동적 전단 Rheometer에 의한 리그닌 개질 아스팔트 바인더의 유변학적 특성 및 상용성에 대한 열산소노화 모드의 영향 1부

추상적인: 리그닌은 자연계에 풍부하게 함유되어 있습니다. 아스팔트 포장 산업에서 리그닌을 사용하면 포장 성능을 향상시키면서 포장 건설 비용을 효과적으로 최적화할 수 있습니다. 이 논문의 목적은 아스팔트의 노화 방지 특성에 대한 리그닌의 영향을 연구하는 것입니다. 리그닌 개질 아스팔트 바인더를 제조하기 위해 상업용 리그닌을 선택하였다. 리그닌 개질 아스팔트의 특성을 유변학적 실험을 통해 연구하였다. 리그닌 함량이 다른 2종의 기초 아스팔트와 개질 아스팔트 시료에 대해 원본, 롤링 박막 오븐(RTFO) 시효, 압력 시효 용기(PAV)의 세 가지 조건에서 고온 유변학적 특성을 온도 스윕으로 시험 및 분석했습니다. , 주파수 스윕 및 다중 응력 크리프 복구(MSCR) 테스트. 복합전단탄성계수 G*, 위상각 δ, 항노화지수, 누적변형률, 점성성분 Gv 등 평가지표의 변이법칙을 비교하여 리그닌이 기반 아스팔트의 고온안정성을 효과적으로 향상시킬 수 있음을 확인하였다. 그러나 그것은 기본 아스팔트의 호환성 문제를 해쳤습니다. 한편, 리그닌은 기초 아스팔트에서 충전 역할을 하였으며, 점도의 증가는 기초 아스팔트의 고온 안정성을 향상시키는 근본적인 원인이었다. 연구 결과는 리그닌이 아스팔트의 노화 방지 성능을 효과적으로 개선하고 포장의 수명을 연장하는 데 긍정적인 역할을 할 수 있음을 나타냅니다.

Cistanche의 배당체는 또한 심장 및 간 조직에서 SOD의 활성을 증가시킬 수 있으며 각 조직에서 리포푸신 및 MDA의 함량을 크게 감소시켜 다양한 활성 산소 라디칼(OH-, H₂O₂ 등)을 효과적으로 제거하고 이로 인한 DNA 손상으로부터 보호합니다. OH-라디칼에 의해. Cistanche phenylethanoid glycosides는 자유 라디칼의 강력한 소거 능력, 비타민 C보다 높은 환원 능력, 정자 현탁액에서 SOD의 활동을 개선하고 MDA의 함량을 감소시키며 정자 막 기능에 대한 특정 보호 효과가 있습니다. Cistanche 다당류는 D-갈락토스에 의해 유발된 실험적으로 노화된 쥐의 적혈구 및 폐 조직에서 SOD 및 GSH-Px의 활성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 폐 및 혈장의 MDA 및 콜라겐 함량을 감소시키고 엘라스틴 함량을 증가시킬 수 있습니다. DPPH에 대한 우수한 소거 효과, 노화된 쥐의 저산소증 시간 연장, 혈청 내 SOD 활성 개선, 실험적으로 노화된 쥐의 폐의 생리학적 퇴행 지연 피부 노화 질환을 예방하고 치료하는 약물이 될 가능성이 있습니다. 동시에 Cistanche의 echinacoside는 DPPH 자유 라디칼을 제거하는 상당한 능력을 가지고 있으며 활성 산소 종을 제거하고 자유 라디칼로 인한 콜라겐 분해를 방지하며 티민 자유 라디칼 음이온 손상에 대한 우수한 복구 효과도 있습니다.

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1. 소개

점탄성 물질인 아스팔트는 뛰어난 성능과 승차감으로 인해 많은 국가에서 고급 노면의 많은 부분을 차지합니다. 그러나 아스팔트는 고온에 민감하고 고온에서 쉽게 연화되는 등 명백한 단점이 있습니다. 저온에서 쉽게 부서지기 쉽고 고급 고속도로의 요구 사항을 충족하지 못할 수 있습니다. 노후화로 인한 불충분한 고온 안정성도 도로 산업의 문제입니다. 아스팔트와 돌 사이의 접착력과 열과 산소의 작용에 의한 아스팔트의 노화 현상은 도로에서 아스팔트의 품질과 내구성에 영향을 미친다[1-5]. 고온의 생산, 저장, 운송 및 가공 과정에서 아스팔트는 공기 중의 산소와 쉽게 접촉하여 단기 노화가 발생합니다. 노화의 가장 중요한 유형은 열 산화 노화입니다. 열 산화적 노화는 아스팔트의 화학 조성 및 분자 구조의 변화를 초래할 수 있으며 온도 센서도 변화할 수 있습니다. 또한 개질 아스팔트마다 노화 효과가 다릅니다. 고온에 장기간 노출되면 아스팔트 바인더의 점도가 증가하고 점탄성 특성이 변경됩니다[6]. 현재 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체(SBS) 개질 아스팔트는 중국 및 기타 국가에서 널리 사용되고 있습니다. SBS는 아스팔트와 아스팔트 혼합물의 고온 성능과 노화 방지 성능을 크게 향상시킬 수 있지만[7-9], SBS-개질 아스팔트는 비싸다[10].

셀룰로오스 다음으로 자연계에서 두 번째로 풍부한 재생 가능한 천연 고분자 화합물인 리그닌은 분자 구조에 옥시페닐프로판올 또는 그 유도체 구조 단위를 포함하는 방향족 고분자입니다[11]. 리그닌은 석유화학 원료 대신 페놀수지 재료[12-14], 에폭시 수지 재료[15-17], 폴리우레탄 재료[18-20]에 사용할 수 있을 뿐만 아니라 고분자 재료와 혼합하여 폴리머 재료의 기계적 특성[21], 열 안정성[22], 노화 방지(산화)[23] 및 난연성[24]을 증가시킵니다. 최근에는 플라스틱[25], 접착제[26] 및 기타 분야에서 널리 사용되었습니다. Wuet al. [27]은 리그닌 개질 아스팔트를 적외선 분광법(FTIR)과 시차주사열량계(DSR)로 분석한 결과, 리그닌 첨가가 아스팔트의 노화 과정을 상당히 지연시키고 리그닌 개질 아스팔트의 열분해를 증가시킬 수 있다고 지적했다. 노화 후. 한편, 노화 과정에서 안정성과 저온 균열 저항성이 향상되었습니다. Gaoet al. [28] 리그닌 개질 아스팔트 바인더의 고온 유변학적 거동과 피로 특성을 연구했습니다. 결과는 리그닌의 첨가가 다른 회전 속도에서 고온에서 아스팔트의 점도와 변형 저항을 개선했음을 나타냅니다. Batistaet al. 리그닌 개질 아스팔트 바인더의 고온, 저온 및 노화 특성. 결과는 리그닌이 아스팔트 바인더의 고온 부식 저항성 및 저온 균열 저항성을 향상시키는 데 도움이 된다는 것을 입증했습니다. Xu et al. 리그닌 개질 아스팔트 바인더의 유변학적 특성과 노화 방지 특성을 연구했습니다. 결과는 리그닌의 첨가가 RTFO 및 PAV 노화 공정 후에 아스팔트 바인더에서 카르보닐 작용기의 형성을 억제하는 데 도움이 된다는 것을 보여주었습니다. 이것은 리그닌이 항산화 개질제로 사용될 수 있음을 나타냅니다. 그러나 리그닌의 첨가는 아스팔트 바인더의 내피로성을 손상시킨다.

결론적으로, 리그닌은 아스팔트의 고온 안정성과 노화 방지 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있습니다. 그러나 다양한 노화 효과 하에서 리그닌 개질 아스팔트의 고온 유변학적 특성은 더 연구되어야 합니다.

본 논문에서는 리그닌 함량이 서로 다른 2종의 기초 아스팔트와 개질 아스팔트 시료를 원시효, 단기 시효, 장기 시효의 3가지 상태에서 고온 유변학적 특성을 DSR(Dynamic Shear Rheometer)로 분석하였다. 온도 스윕, 주파수 스윕 및 반복 크리프 테스트. 복합전단탄성계수 G*, 위상각 δ, 항노화지수, 누적변형률, 점성성분 Gv 등의 지표를 이용하여 리그닌 개질 아스팔트의 노화성능을 연구하였다.

이 백서에서 완성한 세부 계획은 그림 1에 나와 있습니다.

2. 재료 및 방법

2.1. 원료

2.1.1. 리그닌

여기서 사용된 상업용 리그닌은 Jinan Yanghai Chemical Co., Ltd.(Jinan, China)에서 생산되었다. 200-체망을 통과한 리그닌을 사용하여 시험하였으며, 주요 기술지표, 분자량, 열분해 매개변수는 표 1과 같다. 이 중 리그닌 지시약은 제조사에서 제공하였다. 리그닌의 분자량은 Agilent pl-gpc50 겔 크로마토그래피로 측정하였고, 열분해 시험은 Mettler Toledo TGA/sdta851 동기 열중량 분석기로 수행하였다.

2.1.2. 기반 아스팔트

본 논문에서는 Maoming 70# 아스팔트와 Donghai 90# 아스팔트를 관련 실험에 사용하였다. 다양한 특성의 테스트 결과가 표 2에 나와 있습니다.

2.2. 리그닌 개질 아스팔트의 제조

리그닌 개질 아스팔트 제조에는 Shanghai Weiyu Co., Ltd.(Shanghai, China)에서 생산한 고속 전단 분산 유화기(BME 100L)를 사용하였다. 베이스 아스팔트를 150℃로 가열하여 일정시간 유지한 후 200-메시 체를 통과한 후 리그닌을 베이스 아스팔트에 균일하게 천천히 일괄 투입하여 예비 분산. 그런 다음 고속 전단기의 속도를 저속에서 5000 r/min까지 서서히 증가시킨 후 1시간 동안 전단하였다. 전단 후 리그닌과 매트릭스 아스팔트가 혼합된 시료용기를 120℃ 항온오븐에 1시간 동안 넣어 리그닌 개질 아스팔트의 제조를 완료하였다. 본 실험에서는 리그닌 함량이 다른 5종(3, 6, 9, 12, 15%)의 리그닌 개질 아스팔트를 준비하였다. Maoming 아스팔트는 MM-3, MM-6, MM-9, MM-12, MM-15로 표시되었습니다. Donghai Maoming 아스팔트는 DH-3, DH-6, DH-9, DH-12, DH-15로 표시되었습니다. 기본 아스팔트는 MM-0 및 DH-0로 표시했습니다. 고온 유변학적 특성과 노화 특성의 영향을 연구하기 위해 120°C에서 1시간 동안 현상하고 기본 아스팔트와 비교했습니다.

2.3. 노화된 샘플의 준비

JTGE {{0}} "Highway Asphalt and Asphalt Mixture Test Regulations"에 따르면 회전 필름 오븐 테스트(T 0610-2011) 및 압력 노화 용기 가속 아스팔트 노화 테스트(T {{2} })를 실시하였다. 먼저, 35 ± 0.5 g 피치를 유리병에 붓고 RTFOT의 온도는 163 ºC로 유지하고 시간은 85분으로 유지했습니다. RTFO 노화 샘플은 후속 테스트를 위해 준비되었습니다. 50 ± 0.5 g의 리그닌 개질 아스팔트 샘플 플레이트를 PAV 장기 숙성 상자에 넣고 온도는 100 °C, 유지 압력은 2.1 MPa, 숙성 시간은 20시간으로 설정하였다.

2.4. 테스트 설계 및 평가 지표

2.4.1. 온도 스캐닝 및 주파수 스윕 테스트

아스팔트의 온도 스윕 및 주파수 스윕 테스트는 DHR{{0}} 동적 전단 레오미터를 사용하여 수행되었습니다. 온도 스윕 시험은 목표 변형률 값의 12%와 하중 주파수의 10 rad/s로 변형률 제어 방법을 통해 채택되었으며, 시험 온도 범위는 30~100 ºC이고 그 사이는 2 ºC입니다. 샘플링 간격. 개질 아스팔트의 점탄성 특성을 연구하기 위해 주파수 스윕 테스트를 사용했습니다. 주파수 소인의 온도는 30~60℃, 주파수 범위는 0.1~100 rad/s, 변형률 진폭은 0.5% 이었다. 그 중 원아스팔트와 회전필름오븐에서 숙성 후 아스팔트는 직경 25mm, 간격 1mm의 평행판으로 스캔하였고, 가압 숙성 후 아스팔트는 직경 25mm의 평행판으로 스캔하였다. 8mm의 간격과 2mm의 간격.

2.4.2. 노령화 지수 평가

고온 유변학을 기반으로 한 노화 성능 분석은 복합 전단 계수 노화 지수(G*AI)로 평가되었으며 구체적인 계산 공식은 식(1)[31]과 같다. 작동 온도 범위는 46~82ºC이고 샘플링 간격은 6ºC입니다.

2.4.3. 크리프 테스트 반복

현재 아스팔트 및 개질 아스팔트의 고온 성능을 평가하기 위해 AASHTO MP19- 10의 다중 응력 반복 크리프 회복 시험(MSCR)이 채택되었습니다[32]. 본 논문에서는 하중 1초, 제하 9초의 다중응력 반복 크리프 회복 실험을 수행하였으며, 100싸이클의 크리프 회복 과정을 수행하였다. 시험온도는 64℃, 시험응력은 300Pa. 점성성분은 Burgers 모델로 구하였다. Burgers 모델 방정식은 두 개의 방정식으로 나뉩니다. 하나는 일정한 변형률을 입력하는 응력-완화 모드 방정식이고, 다른 하나는 일정한 입력 응력을 갖는 크리프 하중 모드 방정식입니다. 두 방정식 모두 역변환과 라플라스 변환으로 계산할 수 있습니다. 본 논문에서는 크리프 하중 모드 방정식을 채택하였으며 Burgers 피팅 방정식은 (2)와 같이 공식화하였다.

여기서 ε(t)는 아스팔트 시편의 누적 크리프 변형률이다. σ0는 아스팔트 시험의 하중 응력입니다. η1과 E1은 각각 Maxwell 모델의 감쇠 계수와 탄성 계수를 나타냅니다. η2 및 E2는 각각 Kelvin 모델의 감쇠 계수 및 탄성 계수를 나타냅니다. t는 로딩 시간입니다. E1은 고온에서 아스팔트의 탄성 회복 능력을 반영합니다. η1은 회복 불가능한 변형을 반영한 점도 계수로 아스팔트의 점도 변형 계수와 관련이 있습니다. E2와 η2는 장기하중과 실온에서의 하중 작용을 반영하며, 이는 변형의 탄성 회복을 지연시키는 아스팔트의 능력을 반영합니다. 본 연구에서 η1은 크리프 강성의 점성부 Gv이다. 이 시험은 기초 아스팔트와 리그닌 개질 아스팔트의 고온 성능을 평가하기 위해 채택되었다.

3. 결과 및 논의 결과

3.1. 리그닌 개질 아스팔트의 유변학적 특성 분석

원래 및 다른 노화 아스팔트 샘플에 대한 복소 계수 G* 및 위상각 δ의 테스트 결과가 그림 2에 나와 있습니다.

그림 2a,b에서 볼 수 있듯이 원래 아스팔트와 비교하여 개질 아스팔트의 복소계수는 리그닌 첨가로 인해 증가했습니다. 리그닌 개질 아스팔트는 온도가 증가함에 따라 복소전단탄성계수가 감소하고 위상각이 증가하는 경향을 보였지만 변화하는 경향은 점차 평탄화되었다. 리그닌의 증가는 고온 성능을 향상시켰지만 온도 민감도를 변화시키지 않았으므로 온도가 영향을 미쳤습니다. 아스팔트는 온도에 민감한 물질이기 때문에 온도가 낮을 ​​때 탄성을 나타내다가 온도가 높아짐에 따라 점차 점성 유동 상태로 변한다.

기본 아스팔트의 유변학적 매개변수에 대한 다양한 리그닌 함량의 영향을 비교한 결과 Maoming 70# 기본 아스팔트의 경우 너무 많은 리그닌을 첨가하면 주로 점성 저항(내부 마찰)이 증가하는 것으로 나타났습니다. 점도의 증가는 복소전단탄성률의 감소와 위상각의 증가에 기인한다. 리그닌 함량이 9%일 때 유변학적 변수의 변곡점이 나타나 최적의 리그닌 함량이 있음을 알 수 있었다.

그러나 Donghai 90# 아스팔트의 경우에는 동일한 경향이 나타나지 않았으며 아스팔트 바인더의 복소전단탄성계수와 위상각은 각각 리그닌 함량이 증가함에 따라 선형적으로 증가 및 감소하였다.

리그닌 함량이 증가함에 따라 아스팔트의 콜로이드 구조 유형은 변하지 않았지만 아스팔트 콜로이드 구조 조성 비율의 증가로 인해 상 구조가 변경되었을 수 있습니다 [33]. Donghai 90#에 비해 Maoming 70#은 아스팔텐 함량이 더 높았다[34]. 따라서 아스팔텐 함량은 리그닌 함량에 따라 두 기본 아스팔트의 서로 다른 유변학적 매개변수가 변하는 근본적인 이유였습니다.

그림 2c,d에서 각 아스팔트 샘플의 복소계수와 위상각이 RTFO 노화 후 서로 다른 정도의 감소 및 증가를 나타냄을 볼 수 있습니다.

리그닌 함량이 증가함에 따라 Maoming 아스팔트의 복합 탄성계수는 먼저 증가한 다음 감소하여 노화 전과 동일합니다. 위상각은 15%의 함량을 제외하고는 원래 아스팔트보다 컸다. 한편 Donghai 아스팔트의 복소계수와 위상각은 리그닌 함량이 증가함에 따라 각각 증가 및 감소하였다.

그림 2e,f에서 PAV 노화 후 Maoming 아스팔트의 복소계수는 기본 및 RTFO 노화 바인더 샘플과 반대이며 리그닌 함량이 증가함에 따라 감소했으며 Maoming 리그닌 개질 아스팔트의 위상각은 그것보다 컸습니다. 기본 아스팔트의. 리그닌 함량이 3%와 15%인 아스팔트를 제외하고 Donghai 리그닌 개질 아스팔트의 복소계수는 RTFO 노화 조건과 일치하는 기본 아스팔트보다 컸다.

3.2. 리그닌 개질 아스팔트의 PG 분류 분석

부식 계수 G*/sinδ는 고온에서 아스팔트 바인더의 부식 저항성을 평가하는 데 사용되었습니다. Rutting factor G*/sinδ가 클수록 고온 저항성이 좋아지고 아스팔트 바인더의 영구 변형 저항성이 강해집니다. 그림 3은 58~82℃에서 노화 전과 후의 각 아스팔트 시료의 Rutting factor G*/sinδ에 대한 결과를 보여준다.

Figure 3에서 보는 바와 같이, 리그닌 함량이 증가함에 따라 노화 전후 두 종류의 아스팔트의 Rutting factor G*/sinδ 값이 크게 증가하였으며, Maoming 아스팔트에 대한 리그닌 함량이 15%인 리그닌 개질 아스팔트 샘플은 노화 후 최고의 방청 성능이지만 PG 고온 등급은 변경되지 않았습니다. Donghai 아스팔트는 숙성 전후의 리그닌 함량이 15%일 때 가장 강한 고온 부식 저항성을 나타냈고, 이 함량에서 PG의 고온 등급이 한 단계 증가했다.

3.3. 리그닌 개질 아스팔트의 복합 전단 계수 노화 지수

노화 정도를 더 명확하게 하기 위해 다양한 시험 온도 범위에서 복합 전단 모듈러스 노화 지수 G*AI를 계산했습니다. RTFO 및 PAV 에이징 조건에서 다양한 바인더의 G*AI 값이 그림 4에 나와 있습니다.

그림 4a,b에서 RTFO 노화 하의 Maoming 아스팔트의 G*AI가 먼저 증가한 다음 기본 아스팔트보다 약간 낮은 값으로 리그닌 함량이 증가함에 따라 증가했음을 볼 수 있습니다. 리그닌 함량이 9%인 리그닌 개질 아스팔트 바인더의 G*AI가 가장 낮았다. Donghai 아스팔트 바인더의 RTFO 노화 지수 G*AI는 리그닌 함량 증가에 따른 명확한 규칙성이 없었으며, 이는 노화로 인한 아스팔트 조성의 변화일 수 있습니다. 그림 4c,d에서 PAV 노후화 하의 지수 G*AI가 온도 증가에 따라 포물선 형태로 변했음을 볼 수 있습니다. PAV 노화 조건에서 리그닌 함량이 9%인 Maoming 아스팔트의 지수 G*AI는 RTFO 노화 조건과 일치하는 가장 낮았으며, 이는 리그닌 첨가가 PAV 노화 조건에서 Maoming 아스팔트의 저항 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있음을 나타냅니다. . 그러나 리그닌 함량이 12%인 동해아스팔트의 G*AI 지수가 가장 낮았고, 이는 RTFO 노후화 조건에서의 지수와 동일하였다. 그러나 노화 저항성이 없다는 의미는 아닙니다. 그 이유는 이 방법이 잘 특성화되지 못했고 더 나아가 높은 등급의 아스팔트에 대한 적용 가능성이 중요하지 않다는 것을 나타냅니다. 정리하자면, 리그닌 함량이 9%인 마오밍 아스팔트가 가장 우수한 노화 방지 효과를 보였고, 리그닌 함량이 12%인 동해 아스팔트가 가장 우수한 노화 방지 효과를 보였다.

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