеличить вероятность перемещения соседней ароматической молекулы нафтена в область трещины. Собранные молекулы асфальта, притягиваемые графеновым листом, могут упаковывать зону трещины с более высокой скоростью, чем у чистого асфальта, и способность нанокомпозита, модифицированного графеном асфальта, может быть улучшена. Процесс самовосстановления модели с шириной трещины 35 Å, модифицированной графеном на левой поверхности трещины, показан на рисунке 4c. Полярные ароматические молекулы притягиваются графеновым листом через π-π укладку, когда начинается самовосстановление, и эти молекулы асфальта могут быстро оборачиваться вокруг графенового листа и уменьшать пространство зоны трещины, как показано на рисунке 3f. Это свидетельствует о том, что графен играет важную роль на начальном этапе самовосстановления, когда он расположен вокруг поверхности трещины. Самовосстанавливающийся снимок чистого асфальта шириной трещины 15 Å показан на рисунке 4d. Можно четко заметить, что цепная структура насыщения важна для процесса самовосстановления, поскольку молекулы могут запутываться друг с другом и соединять поверхность трещины. Этот мостовой эффект между насыщенными молекулами и боковыми цепями молекул асфальтена может значительно повысить эффективность упаковки и уменьшить период самовосстановления. Также замечено, что молекулы асфальта с полиароматическими кольцами, такие как асфальтен, полярные ароматические вещества и ароматические вещества нафтена, переориентируются на поверхности трещин путем укладки π-π. Такая переориентация позволяет молекулам асфальта двигаться в параллельном направлении и способствует смачиванию трещин, что еще больше закрывает поверхности трещин.

Figure 4
Рисунок 4: Детали несвязного взаимодействия нанокомпозитов чистого асфальта и графен-модифицированного асфальта в процессе самовосстановления. Для модели с шириной трещины (a) 15 Å и графеном, расположенным в верхней части кончика трещины, ароматические молекулы в асфальте притягиваются графеновым листом через π-π укладку. Для модели с шириной трещины (b) 15 Å и графеном на левой стороне поверхности трещины полярные ароматические молекулы на другой поверхности трещины перемещаются на поверхность графена из-за сильных ароматических взаимодействий. Для модели с шириной трещины (c) 35 Å и графеном в левой части поверхности трещины полярные ароматические молекулы притягиваются графеновым листом и, таким образом, выступают из поверхности трещины. Для модели с шириной трещины (d) 15 Å и чистым асфальтом происходит переориентация ароматических молекул на поверхности трещины и связывание цепи и запутывание насыщенных молекул в процессе самовосстановления. Синие пунктирные поля и фиолетовые пунктирные поля на рисунке указывают на поведение π-π и переориентации соответственно. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Переориентация ароматических молекул, включая асфальтен, полярные ароматические вещества и ароматические вещества нафтена вокруг поверхности трещины в процессе самовосстановления, показана на рисунке 5. На рисунке 5а показано, что отслеживаемые молекулы до самовосстановления почти перпендикулярны между ароматическими и полярными ароматическими веществами и между асфальтеном и полярными ароматическими веществами. Расстояние между асфальтеном и двумя другими ароматическими молекулами составляет 13,3 Å, что больше, чем расстояние между ароматическими молекулами. После самовосстановления в течение 40 пс ароматическая молекула нафтена диффундирует в пространство между асфальтеном и полярными ароматическими веществами и играет важную роль во взаимодействии с двумя другими молекулами. На фиг.5b можно наблюдать, что расстояние и угол между полярной ароматической молекулой и ароматической молекулой нафтена составляют 4,6 Å и 89°, что указывает на Т-образное π-π взаимодействие между двумя ароматическими молекулами. Угол и расстояние между ароматическим нафтеном и асфальтеном уменьшаются до 32° и 4,6 Å соответственно. Это указывает на то, что несвязные взаимодействия между ароматическими веществами нафтена и асфальтеном заставляют их вращаться и постепенно корректировать ориентацию, способствуя смачиванию поверхности трещины. Ориентации трех молекул почти параллельны после 50 пс, так как углы между ними составляют 26° и 35°, как показано на рисунке 5c. Расстояние между ними уменьшается ниже 4,0 Å, что указывает на то, что π-π укладка облегчает параллельную структуру и сближает ароматические молекулы. В целом, переориентация на поверхности трещины способствует взаимодействию молекул асфальта, что укорачивает межмолекулярное расстояние и увеличивает притяжение между ними. Переориентация и диффузия молекул асфальта дополнительно способствуют заполнению зоны трещины и ускоряют процесс самовосстановления.

Figure 5
Рисунок 5: Переориентация молекул асфальта в процессе самовосстановления. Углы и расстояния между молекулами асфальта (а) до самовосстановления, (б) после 40 пс и (в) при 50 пс. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Мобильность асфальтовых компонентов
Чтобы количественно понять роль различных компонентов в самовосстанавливающемся поведении асфальта, MSD центральной массы для асфальтового композита рассчитывается как представляющая переходную мобильность во время процесса самовосстановления, которая выражается следующим образом:

Equation 2

где ri(t) — вектор положения частицы i в момент времени t, а угловая скобка указывает среднее значение расстояния перемещения. Значения MSD чистого асфальта и асфальта, модифицированного графеном, отслеживаются и показаны на рисунке 6. На рисунке 6a-c показан MSD асфальтового композита с трещиной шириной 15 Å, в то время как трещины с шириной 35 Å показаны на рисунке 6d-f. Можно отметить, что насыщенные вещества являются наиболее активным компонентом в самовосстанавливающемся поведении асфальта, в то время как асфальтен является наименее активным. Есть две возможные причины: одна относится к молекулярной массе, так как асфальтены имеют самую высокую молекулярную массу в асфальте, и они менее способны двигаться и заполнять зону трещин. Другая — цепная структура насыщенных веществ, которые имеют более высокую подвижность, чем другие компоненты, и с большей вероятностью запутываются и растягиваются на поверхности трещины. Подвижность полярных ароматических соединений выше, чем у нафтеновых ароматических веществ; это связано с более высокой молекулярной массой и полярностью полярных ароматических соединений. Полярные атомы на полярных ароматических веществах, такие как атомы серы, могут образовывать H-связь с асфальтенами, и подвижность может быть затруднена. Цифры MSD для модифицированного графеном асфальта на верхней области кончика трещины и левой поверхности трещины показаны на рисунках 6b и 6c. На рисунке 6b видно, что MSD графена ниже, чем у асфальтовых компонентов, поскольку графен занимает наибольший объем и имеет самую высокую молекулярную массу в нанокомпозитах асфальта. Значения MSD для компонентов асфальта относительно ниже, чем для чистого асфальта; это связано с тем, что взаимодействия между этими молекулами и графеном препятствуют подвижности молекул асфальта и замедляют процесс самовосстановления. Однако, когда графен помещается на левую поверхность трещины, подвижность полярных ароматических соединений, ароматических нафтена и графена значительно улучшается по сравнению с чистым асфальтом. Это указывает на то, что графен играет важную роль в процессе самовосстановления и что его взаимодействие с ароматическими молекулами в асфальте способствует процессу самовосстановления асфальта. Для корпуса трещин шириной 35 Å на рисунке 6d MSD чистого асфальта следует той же тенденции, что и в корпусе с шириной трещины 15 Å, поскольку MSD асфальтена, полярных ароматических веществ, ароматических соединений нафтена и насыщенных веществ изменяется все больше. При вставке графена в верхнюю область кончика трещины MSD насыщенных веществ уменьшается примерно на 15 Å2. Наличие графеновых листов в асфальтовой массе вертикально влияет на подвижное пространство насыщенных молекул и препятствует прохождению путей самовосстановления. Из рисунка 6f можно заметить, что значения MSD асфальтена, полярных ароматических веществ и ароматических соединений нафтена улучшены по сравнению с чистым асфальтом, в то время как MSD насыщенных веществ несколько снижается. Графен отвечает за улучшение процесса самовосстановления, особенно с молекулами, содержащими ароматические вещества. Взаимодействие штабелирования π-π между графеном и асфальтеном, полярными ароматическими веществами и ароматическими нафтеновыми веществами улучшает подвижность этих молекул асфальта и помогает сформировать стабильную упаковочную структуру в зоне трещины, что ускоряет процесс самовосстановления асфальта.

Figure 6
Рисунок 6: MSD чистых молекул асфальта и графен-модифицированных молекул асфальта в процессе самовосстановления. Для моделей с шириной трещины 15 Å представлен MSD (a) чистого асфальта и модифицированного графеном асфальта на (b) верхней части кончика трещины и (c) левой поверхности. Для моделей с шириной трещины 35 Å представлен MSD (d) чистого асфальта и графен-модифицированного асфальта на (e) верхней части кончика трещины и (f) левой поверхности трещины. Ось X представляет время моделирования, а ось Y представляет значения MSD компонентов асфальта и молекулы графена в процессе самовосстановления. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Молекулярные локации после самовосстановления
Чтобы исследовать относительное расположение между молекулами графена и асфальта во время процесса самовосстановления, функции радиального распределения между графеном и ароматическими молекулами в асфальте рассчитаны и показаны на рисунке 7. На рисунке 7a-c показан RDF модели с шириной трещины 15 Å до и после процесса самовосстановления. Можно видеть, что ароматические молекулы в асфальте перемещаются ближе к графеновому листу после процесса самовосстановления, особенно полярные ароматические молекулы и ароматические молекулы нафтена. Как показано на рисунке 4, существуют сильные π-π взаимодействия между графеном и ароматическими молекулами, такими как асфальтен, полярные ароматические вещества и ароматические вещества нафтена, которые заставляют графеновый лист притягивать эти молекулы к поверхности трещины. Однако разница в значениях g(r) асфальтена до и после самовосстановления не столь значительна, как у полярных ароматических и нафтеновых ароматических веществ. Это связано с тем, что молекулы асфальтена получают более высокую молекулярную массу и объем, чем полярные ароматические и нафтеновые ароматические молекулы, что затрудняет их вращение и диффузию в область графена и заполнение зоны трещины. Повышенные значения g(r) между графеном и полярными ароматическими или нафтеновыми ароматическими молекулами в пределах 4,0 Å находятся в пределах типичного расстояния взаимодействия для π-π укладки, а повышенные значения g(r) выше 4,0 Å обусловлены сочетанием молекулярных взаимодействий и устранением зоны трещины. RDF модели с шириной трещины 35 Å до и после процесса самовосстановления показан на рисунке 7d-f. Значения g(r) между графеном и асфальтеном выше 4,0 Å в процессе самовосстановления более очевидны, чем значения ширины трещины 15 Å; это связано с тем, что асфальтен имеет больше пространства для диффузии и перемещения к графену в большей зоне трещины. Значения g(r) в пределах 4,0 Å более значимы для ароматических соединений нафтена, чем для полярных ароматических соединений; это связано с меньшей молекулярной массой и лучшей диффузионной способностью ароматических молекул нафтена.

Figure 7
Рисунок 7: Значения RDF между графеном на поверхности левой трещины и компонентами асфальта. Значения RDF между графеном на поверхности левой трещины и асфальтовыми компонентами (a) асфальтена, (b) полярных ароматических веществ, (c) ароматических соединений нафтена из модели с шириной трещины 15 Å, (d) асфальтена, (e) полярных ароматических веществ и (f) ароматических соединений нафтена из моделей с шириной трещины 35 Å. Ось X представляет расстояние между двумя молекулами, а ось Y представляет значения RDF. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Важнейшими этапами в рамках Протокольной части являются: этап 1.4 - Сборка и упаковка четырех типов молекул асфальта; шаг 1.5 - Построить асфальтовую конструкцию с трещиной; шаг 2.3 - Достижение равновесия; Шаг 2.4 - Выполните процесс самовосстановления. Эти шаги указывают на наиболее связное и важное содержание протокола. Чтобы создать желаемые формы вставленной трещины, процесс упаковки модифицируется по сравнению с обычной упаковкой в Materials Studio. Форма трещины создается и заполняется внутри коробки моделирования, а затем молекулы асфальта упаковываются в другую часть коробки моделирования. После этого избыточные молекулы асфальта удаляются вокруг созданного контура трещины. Ограничение моделирования MD заключается в том, что шкала времени и масштаб длины относительно невелики в порядке наносекунд и нанометров по сравнению с традиционными методами, такими как метод конечных элементов, в котором моделирование может быть проанализировано до секунд и метров57. Значение этого метода заключается в том, что он может выявить механизм самовосстановления асфальта и графен-модифицированного асфальта на атомистическом уровне, захватив эволюцию наноструктуры, молекулярные взаимодействия и движения, которые труднодоступны традиционными подходами58. Механизм самовосстановления может помочь исследователям и инженерам применить наноматериалы на соответствующем участке и эффективно улучшить асфальт. Будущее применение этого метода заключается в том, что он может прилично контролировать молекулярную структуру и помогать исследовать влияние других переменных наноматериалов, таких как дефекты, складчатые структуры и функциональные группы. Этот метод также может быть объединен с другими подходами к наблюдению за самовосстанавливающимся поведением асфальтовых нанокомпозитов с многомасштабной точки зрения. Самовосстанавливающиеся свойства асфальта можно досконально понять и значительно улучшить в будущем.

Графен имеет решающее значение в изменениях и миграции интерфейса и компонентов во время процесса самовосстановления. Без вставки графенового листа насыщенный слой играет важную роль в процессе самовосстановления, так как цепная структура насыщенных веществ может запутываться друг с другом и перекрывать поверхность трещины. Мостовой эффект между насыщенными молекулами и боковыми цепями молекул асфальтена может значительно увеличить плотность упаковки и уменьшить время процесса самовосстановления. Кроме того, молекулы асфальта с полиароматическими кольцами, такие как асфальтен, полярные ароматические вещества и ароматические нафтены, переориентируются на поверхности трещины путем π-π укладки, что заставляет молекулы асфальта двигаться в параллельном направлении и способствует смачиванию трещин и закрывает поверхности трещин. При введении графена полярные ароматические молекулы на одной стороне поверхности трещины притягиваются графеновым листом на другой стороне поверхности трещины, что может еще больше увеличить возможность перемещения близлежащих ароматических молекул нафтена в область трещины. Собранные молекулы асфальта, притягиваемые графеновым листом, могут заполнять зону трещины с большей скоростью, чем в чистом асфальте, а способность к самовосстановлению значительно улучшается в нанокомпозите, модифицированном графеном. Молекулы асфальтена имеют более высокую молекулярную массу и объем в асфальтовой матрице, что затрудняет их диффузию в графеновую часть и заполнение зоны трещины. Ароматические вещества нафтена имеют более быстрое движение, чем полярные ароматические вещества, что обусловлено меньшей молекулярной массой и лучшей диффузионной способностью ароматических молекул нафтена39.

В этом исследовании исследуются самовосстанавливающиеся свойства чистого асфальта и нанокомпозитов, модифицированных графеном, с учетом различной ширины трещин и расположения графена с использованием моделирования MD. Замечено, что самовосстанавливающееся поведение начинается с области кончика трещины, при этом острый кончик становится тупым и нечетким. Молекулы асфальта на границе трещины могут диффундировать, уменьшая ширину трещины и продолжая заполнять зазор. Полный процесс самовосстановления подтверждается, когда плотность атомов в области трещины такая же, как у асфальтовой массы. Моделирование MD может помочь выявить молекулярные взаимодействия и движение цепи в асфальтовой матрице во время процесса самовосстановления. Запутанность и переориентация молекул асфальта играют важную роль в самовосстанавливающемся поведении. Скорость самовосстановления при включении графенового листа определяется его расположением. Для графенового листа, расположенного в области кончика трещины, движение молекул асфальта затруднено и не может легко диффундировать в зону трещины. Для графенового листа со стороны зоны трещины молекулы асфальта притягиваются графеновым листом за счет взаимодействия штабелирования π-π и легко собираются в зоне трещины, что указывает на увеличение скорости самовосстановления. Результаты моделирования показывают, что модификация асфальта наноматериалами может улучшить как термомеханические, так и самовосстанавливающиеся свойства, что имеет большой потенциал для развития умных асфальтовых покрытий. Фундаментальное понимание механизма самовосстановления в асфальтовых нанокомпозитах на основе моделирования MD может способствовать эффективному манипулированию наноматериалами на оптимальном участке, что выгодно для передового проектирования асфальтовых нанокомпозитов с заданными свойствами и функциями.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

У авторов нет конфликта интересов, о которых можно было бы заявить.

Acknowledgments

Авторы благодарны за поддержку Гранта стратегических исследований Городского университета Гонконга с Проектом No 7005547, поддержку со стороны Совета по исследовательским грантам (RGC) Специального административного района Гонконг, Китай, с Проектом No. R5007-18 и поддержка Шэньчжэньского комитета по научно-техническим инновациям в рамках гранта JCYJ20170818103206501.

Materials

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.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Sun, D., et al. A comprehensive review on self-healing of asphalt materials: Mechanism, model, characterization and enhancement. Advances in Colloid and Interface Science. 256, 65-93 (2018).
  2. Hung, A. M., Mousavi, M., Fini, E. H. Implication of wax on hindering self-healing processes in bitumen. Applied Surface Science. 523, 146449 (2020).
  3. Lv, Q., et al. Investigating the asphalt binder/mastic bonding healing behavior using bitumen bonding strength test and X-ray Computed Tomography scan. Construction and Building Materials. 257, 119504 (2020).
  4. Liang, B., et al. Review on the self-healing of asphalt materials: Mechanism, affecting factors, assessments and improvements. Construction and Building Materials. 266, 120453 (2021).
  5. Xu, S., et al. Self-healing asphalt review: From idea to practice. Advanced Materials Interfaces. 5, 1800536 (2018).
  6. Tabaković, A., Schlangen, E. Self-healing Materials, Advances in Polymer Science. , Chapter 335 285-306 (2015).
  7. García, Á Self-healing of open cracks in asphalt mastic. Fuel. 93, 264-272 (2012).
  8. Karimi, M. M., Amani, S., Jahanbakhsh, H., Jahangiri, B., Alavi, A. H. Induced heating-healing of conductive asphalt concrete as a sustainable repairing technique: A review. Cleaner Engineering and Technology. 4, (2021).
  9. Gulisano, F., Gallego, J. Microwave heating of asphalt paving materials: Principles, current status and next steps. Construction and Building Materials. 278, 121993 (2021).
  10. García, Á, Schlangen, E., Ven, M. vd, Bochove, G. v Optimization of composition and mixing process of a self-healing porous asphalt. Construction and Building Materials. 30, 59-65 (2012).
  11. Aguirre, M. A., Hassan, M. M., Shirzad, S., Daly, W. H., Mohammad, L. N. Micro-encapsulation of asphalt rejuvenators using melamine-formaldehyde. Construction and Building Materials. 114, 29-39 (2016).
  12. Su, J. -F., Qiu, J., Schlangen, E., Wang, Y. -Y. Experimental investigation of self-healing behavior of bitumen/microcapsule composites by a modified beam on elastic foundation method. Materials and Structures. 48 (12), 4067-4076 (2014).
  13. Yoo, D. Y., Kim, S., Kim, M. J., Kim, D., Shin, H. O. Self-healing capability of asphalt concrete with carbon-based materials. Journal of Materials Research and Technology-Jmr&T. 8 (1), 827-839 (2019).
  14. Qin, Z., Jung, G. S., Kang, M. J., Min Jeong, M. J. The mechanics and design of a lightweight three-dimensional graphene assembly. Science Advances. 3 (1), 1601536 (2017).
  15. Jung, G. S., Yeo, J., Tian, Z., Qin, Z., Buehler, M. J. Unusually low and density-insensitive thermal conductivity of three-dimensional gyroid graphene. Nanoscale. 9 (36), 13477-13484 (2017).
  16. Campbell, P. G., Worsley, M. A., Hiszpanski, A. M., Baumann, T. F., Biener, J. Synthesis and functionalization of 3D nano-graphene materials: Graphene aerogels and graphene macro assemblies. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (105), e53235 (2015).
  17. Li, H., et al. Induction heating and healing behaviors of asphalt concretes doped with different conductive additives. Advances in Materials Science and Engineering. 2019, 1-10 (2019).
  18. Moreno-Navarro, F., Sol-Sánchez, M., Gámiz, F., Rubio-Gámez, M. C. Mechanical and thermal properties of graphene modified asphalt binders. Construction and Building Materials. 180, 265-274 (2018).
  19. Liu, J., Hao, P., Dou, Z., Wang, J., Ma, L. Rheological, healing and microstructural properties of unmodified and crumb rubber modified asphalt incorporated with graphene/carbon black composite. Construction and Building Materials. 305, 124512 (2021).
  20. Wang, R., Qi, Z., Li, R., Yue, J. Investigation of the effect of aging on the thermodynamic parameters and the intrinsic healing capability of graphene oxide modified asphalt binders. Construction and Building Materials. 230, 116984 (2020).
  21. Gulisano, F., Crucho, J., Gallego, J., Picado-Santos, L. Microwave healing performance of asphalt mixture containing Electric Arc Furnace (EAF) slag and Graphene Nanoplatelets (GNPs). Applied Sciences. 10 (4), 1428 (2020).
  22. Li, C., Wu, S., Chen, Z., Tao, G., Xiao, Y. Improved microwave heating and healing properties of bitumen by using nanometer microwave-absorbers. Construction and Building Materials. 189, 757-767 (2018).
  23. Varma, R., Balieu, R., Kringos, N. A state-of-the-art review on self-healing in asphalt materials: Mechanical testing and analysis approaches. Construction and Building Materials. 310, 125197 (2021).
  24. Lau, D., Jian, W., Yu, Z., Hui, D. Nano-engineering of construction materials using molecular dynamics simulations: Prospects and challenges. Composites Part B: Engineering. 143, 282-291 (2018).
  25. Jian, W., Lau, D. Creep performance of CNT-based nanocomposites: A parametric study. Carbon. 153, 745-756 (2019).
  26. Wang, X. Q., Jian, W., Buyukozturk, O., Leung, C. K. Y., Lau, D. Degradation of epoxy/glass interface in hygrothermal environment: An atomistic investigation. Composites Part B: Engineering. 206, 108534 (2021).
  27. Jian, W., Lau, D. Understanding the effect of functionalization in CNT-epoxy nanocomposite from molecular level. Composites Science and Technology. 191, 108076 (2020).
  28. Hao, H., Tam, L. -h, Lu, Y., Lau, D. An atomistic study on the mechanical behavior of bamboo cell wall constituents. Composites Part B: Engineering. 151, 222-231 (2018).
  29. Qin, R., Zhou, A., Yu, Z., Wang, Q., Lau, D. Role of carbon nanotube in reinforcing cementitious materials: An experimental and coarse-grained molecular dynamics study. Cement and Concrete Research. 147, 106517 (2021).
  30. Jian, W., Wang, X., Lu, H., Lau, D. Molecular dynamics simulations of thermodynamics and shape memory effect in CNT-epoxy nanocomposites. Composites Science and Technology. 211, 108849 (2021).
  31. Jing, C., et al. Regenerated and rotation-induced cellulose-wrapped oriented CNT fibers for wearable multifunctional sensors. Nanoscale. 12 (30), 16305-16314 (2020).
  32. Yazdandoost, F., Mirzaeifar, R., Qin, Z., Buehler, M. J. Multiscale mechanics of the lateral pressure effect on enhancing the load transfer between polymer coated CNTs. Nanoscale. 9 (17), 5565-5576 (2017).
  33. Doblack, B. N., Allis, T., Davila, L. P. Novel 3D/VR interactive environment for MD simulations, visualization and analysis. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (94), (2014).
  34. Xu, M., et al. Improved chemical system for molecular simulations of asphalt. Energy & Fuels. 33 (4), 3187-3198 (2019).
  35. Xu, G., Wang, H. Molecular dynamics study of oxidative aging effect on asphalt binder properties. Fuel. 188, 1-10 (2017).
  36. Nie, F., Jian, W., Lau, D. An atomistic study on the thermomechanical properties of graphene and functionalized graphene sheets modified asphalt. Carbon. 182, 615-627 (2021).
  37. Cui, B., Gu, X., Hu, D., Dong, Q. A multiphysics evaluation of the rejuvenator effects on aged asphalt using molecular dynamics simulations. Journal of Cleaner Production. 259, (2020).
  38. Sun, W., Wang, H. Self-healing of asphalt binder with cohesive failure: Insights from molecular dynamics simulation. Construction and Building Materials. 262, 120538 (2020).
  39. He, L., et al. Self-healing behavior of asphalt system based on molecular dynamics simulation. Construction and Building Materials. 254, 119225 (2020).
  40. Sun, D., Lin, T., Zhu, X., Tian, Y., Liu, F. Indices for self-healing performance assessments based on molecular dynamics simulation of asphalt binders. Computational Materials Science. 114, 86-93 (2016).
  41. Li, D. D., Greenfield, M. L. Chemical compositions of improved model asphalt systems for molecular simulations. Fuel. 115, 347-356 (2014).
  42. Redelius, P., Soenen, H. Relation between bitumen chemistry and performance. Fuel. 140, 34-43 (2015).
  43. Schulze, M., Lechner, M. P., Stryker, J. M., Tykwinski, R. R. Aggregation of asphaltene model compounds using a porphyrin tethered to a carboxylic acid. Organic & Biomolecular Chemistry. 13 (25), 6984-6991 (2015).
  44. Robertson, A. W., Warner, J. H. Atomic resolution imaging of graphene by transmission electron microscopy. Nanoscale. 5 (10), 4079-4093 (2013).
  45. Yang, L., Zhou, D., Kang, Y. Rheological properties of graphene modified asphalt binders. Nanomaterials (Basel). 10 (11), 2197 (2020).
  46. Zeng, W. B., Wu, S. P., Pang, L., Sun, Y. H., Chen, Z. W. The utilization of graphene oxide in traditional construction materials: Asphalt. Materials. 10 (1), 48 (2017).
  47. Li, R., Xiao, F., Amirkhanian, S., You, Z., Huang, J. Developments of nano materials and technologies on asphalt materials - A review. Construction and Building Materials. 143, 633-648 (2017).
  48. Yu, T., Zhang, H., Wang, Y. Multi-gradient analysis of temperature self-healing of asphalt nano-cracks based on molecular simulation. Construction and Building Materials. 250, 118859 (2020).
  49. Gao, C., Liu, T., Shuai, C., Peng, S. Enhancement mechanisms of graphene in nano-58S bioactive glass scaffold: mechanical and biological performance. Scientific Reports. 4, 4712 (2014).
  50. Maple, J. R., Dinur, U., Hagler, A. T. Derivation of force fields for molecular mechanics and dynamics from ab initio energy surfaces. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 85 (15), 5350-5354 (1988).
  51. Xu, M., Yi, J., Feng, D., Huang, Y. Diffusion characteristics of asphalt rejuvenators based on molecular dynamics simulation. International Journal of Pavement Engineering. 20 (5), 615-627 (2019).
  52. Wang, H., Lin, E., Xu, G. Molecular dynamics simulation of asphalt-aggregate interface adhesion strength with moisture effect. International Journal of Pavement Engineering. 18 (5), 414-423 (2017).
  53. Yu, J., et al. Insights on the capillary transport mechanism in the sustainable cement hydrate impregnated with graphene oxide and epoxy composite. Composites Part B: Engineering. 173, (2019).
  54. Zhou, X., et al. Evaluation of thermo-mechanical properties of graphene/carbon-nanotubes modified asphalt with molecular simulation. Molecular Simulation. 43 (4), 312-319 (2017).
  55. Plimpton, S. Fast parallel algorithms for short-range molecular-dynamics. Journal of Computational Physics. 117 (1), 1-19 (1995).
  56. Stukowski, A. Visualization and analysis of atomistic simulation data with OVITO-the Open Visualization Tool. Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering. 18 (1), 015012 (2010).
  57. Chen, Z., Pei, J., Li, R., Xiao, F. Performance characteristics of asphalt materials based on molecular dynamics simulation-A review. Construction and Building Materials. 189, 695-710 (2018).
  58. Sun, D., Sun, G., Zhu, X., Ye, F., Xu, J. Intrinsic temperature sensitive self-healing character of asphalt binders based on molecular dynamics simulations. Fuel. 211, 609-620 (2018).

Tags

Инженерия выпуск 183 асфальт графен моделирование молекулярной динамики самовосстановление
Усовершенствованный самовосстанавливающийся асфальт, усиленный графеновыми структурами: атомистическое понимание
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Nie, F., Jian, W., Lau, D. Advanced… More

Nie, F., Jian, W., Lau, D. Advanced Self-Healing Asphalt Reinforced by Graphene Structures: An Atomistic Insight. J. Vis. Exp. (183), e63303, doi:10.3791/63303 (2022).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter