Waiting
Login processing...

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

Engineering

Avanceret selvhelbredende asfalt forstærket af grafenstrukturer: En atomistisk indsigt

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

Grafenmodificeret asfaltnanokomposit har vist en avanceret selvhelende evne sammenlignet med ren asfalt. I denne protokol er molekylære dynamiksimuleringer blevet anvendt for at forstå grafens rolle i selvhelingsprocessen og for at udforske selvhelbredende mekanisme for asfaltkomponenter fra det atomistiske niveau.

Abstract

Grafen kan forbedre asfaltens selvhelbredende egenskaber med høj holdbarhed. Imidlertid er den selvhelbredende adfærd af grafenmodificeret asfaltnanokomposit og rollen som inkorporeret grafen stadig uklar på dette stadium. I denne undersøgelse undersøges de selvhelbredende egenskaber ved ren asfalt og grafenmodificeret asfalt gennem molekylære dynamiksimuleringer. Asfaltbulkser med to revnebredder og placeringer for grafen introduceres, og de molekylære interaktioner mellem asfaltkomponenter og grafenarket analyseres. Resultaterne viser, at placeringen af grafen signifikant påvirker asfaltens selvhelbredende adfærd. Grafen nær revneoverfladen kan i høj grad fremskynde selvhelingsprocessen ved at interagere med de aromatiske molekyler gennem π-π stabling, mens grafen i det øverste område af revnespidsen har en mindre indvirkning på processen. Asfaltens selvhelingsproces går gennem omorientering af asfalt, polære aromatiske og naphthene aromatiske molekyler og brobygning af mættede molekyler mellem revneoverflader. Denne dybdegående forståelse af selvhelbredende mekanisme bidrager til kendskabet til forbedringen af selvhelbredende egenskaber, som vil bidrage til at udvikle holdbare asfaltbelægninger.

Introduction

Forringelse under daglige lastninger af køretøjer og forskellige miljøforhold og ældning af asfalt under drift resulterer i nedbrydning eller endda strukturelle fejl, dvs. revner og raveling, hvilket yderligere kan svække asfaltbelægningernes holdbarhed. Asfaltens iboende reaktion på at reparere mikrorevner og hulrum hjælper den automatisk med at komme sig efter skader og genoprette styrke1. Denne selvhelbredende evne kan forlænge asfaltens levetid betydeligt, spare omkostninger til vedligeholdelse og reducere udledningen af drivhusgasser 2,3. Asfaltens selvhelbredende adfærd afhænger generelt af flere påvirkende faktorer, herunder dens kemiske sammensætning, graden af skade og miljøforhold4. Den forbedrede selvhelbredende evne til asfalt, der fuldt ud kan helbrede skader inden for en kort periode, ønskes; Dette har tiltrukket omfattende forskningsinteresse for bedre mekanisk ydeevne og holdbarhed for asfaltbelægninger inden for anlægsarbejder.

Nye metoder til forbedring af asfaltens selvhelbredende evne omfatter hovedsageligt tre tilgange - inducering af opvarmning, indkapsling og inkorporering af nanomaterialer - som kan anvendes individuelt eller samtidigt5,6. Inducerende opvarmning kan forbedre asfaltens mobilitet betydeligt og aktivere dens selvhelbredende til genopretning7. Asfaltens selvhelbredende teknologi ved at fremkalde opvarmning kan tilskrives den assisterede selvhelbredende teknik, hvilket indikerer, at asfaltens selvhelbredende egenskaber forbedres af eksterne stimuli. Formålet med at tilføje ståluldsfibrene er at forbedre den elektriske ledningsevne for at øge asfaltbindemidlets helingskapacitet8. Fremgangsmåden til at fremkalde varme er at udsætte disse elektrisk ledende fibre for det højfrekvente vekslende elektromagnetiske felt, som kan inducere hvirvelstrømme, og varmeenergien kan diffundere ind i asfaltbindemidlet af de ledende fibre9. Ståluldsfibrene forbedrer ikke kun den elektriske ledningsevne, men også den termiske ledningsevne, som begge kan påvirke asfaltens selvhelbredende egenskaber positivt. Det er dog udfordrende at vælge den rigtige blandingstid for fibre10. Længden af fibre falder med øget blandingstid og påvirker varmeledningsevnen, mens den reducerede blandingstid fører til klynger af fibre og hæmmer asfaltens mekaniske egenskaber9. Indkapslingsmetoden kan levere lette komponenter i lagret asfalt såsom aromater og mættede fedtsyrer og opfriske asfaltens selvhelende evne11,12. Dette er dog en engangsbehandling, og de helbredende materialer kan ikke genopfyldes efter frigivelsen. Med udviklingen af nanoteknologi er nanomaterialer blevet lovende modifikatorer til forbedring af asfaltbaserede materialer. Asfaltbindemidler, der indgår i nanomaterialer, har bedre varmeledningsevne og mekaniske egenskaber13. Grafen med fremragende mekanisk ydeevne og høj termisk ydeevne betragtes som en fremragende kandidat til at forbedre asfaltens selvhelbredende evne14,15,16,17. De øgede helbredende egenskaber ved grafenmodificeret asfalt kan tilskrives det faktum, at grafen øger asfaltbindemidlets kapacitet til opvarmning og producerer varmeoverførsel inde i asfaltbindemidlet, hvilket betyder, at grafenmodificeret asfalt kan opvarmes hurtigere og nå op til højere temperatur end ren asfalt18. Den genererede varme kan overføres gennem den grafenmodificerede asfalt med en hurtigere hastighed end den gennem ren asfalt. Sprækkeområdet på asfaltbindemidlet kan let påvirkes og heles hurtigere af varmestrømmen med højere temperatur og højere varmekapacitet. Den selvhelbredende reaktion vil begynde, hvis den energi, der er lig med eller større end den helbredende aktiveringsenergi, findes ved asfaltens revneoverflade19. Grafen kan forbedre den termiske aktiveringshelingsevne og fremskynde asfaltens helingshastighed19,20. Desuden kan grafen spare varmeenergi op til 50% under helingsprocessen, hvilket kan gavne energieffektiviteten og reducere vedligeholdelsesomkostningerne21. Som et mikrobølgeabsorberende materiale rapporteres grafen at forbedre asfaltens helingsevne i resten af mikrobølgeopvarmningen22. Det forventes, at tilsætningen af grafen i asfalt ikke kun vil forbedre den mekaniske ydeevne, men også den selvhelbredende og energibesparende kapacitet, hvilket kræver indgående kendskab til selvhelbredende mekanisme.

Selvhelbredelse på nanoskala skyldes hovedsageligt befugtning og diffusion af asfaltmolekyler ved de brækkede flader23. Da asfalt består af forskellige polære og ikke-polære molekyler, er dets selvhelbredende evne stærkt relateret til molekylære interaktioner og bevægelser af asfaltmolekyler af forskellige komponenter1. Den nuværende forskning er dog hovedsageligt afhængig af eksperimentelle teknikker til at kvantificere makroskopiske mekaniske egenskaber, hvilket forårsager manglende information i ændringen af mikrostrukturer og interaktionerne mellem asfaltmolekyler, når man forsøger at forstå helingsmekanismen. Den forstærkende mekanisme af grafen i asfaltens selvhelbredende evne er også uklar på dette stadium. Molekylær dynamik (MD) simuleringer spiller en indflydelsesrig rolle i undersøgelsen af molekylære interaktioner og bevægelser af nanokompositsystemer og forbinder mikrostrukturel deformation med molekylære interaktioner og bevægelser 24,25,26,27,28,29,30,31 . MD-simuleringer er blevet mere og mere populære til analyse af materialeadfærd, der ikke let kan tilgås af eksperimenter32,33. Eksisterende undersøgelser har vist gennemførligheden og tilgængeligheden af MD-simuleringer i asfaltsystemer; samhørighed, vedhæftning, aldring og termomekaniske egenskaber af asfalt og asfaltkompositter kan udforskes ved HJÆLP AF MD-simuleringer 34,35,36,37. Asfaltens selvhelbredende adfærd kan også forudsiges ved MD-simuleringer 38,39,40. Derfor menes det, at undersøgelsen ved hjælp af MD-simuleringer er en effektiv måde at forstå både de selvhelbredende og forstærkende mekanismer på.

Formålet med denne undersøgelse er at undersøge den selvhelbredende adfærd hos ren asfalt og grafenmodificerede asfaltnanokompositter og at forstå grafens rolle i forbedringen af asfaltens helbredende kapacitet gennem MD-simuleringer. De selvhelende simuleringer af ren asfalt og grafenmodificerede asfaltkompositter udføres ved at indføre revner i de oprindelige strukturer. De selvhelbredende evner er kendetegnet ved konturen af atomnumre, omorientering og sammenfiltring af molekyler ved det brudte ansigt og mobiliteten af asfaltkomponenter under selvhelingsprocesserne. Ved at undersøge grafens helbredende effektivitet på forskellige steder afsløres den forstærkende mekanisme af grafen, der bidrager til asfaltens selvhelbredende evner, hvilket kan hjælpe med overvågningen af nanofyldstoffer på en optimal måde og dermed muliggøre levetidsforlængelse af asfaltbelægninger. En undersøgelse af den selvhelbredende kapacitet på atomistisk skala kan give en effektiv måde at udvikle avancerede asfaltbaserede materialer til fremtidig forskning.

Ifølge asfaltkemi består asfalt af forskellige typer carbonhydrider og ikke-carbonhydrider med forskellig polaritet og former, som hovedsageligt kan opdeles i de fire komponenter i asfalt, polære aromater, naphthene aromater og mættedefedtsyrer 41,42. Asfaltmolekyler er relativt større og tungere end andre molekyler i asfalt med en gennemsnitlig atommasse på ca. 750 g/mol og en molekyldiameter i området 10-20 Å. Det er blevet bredt accepteret, at asfalt er sammensat af store aromatiske kerner, der indeholder heteroatomer og er omgivet af forskellige længder af alkylgrupper43. Et modificeret asfaltmolekyle konstrueres, som vist i figur 1a. Molekylerne af polære aromater og naphthenataler er konstrueret ud fra polariteten og elementforholdet mellem asfaltmolekyler, hvor benzobisbenzothiophen (C18H10S2) repræsenterer det polære aromatiske molekyle og 1,7-dimethylnaphthalen (C12H12) valgt som det repræsentative naphthene aromatiske molekyle, som vist i figur 1b-c. N-docosane (n-C22 H46) er konstrueret som vist i figur 1d. Parametrene i tabel 1 for asfaltmolekyler udvælges og anvendes til at opfylde de ønskede kriterier, herunder den elementære massefraktion, atomforholdet og det aromatiske/alifatiske forhold for ægte asfalt fra forsøg41. Det samme masseforhold er defineret i vores tidligere undersøgelser, og de andre termomekaniske egenskaber som densitet, glasovergangstemperatur og viskositet er i god overensstemmelse med eksperimentelle data for ægte asfalt36. Den molekylære struktur af grafen anvendt i denne undersøgelse er vist i figur 1e. Det vedtagne grafenark i denne undersøgelse har ingen defekt og ingen fold i forhold til det virkelige tilfælde, mens det virkelige grafenark normalt har flere defekter såsom atomare ledige stillinger og Stone-Wales-defekter44, og nogle af grafenarkene kan foldes under blandingsprocessen iasfaltmatrixen 45. Disse ufuldkomne situationer overvejes ikke i denne undersøgelse, da vi fokuserer på effekten af grafenarkets sted på de selvhelbredende egenskaber og vælger det som den eneste variabel. Variablerne af grafenark med hensyn til defekter og foldede tilfælde vil være fokus for vores fremtidige undersøgelser. Masseforholdet mellem grafen og asfalt i denne undersøgelse er 4,75%, hvilket er den normale situation (<5%) for grafenmodificeret asfalt i eksperimentet46,47.

Figure 1
Figur 1: Kemisk struktur. De atomistiske modeller af (a) asfaltmolekyle (C53H55NOS), (b) naphthen aromatisk molekyle (C12H12), (c) polært aromatisk molekyle (C18H10S2), (d) mættet molekyle (C22H46), (e) grafen og (f) ren asfalt. For den atomistiske asfaltmodel er kulstof-, ilt-, nitrogen-, svovl- og hydrogenatomerne vist i henholdsvis grå, rød, blå, gul og hvid. Klik her for at se en større version af denne figur.

Asfalt model Masse (g/mol) Kemisk formel Antal molekyler Samlet masse (g/mol) Massefraktion (%)
Asfalt 754.04 C53H55NOS 43 32423.72 26
Naphthene aromatisk 156.22 C12H12 65 10154.3 8
Polær aromatisk 290.38 C18H10S2 74 21485.16 17
Mætte 310.59 C22H46 205 63670.95 49
Asfaltbindemiddel 387 127734.13 100
Grafen 6369.28 C525H63 1 6369.28

Tabel 1: Overordnede komponenter i ren asfaltmodel og grafenmodificeret asfaltmodel.

Med hensyn til protokollen beskrevet nedenfor indsættes to typer kilelignende revner med forskellige størrelser i midten af asfaltmodellen med en stump revnespids og to parallelle revneoverflader, mens asfaltbulksens midterste topområde forbliver intakt. To revnebredder er valgt som 15 Å og 35 Å, som vist i figur 2a-b. Begrundelsen for at vælge 15 Å er, at revnebredden skal være bredere end afskæringen på 12 Å for at undgå tidlig selvheling af asfaltmolekyler under ligevægtsprocessen, mens man undersøger et ekstremt tilfælde for en lille revne. Begrundelsen for at vælge 35 Å er, at revnebredden skal være bredere end længden af de mættede molekyler på 34 Å for at forhindre brobygningseffekten. Revnens højde er 35 Å, det samme som kassens bredde, og revnens dybde er 70 Å, det samme som kasselængden. I den virkelige situation kan de observerede mikrorevnestørrelser varieres i området fra flere mikrometer til flere millimeter, hvilket er langt større end den længdeskala, vi modellerer her. Normalt er længdeskalaen i MD-simulering begrænset til skalaen på 100 nm, hvilket stadig er flere størrelsesordener mindre end den reelle revnestørrelse. Revnerne starter imidlertid på nanoskala og vokser til makroskala revner med kontinuerlig deformation48. Forståelsen af den selvhelbredende mekanisme på nanoskala kan bidrage til at forhindre vækst og yderligere udbredelse af revnen på makroskalaen. Selvom de udvalgte revnestørrelser ligger inden for nanometerområdet, kan resultaterne stadig være indflydelsesrige og anvendelige til at udforske asfaltmolekylernes selvhelbredende adfærd. Der er to placeringer for grafenarkene i revneområderne: den ene er oven på revnespidsen, og den anden er vinkelret på venstre revneoverflade. Det har vist sig, at disse er de mest almindelige positioner for grafen i grafenmodificerede nanokompositter med revner49.

Figure 2
Figur 2: De selvhelbredende ordninger for ren asfalt og grafenmodificeret asfalt. Den selvhelende model af ren asfalt med en revnebredde på (a) 15 Å og (b) 35 Å. Den selvhelende model af grafenmodificeret asfalt med grafenarket er placeret (c) øverst på revnespidsen og (d) vinkelret på revneoverfladen. Klik her for at se en større version af denne figur.

I MD-simuleringer beskrives de intramolekylære og intermolekylære interaktioner i asfaltnanokompositterne af Consistent Valence Forcefield (CVFF)50, som fungerer godt med asfalt- og grafenbaserede materialer. Den funktionelle form for CVFF udtrykkes som følgende udtryk:

Equation 1 1

Her er den samlede energi Etotal sammensat af de bundne energitermer og de ikke-bundne energitermer. De bundne interaktioner består af den kovalente bindingsstrækning, bindingsvinkelbøjningsenergien, torsionsvinkelrotationen og de ukorrekte energier som udtrykt i de første fire udtryk. Den ikke-bundne energi omfatter en LJ-12-6-funktion for van der Waals (vdW) -udtrykket og en Coulombic-funktion for de elektrostatiske interaktioner. CVFF har været meget udbredt i simulering af asfaltmaterialer51,52. De simulerede fysiske og mekaniske egenskaber såsom densitet, viskositet og bulkmodul er i god overensstemmelse med de eksperimentelle data, som viser pålideligheden af CVFF51. CVFF er ikke kun velegnet til uorganiske materialer, men det er også blevet anvendt med succes i strukturer bestående af organiske og uorganiske faser såsom asfalt-silica52 og systemet med epoxy-grafen53. Derudover kan grænsefladeinteraktionerne mellem grafen og asfalt karakteriseres ved CVFF36,54. Da hoveddelen i udvælgelsen af forcefield er at bestemme asfalt-grafen-grænsefladen, er de ikke-bundne interaktioner beskrevet af CVFF mere pålidelige, hvilket også overvejes i vores tidligere undersøgelse36. Samlet set er forcefield CVFF vedtaget i denne undersøgelse. De delvise ladninger for forskellige slags atomer beregnes ved hjælp af den kraftfelt-tildelte metode.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Byg de atomistiske modeller

  1. Åbn Materials Studio-softwaren for at oprette fem 3D-atomistiske dokumenter, og omdøb disse dokumenter til henholdsvis grafen, asfalten, polære aromater, naphthenameromer og mættede fedtsyrer.
  2. Byg grafenmodellen ved at oprette enhedscellen i grafenarket i det atomistiske 3D-dokument ved hjælp af indstillingen Sketch Atom .
  3. Konstruer den endelige struktur ved hjælp af indstillingen Supercell i menuen Byg > symmetri . Definer størrelsen på grafenarket som 40 Å x 40 Å, hvilket er større end asfaltkæderne og revnebredden.
  4. Byg og pakk de fire typer asfaltmolekyler.
    1. Brug Sketch Atom-indstillingen til at tegne de molekylære strukturer af asfalt, polære aromater, naphthenearomater og mættede stoffer separat.
    2. Pak de fire slags asfaltmolekyler i simuleringsboksen ved hjælp af indstillingen Beregning i menuen Moduler > amorfe celle .
  5. Byg asfaltstrukturen med revnen.
    1. Indstil højden af revnezonen i x-dimensionen på samme måde som kassens højde på 70 Å, og dybden af revnezonen i y-dimensionen er halvdelen af kassens højde som 35 Å.
    2. Sæt to tilfælde af revnebredderne i z-dimensionen 15 Å og 35 Å. Slet de overflødige molekyler i revnezonerne i det midterste område af asfaltbulk ved hjælp af indstillingen Slet , og hold asfaltmatrixen i det midterste område uændret.
  6. Byg den grafenmodificerede asfaltstruktur med revnen. Indarbejd grafenarket i det øverste område af revnespidsen og den venstre revneoverflade separat før pakningstrinnet ved hjælp af kommandoen Kopier + Indsæt .
  7. Pak asfaltmolekylerne i simuleringsboksen baseret på de endelige sammensætninger, der er anført i tabel 1 , for at konstruere den grafenmodificerede asfaltstruktur.
  8. Konverter strukturfilen til en datafil. Gem strukturfilerne som molekylefilerne med strukturoplysninger (*.car og *.mdf) fra Materials Studio. Konverter molekylefilerne (*.car og *.mdf) til datafiler ved hjælp af msi2lmp-værktøjet i storstilet atom-/molekylær massiv parallel simulator (LAMMPS)55-pakke . Læs datafilen ved hjælp af kommandoen read_data i LAMMPS.

2. Udfør simuleringerne

  1. Definer parametrene for simuleringerne.
    1. Indstil tidstrinnet som 1 fs i inputfilen under hensyntagen til balancen mellem nøjagtighed og effektivitet af de transporterede simuleringer.
    2. Indstil afskæringsafstanden for ikke-bundne interaktioner til 12 Å, hvilket er mindre end halvdelen af simuleringsboksens længde under hensyntagen til den periodiske grænsebetingelse og beregningseffektiviteten.
    3. Anvend pppm-algoritmen (particle-particle-mesh) til at beskrive de langtrækkende Coulombic-interaktioner og indstil den relative fejl i per-atomkræfter beregnet af langdistanceløseren som 10-5 for høj nøjagtighed.
  2. Fastgør profilen af revne. Vælg asfaltmolekylerne på profilen ved hjælp af kommandoen Gruppemolekyler i LAMMPS. Påfør begrænsningerne på asfaltmolekylerne ved hjælp af Fix Spring / Self-kommandoen i LAMMPS for at undgå bevægelser af asfaltmolekyler.
  3. Opnå ligevægt
    1. Hold hele simuleringsboksen helt afslappet efter 500 ps under det isotermiske isobariske (NPT) ensemble med en temperatur på 300 K og et tryk på 1 atm.
    2. Gør asfaltbulkten ligestillet med den ønskede densitetsværdi for forsøgsmålingerne41 på 0,95-1,05 g/cm3 ved kontinuerligt at undersøge temperatur-, tryk-, densitets- og energiværdierne ved hjælp af kommandoen Termisk .
    3. Kontroller konvergensen mellem potentiel energi og den gennemsnitlige kvadratiske forskydning (MSD) i hele systemet for at opnå den fuldt afslappede tilstand.
  4. Udfør selvhelingsprocessen.
    1. Indstil hele simuleringsboksen under NPT-ensemblet med en temperatur på 300 K og et tryk på 1 atm.
    2. Fjern asfaltmolekylernes begrænsning på revnezonens kontur.
    3. Spor og registrer størrelsen på simuleringsboksen og atomernes koordinater, og brug kommandoen Dump til efterbehandling.
    4. Gennemsnit simuleringsresultaterne under selvhelingsprocessen over tre uafhængige konfigurationer med tre forskellige indledende hastighedsfrø for at reducere de tilfældige fejl.

3. Efterbehandling

  1. Visualiser den selvhelbredende adfærd. Åbn det åbne visualiseringsværktøj OVITO56 for at visualisere simuleringsforløbet, og åbn derefter banefilerne i lammpstrj-formatet, der genereres af LAMMPS55. Optag snapshots af selvhelingsprocessen, og spor asfaltmolekylernes stier ved hjælp af kommandoen Render .
  2. Analyser konturen af atomnummeret. Eksporter atomernes koordinater til dataanalyse- og grafsoftware fra de banefiler, der udsendes fra LAMMPS. Projicer koordinaterne for atomer i hele systemet på yz-planet. Optag atomnumre på forskellige områder af yz-planet og plot konturen med forskellige farver.
  3. Analyser atomets mobilitet og relative position.
    1. Analyser atommobiliteten af forskellige asfaltkomponenter ved hjælp af msd-forskydningen (Mean-squared displacement) ved hjælp af kommandoen Compute msd .
    2. Beregn de relative positioner mellem grafen- og asfaltmolekyler ved hjælp af RDF-kurverne (radial distribution functions) for systemet med grafenmodificerede asfaltsystemer med 15 Å- og 35 Å-knæbredderne ved hjælp af kommandoen Compute rdf i LAMMPS.
    3. Tegn RDF-kurverne for at kontrollere, hvordan asfalttætheden varierer som en funktion af afstanden fra grafenarket.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Konturen af atomnummer
Konturerne af atomantallet af rene asfalt- og grafenmodificerede asfaltmodeller i yz-planet er vist i figur 3, hvor farvebjælken fra blå til rød udviser atomnumre, der varierer fra 0 til 28. Figur 3a-c illustrerer konturen af atomnummeret på strukturerne med 15 Å revnebredde i ren asfalt og asfaltnanokompositter modificeret af grafen ved revnespidsen og revneoverfladen. For ren asfalt sker fuldstændig heling efter ca. 300 ps. Den selvhelende adfærd starter fra området med revnespidsen, da området omkring revnespidsen bliver en smeltet stump form med en blå farve efter 50 ps, og flere asfaltmolekyler bygger bro over de to revneoverflader midt i revnespidsen. Den grønne farve i konturen præsenterer bulkasfalten, som er scenen i revnezonen, der får fuld selvhelbredelse. Ved omkring 100 ps er revnezonen næsten lukket med et lille hulrum tilbage, og farverne på de oprindelige revneoverflader ændres til grønt, hvilket indikerer, at selvhelingsprocessen er færdig i disse områder; der er dog stadig nogle blå og hvide områder, der mangler at blive selvhelbredt. Efter ca. 300 ps er det meste af farven på revnezonen ændret til grøn, hvilket er det samme som for asfaltbulcen, hvilket indikerer, at selvhelingsprocessen er afsluttet. Som vist i figur 3b ændres selvhelingsprocessen ikke signifikant efter tilsætning af grafenarket på toppen af revnen. Selvhelingsprocessen tager ca. 500 ps at fuldføre, og revnezonen reduceres kraftigt ved 50 ps og forsvinder næsten ved 200 ps. Grafenarket på toppen af revnespidsen ser ud til at have ringe indflydelse på revneoverfladens selvhelingsproces. Indsættelse af grafen til venstre for revneoverfladen kan imidlertid fremskynde selvhelingsprocessen betydeligt, som vist i figur 3c, hvor den røde linje i konturen er grafenarket. Den selvhelbredende periode forkortes til omkring 200 ps, hvilket er halvt så meget som ren asfalt. Revnebredden reduceres signifikant ved 20 ps, og asfaltmolekylerne fra bulk har tendens til at bevæge sig til grafenområdet og fylde revneområdet. Revnezonen forsvinder næsten ved omkring 150 ps, selvom nogle af områderne i bunden forbliver blå. Efter yderligere 50 ps af selvhelingsprocessen er revneområdet fuld af blå farve, hvilket indikerer afslutningen af processen.

Selvhelingsprocessen for modellerne med 35 Å revnebredde tager næsten dobbelt så lang tid som modellerne med 15 Å revnebredde, mens den selvhelende proces med ren asfalt varer omkring 1.000 hk. Den selvhelbredende adfærd starter i revnespidsområdet, og revneformen bliver krympet og uregelmæssig ved 100 ps. Det meste af revnezonen heles med 500 ps, med et lille hulrum tilbage midt i revnezonen. Efter at have udført selvhelingsprocessen i yderligere 500 ps, fyldes revnezonen med asfaltmolekyler, indtil selvhelingsprocessen er afsluttet. Grafenarket er placeret øverst på revnespidsen, som vist ved den røde linje i figur 3e. Selvhelbredelsesperioden er omkring 1.100 ps, hvilket er tæt på ren asfalt. Revneformen ændrer sig dog forskelligt. Der er nogle asfaltmolekyler, der bygger bro over revneområdet ved omkring 400 ps, hvilket kan fremme selvhelingsprocessen. Som vist i figur 3f kan den selvhelbredende adfærd forbedres betydeligt, når grafenarket er placeret på venstre revneoverflade. Et fænomen kan observeres svarende til modellen med 15 Å revnebredde: nogle af asfaltmolekylerne i asfaltbulken har tendens til at bevæge sig til grafenområdet og vikle sig rundt om grafenarket, hvilket kan reducere revneområdet betydeligt og hjælpe selvhelingsprocessen. Revnens bredde reduceres til omkring halvdelen af den oprindelige revnebredde med kun 50 ps, og det meste af revneområdet heles ved omkring 300 ps. Hele selvhelingsprocessen varer ca. 600 ps, og det meste af revnezonen forsvinder; dette tager kun halvdelen af den tid, det tager med ren asfalt.

Figure 3
Figur 3: Atomnummerets kontur under selvhelingsprocessen. Konturen af atomnummeret under selvhelingsprocessen for modellerne med 15 Å revnebredde for (a) ren asfalt, (b) grafen på revnespidsen og (c) grafen på venstre overflade af revnespidsen og modellerne med 35 Å revnebredde for (d) ren asfalt, (e) grafen på revnespidsen, og f) grafen på venstre overflade af revnespidsen. De prikkede sorte bokse henviser til placeringen af grafen. Farvebjælken fra blå til rød står for atomnumrene, der varierer fra 0 til 28 i konturen. Klik her for at se en større version af denne figur.

Molekylære interaktioner
For at undersøge forskellen i selvhelbredende adfærd mellem ren asfalt og grafenmodificerede asfaltkompositter fanges og analyseres de molekylære interaktioner og bevægelser under selvhelingsprocessen, som vist i figur 4. Fra figur 4a kan det observeres, at aromatiske molekyler som asfalt, polære aromater og naphthenataler tiltrækkes af grafenarket gennem π-π stabling, når grafen placeres på det øverste område af revnespidsen. Disse asfaltmolekyler fanges tæt af grafenarket og kan ikke let diffundere ind i nærheden af revnezonen eller fylde revnen, hvilket forhindrer selvhelingsprocessen til en vis grad. Imidlertid stammer den selvhelbredende adfærd hovedsageligt fra asfaltmolekylerne nær revneoverfladen, og indflydelsen af disse molekyler i det øverste område kræver yderligere udforskning. Fra figur 4b observeres det, at det polære aromatiske molekyle ved revneoverfladen tiltrækkes af grafenpladen på den anden revneoverflade, hvilket yderligere kan øge det nærliggende naphthene aromatiske molekyles sandsynlighed for at bevæge sig ind på revneområdet. De indsamlede asfaltmolekyler, der tiltrækkes af grafenarket, kan pakke revnezonen med en højere hastighed end den rene asfalt, og den selvhelende evne hos den grafenmodificerede asfaltnanokomposit kan forbedres. Selvhelingsprocessen for modellen med 35 Å revnebredde modificeret af grafen ved venstre revneoverflade er vist i figur 4c. De polære aromatiske molekyler tiltrækkes af grafenarket gennem π-π stabling, når selvhelingen begynder, og disse asfaltmolekyler kan hurtigt vikle sig rundt om grafenarket og reducere rummet i revnezonen, som vist i figur 3f. Dette indikerer, at grafen spiller en vigtig rolle i den indledende fase af selvhelbredelse, når den er placeret omkring revneoverfladen. Et selvhelende øjebliksbillede af ren asfalt med 15 Å revnebredde er vist i figur 4d. Det kan tydeligt observeres, at kædestrukturen af mætning er vigtig for selvhelingsprocessen, da molekylerne kan blive viklet ind i hinanden og bygge bro over revneoverfladen. Denne brobygningseffekt mellem mættede molekyler og sidekæderne af asfaltmolekyler kan øge pakningseffektiviteten betydeligt og reducere selvhelingsperioden. Det observeres også, at asfaltmolekyler med polyaromatiske ringe, såsom asfalt, polære aromater og naphthenaromater, omorienterer sig ved revneoverfladen ved π-π stabling. Denne omorientering gør det muligt for asfaltmolekylerne at bevæge sig i en parallel retning og bidrager til revnebefugtning, som yderligere lukker revnefladerne.

Figure 4
Figur 4: Detaljer om ikke-bindende interaktion mellem ren asfalt og grafenmodificerede asfaltnanokompositter under selvhelingsprocessen. For modellen med (a) 15 Å revnebredde og grafen placeret på toppen af revnespidsen tiltrækkes aromatiske molekyler i asfalt af grafenarket gennem π-π stabling. For modellen med (b) 15 Å revnebredde og grafen i venstre side af revneoverfladen bevæger de polære aromatiske molekyler på den anden revneoverflade sig på grafenoverfladen på grund af stærke aromatiske interaktioner. For modellen med (c) 35 Å revnebredde og grafen i venstre side af revneoverfladen tiltrækkes de polære aromatiske molekyler af grafenarket og stikker således ud fra revneoverfladen. For modellen med (d) 15 Å revnebredde og ren asfalt er der en omorientering af aromatiske molekyler ved revneoverfladen og en kædebro og sammenfiltring af mættede molekyler under selvhelingsprocessen. De blå prikkede felter og lilla prikkede felter i figuren angiver henholdsvis π-π stablings- og omorienteringsadfærd. Klik her for at se en større version af denne figur.

Omorienteringen af aromatiske molekyler, herunder asfalt, polære aromater og naphthenataleromer omkring revneoverfladen under selvhelingsprocessen, er vist i figur 5. Figur 5a viser, at de sporede molekyler før selvheling er næsten vinkelret mellem naphthenataleromer og polære aromater og mellem asfalt og polære aromater. Afstanden mellem asfalt og de to andre aromatiske molekyler er 13,3 Å, hvilket er større end afstanden mellem de aromatiske molekyler. Efter selvheling i 40 ps diffunderer det naphthene aromatiske molekyle til rummet mellem asfalten og polære aromater og spiller en vigtig rolle i interaktionen med de to andre molekyler. I figur 5b kan det observeres, at afstanden og vinklen mellem det polære aromatiske molekyle og naphthene aromatiske molekyle er 4,6 Å og 89°, hvilket indikerer en T-formet π-π stabling interaktion mellem de to aromatiske molekyler. Vinklen og afstanden mellem naphthene aromatisk og asfalten falder til henholdsvis 32° og 4,6 Å. Dette indikerer, at de ikke-bindende interaktioner mellem naphthenataleramatiske stoffer og asfalten får dem til at rotere og justere orienteringen gradvist, hvilket bidrager til befugtning af revneoverfladen. Orienteringerne af de tre molekyler er næsten parallelle efter 50 ps, da vinklerne mellem dem er 26° og 35°, som vist i figur 5c. Afstanden mellem dem falder til under 4,0 Å, hvilket indikerer, at π-π stabling letter den parallelle struktur og bringer de aromatiske molekyler tættere sammen. Samlet set fremmer omorienteringen ved revneoverfladen interaktionen mellem asfaltmolekyler, hvilket forkorter den intermolekylære afstand og øger tiltrækningen blandt dem. Omorientering og diffusion af asfaltmolekyler hjælper yderligere med at fylde revnezonen op og fremskynde selvhelingsprocessen.

Figure 5
Figur 5: Omorientering af asfaltmolekyler under selvhelingsprocessen. Vinkler og afstande mellem asfaltmolekyler (a) før selvheling, (b) efter 40 ps og (c) ved 50 ps. Klik her for at se en større version af denne figur.

Mobilitet af asfaltkomponenter
For at forstå forskellige komponenters roller kvantitativt i asfaltens selvhelbredende adfærd beregnes MSD for centermassen for asfaltkomposit til at repræsentere overgangsmobiliteten under selvhelingsprocessen, som udtrykkes ved:

Equation 2

hvor ri(t) er positionsvektoren for partikel i på tidspunktet t, og vinkelbeslaget angiver gennemsnitsværdien af rejseafstanden. MSD-værdierne for ren asfalt og grafenmodificeret asfalt spores og vises i figur 6. Figur 6a-c viser MSD for asfaltkomposit med en 15 Å bredde revne, mens dem med en 35 Å bredde revne er vist i figur 6d-f. Det kan observeres, at mættede fedtsyrer er den mest aktive komponent i asfaltens selvhelbredende adfærd, mens asfalt er den mindst aktive. Der er to mulige årsager: den ene vedrører molekylmassen, da asfaltener har den højeste molekylmasse i asfalt, og de er mindre i stand til at bevæge sig og fylde revnezonen. Den anden er den kædelignende struktur af mættede fedtsyrer, som har højere mobilitet end andre komponenter og er mere tilbøjelige til at blive viklet ind og strække sig ud ved revneoverfladen. Mobiliteten af polære aromater er højere end for naphthene aromater; dette skyldes den højere molekylmasse og polaritet af polære aromater. De polære atomer på polære aromater, såsom svovlatomer, kan danne en H-binding med asfaltener, og mobiliteten kan hæmmes. MSD-tallene for grafenmodificeret asfalt på det øverste område af revnespidsen og den venstre revneoverflade er vist i figur 6b og figur 6c. Det kan ses i figur 6b, at muskel- og skeletkødet for grafen er lavere end for asfaltkomponenter, da grafen optager det største volumen og har den højeste molekylmasse i asfaltnanokompositterne. MsD-værdierne for asfaltkomponenter er relativt lavere end for ren asfalt; dette skyldes, at interaktionerne mellem disse molekyler og grafen hindrer asfaltmolekylernes mobilitet og bremser selvhelingsprocessen. Men når grafen placeres på venstre revneoverflade, forbedres mobiliteterne af polære aromater, naphthenearomater og grafen betydeligt sammenlignet med ren asfalt. Dette indikerer, at grafen spiller en vigtig rolle i selvhelingsprocessen, og at dens interaktioner med aromatiske molekyler i asfalt bidrager til asfaltens selvhelingsproces. For 35 Å bredde revnehuset i figur 6d følger MSD for ren asfalt en lignende tendens som tilfældet med 15 Å revnebredde, da MSD for asfalt, polære aromater, naphthene aromater og mættede fedtsyrer varierer i stigende grad. Når grafen indsættes i det øverste område af revnespidsen, falder MSD af mættede fedtsyrer med ca. 15 Å2. Eksistensen af grafenplader i asfaltbulk påvirker lodret det mobile rum af de mættede molekyler og forhindrer ruterne for selvhelbredelse. Af figur 6f kan det konstateres, at MSD-værdierne for asfalt, polære aromater og naphthenataler alle forbedres sammenlignet med ren asfalt, mens muskel- og skeletkødet for mættede fedtsyrer falder en smule. Grafen er meget ansvarlig for forbedringen af selvhelingsprocessen, især med molekyler, der indeholder aromater. De π-π stabling interaktioner mellem grafen og asfalt, polære aromater og naphthene aromater forbedrer mobiliteten af disse asfaltmolekyler og hjælper med at danne en stabil pakningsstruktur i revnezonen, hvilket fremskynder asfaltens selvhelingsproces.

Figure 6
Figur 6: MSD af ren asfalt og grafenmodificerede asfaltmolekyler under selvhelingsprocessen. For modeller med 15 Å revnebredde præsenteres MSD af (a) ren asfalt og grafenmodificeret asfalt på (b) toppen af revnespidsen og (c) den venstre overflade. For modeller med 35 Å revnebredde præsenteres MSD af (d) ren asfalt og grafenmodificeret asfalt på (e) toppen af revnespidsen og (f) den venstre revneoverflade. X-aksen repræsenterer tidspunktet for simuleringen, og Y-aksen repræsenterer MSD-værdierne for asfaltkomponenter og grafenmolekylet under selvhelingsprocessen. Klik her for at se en større version af denne figur.

Molekylære steder efter selvhelbredelse
For at undersøge de relative placeringer mellem grafen- og asfaltmolekyler under selvhelingsprocessen beregnes de radiale fordelingsfunktioner mellem grafen og aromatiske molekyler i asfalt og vises i figur 7. Figur 7a-c viser RDF for modellen med 15 Å revnebredde før og efter selvhelingsprocessen. Det kan ses, at de aromatiske molekyler i asfalt bevæger sig tættere på grafenarket efter selvhelingsprocessen, især de polære aromatiske molekyler og naphthene aromatiske molekyler. Som angivet i figur 4 er der stærke π-π stablingsinteraktioner mellem grafen og aromatiske molekyler såsom asfalt, polære aromater og naphthene aromater, hvilket får grafenarket til at tiltrække disse molekyler mod revneoverfladen. Forskellen i g(r)-værdierne for asfalt før og efter selvheling er imidlertid ikke så signifikant som for polære aromater og naphthenataleramatiske. Dette skyldes, at asfaltmolekylerne opnår en højere molekylmasse og volumen end de polære aromatiske og naphthene aromatiske molekyler, hvilket gør det sværere for dem at rotere og diffundere til grafenområdet og fylde revnezonen. De forhøjede g(r)-værdier mellem grafen og polære aromatiske eller naphthenamatiske molekyler inden for 4,0 Å ligger inden for den typiske interaktionsafstand for π-π stabling, og de øgede g(r)-værdier ud over 4,0 Å skyldes kombinationen af molekylære interaktioner og eliminering af revnezonen. En RDF af modellen med 35 Å revnebredde før og efter selvhelingsprocessen er vist i figur 7d-f. G(r)-værdierne mellem grafen og asfalt ud over 4,0 Å gennem selvhelingsprocessen er mere tydelige end værdierne i 15 Å-revnebredden; dette skyldes, at asfalt har mere plads til at diffundere og bevæge sig mod grafen i den større revnezone. G(r)-værdierne inden for 4,0 Å er mere signifikante for naphthenaromater end for polære aromater; dette skyldes den mindre molekylmasse og bedre diffusionsevne af naphthene aromatiske molekyler.

Figure 7
Figur 7: RDF-værdierne mellem grafen ved venstre revneoverflade og asfaltkomponenterne. RDF-værdierne mellem grafen ved venstre revneoverflade og asfaltkomponenterne i (a) asfalt, (b) polære aromater, (c) naphthenaromater fra modellen med 15 Å revnebredde, (d) asfalt, (e) polære aromater og (f) naphthene aromater fra modellerne med 35 Å revnebredde. X-aksen repræsenterer afstanden mellem de to molekyler, og Y-aksen repræsenterer RDF-værdierne. Klik her for at se en større version af denne figur.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

De kritiske trin i protokoldelen er som følger: trin 1.4 - Byg og pakk de fire typer asfaltmolekyler; trin 1.5 - Byg asfaltstrukturen med revnen; trin 2.3 - Opnå ligevægt; trin 2.4 - Udfør selvhelingsprocessen. Disse trin angiver det mest sammenhængende og vigtige indhold af protokollen. For at skabe de ønskede former for den indsatte revne ændres pakningsprocessen i forhold til den normale pakning i Materials Studio. Revneformen skabes og fyldes inde i simuleringsboksen, og derefter pakkes asfaltmolekylerne ind i den anden del af simuleringsboksen. Derefter slettes de overflødige asfaltmolekyler omkring den skabte revnekontur. Begrænsningen ved MD-simuleringer er, at tidsskalaen og længdeskalaen er relativt lille i størrelsesordenen nanosekund og nanometer sammenlignet med traditionelle metoder som finite element-metoden, hvor simuleringerne kan analyseres op til sekunder og meter57. Betydningen af denne metode er, at den kan afsløre den selvhelbredende mekanisme for asfalt og grafenmodificeret asfalt på atomistisk niveau ved at fange nanostrukturudvikling, molekylære interaktioner og bevægelser, som er svære at få adgang til ved traditionelle tilgange58. Selvhelbredende mekanisme kan hjælpe forskere og ingeniører med at anvende nanomaterialer på det relevante sted og forbedre asfalten på en effektiv måde. Den fremtidige anvendelse af denne teknik er, at den kan overvåge den molekylære struktur på en anstændig måde og hjælpe med at undersøge effekten af andre variabler af nanomaterialer såsom defekter, foldede strukturer og funktionelle grupper. Denne teknik kan også kombineres med andre tilgange til at observere asfaltnanokompositters selvhelbredende adfærd fra et multiskala aspekt. Asfaltens selvhelbredende egenskaber kan forstås grundigt og forbedres betydeligt i fremtiden.

Grafen er kritisk i ændringer og migration af grænsefladen og komponenterne under selvhelingsprocessen. Uden at indsætte grafenarket spiller mætning en vigtig rolle i selvhelingsprocessen, da kædestrukturen af mættede fedtsyrer kan vikle sig ind i hinanden og bygge bro over revneoverfladen. Brobygningseffekten mellem mættede molekyler og sidekæderne af asfaltmolekyler kan kraftigt øge pakningstætheden og reducere tiden for selvhelingsprocessen. Desuden omorienterer asfaltmolekyler med polyaromatiske ringe, såsom asfalt, polære aromater og naphthenaomater, sig ved revneoverfladen ved π-π stabling, hvilket får asfaltmolekylerne til at bevæge sig i en parallel retning og bidrager til revnebefugtning og lukker revneoverfladerne. Ved indsættelse af grafen tiltrækkes de polære aromatiske molekyler på den ene side af revneoverfladen af grafenarket på den anden side af revneoverfladen, hvilket yderligere kan øge muligheden for, at nærliggende naphthene aromatiske molekyler bevæger sig ind i revneområdet. De indsamlede asfaltmolekyler, der tiltrækkes af grafenarket, kan udfylde revnezonen med en højere hastighed end i ren asfalt, og den selvhelende evne forbedres signifikant i den grafenmodificerede asfaltnanokomposit. Asfaltmolekyler har højere molekylmasse og volumen i asfaltmatrixen, hvilket gør dem svære at diffundere til grafendelen og udfylde revnezonen. Naphthene aromater har hurtigere bevægelse end polære aromater, hvilket skyldes den mindre molekylmasse og bedre diffusionsevne af naphthene aromatiske molekyler39.

I denne undersøgelse undersøges de selvhelende egenskaber ved ren asfalt og grafenmodificerede asfaltnanokompositter under hensyntagen til forskellige revnebredder og grafenplaceringer ved hjælp af MD-simuleringer. Det observeres, at den selvhelbredende adfærd starter fra revnespidsområdet, hvor den skarpe spids bliver stump og uklar. Asfaltmolekyler ved revnegrænsen kan diffundere for at mindske revnens bredde og fortsætte med at fylde hullet. Den komplette selvhelingsproces bekræftes, når atomtætheden i revneområdet er den samme som for asfaltbulktten. MD-simuleringer kan hjælpe med at afsløre de molekylære interaktioner og kædebevægelsen i asfaltmatrixen under selvhelingsprocessen. Sammenfiltring og omorientering af asfaltmolekyler spiller en vigtig rolle i selvhelbredende adfærd. Den selvhelbredende hastighed med inkorporeringen af grafenarket bestemmes af dets placering. For grafenarket placeret ved revnespidsområdet hindres asfaltmolekylernes bevægelse og kan ikke let diffundere ind i revnezonen. For grafenarket ved siden af revnezonen tiltrækkes asfaltmolekylerne af grafenarket på grund af π-π stablingsinteraktion og samles let ved revnezonen, hvilket indikerer en stigende selvhelingshastighed. Simuleringsresultaterne viser, at nanomaterialers modifikation af asfalt kan forbedre både termomekaniske og selvhelende egenskaber, hvilket har et stort potentiale for udvikling af intelligente asfaltbelægninger. Den grundlæggende forståelse af selvhelbredende mekanisme i asfaltnanokompositter baseret på MD-simuleringer kan lette effektiv manipulation af nanomaterialer på det optimale sted, hvilket er gavnligt for det avancerede design af asfaltnanokompositter med ønskede egenskaber og funktioner.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingen interessekonflikter at erklære.

Acknowledgments

Forfatterne er taknemmelige for støtten fra City University of Hong Kong Strategic Research Grant med projekt nr. 7005547, støtten fra Research Grants Council (RGC) i Hong Kong Special Administrative Region, Kina, med projektnr. 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 Udgave 183 Asfalt grafen molekylær dynamik simuleringer selvhelbredende
Avanceret selvhelbredende asfalt forstærket af grafenstrukturer: En atomistisk indsigt
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