Waiting
Login processing...

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

Engineering

Avansert selvhelbredende asfalt forsterket av grafenstrukturer: En atomistisk innsikt

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

Grafenmodifisert asfalt nanokompositt har vist en avansert selvhelbredende evne sammenlignet med ren asfalt. I denne protokollen har molekylære dynamikksimuleringer blitt brukt for å forstå grafenens rolle i selvhelbredelsesprosessen og for å utforske selvhelbredende mekanisme for asfaltkomponenter fra atomistisk nivå.

Abstract

Grafen kan forbedre de selvhelbredende egenskapene til asfalt med høy holdbarhet. Imidlertid er selvhelbredende oppførsel av grafenmodifisert asfalt nanokompositt og rollen som innlemmet grafen fortsatt uklar på dette stadiet. I denne studien undersøkes de selvhelbredende egenskapene til ren asfalt og grafenmodifisert asfalt gjennom molekylære dynamikksimuleringer. Asfaltmasser med to sprekkbredder og steder for grafen innføres, og molekylære interaksjoner mellom asfaltkomponenter og grafenarket analyseres. Resultatene viser at plasseringen av grafen påvirker asfaltens selvhelbredende oppførsel betydelig. Grafen nær sprekkoverflaten kan i stor grad akselerere selvhelbredelsesprosessen ved å samhandle med de aromatiske molekylene gjennom π-π stabling, mens grafen på det øverste området av sprekkspissen har en liten innvirkning på prosessen. Den selvhelbredende prosessen med asfalt går gjennom reorientering av asfalt, polar aromatisk og naftalen aromatiske molekyler, og brobygging av mettede molekyler mellom sprekkflater. Denne dyptgående forståelsen av selvhelbredende mekanismen bidrar til kunnskapen om forbedringen for selvhelbredende egenskaper, noe som vil bidra til å utvikle holdbare asfaltbelegg.

Introduction

Forverring under daglige kjøretøybelastninger og variantmiljøforhold, og aldring av asfalt under service resulterer i nedbrytning eller til og med strukturelle feil, det vil si sprekker og raveling, noe som ytterligere kan svekke holdbarheten til asfaltbelegg. Asfaltens iboende respons på å reparere mikrosprekker og hulrom hjelper den automatisk med å komme seg etter skader og gjenopprette styrke1. Denne selvhelbredende evnen kan forlenge asfaltens levetid betydelig, spare kostnader ved vedlikehold og redusere utslipp av klimagasser 2,3. Asfaltens selvhelbredende oppførsel avhenger generelt av flere påvirkningsfaktorer, inkludert dens kjemiske sammensetning, graden av skade og miljøforhold4. Den forbedrede selvhelbredende evnen til asfalt som fullt ut kan helbrede skade innen kort tid, er ønsket; Dette har vakt stor forskningsinteresse i bedre mekanisk ytelse og holdbarhet for asfaltbelegg innen byggteknikk.

Nye metoder for å forbedre asfaltens selvhelbredende evne inkluderer hovedsakelig tre tilnærminger - induserer oppvarming, innkapslingsheling og inkorporerer nanomaterialer - som kan brukes individuelt eller samtidig5,6. Induserende oppvarming kan forbedre asfaltens mobilitet betydelig og aktivere sin selvhelbredelse for utvinning7. Asfaltens selvhelbredende teknologi ved å indusere oppvarming kan tilskrives den assisterte selvhelbredende teknikken, noe som indikerer at asfaltens selvhelbredende egenskaper forbedres av ytre stimuli. Målet med å legge til stålullfibrene er å forbedre den elektriske ledningsevnen for å øke den helbredende kapasiteten til asfaltbinderen.8. Tilnærmingen til å indusere varme er å eksponere disse elektrisk ledende fibrene til det høyfrekvente vekslende elektromagnetiske feltet, noe som kan indusere virvelstrømmer, og varmeenergien kan spre seg inn i asfaltbinderen av de ledende fibrene.9. Stålullfibrene forbedrer ikke bare den elektriske ledningsevnen, men også termisk ledningsevne, som begge kan påvirke asfaltens selvhelbredende egenskaper positivt. Det er imidlertid utfordrende å velge riktig blandetid for fibre10. Lengden på fibrene reduseres med økt blandetid og påvirker termisk ledningsevne, mens den reduserte blandingstiden fører til klynger av fibre og hindrer asfaltens mekaniske egenskaper.9. Innkapslingsmetoden kan levere lette komponenter i alderen asfalt som aromatiske stoffer og mette og oppdatere asfaltens selvhelbredende evne11,12. Dette er imidlertid en engangsbehandling, og helbredende materialer kan ikke etterfylles etter utgivelsen. Med utviklingen av nanoteknologi har nanomaterialer blitt lovende modifikatorer for å forbedre asfaltbaserte materialer. Asfaltbindere inkorporert med nanomaterialer gir bedre termisk ledningsevne og mekaniske egenskaper13. Grafen med utmerket mekanisk ytelse og høy termisk ytelse anses som en utmerket kandidat til å forbedre asfaltens selvhelbredende evne14,15,16,17. De økte helbredende egenskapene til grafenmodifisert asfalt kan tilskrives det faktum at grafen øker kapasiteten til asfaltbinderen som skal varmes opp og produserer varmeoverføring inne i asfaltbinderen, noe som betyr at grafenmodifisert asfalt kan oppvarmes raskere og nå opp til høyere temperatur enn ren asfalt.18. Den genererte varmen kan overføres gjennom den grafenmodifiserte asfalten med raskere hastighet enn gjennom ren asfalt. Sprekkområdet til asfaltbinderen kan påvirkes lett og helbredes raskere av varmestrømmen med høyere temperatur og høyere varmekapasitet. Den selvhelbredende reaksjonen vil begynne hvis energien som er lik eller større enn den helbredende aktiveringsenergien eksisterer på asfaltens sprekkoverflate19. Grafen kan forbedre den termiske aktiveringshelingsytelsen og akselerere helbredelseshastigheten til asfalt19,20. Dessuten kan grafen spare oppvarmingsenergi opptil 50% under helbredelsesprosessen, noe som kan være til nytte for energieffektiviteten og redusere vedlikeholdskostnadene21. Som et mikrobølgeabsorberende materiale rapporteres grafen for å forbedre asfaltens helbredende evne i resten av mikrobølgeoppvarmingen.22. Det forventes at tilsetningen av grafen i asfalt vil forbedre ikke bare den mekaniske ytelsen, men også den selvhelbredende og energibesparende kapasiteten, noe som krever inngående kunnskap om selvhelbredelsesmekanismen.

Selvhelbredelse på nanoskala skyldes hovedsakelig fukting og diffusjon av asfaltmolekyler ved de oppsprukne ansiktene23. Siden asfalt består av ulike polare og ikke-polare molekyler, er dens selvhelbredende evne sterkt knyttet til molekylære interaksjoner og bevegelser av asfaltmolekyler av forskjellige komponenter1. Imidlertid er dagens forskning hovedsakelig avhengig av eksperimentelle teknikker for å kvantifisere makroskopiske mekaniske egenskaper, noe som forårsaker manglende informasjon i endring av mikrostrukturer og samspillet mellom asfaltmolekyler når du prøver å forstå helbredelsesmekanismen. Den forsterkende mekanismen til grafen i asfaltens selvhelbredende evne er også uklar på dette stadiet. Molekylære dynamikksimuleringer (MD) spiller en innflytelsesrik rolle i å undersøke molekylære interaksjoner og bevegelser av nanokomposittsystemer, og koble mikrostrukturell deformasjon med molekylære interaksjoner og bevegelser 24,25,26,27,28,29,30,31 . MD-simuleringer har blitt mer og mer populære for å analysere materiell atferd som ikke lett kan nås av eksperimenter 32,33. Eksisterende studier har vist gjennomførbarhet og tilgjengelighet av MD-simuleringer i asfaltsystemer; sammenhengen, vedheft, aldring og termomekaniske egenskaper til asfalt- og asfaltkompositter kan utforskes av MD-simuleringer 34,35,36,37. Den selvhelbredende oppførselen til asfalt kan også forutsies av MD-simuleringer 38,39,40. Derfor antas det at undersøkelsen ved hjelp av MD-simuleringer er en effektiv måte å forstå både selvhelbredende og forsterkende mekanismer.

Hensikten med denne studien er å undersøke selvhelbredende oppførsel av ren asfalt og grafenmodifiserte asfalt nanokompositter og å forstå grafenens rolle i å forbedre asfaltens helbredende kapasitet gjennom MD-simuleringer. De selvhelbredende simuleringene av ren asfalt og grafenmodifiserte asfaltkompositter utføres ved å introdusere sprekker i de opprinnelige strukturene. De selvhelbredende egenskapene er preget av konturen av atomtall, reorientering og sammenfiltring av molekyler i det oppsprukne ansiktet, og mobiliteten til asfaltkomponenter under selvhelbredende prosesser. Ved å undersøke den helbredende effektiviteten til grafen på forskjellige steder, avdukes den forsterkende mekanismen for grafen som bidrar til asfaltens selvhelbredende evner, noe som kan hjelpe med overvåking av nanofyllere på en optimal måte og dermed muliggjøre levetidsforlengelsen av asfaltbelegg. En undersøkelse av selvhelbredende kapasitet i atomistisk skala kan gi en effektiv måte å utvikle avanserte asfaltbaserte materialer for fremtidig forskning.

I henhold til asfaltkjemi består asfalt av ulike typer hydrokarboner og ikke-hydrokarboner med forskjellig polaritet og former, som hovedsakelig kan deles inn i de fire komponentene av asfalt, polar aromatikk, naftalen aromatikk og mettet41,42. Asfaltmolekyler er relativt større og tyngre enn andre molekyler i asfalt, med en gjennomsnittlig atommasse på ca. 750 g/mol og en molekylær diameter i området 10-20 Å. Det har blitt allment akseptert at asfalt består av store aromatiske kjerner som inneholder heteroatomer og er omgitt av forskjellige lengder av alkylgruppe43. Et modifisert asfaltmolekyl er konstruert, som vist i figur 1a. Molekylene av polar aromatikk og naftalen aromatikk er konstruert basert på polariteten og elementforholdet mellom asfaltmolekyler, med benzobisbenzothiophene (C18H10S2) som representerer det polare aromatiske molekylet og 1,7-dimetylnaftalen (C12H12) valgt som det representative naftalen aromatiske molekylet, som vist i figur 1b. N-dokosan (n-C 22H46) er konstruert som vist i figur 1d. Parametrene som er oppført i tabell 1 for asfaltmolekyler, velges og brukes til å oppfylle de ønskede kriteriene, inkludert elementær massefraksjon, atomforholdet og det aromatiske/alifatiske forholdet, av ekte asfalt fra forsøk41. Det samme masseforholdet er definert i våre tidligere studier, og de andre termomekaniske egenskapene som tetthet, glassovergangstemperatur og viskositet er i god samsvar med eksperimentelle data fra ekte asfalt36. Den molekylære strukturen av grafen som brukes i denne studien er vist i figur 1e. Det vedtatte grafenarket i denne studien har ingen feil og ingen fold i forhold til det virkelige tilfellet, mens det virkelige grafenarket vanligvis har flere feil som atomiske ledige stillinger og Stone-Wales-feil44, og noen av grafenplatene kan brettes under blandingsprosessen i asfaltmatrisen45. Disse ufullkomne situasjonene vurderes ikke i denne studien, siden vi fokuserer på effekten av grafenarkets sted på de selvhelbredende egenskapene og velger det som den eneste variabelen. Variablene av grafenark når det gjelder feil og brettede tilfeller vil være fokus for våre fremtidige studier. Masseforholdet mellom grafen og asfalt i denne studien er 4,75%, som er den normale situasjonen (<5%) for grafenmodifisert asfalt i forsøket46,47.

Figure 1
Figur 1: Kjemisk struktur. De atomistiske modellene av (a) asfaltmolekyl (C53H55NOS), (b) naftalen aromatisk molekyl (C12H12), (c) polar aromatisk molekyl (C18H10S2), (d) mettet molekyl (C22H46), (e) grafen og (f) ren asfalt. For den atomistiske asfaltmodellen vises karbon-, oksygen-, nitrogen-, svovel- og hydrogenatomer i henholdsvis grå, rød, blå, gul og hvit. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Asfaltmodell Masse (g/mol) Kjemisk formel Antall molekyler Total masse (g/mol) Massebrøk (%)
Asfalt 754.04 C53H55NOS 43 32423.72 26
Naftalen aromatisk 156.22 C12H12 65 10154.3 8
Polar aromatisk 290.38 C18H10S2 74 21485.16 17
Mette 310.59 C22H46 205 63670.95 49
Asfaltperm 387 127734.13 100
Grafen 6369.28 C525H63 1 6369.28

Tabell 1: Generelle komponenter i ren asfaltmodell og grafenmodifisert asfaltmodell.

Når det gjelder protokollen beskrevet nedenfor, settes to typer kilelignende sprekker med forskjellige størrelser inn i midten av asfaltmodellen med en stump sprekkspiss og to parallelle sprekkflater, mens det midterste området av asfaltdelen forblir intakt. To sprekkbredder velges som 15 Å og 35 Å, som vist i figur 2a-b. Begrunnelsen for å velge 15 Å er at sprekkbredden skal være bredere enn avskjæringen på 12 Å for å unngå tidlig selvhelbredelse av asfaltmolekyler under likevektsprosessen mens man undersøker en ekstrem sak for en liten sprekk. Begrunnelsen for å velge 35 Å er at sprekkbredden skal være bredere enn lengden på metningsmolekylene på 34 Å for å hindre broeffekten. Sprekkens høyde er 35 Å, det samme som boksbredden, og sprekkdybden er 70 Å, det samme som bokslengden. I den virkelige situasjonen kan de observerte mikrosprekkstørrelsene varieres i området fra flere mikrometer til flere millimeter, noe som er langt større enn lengdeskalaen vi modellerer her. Normalt er lengdeskalaen i MD-simulering begrenset til skalaen på 100 nm, som fortsatt er flere størrelsesordener mindre enn den virkelige sprekkstørrelsen. Sprekkene starter imidlertid på nanoskalaen og vokser til makroskala sprekker med kontinuerlig deformasjon48. Forståelsen av selvhelbredende mekanismen på nanoskalaen kan bidra til å forhindre vekst og videre forplantning av sprekken i makroskalaen. Selv om de valgte sprekkstørrelsene er innenfor rekkevidden av nanometer, kan resultatene fortsatt være innflytelsesrike og anvendelige for å utforske selvhelbredende oppførsel av asfaltmolekyler. Det er to steder for grafenplatene i sprekkområdene: den ene er på toppen av sprekkspissen og den andre er vinkelrett på venstre sprekkflate. Det har blitt funnet at disse er de vanligste posisjonene for grafen i grafenmodifiserte nanokompositter med sprekker49.

Figure 2
Figur 2: Selvhelbredende ordninger for ren asfalt og grafenmodifisert asfalt. Den selvhelbredende modellen av ren asfalt med en sprekkbredde på (a) 15 Å og (b) 35 Å. Den selvhelbredende modellen av grafenmodifisert asfalt med grafenplaten ligger (c) øverst på sprekkspissen og (d) vinkelrett på sprekkoverflaten. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

I MD-simuleringer er de intramolekylære og intermolekylære interaksjonene i asfalt nanokomposittene beskrevet av Consistent Valence Forcefield (CVFF)50, som fungerer godt med asfalt- og grafenbaserte materialer. Den funksjonelle formen for CVFF uttrykkes som følgende uttrykk:

Equation 1 1

Her består den totale energi-E-summen av bindingsenergibetingelsene og de ikke-limte energibetingelsene. De limte interaksjonene består av den kovalente bindingsstrekkingen, bindingsvinkelbøyeenergien, torsjonsvinkelrotasjonen og feil energi som uttrykt i de fire første termene. Den ikke-limte energien inkluderer en LJ-12-6-funksjon for van der Waals (vdW)-begrepet og en Coulombic-funksjon for elektrostatiske interaksjoner. CVFF har vært mye brukt i å simulere asfaltmaterialer51,52. De simulerte fysiske og mekaniske egenskapene som tetthet, viskositet og bulkmodul er i god samsvar med eksperimentelle data, noe som viser påliteligheten til CVFF51. CVFF er ikke bare egnet for uorganiske materialer, men det har også blitt brukt med hell i konstruksjoner som består av organiske og uorganiske faser som asfalt-silika52 og systemet med epoksy-grafen53. I tillegg kan de interfaciale interaksjonene mellom grafen og asfalt karakteriseres av CVFF36,54. Siden hoveddelen i valg av kraftfelt er å bestemme asfalt-grafengrensesnittet, er de ikke-bindede interaksjonene beskrevet av CVFF mer pålitelige, noe som også vurderes i vår forrige studie36. Samlet sett er forcefield CVFF vedtatt i denne studien. De delvise ladningene for ulike typer atomer beregnes ved hjelp av den forcefield-tilordnede metoden.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Bygg de atomistiske modellene

  1. Åpne Materials Studio-programvaren for å lage fem 3D-atomistiske dokumenter og gi nytt navn til disse dokumentene som henholdsvis grafen, asfalt, polar aromatikk, naftalen aromatikk og mettet.
  2. Bygg grafenmodellen ved å opprette enhetscellen for grafenarket i det 3D-atomistiske dokumentet ved hjelp av alternativet Skisse atom .
  3. Konstruer den endelige strukturen ved hjelp av Supercell-alternativet på Bygg > symmetri-menyen . Definer størrelsen på grafenarket som 40 Å x 40 Å, som er større enn asfaltkjedene og sprekkbredden.
  4. Bygg og pakk de fire typer asfaltmolekyler.
    1. Bruk alternativet Skisse atom til å tegne molekylære strukturer av asfalt, polar aromatikk, naftalen aromatikk, og mettes separat.
    2. Pakk de fire typene asfaltmolekyler inn i simuleringsboksen ved hjelp av beregningsalternativet i menyen Moduler > Amorf celle .
  5. Bygg asfaltstrukturen med sprekken.
    1. Sett høyden på sprekksonen i x-dimensjonen på samme måte som høyden på esken på 70 Å, og dybden på sprekksonen i y-dimensjonen er halvparten av høyden på esken som 35 Å.
    2. Sett to tilfeller av sprekkbreddene i z-dimensjonen på 15 Å og 35 Å. Slett de overflødige molekylene i sprekksonene i det midterste området av asfaltmasse ved hjelp av Alternativet Slett og hold asfaltmatrisen i midten uendret.
  6. Bygg den grafenmodifiserte asfaltstrukturen med sprekken. Inkorporer grafenarket i det øverste området av sprekkspissen og venstre sprekkoverflate separat før pakketrinnet ved hjelp av kommandoen Kopier + Lim inn .
  7. Pakk asfaltmolekylene inn i simuleringsboksen basert på de endelige komposisjonene som er oppført i tabell 1 for å konstruere den grafenmodifiserte asfaltstrukturen.
  8. Konvertere strukturfilen til en datafil. Lagre strukturfilene som molekylfilene med strukturinformasjon (*.car og * .mdf) fra Materials Studio. Konverter molekylfilene (*.car og *.mdf) til datafiler ved hjelp av msi2lmp-verktøyet i storskala atom-/molekylær massivt parallellsimulator (LAMMPS)55-pakken . Les datafilen ved hjelp av kommandoen read_data i LAMMPS.

2. Utfør simuleringene

  1. Definer parametrene for simuleringene.
    1. Angi tidstrinnet som 1 fs i inndatafilen med tanke på balansen mellom nøyaktighet og effektivitet for de utførte simuleringene.
    2. Angi avskjæringsavstanden for ikke-limte interaksjoner som 12 Å, som er mindre enn halvparten av lengden på simuleringsboksen med hensyn til den periodiske grensebetingelsen og beregningseffektiviteten.
    3. Bruk Partikkelpartikkelnettalgoritmen (PPPM) til å beskrive de langtrekkende Coulombic-interaksjonene og angi den relative feilen i per-atomkrefter beregnet av langtrekkende problemløser som 10-5 for høy nøyaktighet.
  2. Fest profilen til sprekk. Velg asfaltmolekylene på profilen ved hjelp av kommandoen Gruppemolekyler i LAMMPS. Påfør begrensningene på asfaltmolekylene ved hjelp av Fix Spring/Self-kommandoen i LAMMPS for å unngå bevegelser av asfaltmolekyler.
  3. Oppnå likevekten
    1. Hold hele simuleringsboksen helt avslappet etter 500 ps under isotermisk-isobarisk (NPT) ensemble med en temperatur på 300 K og trykk på 1 atm.
    2. Gjør asfaltdelen likevektet til ønsket tetthetsverdi for de eksperimentelle målingene41 av 0,95-1,05 g/cm3 ved å kontinuerlig undersøke temperatur, trykk, tetthet og energiverdier ved hjelp av termisk kommando.
    3. Kontroller konvergensen av potensiell energi og den middelmådne forskyvningen (MSD) i hele systemet for å oppnå den helt avslappede tilstanden.
  4. Utfør selvhelbredelsesprosessen.
    1. Sett hele simuleringsboksen under NPT-ensemblet med en temperatur på 300 K og trykk på 1 atm.
    2. Fjern begrensningen av asfaltmolekylene på konturen av sprekksonen.
    3. Spor og registrer størrelsen på simuleringsboksen og koordinatene til atomer, og bruk dumpkommandoen til etterbehandling.
    4. Gjennomsnittlig simuleringsresultatene under selvhelbredelsesprosessen over tre uavhengige konfigurasjoner med tre forskjellige innledende hastighetsfrø for å redusere de tilfeldige feilene.

3. Etterbehandling

  1. Visualiser selvhelbredende oppførsel. Åpne Open Visualization Tool OVITO56 for å visualisere simuleringsfremdriften, og åpne deretter banefilene i lammpstrj-formatet generert av LAMMPS55. Registrer øyeblikksbildene av selvhelbredelsesprosessen og spor banene til asfaltmolekyler ved hjelp av kommandoen Gjengi .
  2. Analyser konturen til atomnummeret. Eksporter koordinatene til atomene til dataanalyse- og graferprogramvare fra banefilene som er utlagt fra LAMMPS. Projisere koordinatene til atomer i hele systemet på yz-planet. Registrer atomtall på forskjellige områder av yz-planet og plott konturen med forskjellige farger.
  3. Analyser atommobilitet og relativ posisjon.
    1. Analyser atommobiliteten til forskjellige asfaltkomponenter ved hjelp av den middelmvadrerte forskyvningen (MSD) ved hjelp av kommandoen Beregn msd .
    2. Beregn de relative posisjonene mellom grafen- og asfaltmolekyler etter radialfordelingsfunksjonene (RDF) kurver for systemet med grafenmodifiserte asfaltsystemer med 15 Å og 35 Å sprekkbredder ved hjelp av Kommandoen Beregn rdf i LAMMPS.
    3. Tegn RDF-kurvene for å kontrollere hvordan tettheten av asfalt varierer som en funksjon av avstand fra grafenarket.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Konturen av atomnummer
Konturene av atomnummeret til rene asfalt- og grafenmodifiserte asfaltmodeller i yz-planet er vist i figur 3, der fargelinjen fra blå til rød viser atomtall som varierer fra 0 til 28. Figur 3a-c illustrerer konturen av atomnummeret til strukturene med 15 Å sprekkbredde i ren asfalt og asfalt nanokompositter modifisert av grafen på sprekkspissen og sprekkoverflaten. For ren asfalt oppstår fullstendig helbredelse etter ca 300 ps. Den selvhelbredende oppførselen starter fra sprekkspissens område, da området rundt sprekkspissen blir en smeltet stump form med en blå farge etter 50 ps, og flere asfaltmolekyler bygger bro over de to sprekkflatene midt i sprekkspissen. Den grønne fargen i konturen presenterer bulkasfalten, som er scenen i sprekksonen som blir full selvhelbredende. På rundt 100 ps er sprekksonen nesten lukket med et lite tomrom igjen, og fargene på de første sprekkflatene endres til grønt, noe som indikerer at selvhelbredelsesprosessen er ferdig i disse områdene; Imidlertid er det fortsatt noen blå og hvite områder som gjenstår å bli selvhelset. Etter ca 300 ps har det meste av fargen på sprekksonen endret seg til grønn, noe som er det samme som asfaltdelen, noe som indikerer at selvhelbredelsesprosessen er fullført. Som vist i figur 3b, endres ikke selvhelbredelsesprosessen betydelig etter å ha lagt til grafenarket på toppen av sprekken. Selvhelbredelsesprosessen tar omtrent 500 ps å fullføre, og crack-sonen er kraftig redusert ved 50 ps og forsvinner nesten ved 200 ps. Grafenarket på toppen av sprekkspissen ser ut til å ha liten innflytelse på den selvhelbredende prosessen med sprekkoverflaten. Men å sette inn grafen til venstre for sprekkoverflaten kan akselerere selvhelbredelsesprosessen betydelig, som vist i figur 3c, hvor den røde linjen i konturen er grafenarket. Selvhelbredelsesperioden er forkortet til rundt 200 ps, som er halvparten så mye som ren asfalt. Sprekkbredden er betydelig redusert ved 20 ps, og asfaltmolekylene fra bulken har en tendens til å bevege seg til grafenområdet og fylle opp sprekkområdet. Sprekksonen forsvinner nesten på rundt 150 ps, selv om noen av områdene nederst forblir blå. Etter ytterligere 50 ps av selvhelbredelsesprosessen er sprekkområdet fullt av blå farge, noe som indikerer slutten av prosessen.

Selvhelbredelsesprosessen til modellene med 35 Å sprekkbredde tar nesten dobbelt så lang tid som modellene med 15 Å sprekkbredde, mens den selvhelbredende prosessen med ren asfalt varer rundt 1000 ps. Den selvhelbredende oppførselen starter i sprekkspissområdet, og sprekkformen blir krympet og uregelmessig ved 100 ps. Det meste av sprekksonen er helbredet av 500 ps, med et lite tomrom igjen midt i sprekksonen. Etter å ha utført selvhelbredelsesprosessen for ytterligere 500 ps, er sprekksonen fylt med asfaltmolekyler til selvhelbredelsesprosessen er fullført. Grafenarket er plassert på toppen av sprekkspissen, som vist av den røde linjen i figur 3e. Den selvhelbredende perioden er ca 1100 ps, som er nær den av ren asfalt. Sprekkformen endres imidlertid annerledes. Det er noen asfaltmolekyler som bygger bro over sprekkområdet på rundt 400 ps, noe som kan fremme selvhelbredelsesprosessen. Som vist i figur 3f, kan selvhelbredende oppførsel forbedres betydelig når grafenarket ligger på venstre sprekkoverflate. Et fenomen kan observeres på samme måte som modellen med 15 Å sprekkbredde: Noen av asfaltmolekylene i asfaltdelen har en tendens til å bevege seg til grafenområdet og vikle seg rundt grafenarket, noe som kan redusere sprekkområdet betydelig og hjelpe selvhelbredende prosess. Bredden på sprekken reduseres til rundt halvparten av den opprinnelige sprekkbredden med bare 50 ps, og det meste av sprekkområdet helbredes ved rundt 300 ps. Hele selvhelbredelsesprosessen varer ca 600 ps og det meste av sprekksonen forsvinner; Dette tar bare halvparten av tiden som tas av ren asfalt.

Figure 3
Figur 3: Konturen til atomnummeret under selvhelbredelsesprosessen. Konturen av atomnummeret under selvhelbredende prosess for modellene med 15 Å sprekkbredde for (a) ren asfalt, (b) grafen på sprekkspissen, og (c) grafen på venstre overflate av sprekkspissen, og modellene med 35 Å sprekkbredde for (d) ren asfalt, (e) grafen på sprekkspissen, og (f) grafen på venstre overflate av sprekkspissen. De prikkede svarte boksene refererer til plasseringen av grafen. Fargestangen fra blå til rød står for atomtallene som varierer fra 0 til 28 i konturen. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Molekylære interaksjoner
For å utforske forskjellen i selvhelbredende atferd mellom ren asfalt og grafenmodifiserte asfaltkompositter, fanges og analyseres molekylære interaksjoner og bevegelse under selvhelbredelsesprosessen, som vist i figur 4. Fra figur 4a kan det observeres at aromatiske molekyler som asfalt, polar aromatikk og naftalen aromatikk tiltrekkes av grafenarket gjennom π-π stabling når grafen er plassert på det øverste området av sprekkspissen. Disse asfaltmolekylene fanges tett av grafenarket og kan ikke lett spre seg inn i området av sprekksonen eller fylle opp sprekken, noe som hindrer selvhelbredelsesprosessen til en viss grad. Imidlertid oppstår selvhelbredende oppførsel hovedsakelig fra asfaltmolekylene nær sprekkoverflaten, og påvirkningen av disse molekylene i toppområdet trenger videre utforskning. Fra figur 4b observeres det at det polare aromatiske molekylet på sprekkoverflaten tiltrekkes av grafenplaten på den andre sprekkoverflaten, noe som ytterligere kan øke det nærliggende naftalen aromatiske molekylets sannsynlighet for å bevege seg inn i crackområdet. De samlede asfaltmolekylene tiltrukket av grafenplaten kan pakke sprekksonen med høyere hastighet enn ren asfalt og den selvhelbredende evnen til grafenmodifisert asfalt nanokompositt kan forbedres. Modellens selvhelbredende prosess med 35 Å sprekkbredde modifisert av grafen på venstre sprekkoverflate er vist i figur 4c. De polare aromatiske molekylene tiltrekkes av grafenarket gjennom π-π stabling når selvhelbredelse begynner, og disse asfaltmolekylene kan raskt vikle seg rundt grafenarket og redusere plassen til sprekksonen, som vist i figur 3f. Dette indikerer at grafen spiller en viktig rolle i begynnelsen av selvhelbredelse når den ligger rundt sprekkoverflaten. Et selvhelbredende øyeblikksbilde av ren asfalt med 15 Å sprekkbredde er vist i figur 4d. Det kan tydelig observeres at kjedestrukturen til mettet er viktig for selvhelbredelsesprosessen siden molekylene kan bli viklet inn i hverandre og bygge bro over sprekkoverflaten. Denne broeffekten mellom mettede molekyler og sidekjedene til asfaltmolekyler kan øke pakkeeffektiviteten betydelig og redusere selvhelbredelsesperioden. Det observeres også at asfaltmolekyler med polyaromatiske ringer, som asfalt, polar aromatikk og naftalen aromatikk, reorienterer seg ved sprekkoverflaten ved π-π stabling. Denne reorienteringen gjør at asfaltmolekylene kan bevege seg i parallell retning og bidrar til sprekk fukting, noe som lukker sprekkflatene ytterligere.

Figure 4
Figur 4: Detaljer om ikke-bindende interaksjon av ren asfalt og grafenmodifiserte asfalt nanokompositter under selvhelbredelsesprosessen. For modellen med (a) 15 Å sprekkbredde og grafen plassert på toppen av sprekkspissen, tiltrekkes aromatiske molekyler i asfalt av grafenarket gjennom π-π stabling. For modellen med (b) 15 Å sprekkbredde og grafen på venstre side av sprekkoverflaten beveger de polare aromatiske molekylene på den andre sprekkoverflaten seg på grafenoverflaten på grunn av sterke aromatiske interaksjoner. For modellen med (c) 35 Å sprekkbredde og grafen på venstre side av sprekkoverflaten tiltrekkes de polare aromatiske molekylene av grafenarket og stikker dermed ut fra sprekkoverflaten. For modellen med (d) 15 Å sprekkbredde og ren asfalt er det en reorientering av aromatiske molekyler på sprekkoverflaten og en kjedebro og innvikling av mettede molekyler under selvhelbredelsesprosessen. De blå stiplede boksene og de purpurprikkete boksene i figuren angir henholdsvis π-π stabling og reorientering. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Reorientering av aromatiske molekyler, inkludert asfalt, polar aromatikk og naftalen aromatikk rundt sprekkoverflaten under selvhelbredende prosess, er vist i figur 5. Figur 5a viser at de sporede molekylene før selvhelbredelse er nesten vinkelrett mellom naftalen aromatikk og polar aromatikk og mellom asfalt og polar aromatikk. Avstanden mellom asfalt og de to andre aromatiske molekylene er 13,3 Å, som er større enn avstanden mellom de aromatiske molekylene. Etter selvhelbredelse for 40 ps, sprer naftalen aromatisk molekyl til rommet mellom asfalt og polar aromatikk og spiller en viktig rolle i å samhandle med de to andre molekylene. I figur 5b kan man observere at avstanden og vinkelen mellom det polare aromatiske molekylet og naftalen aromatiske molekylet er 4,6 Å og 89°, noe som indikerer en T-formet π-π stabling interaksjon mellom de to aromatiske molekylene. Vinkelen og avstanden mellom naftalen aromatisk og asfalt reduseres til henholdsvis 32° og 4,6 Å. Dette indikerer at de ikke-bindende interaksjonene mellom naftalen aromatikk og asfalt får dem til å rotere og justere retningen gradvis, noe som bidrar til fukting av sprekkoverflaten. Retningene til de tre molekylene er nesten parallelle etter 50 ps, da vinklene mellom dem er 26° og 35°, som vist i figur 5c. Avstanden mellom dem avtar under 4,0 Å, noe som indikerer at π-π stabling letter parallellstrukturen og bringer de aromatiske molekylene nærmere hverandre. Totalt sett fremmer reorienteringen på sprekkoverflaten samspillet mellom asfaltmolekyler, noe som forkorter den intermolekylære avstanden og øker tiltrekningen blant dem. Reorientering og diffusjon av asfaltmolekyler bidrar ytterligere til å fylle opp sprekksonen og fremskynde selvhelbredelsesprosessen.

Figure 5
Figur 5: Reorientering av asfaltmolekyler under selvhelbredelsesprosessen. Vinkler og avstander mellom asfaltmolekyler (a) før selvhelbredelse, (b) etter 40 ps, og (c) ved 50 ps. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Mobilitet av asfaltkomponenter
For å forstå rollene til forskjellige komponenter kvantitativt i asfaltens selvhelbredende oppførsel, beregnes MSD for sentermassen for asfaltkompositt for å representere overgangsmobiliteten under selvhelbredelsesprosessen, som uttrykkes av:

Equation 2

der ri(t) er posisjonsvektoren til partikkel i på tidspunktet t, og vinkelbraketten indikerer gjennomsnittsverdien av reiseavstanden. MSD-verdiene for ren asfalt og grafenmodifisert asfalt spores og vises i figur 6. Figur 6a-c viser msd av asfaltkompositt med en 15 Å bredde sprekk, mens de med en 35 Å bredde sprekk er vist i figur 6d-f. Det kan observeres at mettere er den mest aktive komponenten i asfaltens selvhelbredende oppførsel, mens asfalt er minst aktiv. Det er to mulige årsaker: man forholder seg til molekylmassen, da asfalter har den høyeste molekylære massen i asfalt, og de er mindre i stand til å bevege seg og fylle sprekksonen. Den andre er den kjedelignende strukturen av mettede, som har høyere mobilitet enn andre komponenter og er mer sannsynlig å bli viklet inn og strekke seg ut på sprekkoverflaten. Mobiliteten til polar aromatikk er høyere enn for naftalen aromatikk; Dette er på grunn av den høyere molekylære massen og polariteten til polar aromatikk. Polaratomer på polar aromatikk, som svovelatomer, kan danne en H-binding med asfalter, og mobiliteten kan hindres. MSD-tallene for grafenmodifisert asfalt på det øverste området av sprekkspissen og venstre sprekkoverflate er vist i figur 6b og figur 6c. Det kan ses i figur 6b at msd av grafen er lavere enn for asfaltkomponenter siden grafen opptar det største volumet og har den høyeste molekylære massen i asfalt nanokompositter. MSD-verdiene for asfaltkomponenter er relativt lavere enn for ren asfalt. Dette skyldes at interaksjonene mellom disse molekylene og grafen hindrer mobiliteten til asfaltmolekylene og bremser selvhelbredelsesprosessen. Men når grafen er plassert på venstre sprekkoverflate, forbedres mobilitetene til polar aromatiske stoffer, naftalen aromatiske stoffer og grafen betydelig sammenlignet med ren asfalt. Dette indikerer at grafen spiller en viktig rolle i selvhelbredelsesprosessen, og at interaksjonene med aromatiske molekyler i asfalt bidrar til selvhelbredende prosessen med asfalt. For 35 Å bredde sprekk tilfelle i figur 6d, MSD av ren asfalt følger en lignende trend som i saken med 15 Å sprekk bredde, som MSD av asfalt, polar aromatikk, naftalen aromatikk, og mettet varierer på en økende måte. Ved innsetting av grafen i det øverste området av sprekkspissen reduseres metningsdepartementet med ca. 15 Å2. Eksistensen av grafenplater i asfaltmasse påvirker vertikalt det mobile rommet til mettede molekyler og forhindrer rutene til selvhelbredelse. Fra figur 6f kan det observeres at MSD-verdiene til asfalt, polar aromatikk og naftalen aromatikk alle forbedres sammenlignet med ren asfalt, mens MSD av mettede reduseres litt. Grafen er svært ansvarlig for forbedring av selvhelbredelsesprosessen, spesielt med molekyler som inneholder aromatikk. Den π-π stabling interaksjoner mellom grafen og asfalt, polar aromatikk, og naftalen aromatikk forbedre mobiliteten av disse asfalt molekyler og bidra til å danne en stabil pakking struktur i sprekksonen, som akselererer selvhelbredende prosessen med asfalt.

Figure 6
Figur 6: Msd av ren asfalt og grafenmodifiserte asfaltmolekyler under selvhelbredelsesprosessen. For modellene med 15 Å sprekkbredde presenteres MSD av (a) ren asfalt og grafenmodifisert asfalt på (b) toppen av sprekkspissen og (c) venstre overflate. For modellene med 35 Å sprekkbredde presenteres MSD av (d) ren asfalt og grafenmodifisert asfalt på (e) toppen av sprekkspissen og (f) venstre sprekkoverflate. X-aksen representerer tidspunktet for simuleringen, og Y-aksen representerer MSD-verdiene til asfaltkomponenter og grafenmolekylet under selvhelbredelsesprosessen. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Molekylære steder etter selvhelbredelse
For å utforske de relative stedene mellom grafen- og asfaltmolekyler under selvhelbredelsesprosessen, beregnes radialfordelingsfunksjonene mellom grafen og aromatiske molekyler i asfalt og vises i figur 7. Figur 7a-c viser RDF for modellen med 15 Å sprekkbredde før og etter selvhelbredelsesprosessen. Det kan ses at de aromatiske molekylene i asfalt beveger seg nærmere grafenarket etter selvhelbredelsesprosessen, spesielt de polare aromatiske molekylene og naftalen aromatiske molekylene. Som angitt i figur 4, er det sterke π-π stabling interaksjoner mellom grafen og aromatiske molekyler som asfalt, polar aromatikk og naftalen aromatikk, noe som får grafenplaten til å tiltrekke seg disse molekylene mot sprekkoverflaten. Forskjellen i g(r)-verdiene til asfalt før og etter selvhelbredelse er imidlertid ikke så signifikant som polar aromatikk og naftalen aromatikk. Dette skyldes at asfaltmolekylene får en høyere molekylær masse og volum enn de polare aromatiske og naftalen aromatiske molekylene, noe som gjør det vanskeligere for dem å rotere og diffusere til grafenområdet og fylle sprekksonen. De økte g(r)-verdiene mellom grafen og polar aromatiske eller naftalen aromatiske molekyler innen 4,0 Å er innenfor den typiske interaksjonsavstanden for π-π stabling, og de økte g(r)-verdiene utover 4,0 Å skyldes kombinasjonen av molekylære interaksjoner og eliminering av sprekksonen. En RDF av modellen med 35 Å sprekkbredde før og etter selvhelbredelsesprosessen er vist i figur 7d-f. g(r)-verdiene mellom grafen og asfalt utover 4,0 Å gjennom selvhelbredelsesprosessen er tydeligere enn verdiene i 15 Å sprekkbredden; Dette er fordi asfalt har mer plass til å spre seg og bevege seg mot grafen i den større sprekksonen. g(r)-verdiene innenfor 4,0 Å er mer signifikante for naftalen aromatikk enn for polar aromatikk; Dette skyldes den mindre molekylære massen og bedre diffusjonsevnen til naftalen aromatiske molekyler.

Figure 7
Figur 7: RDF-verdiene mellom grafen på venstre sprekkoverflate og asfaltkomponentene. RDF-verdiene mellom grafen på venstre sprekkoverflate og asfaltkomponentene i (a) asfalt, (b) polar aromatikk, (c) naftalen aromatikk fra modellen med 15 Å sprekkbredde, (d) asfalt, (e) polar aromatikk og (f) naftalen aromatikk fra modellene med 35 Å sprekkbredde. X-aksen representerer avstanden til de to molekylene, og Y-aksen representerer RDF-verdiene. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

De kritiske trinnene i Protokoll-delen er som følger: trinn 1.4 - Bygg og pakk de fire typer asfaltmolekyler; trinn 1.5 - Bygg asfaltstrukturen med sprekken; trinn 2.3 - Oppnå likevekten; trinn 2.4 - Utfør selvhelbredelsesprosessen. Disse trinnene angir det mest sammenhengende og viktige innholdet i protokollen. For å lage de ønskede formene til den innsatte sprekken, endres pakkeprosessen sammenlignet med den vanlige pakkingen i Materials Studio. Sprekkformen opprettes og fylles inne i simuleringsboksen, og deretter pakkes asfaltmolekylene inn i den andre delen av simuleringsboksen. Deretter slettes de overflødige asfaltmolekylene rundt den opprettede sprekkkonturen. Begrensningen av MD-simuleringer er at tidsskalaen og lengdeskalaen er relativt liten i størrelsesorden nanosekund og nanometer sammenlignet med tradisjonelle metoder som elementmetoden, der simuleringene kan analyseres opptil sekunder og meter57. Betydningen av denne metoden er at den kan avsløre den selvhelbredende mekanismen til asfalt og grafenmodifisert asfalt på atomistisk nivå ved å fange nanostrukturutvikling, molekylære interaksjoner og bevegelser, som er vanskelig å få tilgang til ved tradisjonelle tilnærminger58. Selvhelbredelsesmekanismen kan hjelpe forskere og ingeniører til å bruke nanomaterialer på riktig sted og forbedre asfalten på en effektiv måte. Den fremtidige anvendelsen av denne teknikken er at den kan overvåke molekylstrukturen på en anstendig måte og bidra til å undersøke effekten av andre variabler av nanomaterialer som feil, brettede strukturer og funksjonelle grupper. Denne teknikken kan også kombineres med andre tilnærminger for å observere selvhelbredende oppførsel av asfalt nanokompositter fra et multiskala aspekt. De selvhelbredende egenskapene til asfalt kan forstås grundig og forbedres betydelig i fremtiden.

Grafen er kritisk i endringer og migrering av grensesnittet og komponentene under selvhelbredelsesprosessen. Uten å sette inn grafenarket, spiller mettet en viktig rolle i selvhelbredelsesprosessen, siden kjedestrukturen til mettede kan vikle seg inn med hverandre og bygge bro over sprekkoverflaten. Broeffekten mellom mettede molekyler og sidekjedene til asfaltmolekyler kan øke pakketettheten sterkt og redusere tiden for selvhelbredelsesprosessen. Dessuten rehaltmolekyler med polyaromatiske ringer, som asfalt, polar aromatikk og naftalen aromatikk, reorientere seg på sprekkoverflaten ved π-π stabling, noe som gjør at asfaltmolekylene beveger seg i parallell retning og bidrar til å sprekke fukting og lukker sprekkflatene. Ved innsetting av grafen tiltrekkes de polare aromatiske molekylene på den ene siden av sprekkoverflaten av grafenplaten på den andre siden av sprekkoverflaten, noe som ytterligere kan øke muligheten for at nærliggende naftalen aromatiske molekyler beveger seg inn i sprekkområdet. De samlede asfaltmolekylene tiltrukket av grafenplaten kan fylle i sprekksonen med høyere hastighet enn det i ren asfalt, og selvhelbredende evne er betydelig forbedret i grafenmodifisert asfalt nanokompositt. Asfaltmolekyler har høyere molekylær masse og volum i asfaltmatrisen, noe som gjør dem vanskelige å spre til grafendelen og fylle ut sprekksonen. Naphthene aromatikk har raskere bevegelse enn polar aromatikk, som skyldes mindre molekylær masse og bedre diffusjon evne til naftalen aromatiske molekyler39.

I denne studien undersøkes de selvhelbredende egenskapene til ren asfalt og grafenmodifiserte asfalt nanokompositter med hensyn til forskjellige sprekkbredder og grafenplasseringer ved hjelp av MD-simuleringer. Det observeres at den selvhelbredende oppførselen starter fra sprekkspissområdet, med den skarpe spissen som blir stump og uklar. Asfaltmolekyler ved sprekkgrensen kan spre seg for å redusere bredden på sprekken og fortsette å fylle gapet. Den komplette selvhelbredende prosessen bekreftes når atomtettheten til sprekkområdet er den samme som asfalten. MD-simuleringer kan bidra til å avsløre molekylære interaksjoner og kjedebevegelsen i asfaltmatrisen under selvhelbredelsesprosessen. Innvikling og reorientering av asfaltmolekyler spiller en viktig rolle i selvhelbredende atferd. Selvhelbredelseshastigheten med inkorporering av grafenarket bestemmes av plasseringen. For grafenplaten som ligger ved sprekkspissområdet, hindres bevegelsen av asfaltmolekylene og kan ikke lett spre seg inn i sprekksonen. For grafenarket på siden av sprekksonen tiltrekkes asfaltmolekylene av grafenarket på grunn av π-π stablingsinteraksjon og samles lett i sprekksonen, noe som indikerer en økende selvhelbredende hastighet. Simuleringsresultatene viser at modifikasjon av asfalt ved nanomaterialer kan forbedre både termomekaniske og selvhelbredende egenskaper, noe som har stort potensial for utvikling av smarte asfaltbelegg. Den grunnleggende forståelsen av selvhelbredende mekanismen i asfalt nanokompositter basert på MD-simuleringer kan lette effektiv manipulering av nanomaterialer på det optimale stedet, noe som er gunstig for avansert design av asfalt nanokompositter med ønskede egenskaper og funksjoner.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingen interessekonflikter å erklære.

Acknowledgments

Forfatterne er takknemlige for støtten fra City University of Hong Kong Strategic Research Grant med Project No. 7005547, støtten fra Research Grants Council (RGC) i Hong Kong Special Administrative Region, Kina, med prosjektnr. R5007-18, og støtten fra Shenzhen Science and Technology Innovation Committee under tilskuddet 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

Engineering Utgave 183 asfalt grafen molekylære dynamikksimuleringer selvhelbredelse
Avansert selvhelbredende asfalt forsterket av grafenstrukturer: En atomistisk innsikt
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