文摘
进一步调查的自愈机制capsule-wall材料的微胶囊和排除干扰,bi-plate试验和分子模型,建立了沥青和capsule-core材料使用动态剪切流变仪(域)和分子动力学(MD)模拟。首先,asphalt-rejuvenator-asphalt模型和asphalt-epoxy resin-asphalt建立了模拟沥青和capsule-core材料的界面。毫无价值的树脂和固化剂之间的交联,然后拉伸测试是模拟通过Perl脚本。最后,bi-plate域测试应用,揭示了核心材料和沥青材料之间的不同的作用机制。结果表明,环氧树脂的内聚能和沥青的大于返老还童药在同一仿真时间。同时,最大应力拉伸后生成的两个模型分别为69.9和34.68 MPa,分别。愈合指标嗨1和你好2有一个良好的线性相关维修时间。的嗨1环氧树脂的价值大于返老还童药,和最大价值超过1。这意味着胶囊的核心环氧树脂可以恢复受损的沥青在短时间内的力量。应该考虑环氧树脂沥青裂缝引起的剪切。
1。介绍
在道路的使用寿命,交通荷载和温度循环可能导致沥青路面开裂[1,2]。沥青混凝土的裂缝出现后,水分损失可能发生重复作用下的负载和雨3]。自修复微胶囊材料可用于沥青路面改善其自我修复能力(4]。近年来,功能材料与自我修复和自我修复功能开发(5- - - - - -7]。
目前,基于微胶囊自修复沥青混凝土的研究主要集中在微胶囊的制备,修复效率的评估,测试微胶囊机械索引。机械性能的微胶囊的研究仅限于高分子材料领域,整个自愈系统并不是考虑。为了更好地评价沥青材料自修复微胶囊的治疗功效,研究人员研究了微胶囊和沥青材料之间的行动特征(8- - - - - -10]。太阳等人准备机械搅拌MUF微胶囊成沥青160°C和研究胶囊材料在高温沥青的性质11]。张等人自修复微胶囊混合成沥青混合料根据不同剂量和研究微胶囊材料的影响沥青混合料的高、低温性能和疲劳性能(12]。艾尔Mansoori等人发现裂缝的沥青混合料含胶囊回到52.9%的初始强度,以及沥青混合料的开裂没有胶囊回到初始强度的14.0%在20°C (13]。苏等人使用圆形heating-cooling流程测试,发现微胶囊后仍保持稳定状态的极端温度变化模拟自然环境的温度变化。此外,界面脱胶的现象没有出现。这些结果表明,微胶囊可以保持稳定的沥青材料(14]。
一些研究集中在损伤后愈合沥青本身的能力。王等人。15]分析了维修时间的影响,温度和混合类型从单个因素对自愈性能使用四点弯曲疲劳试验,提出评价指标量化治疗的效果。最重要的是,黄等。16进一步研究损伤程度的影响和沥青改性剂的自愈性能。通过沥青结合料强度测试,Lv et al。17]发现,改性剂的类型和数量有很大的影响沥青砂胶的愈合能力,和改性剂的增加削弱了沥青和软沥青的自愈能力最好的疗愈能力。此外,一些研究人员已经研究了自修复微胶囊的破裂机制和发布过程。朱等人用多尺度分析和复合断裂力学来研究microencapsulated材料的机械性能要求在沥青路面和微胶囊的破裂机制的作用下微裂隙(18]。Moreno-Navarro等人发现,宏观裂缝的沥青混合物更敏感的治疗条件,和愈合率增加而上升的治疗温度(19]。此外,基质沥青的愈合能力高于改性沥青;然而,加热或外部力量的应用随着治疗技术在宏观损伤回收率较低,但是钟用耗散能理论研究发现,聚合物改性沥青的愈合能力高于基质沥青(20.]。秋等人的疗愈能力测试沥青混合使用弹性地基梁和定量评估基于力量复苏和裂缝宽度,并结果表明,粘弹性恢复延迟的主要原因是狭窄的裂缝宽度,和粘性愈合长时间或高温环境中发挥了主导作用21]。
根据上述研究,界面裂纹可以快速愈合由于粘合剂粘合和凝聚力的材料。固化粘合剂层具有一定的强度(22- - - - - -24]。微胶囊的capsule-core材料成功地准备分为稀释剂和粘合剂。返老还童药的轻油是用作稀释剂来改善沥青的流动变形特性调整沥青的粘度和胶体结构,提高其自我修复能力。环氧树脂与固化剂混合作为粘结剂沥青材料的快速愈合骨折接口通过自己的凝聚力。固化粘合剂层有一定的强度,可以可靠地连接两个接口,转移压力,抵抗伤害(25- - - - - -27]。有必要研究和开发新的实验和评价新指标包含微胶囊自修复性能的沥青材料。
在这项研究中,asphalt-rejuvenator-asphalt (ARA)和asphalt-epoxy resin-asphalt (AEA)模型第一次被开发并用于研究沥青的治疗行为和capsule-core材料使用材料工作室软件。同时,分子交联,模拟拉伸使用Perl脚本实现。然后,bi-plate模型域测试设计和模型被用来描述沥青材料的自愈性能。最后,治疗指数(嗨1和你好2)进行评估量化的自愈效果回春剂和环氧树脂沥青材料。这项研究排除干扰的舱壁和比较两种类型的治疗效果capsulate-core材料两种不同机制的行动,这将提供理论指导的微胶囊芯材料的选择和使用场景。
2。分子动力学模拟
2.1。建模
研究环氧树脂的自愈效果和回春剂在沥青分子规模,两个分子模型asphalt-epoxy树脂(硬化剂)沥青(AEA)和asphalt-rejuvenator-asphalt (ARA)成立于2020年本研究使用材料工作室,如图1。其中,沥青模型是四分量AAA-1李和格林菲尔德提出的模型28]。环氧树脂和固化剂的分子模型DGEBA IPD分子,分别。返老还童药的分子模型图所示2。
2.2。模拟过程
首先,12-component分子引入使用非晶电池模块的立方盒子根据AAA-1型号,和初始密度是0.1克/厘米3。然后,10000年初始模型是几何优化步骤。优化模型受到500 ps在NVT系综分子扩散。最后,《不扩散核武器条约》的模拟500 ps进行沥青模型来近似实际的密度在298.15 K (25°C)。指南针二世被选为所有力场模拟过程。
DGEBA和IPD分子的数量的比例是1:2。阿肯色州教育协会和ARA模型使用构建层功能。随后,10000步的几何模型进行了优化。然后,在NVT模型模拟了500年,1000年,1500年和2000 ps的扩散温度293.15 K (20°C),分别。此外,AEA模型受到分子交联DGEBA和IPD使用Perl脚本模拟环氧树脂和固化剂的反应和交联过程如图3。
2.3。分子模拟拉伸试验
在这项研究中,一个Perl脚本是用来实现一个模型直接拉伸实验。AEA的治疗效果和ARA模型研究了拉伸模型。拉伸模型受到几何优化获得动力学参数,拉伸过程如图4。最后,拉伸后产生的应力模型计算评价治疗效果。
3所示。材料和实验
3.1。材料
sk - 90 #沥青沥青选为基地。矿物粉和粘结剂的比例在沥青砂浆1:1。矿物粉是石灰岩罚款(≤0.075毫米)。回春剂是由珠海捷达石化贸易有限公司,和构图光油含有芳烃和饱和烃。胶粘剂是环氧树脂(DGEBA)和固化剂(IPD)是由济宁Hongming化学试剂有限公司的构成IPD isophoronediamine (C10H22N2)。原材料的主要属性如表所示1。图5显示了三个微胶囊使用三个核心材料准备。研究小组研究了微胶囊的性质和优化制备过程(27,29日]。
(一)
(b)
(c)
3.2。实验方法和参数
沥青粘结剂的流变性质和填补剂在不同温度、压力,并使用域的菌株进行了测试。板块PP08和PP25低,高温条件下使用。基于DSR试验、实验标本的目的是在这项研究中探讨capsule-core材料在沥青材料的自修复效果。这个标本主要是用来模拟情况后微胶囊破裂并释放的核心材料。首先,0.003 g±0.0005 g capsule-core材料(沥青含量的1.0%)均匀地应用在两个沥青标本(10毫米直径2毫米厚)准备bi-plate域测试,形成一个厚度约为3.8μm capsule-core材料。的插图bi-plate域的测试和测试样品如图6。
(一)
(b)
asphalt-rejuvenator-asphalt标本被放置在一个恒温箱20°C 1 - 6天。asphalt-epoxy树脂(固化剂)沥青样本被放置在一个20°C恒温器治疗6,12日,18日和24小时。
治疗指数(嗨1和你好2)被用来评价沥青材料的自修复性能,计算方程所示(1)和(2)。 在哪里是初始动态剪切模量(Pa) bi-plate沥青试样和是初始的动态剪切模量的沥青样品。 在哪里的加载的循环次数bi-plate沥青试样在动态剪切模量下降到50%的初始值和代表相应的加载周期的沥青试样的动态剪切模量下降到初始值的50%。
此外,线性和指数函数被用来适应基于动态剪切模量(HI治疗指数1)和疲劳寿命(嗨2),分别。本研究中使用的拟合函数方程所示(3)和(4)。的R2拟合函数的值被发现在0.91 - -0.98的范围,表明强烈的相关性。
4所示。结果与讨论
4.1。比较治疗效果的分子模型
以下4.4.1。内聚能的模型与不同的仿真时间
内聚能可以用来评估粘性材料的属性。更高的价值系统的内聚能代表更好的分子间附着力。因此,内聚能用于评估返老还童药的治疗效果和环氧树脂和沥青。图7显示了ARA分子模型与不同的仿真时间。ARA的内聚能和AEA系统计算根据方程(5)。计算结果如表所示2和图8。 在哪里Ec是模型的内聚能的;E一个沥青阶段的能量;EB是返老还童药或环氧阶段的能量;和ET是系统的总能量。
图8显示了内聚能的结果ARA和AEA模型为不同的仿真时间。从图可以看出8AEA模型的内聚能比ARA在相同的条件下,这表明环氧树脂和沥青的粘附是更好。随着恢复时间的增加,内聚能的ARA AEA模型的模型逐渐增加而增加,然后变得稳定。这反映了缓慢愈合过程的回春剂和环氧树脂的早期强度。的治疗机制、返老还童药治疗主要是通过促进沥青本身的扩散,而环氧树脂治疗增加沥青之间的附着力达到治疗(27]。
4.1.2。压力模型的各种仿真时间
进一步调查愈合模型的力学性能,使用一个Perl脚本应用50%应变模型和统计模型中产生的应力拉伸后评估治疗的效果。图9拉伸后显示了AEA模型。应力的统计结果如表所示3和图10。从图10可以看出,ARA模型的应力值是最高1500 ps的愈合时间。这表明该系统具有最高的强度。这不同于内聚能的结果。这种情况可能有两种原因:第一,实验结果被分子化学键断裂的现象,不考虑拉伸的模拟30.]。第二,与扩散时间的增加,分子的回春剂逐渐扩散到导致沥青的沥青室内界面变得柔软(31日]。AEA模型的应力值恢复时间的增加而增加。图中的模型拉伸状态9还表明,恢复时间越长,分子交联后拉伸的程度就越大。这基本上是一样的实际环氧树脂固化过程(32]。ARA模型的应力值相同的仿真时间大于AEA的模型。它表明材料的延性复苏的返老还童药优于环氧树脂。增加固化剂含量将降低环氧树脂材料的延性33]。
4.2。沥青结合料的流变特性和胶粘剂
4.2.1。准备温度敏感性
温度扫描测试的主要控制参数剪切应变为0.1%,5 rad / s的角频率,升温速率−2°C /分钟的20 - 30°C。主要控制参数是剪切应变为1%,10 rad / s的角频率,加热2°C /分钟的速度在30 - 80°C。沥青粘结剂和乳香的测试结果如图所示11。
(一)
(b)
我们可以看到在图(11日)复杂的剪切模量(G∗)的沥青结合料和砂胶增加短暂或持平在变暖的初期阶段。这可能是由于剪切作用下分子的重新定位。同时,试样厚度2毫米,试样的温度无法在短时间内均匀上升,从而使模量上升。然而,在温度逐渐增加后,温度对样品的影响远远大于厚度,导致逐渐减少沥青和沥青砂胶模量与温度的增加。在图11 (b),G∗沥青粘结剂和胶粘剂逐渐随着温度增加而减小。在初始阶段,没有类似的情况在低温的结果。这可能是由于沥青试样的厚度是1毫米,和样品的温度变化更加均匀地在加热过程中,温度的影响远远大于试样厚度的影响。这也充分说明了沥青粘结剂和胶粘剂热敏材料。
4.2.2。应力-应变特征
压力的主要控制参数扫描加载10赫兹的频率,测试温度20°C,扫描范围0.01 - 1 MPa的压力。的主要控制参数应变扫描加载10赫兹的频率,测试20°C的温度和应变扫描范围的0.01 - -100%。从图12(一个),可以看出G∗沥青砂胶一直驻留在基质沥青在加载阶段的开始。随着剪切应变的逐渐增加,模量基础沥青砂胶开始慢慢减少,然后在后期出现大幅下降,这对沥青砂胶尤为明显。沥青砂胶比基础沥青标本是第一个打破,显示类似于脆性断裂的特征,而基础沥青相对缓慢。这表明基础沥青的韧性高于沥青胶粘剂。从图12 (b),可以看出房地产基础沥青和砂胶压力的变化模式扫描模式基本上是相同的应变扫描测试。
(一)
(b)
4.2.3。疲劳性能
疲劳试验的主要控制参数的温度20°C和10赫兹的频率,和沥青标本受到疲劳测试0.1 MPa, 0.2 MPa,分别和0.3 MPa剪切应力。沥青砂胶标本疲劳测试0.2 MPa, 0.3 MPa,和0.4 MPa剪切应力,结果如图所示13。从图(13日)可以看出,控制每增加0.1 MPa的压力,G∗沥青的增加在一定程度上,但其疲劳寿命减少数量级。从图13 (b)可以看到,它的趋势G∗改变沥青砂胶沥青结合料的类似,但其疲劳寿命降低以较慢的速度比沥青粘结剂。G∗沥青粘结剂试样的变化在早期更慢,然后衰变速度当试样达到一定的疲劳程度。G∗沥青砂胶腐烂更均匀的早期和后期更慢的损害。这表明沥青砂胶的抗疲劳强度明显优于基础沥青(34]。
(一)
(b)
4.3。返老还童药对自我修复的影响
DSR bi-plate标本准备回春剂与沥青粘结剂或胶粘剂原材料和维持在一个恒定的温度20°C的环境室的1 - 6天。疲劳测试顺序进行。图14显示安全域的疲劳试验结果bi-plate标本在不同的压力。表4提出了沥青材料的初始动态剪切模量与回春剂在不同的压力。从图可以看出14和表4标本的初始模量和疲劳寿命随着固化时间的延长增加。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
从图可以看出(15日),嗨1的标本和恢复时间的增加逐渐增加。治疗指数的影响控制压力,和控制压力越高,治疗指数越高。控制压力为0.3 MPa时,治疗指数的标本和5和6天的恢复时间超过1。治疗指数大于1表明回春剂的引入不仅治愈沥青材料,还可以改善沥青材料的性能。如图15 (b),嗨2指数样本增加相对缓慢的早期阶段,但在后期大幅增加。嗨2也受到了控制压力,你好吗20.3 MPa总是大于HI2值为0.2 MPa。0.1 MPa的治疗指数小于0.3 MPa在短期恢复时间,但治疗指数的增长速度远远大于0.3 MPa时,维修时间超过4天。比较数据(15日)和15 (b)可以看出,治疗指数模量计算的比例远远大于治疗指数计算了载荷的数量。
(一)
(b)
同样,嗨1和你好2沥青砂胶计算和治疗指数和治疗时间之间的关系如图所示16。的R平方拟合函数的值被发现在0.90 - -0.99的范围,表明强烈的相关性。结果表明,自愈性能的沥青砂胶和沥青结合料显示一致的趋势随着时间愈合。从图可以看出(16日),嗨1的标本和维修时间的增长逐渐增加。治疗指数嗨1标本是大于0.7后6天。从图16 (b)可以看出,你好2标本的指数级的增长,相对缓慢增长的早期阶段,但后期爆发增长。嗨2也影响了测试控制压力。嗨20.2 MPa总是最小值,和治疗指数0.3 MPa大于0.4 MPa在短期维修时间。治疗指数为0.4 MPa增加更快,超过0.3 MPa,维护时间延长。这表明沥青受损后,返老还童药可以治愈它在很短的时间内,但损害位置仍然是一个薄弱的整个表面,可以很容易地摧毁了重复荷载作用下,其疲劳性能的恢复是一个长期的过程。比较治疗指数的结果使返老还童的粘结剂和胶粘剂,泥浆的愈合索引值大于相同的测试条件下的粘结剂。这表明回春剂的粘结剂的自愈效果更明显(31日]。
(一)
(b)
4.4。环氧树脂对自我修复的影响
DSR bi-plate标本的环氧树脂在环境室保持20°C 6、12、18、24小时,然后进行疲劳试验。沥青粘结剂和胶粘剂的疲劳试验结果标本0.2 MPa的压力控制图所示17。表5提出了沥青材料的初始动态剪切模量与环氧树脂在不同的压力。从图可以看出17标本的初始模量和疲劳寿命随着固化时间的延长增加压力相同的控制条件。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
图18显示治疗指数的拟合曲线沥青结合料的标本。从图可以看出(18日)治疗指数嗨1的bi-plate标本与固化时间的增加逐渐增加。治疗指数嗨124小时后大于1.0。的条件下控制0.2 MPa和0.3 MPa的压力,治疗指数嗨1大于1.0治疗后18小时。此外,治疗指数的影响控制压力;控制压力越大,治疗指数越高。治疗指数大于1时,粘合剂的引入不仅治愈沥青材料,还可以改善原沥青材料的性能。从图18 (b)可以看出,治疗指数,你好2标本的生长在一个线性的方式。比较数据(18日)和18 (b)复杂,治疗指数计算的初始剪切模量的比例远远大于计算载荷的数量,这表明沥青的粘结剂可以治愈后短时间内沥青已损坏(35]。
(一)
(b)
图19显示治疗指数的拟合曲线沥青砂胶标本。从图可以看出(19日)治疗指数嗨1的标本与固化时间的增加逐渐增加的条件下控制0.2 MPa和0.3 MPa的压力。相反,治疗指数嗨1逐渐随固化时间的增加而减小的情况下控制0.4 MPa的压力。控制条件下的压力为0.4 MPa,观察试样的损伤在平行板之间的接触界面和标本在测试期间,属于标本和平行板之间的剥离,而不是样本本身的疲劳损伤;这一现象的两个主要原因如下:(1)沥青砂胶本身之间的附着力,平行板在测试期间小和控制压力大;(2)与养护时间的延长,环氧树脂固化到一个更高的学位。环氧树脂的固化程度提高了维修时间较长的允许沥青的力学性能恢复和样品很容易脱层的平行板在更高的压力。比较数据(19日)和19 (b)可以看到,它的变异模式治疗指数嗨2两件套的样品基本上是一样的治疗指数的嗨1。治疗指数嗨1大于0.8,治疗指数你好吗2大于0.4下的24小时标本控制0.2 MPa和0.3 MPa的压力。初始治疗指数计算的复杂的剪切模量比远远大于计算载荷的数量。这表明沥青损坏后,胶可以使其在短时间内治愈,但疲劳损伤可能会发生反复荷载作用下,和需要更长一段时间恢复疲劳性能。比较治疗指数环氧树脂沥青粘结剂和胶粘剂,沥青粘结剂的治疗指数价值大于相同条件下沥青砂胶。这个结果表明,环氧树脂有更好的愈合与回春剂对沥青结合料的影响不同。控制压力为0.3 MPa时,治疗指数嗨1和你好2环氧树脂是大于返老还童药的,这表明更好的自愈的环氧树脂。嗨的价值1甚至超过了1,这是由于高强度的固化环氧22]。这表明环氧树脂材料可以更好地恢复沥青的抗剪强度。
(一)
(b)
5。结论
在这项研究中,分子动力学模拟和流变测试是用于调查的影响两个capsule-core材料与各种自愈机制回春剂和环氧树脂等。主要结论如下:(1)环氧树脂有较强的债券比回春剂沥青。这是由于这样的事实,可以用作环氧树脂粘结剂虽然返老还童药的主要成分是轻油根据分子模拟结果。重要的是,ARA模型产生拉伸后的最高压力。这表明返老还童药的效果恢复沥青的延性是光明的。(2)在返老还童药的作用和沥青材料在相同的控制压力条件下,愈合指标嗨1和你好2有一个良好的线性相关性与维修时间和治疗指数你好吗1远比你好吗2,这表明沥青受损后,在一段时间内的返老还童药可以治愈。然而,损伤位置仍然是一个整体的弱点,很容易摧毁了重复荷载作用下,疲劳性能的恢复是一个长期的过程。(3)由于高强度的固化环氧树脂本身,治好了沥青材料良好的剪切强度。然而,固化剂的量需要根据实际情况调整。(4)从上面的结果,返老还童药推荐作为治疗microencapsulated材料裂缝由于温度应力,而环氧树脂更适合裂缝是由于车辆荷载剪切。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
作者的贡献
Suhua陈负责方法,调查,数据管理,正式的分析、验证、草稿准备,审查和编辑。气刘负责概念化、软件评审和编辑和监督。Yanqiu Bi草稿准备,负责审查和编辑和融资收购。本于负责审查和编辑、监督和资金收购。张Jiupeng负责审查和编辑和验证。
确认
这项研究得到了江苏交通科技项目(批准号2020 y19-1(1)),中国国家自然科学基金(批准号重庆5220082882),自然科学基金(批准号2022 nscq-msx1939)。作者非常感谢国家示范实验中心道路和交通工程教育(东南大学)在南京,中国。