Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.

Methodenartikel

Geavanceerd zelfherstellend asfalt versterkt door grafeenstructuren: een atomistisch inzicht

4.9K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/63303

⸱

31 mei 2022

 ,  , 
1Department of Architecture and Civil Engineering, City University of Hong Kong

* These authors contributed equally

In dit artikel

Samenvatting

Grafeen-gemodificeerd asfalt nanocomposiet heeft een geavanceerd zelfherstellend vermogen getoond in vergelijking met zuiver asfalt. In dit protocol zijn moleculaire dynamica simulaties toegepast om de rol van grafeen in het zelfgenezende proces te begrijpen en om het zelfgenezende mechanisme van asfaltcomponenten vanaf atomistisch niveau te verkennen.

Samenvatting

Grafeen kan de zelfherstellende eigenschappen van asfalt met een hoge duurzaamheid verbeteren. Het zelfherstellende gedrag van grafeen-gemodificeerd asfalt nanocomposiet en de rol van opgenomen grafeen zijn in dit stadium echter nog onduidelijk. In deze studie worden de zelfherstellende eigenschappen van zuiver asfalt en grafeen-gemodificeerd asfalt onderzocht door middel van moleculaire dynamica simulaties. Asfaltbulten met twee scheurbreedtes en locaties voor grafeen worden geïntroduceerd en de moleculaire interacties tussen asfaltcomponenten en de grafeenplaat worden geanalyseerd. De resultaten tonen aan dat de locatie van grafeen het zelfherstellende gedrag van asfalt aanzienlijk beïnvloedt. Grafeen in de buurt van het scheuroppervlak kan het zelfherstellende proces aanzienlijk versnellen door interactie met de aromatische moleculen door π-π stapeling, terwijl grafeen in het bovenste gedeelte van de scheurpunt een kleine invloed heeft op het proces. Het zelfherstellende proces van asfalt gaat door de heroriëntatie van asfalteen, polaire aromatische en nafteen aromatische moleculen, en het overbruggen van verzadigde moleculen tussen scheuroppervlakken. Dit diepgaande begrip van het zelfherstellende mechanisme draagt bij aan de kennis van de verbetering voor zelfherstellende eigenschappen, die zullen helpen bij het ontwikkelen van duurzame asfaltverhardingen.

Inleiding

Verslechtering onder dagelijkse voertuigbelastingen en verschillende omgevingsomstandigheden, en de veroudering van asfalt tijdens gebruik resulteren in degradatie of zelfs structurele storingen, d.w.z. scheuren en raveling, die de duurzaamheid van asfaltverhardingen verder kunnen verzwakken. De inherente reactie van asfalt om microscheuren en holtes te repareren, helpt het automatisch te herstellen van schade en de sterkte te herstellen1. Dit zelfherstellende vermogen kan de levensduur van asfalt aanzienlijk verlengen, onderhoudskosten besparen en de uitstoot van broeikasgassen verminderen 2,3. Het zelfherstellende gedrag van asfalt hangt over het algemeen af van verschillende beïnvloedende factoren, waaronder de chemische samenstelling, de mate van schade en omgevingsomstandigheden4. Het verbeterde zelfherstellend vermogen van asfalt dat schade binnen korte tijd volledig kan herstellen is gewenst; dit heeft uitgebreide onderzoeksinteresse getrokken naar betere mechanische prestaties en duurzaamheid voor asfaltverhardingen binnen de civiele techniek.

Nieuwe methoden om het zelfherstellend vermogen van asfalt te verbeteren, omvatten voornamelijk drie benaderingen - het induceren van verwarming, inkapselingsgenezing en het opnemen van nanomaterialen - die afzonderlijk of tegelijkertijd kunnen worden toegepast5,6. Het induceren van verwarming kan de mobiliteit van asfalt aanzienlijk verbeteren en de zelfherstellende werking ervan activeren voor herstel7. De zelfherstellende technologie van asfalt door verhitting op te wekken kan worden toegeschreven aan de geassisteerde zelfgenezende techniek, die aangeeft dat de zelfherstellende eigenschappen van asfalt worden verbeterd door externe stimuli. Het doel van het toevoegen van de staalwolvezels is om de elektrische geleidbaarheid te verbeteren om de genezingscapaciteit van het asfaltbindmiddel te vergroten8. De benadering om warmte te induceren is om deze elektrisch geleidende vezels bloot te stellen aan het hoogfrequente wisselende elektromagnetische veld, dat wervelstromen kan induceren, en de warmte-energie kan door de geleidende vezels in het asfaltbindmiddel diffunderen9. De staalwolvezels verbeteren niet alleen de elektrische geleidbaarheid, maar ook de thermische geleidbaarheid, die beide de zelfherstellende eigenschappen van asfalt positief kunnen beïnvloeden. Het is echter een uitdaging om de juiste mengtijd voor vezels te selecteren10. De lengte van vezels neemt af met een langere mengtijd en beïnvloedt de thermische geleidbaarheid, terwijl de verminderde mengtijd leidt tot clusters van vezels en de mechanische eigenschappen van asfalt belemmert9. De inkapselingsmethode kan lichte componenten van verouderd asfalt leveren, zoals aromaten en verzadigde vetzuren, en het zelfherstellend vermogen van asfalt opfrissen11,12. Dit is echter een eenmalige behandeling en de helende materialen kunnen na de release niet worden aangevuld. Met de ontwikkeling van nanotechnologie zijn nanomaterialen veelbelovende modificatoren geworden voor het verbeteren van op asfalt gebaseerde materialen. Asfaltbinders verwerkt met nanomaterialen bieden een betere thermische geleidbaarheid en mechanische eigenschappen13. Grafeen met uitstekende mechanische prestaties en hoge thermische prestaties wordt beschouwd als een uitstekende kandidaat om het zelfherstellend vermogen van asfalt te verbeteren14,15,16,17. De verhoogde helende eigenschappen van grafeen-gemodificeerd asfalt kunnen worden toegeschreven aan het feit dat grafeen de capaciteit van het asfaltbindmiddel verhoogt om te worden verwarmd en warmteoverdracht in het asfaltbindmiddel produceert, wat betekent dat grafeen-gemodificeerd asfalt sneller kan worden verwarmd en tot een hogere temperatuur kan reiken dan zuiver asfalt18. De gegenereerde warmte kan sneller door het grafeen gemodificeerde asfalt worden overgedragen dan die door zuiver asfalt. Het scheurgebied van het asfaltbindmiddel kan gemakkelijk worden beïnvloed en sneller worden genezen door de warmtestroom met een hogere temperatuur en een hogere verwarmingscapaciteit. De zelfgenezende reactie zal beginnen als de energie die gelijk is aan of groter is dan de helende activeringsenergie aanwezig is op het scheuroppervlak van het asfalt.19. Grafeen kan de thermische activering genezende prestaties verbeteren en de genezingssnelheid van asfalt versnellen19,20. Bovendien kan grafeen tot 50% verwarmingsenergie besparen tijdens het genezingsproces, wat de energie-efficiëntie ten goede kan komen en de onderhoudskosten kan verlagen21. Als een microgolfabsorberend materiaal wordt gemeld dat grafeen het genezend vermogen van asfalt verbetert tijdens de rustperiode van microgolfverwarming22. Verwacht wordt dat de toevoeging van grafeen aan asfalt niet alleen de mechanische prestaties zal verbeteren, maar ook het zelfherstellend en energiebesparend vermogen, wat een grondige kennis van het zelfherstellende mechanisme vereist.

Zelfgenezing op nanoschaal is vooral te danken aan de bevochtiging en diffusie van asfaltmoleculen bij de gebroken vlakken23. Omdat asfalt bestaat uit verschillende polaire en apolaire moleculen, is het zelfherstellend vermogen sterk gerelateerd aan moleculaire interacties en bewegingen van asfaltmoleculen van verschillende componenten1. Het huidige onderzoek is echter voornamelijk gebaseerd op experimentele technieken om macroscopische mechanische eigenschappen te kwantificeren, waardoor ontbrekende informatie ontstaat in de verandering van microstructuren en de interacties tussen asfaltmoleculen bij het proberen het genezingsmechanisme te begrijpen. Het versterkende mechanisme van grafeen in het zelfherstellend vermogen van asfalt is in dit stadium ook onduidelijk. Moleculaire dynamica (MD) simulaties spelen een invloedrijke rol bij het onderzoeken van moleculaire interacties en bewegingen van nanocomposietsystemen, en koppelen microstructurele vervorming aan moleculaire interacties en bewegingen 24,25,26,27,28,29,30,31 . MD-simulaties zijn steeds populairder geworden voor het analyseren van materiaalgedrag dat niet gemakkelijk toegankelijk is voor experimenten32,33. Bestaande studies hebben de haalbaarheid en beschikbaarheid van MD-simulaties in asfaltsystemen aangetoond; de cohesie, hechting, veroudering en thermomechanische eigenschappen van asfalt en asfaltcomposieten kunnen worden onderzocht door MD-simulaties 34,35,36,37. Het zelfherstellende gedrag van asfalt kan ook worden voorspeld door MD-simulaties 38,39,40. Daarom wordt aangenomen dat het onderzoek met behulp van MD-simulaties een effectieve manier is om zowel de zelfgenezende als de versterkende mechanismen te begrijpen.

De doelstellingen van deze studie zijn om het zelfherstellende gedrag van zuiver asfalt en grafeen-gemodificeerde asfaltnanocomposieten te onderzoeken en de rol van grafeen bij het verbeteren van het genezend vermogen van asfalt te begrijpen door middel van MD-simulaties. De zelfherstellende simulaties van zuiver asfalt en grafeen-gemodificeerde asfaltcomposieten worden uitgevoerd door scheuren in de oorspronkelijke structuren te introduceren. De zelfherstellende mogelijkheden worden gekenmerkt door de contouren van atoomnummers, de heroriëntatie en verstrengeling van moleculen aan het gebroken gezicht en de mobiliteit van asfaltcomponenten tijdens de zelfherstellende processen. Door de helende efficiëntie van grafeen op verschillende locaties te onderzoeken, wordt het versterkende mechanisme van grafeen onthuld dat bijdraagt aan het zelfherstellend vermogen van asfalt, dat kan helpen bij het optimaal monitoren van nanofillers en zo de levensduur van asfaltverhardingen mogelijk maakt. Een onderzoek naar het zelfherstellend vermogen op atomistische schaal kan een efficiënte manier zijn om geavanceerde op asfalt gebaseerde materialen te ontwikkelen voor toekomstig onderzoek.

Volgens de asfaltchemie bestaat asfalt uit verschillende soorten koolwaterstoffen en niet-koolwaterstoffen met verschillende polariteit en vormen, die voornamelijk kunnen worden onderverdeeld in de vier componenten asfalteen, polaire aromaten, nafteenaromaten en verzadigde stoffen41,42. Asfalteenmoleculen zijn relatief groter en zwaarder dan andere moleculen in asfalt, met een gemiddelde atoommassa van ongeveer 750 g/mol en een moleculaire diameter in het bereik van 10-20 Å. Het is algemeen aanvaard dat asfalteen is samengesteld uit grote aromatische kernen die heteroatomen bevatten en omgeven zijn door verschillende lengtes van alkylgroepen43. Er wordt een gemodificeerd asfalteenmolecuul geconstrueerd, zoals weergegeven in figuur 1a. De moleculen van polaire aromaten en nafteenaromaten zijn geconstrueerd op basis van de polariteit en de elementverhouding van asfaltmoleculen, waarbij benzobisbenzothiofeen (C18H10S2) het polaire aromatische molecuul vertegenwoordigt en 1,7-dimethylnaftaleen (C12H12) gekozen als het representatieve aromatische molecuul van nafteen, zoals weergegeven in figuur 1b-c. N-docosaan (n-C 22H46) is geconstrueerd zoals weergegeven in figuur 1d. De in tabel 1 vermelde parameters voor asfaltmoleculen worden geselecteerd en gebruikt om te voldoen aan de gewenste criteria, waaronder de elementaire massafractie, de atoomverhouding en de aromatische/alifatische verhouding van echt asfalt uit experimenten41. Dezelfde massaverhouding is gedefinieerd in onze eerdere studies en de andere thermomechanische eigenschappen zoals dichtheid, glasovergangstemperatuur en viscositeit komen goed overeen met experimentele gegevens van echt asfalt36. De moleculaire structuur van grafeen toegepast in deze studie is weergegeven in figuur 1e. De aangenomen grafeenplaat in deze studie heeft geen defect en geen vouw in vergelijking met die van het echte geval, terwijl de echte grafeenplaat meestal verschillende defecten heeft, zoals atomaire vacatures en Stone-Wales-defecten44, en sommige grafeenplaten kunnen tijdens het mengproces in de asfaltmatrix worden gevouwen45. Deze onvolmaakte situaties worden in deze studie niet overwogen, omdat we ons concentreren op het effect van de plaats van het grafeenblad op de zelfherstellende eigenschappen en deze als enige variabele kiezen. De variabelen van grafeenvellen in termen van de defecten en gevouwen gevallen zullen de focus zijn van onze toekomstige studies. De massaverhouding van grafeen tot asfalt in deze studie is 4,75%, wat de normale situatie (<5%) is voor grafeen gemodificeerd asfalt in het experiment46,47.

figure-introduction-1
Figuur 1: Chemische structuur. De atomistische modellen van (a) asfalteenmolecuul (C53H55NOS), (b) aromatisch nafteen molecuul (C12H12), (c) polair aromatisch molecuul (C18H10S2), (d) verzadigd molecuul (C22H46), (e) grafeen en (f) zuiver asfalt. Voor het atomistische asfaltmodel worden de koolstof-, zuurstof-, stikstof-, zwavel- en waterstofatomen weergegeven in respectievelijk grijs, rood, blauw, geel en wit. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Asfalt modelMassa (g/mol)Chemische formuleAantal moleculenTotale massa (g/mol)Massafractie (%)
Asfalteen754.04C53H55NOS4332423.7226
Nafteen aromatisch156.22C12H12 6510154.38
Polair aromatisch290.38C18H10S2 7421485.1617
Verzadigen310.59C22H46 20563670.9549
Asfalt bindmiddel387127734.13100
Grafeen6369.28C525H63 16369.28

Tabel 1: Algemene componenten van het zuivere asfaltmodel en het grafeen-gemodificeerde asfaltmodel.

Met betrekking tot het hieronder beschreven protocol worden twee soorten wigachtige scheuren met verschillende afmetingen in het midden van het asfaltmodel gestoken met een stompe scheurpunt en twee parallelle scheuroppervlakken, terwijl het middelste bovenste gedeelte van de asfaltmassa intact blijft. Twee scheurbreedtes zijn gekozen als 15 Å en 35 Å, zoals weergegeven in figuur 2a-b. De reden voor het selecteren van 15 Å is dat de scheurbreedte breder moet zijn dan de afsnijding van 12 Å om de vroege zelfgenezing van asfaltmoleculen tijdens het evenwichtsproces te voorkomen tijdens het onderzoeken van een extreem geval voor een kleine scheur. De reden voor de keuze voor 35 Å is dat de scheurbreedte breder moet zijn dan de lengte van de verzadigde moleculen van 34 Å om het overbruggingseffect te voorkomen. De hoogte van de scheur is 35 Å, hetzelfde als de doosbreedte, en de diepte van de scheur is 70 Å, hetzelfde als de dooslengte. In de echte situatie kunnen de waargenomen microscheurgroottes worden gevarieerd in het bereik van enkele micrometers tot enkele millimeters, wat veel groter is dan de lengteschaal die we hier modelleren. Normaal gesproken is de lengteschaal in MD-simulatie beperkt tot de schaal van 100 nm, wat nog steeds enkele ordes van grootte kleiner is dan de echte scheurgrootte. De scheuren ontstaan echter op nanoschaal en groeien uit tot scheuren op macroschaal met continue vervorming48. Het begrip van het zelfherstellende mechanisme op nanoschaal kan helpen om de groei en verdere voortplanting van de scheur op macroschaal te voorkomen. Hoewel de geselecteerde scheurgroottes binnen het bereik van nanometer liggen, kunnen de resultaten nog steeds invloedrijk en toepasbaar zijn om het zelfherstellende gedrag van asfaltmoleculen te onderzoeken. Er zijn twee locaties voor de grafeenplaten in de scheurgebieden: de ene bevindt zich bovenop de scheurpunt en de andere staat loodrecht op het linker scheuroppervlak. Het is gebleken dat dit de meest voorkomende posities zijn voor grafeen in grafeen-gemodificeerde nanocomposieten met scheuren49.

figure-introduction-2
Figuur 2: De zelfherstellende schema's voor zuiver asfalt en grafeen-gemodificeerd asfalt. Het zelfherstellende model van zuiver asfalt met een scheurbreedte van (a) 15 Å en (b) 35 Å. Het zelfherstellende model van grafeen-gemodificeerd asfalt met de grafeenplaat bevindt zich (c) aan de bovenkant van de scheurpunt en (d) loodrecht op het scheuroppervlak. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

In MD-simulaties worden de intramoleculaire en intermoleculaire interacties in de asfaltnanocomposieten beschreven door het Consistent Valence Forcefield (CVFF)50, dat goed werkt met op asfalt en grafeen gebaseerde materialen. De functionele vorm van CVFF wordt uitgedrukt als de volgende uitdrukking:

figure-introduction-3 1

Hier is de totale energie Etotaal samengesteld uit de gebonden energie termen en de niet-gebonden energie termen. De gebonden interacties bestaan uit de covalente bindingsrek, de bindingshoekbuigenergie, de torsiehoekrotatie en de onjuiste energieën zoals uitgedrukt in de eerste vier termen. De niet-gebonden energie omvat een LJ-12-6 functie voor de term van der Waals (vdW) en een Coulombic functie voor de elektrostatische interacties. CVFF is op grote schaal gebruikt bij het simuleren van asfaltmaterialen51,52. De gesimuleerde fysische en mechanische eigenschappen zoals dichtheid, viscositeit en bulkmodulus komen goed overeen met de experimentele gegevens, die de betrouwbaarheid van CVFF51 aantonen. CVFF is niet alleen geschikt voor anorganische materialen, maar het is ook met succes toegepast in structuren bestaande uit organische en anorganische fasen zoals asfalt-silica52 en het systeem van epoxy-grafeen53. Daarnaast kunnen de interfaciale interacties tussen grafeen en asfalt worden gekarakteriseerd door CVFF36,54. Aangezien het grootste deel bij het selecteren van krachtveld het bepalen van het asfalt-grafeen-interface is, zijn de niet-gebonden interacties beschreven door CVFF betrouwbaarder, wat ook in onze vorige studie wordt overwogen36. Over het algemeen wordt in deze studie het krachtveld CVFF overgenomen. De partiële ladingen voor verschillende soorten atomen worden berekend volgens de krachtveld-toegewezen methode.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

1. Bouw de atomistische modellen

  1. Open de Materials Studio-software om vijf 3D-atomistische documenten te maken en hernoem deze documenten als respectievelijk grafeen, asfalteen, polaire aromaten, nafteenaromaten en verzadigde stoffen.
  2. Bouw het grafeenmodel door de eenheidscel van het grafeenblad in het atomistische 3D-document te maken met de optie Sketch Atom .
  3. Maak de uiteindelijke structuur met de optie Supercell in het menu Build > Symmetry . Definieer de grootte van de grafeenplaat als 40 Å x 40 Å, wat groter is dan de asfaltkettingen en de scheurbreedte.
  4. Bouw en verpak de vier soorten asfaltmoleculen.
    1. Gebruik de optie Sketch Atom om de moleculaire structuren van asfalteen, polaire aromaten, nafteenaromaten en verzadigde vetzuren afzonderlijk te tekenen.
    2. Verpak de vier soorten asfaltmoleculen in het simulatievak met behulp van de optie Berekening in het menu Modules > Amorfe cel .
  5. Bouw de asfaltstructuur met de scheur.
    1. Stel de hoogte van de scheurzone in de x-dimensie gelijk aan de hoogte van de doos van 70 Å en de diepte van de scheurzone in de y-dimensie is de helft van de hoogte van de doos als 35 Å.
    2. Stel twee kasten van de scheurbreedtes in de z-afmeting van 15 Å en 35 Å in. Verwijder de overtollige moleculen in de scheurzones van het middelste gebied van asfaltmassa met behulp van de optie Verwijderen en houd de asfaltmatrix in het middelste gebied ongewijzigd.
  6. Bouw de grafeen-gemodificeerde asfaltstructuur met de scheur. Neem het grafeenvel op in het bovenste gedeelte van de scheurpunt en het linker scheuroppervlak afzonderlijk vóór de verpakkingsstap met de opdracht Kopiëren en plakken .
  7. Verpak de asfaltmoleculen in de simulatiebox op basis van de uiteindelijke samenstellingen in tabel 1 om de grafeen-gemodificeerde asfaltstructuur te construeren.
  8. Converteer het structuurbestand naar een gegevensbestand. Sla de structuurbestanden op als de molecuulbestanden met structuurinformatie (*.car en *.mdf) van Materials Studio. Converteer de molecuulbestanden (*.car en *.mdf) naar gegevensbestanden met behulp van de msi2lmp-tool in grootschalig atomair / moleculair massaal parallel simulator (LAMMPS)55-pakket . Lees het gegevensbestand met de opdracht read_data in LAMMPS.

2. Voer de simulaties uit

  1. Definieer de parameters van de simulaties.
    1. Stel de tijdstap in op 1 fs in het invoerbestand, rekening houdend met de balans tussen nauwkeurigheid en efficiëntie van de uitgevoerde simulaties.
    2. Stel de afkapafstand van niet-gebonden interacties in op 12 Å, wat minder is dan de helft van de lengte van de simulatiebox, rekening houdend met de periodieke grensconditie en de rekenefficiëntie.
    3. Gebruik het deeltjes-deeltjes-deeltjesgaas (PPPM) -algoritme om de Coulombic-interacties over lange afstand te beschrijven en stel de relatieve fout in krachten per atoom berekend door de langeafstandsoplosser in op 10-5 voor hoge nauwkeurigheid.
  2. Fixeer het profiel van de scheur. Selecteer de asfaltmoleculen op het profiel met de opdracht Group Molecules in LAMMPS. Pas de beperkingen op de asfaltmoleculen toe met behulp van het Fix Spring/Self-commando in LAMMPS om de bewegingen van asfaltmoleculen te voorkomen.
  3. Bereik het evenwicht
    1. Houd de hele simulatiebox volledig ontspannen na 500 pk onder het isothermisch-isobaar (NPT) ensemble met een temperatuur van 300 K en een druk van 1 atm.
    2. Maak het asfaltbulk gebalanceerd naar de gewenste dichtheidswaarde van de experimentele metingen41 van 0,95-1,05 g /cm3 door de temperatuur, druk, dichtheid en energiewaarden continu te onderzoeken met behulp van het thermische commando.
    3. Controleer de convergentie van potentiële energie en de gemiddelde kwadraatverplaatsing (MSD) in het hele systeem om de volledig ontspannen toestand te bereiken.
  4. Voer het zelfgenezende proces uit.
    1. Zet de hele simulatiebox onder het NPT-ensemble met een temperatuur van 300 K en een druk van 1 atm.
    2. Verwijder de beperking van de asfaltmoleculen op de contouren van de scheurzone.
    3. Volg en registreer de grootte van de simulatiebox en de coördinaten van atomen en gebruik de opdracht Dump voor nabewerking.
    4. Gemiddelde van de simulatieresultaten tijdens het zelfherstellende proces over drie onafhankelijke configuraties met drie verschillende initiële snelheidszaden om de willekeurige fouten te verminderen.

3. Nabewerking

  1. Visualiseer het zelfgenezende gedrag. Open de Open Visualization Tool OVITO56 om de voortgang van de simulatie te visualiseren en open vervolgens de trajectbestanden in het lammpstrj-formaat dat is gegenereerd door LAMMPS55. Noteer de momentopnamen van het zelfherstellende proces en volg de paden van asfaltmoleculen met de opdracht Renderen .
  2. Analyseer de contour van het atoomnummer. Exporteer de coördinaten van de atomen naar data-analyse en grafische software van de trajectbestanden die worden uitgevoerd vanuit LAMMPS. Projecteer de coördinaten van atomen in het hele systeem op het yz-vlak. Registreer atoomnummers op verschillende gebieden van het yz-vlak en plot de contour met verschillende kleuren.
  3. Analyseer de atoommobiliteit en relatieve positie.
    1. Analyseer de atoommobiliteit van verschillende asfaltcomponenten door de msd (mean-squared displacement) met de opdracht Compute msd .
    2. Bereken de relatieve posities tussen grafeen en asfaltmoleculen door de radiale distributiefuncties (RDF) curven voor het systeem van grafeen-gemodificeerde asfaltsystemen met de scheurbreedtes van 15 Å en 35 Å met behulp van het opdracht Compute rdf in LAMMPS.
    3. Teken de RDF-curven om te controleren hoe de dichtheid van asfalt varieert als functie van de afstand tot de grafeenplaat.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

De contour van het atoomnummer
De contouren van het atoomnummer van zuivere asfalt- en grafeen-gemodificeerde asfaltmodellen in het yz-vlak worden weergegeven in figuur 3, waar de kleurenbalk van blauw naar rood atoomnummers vertoont die variëren van 0 tot 28. Figuur 3a-c illustreert de contour van het atoomnummer van de structuren met 15 Å scheurbreedte in zuiver asfalt en asfaltnanocomposieten gemodificeerd...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

De kritische stappen binnen het protocolgedeelte zijn als volgt: stap 1.4 - Bouw en pak de vier soorten asfaltmoleculen; stap 1.5 - Bouw de asfaltstructuur met de scheur; stap 2.3 - Het evenwicht bereiken; stap 2.4 - Voer het zelfgenezende proces uit. Deze stappen geven de meest samenhangende en belangrijke inhoud van het protocol aan. Om de gewenste vormen van de ingebrachte scheur te creëren, wordt het verpakkingsproces aangepast ten opzichte van de normale verpakking in Materials Studio. De scheurvorm wordt gemaakt en...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

De auteurs hebben geen belangenconflicten te melden.

Dankbetuigingen

De auteurs zijn dankbaar voor de steun van de City University of Hong Kong Strategic Research Grant met het Project No. 7005547, de steun van de Research Grants Council (RGC) van de Hong Kong Special Administrative Region, China, met het Project No. R5007-18, en de steun van Shenzhen Science and Technology Innovation Committee onder de subsidie JCYJ20170818103206501.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Atomistische modellen van asfalt en grafeen/Materials StudioBIOVIAMaterials Studio 8.0De atomistische modellen zijn gebouwd voor moleculaire dynamica simulaties.
Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator PackageSandia National Laboratorieslammps-stable20Het evenwicht wordt bereikt onder NPT ensemble, en de atomistische modellen genezen zelf.
OVITOMaterials Science Department van Technische Universität Darmstadt, Duitslandovito-basic-3.1.0-win64Het zelfhelende gedrag van de atomistische modellen wordt gevisualiseerd.
OriginOriginLabOrigin 2018 64BitDe contouren van de atoomnummers van de baan worden getekend en geanalyseerd.

Referenties

  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).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Trefwoorden

Moleculaire DynamicaAsfalt nanocomposietScheurherstelAromatische MoleculenRadiale DistributiefunctieAtomistische SimulatieAsfaltduurzaamheidNanovullers
Geavanceerd zelfherstellend asfalt versterkt door grafeenstructuren: een atomistisch inzicht
Neem contact met ons op
Aanbevelen aan bibliotheek

Privacy

Gebruiksvoorwaarden

Beleid

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Alle rechten voorbehouden.